夏文明

(攀枝花鋼鐵集團(tuán)股份有限公司軌梁廠，四川攀枝花617000)

1 引言

攀鋼軌梁廠檢測中心是重軌質(zhì)量檢測的重要主體設(shè)備，是優(yōu)質(zhì)鋼軌生產(chǎn)中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。鋼軌矯直后必須通過鋼軌檢測中心的斷面檢測儀、平直度檢測儀、渦流檢測裝置、超聲波檢測裝置進(jìn)行全面質(zhì)量檢測后方可進(jìn)入下一道工序。鋼軌的缺陷位置標(biāo)識是由測長裝置來完成的，測長裝置在檢測中就顯得尤為關(guān)鍵。改進(jìn)前鋼軌測長系統(tǒng)是由6套測量輪帶編碼器組合的測量裝置，利用測量輪跟隨鋼軌運(yùn)動(dòng)而帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)得到鋼軌長度。該系統(tǒng)測量輪與鋼軌是硬接觸，并且通過氣缸進(jìn)行升降，在實(shí)際生產(chǎn)中很容易出現(xiàn)故障:一是測量輪的防滑膠皮磨損快、易脫落，更換測量輪周期很短;二是測量輪長期與鋼軌接觸，編碼器長期處于振動(dòng)中，編碼器易損壞;三是鋼軌長度檢測波動(dòng)大，不精確，極不利于鋼軌質(zhì)量檢測控制。

隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)日趨成熟。通過非接觸式的LaserSpeed9000系列激光測長系統(tǒng)對鋼軌測長就避免了摩擦、振動(dòng)等因素帶來的測量誤差，使測長系統(tǒng)更加精確可靠。

2 LS9000激光測長原理

LS9000激光測量儀把傳統(tǒng)的激光測量光路信號處理系統(tǒng)及輸出模塊集成在一體，從而獲得更高的工作可靠性及測量精度。采用極化分光光路，可以將傳統(tǒng)系統(tǒng)中單獨(dú)設(shè)計(jì)制造的測速探頭與信號的處理與輸出模塊集成在一起，減少多普勒高頻信號的傳輸環(huán)節(jié)，避免外部干擾信號進(jìn)入系統(tǒng)。LS9000激光測長儀主要是利用激光多普勒效應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)高精度的速度測量。當(dāng)兩束同源激光在測量區(qū)域相交后，干涉產(chǎn)生一個(gè)條紋立體空間，當(dāng)鋼軌經(jīng)過該交叉區(qū)域，形成明暗交錯(cuò)的條紋帶，如圖1所示。條紋間隔d由激光波長λ及兩束激光間的半角k決定，d=λ/(2×sink)。被測量鋼軌經(jīng)過該區(qū)域的條紋帶時(shí)，鋼軌表面的微小結(jié)構(gòu)顆粒結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生明暗交錯(cuò)的漫反射光信號，該信號被儀表的光子探測器轉(zhuǎn)化為脈動(dòng)的電信號，該信號頻率與鋼軌速度相關(guān)，頻率f=v/d。由此有:

由以上公式得知鋼軌速度V由頻率f決定。鋼軌長度l=∫vdt，由儀器處理器自行計(jì)算得到。激光測量系統(tǒng)就是通過激光多普勒效應(yīng)和相應(yīng)的計(jì)算即可測量出被測物體的速度、長度。

圖1 激光測量原理圖

3 鋼軌激光測量系統(tǒng)簡介

鋼軌測量系統(tǒng)主要由三套Laser-Speed9000測量儀、六套鋼軌定位對中裝置等附屬設(shè)備組成。三套LaserSpeed9000測量儀一套安裝于高寬測量與第一套對中裝置間，一套安裝在渦流檢測裝置與超聲波檢測裝置間，另外一套安裝在第六套對中裝置后。被測量鋼軌進(jìn)入LS9000激光測速系統(tǒng)測速區(qū)域時(shí)，LS9000會(huì)自動(dòng)檢測該鋼軌的存在，自動(dòng)啟動(dòng)測長過程。當(dāng)LS9000工作在FINAL LENGTH模式下時(shí)，鋼軌在測量過程中，LS9000不產(chǎn)生輸出。當(dāng)鋼軌尾端離開激光測長儀的有效測量位置后，LS9000向PLC送出該次測量的結(jié)果，同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，等候下一次測量的開始。激光測長儀將檢測到的速度和長度通過plc傳到清潔站處理器、斷面檢測處理器、平直度檢測處理器、渦流檢測處理器、超聲波檢測處理器，使其能夠準(zhǔn)確計(jì)算和反映檢測出缺陷位置，便于查找和標(biāo)識處理。六套對中裝置裝于每套檢測設(shè)備的前后，將鋼軌導(dǎo)向于檢測設(shè)備的中心線，使鋼軌的擺動(dòng)盡量小，提高測量儀測得數(shù)據(jù)的精度。平直傳輸鏈安裝于平直度檢測裝置中，以保障平直度檢測結(jié)果精確。

4 LS9000激光測長系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鋼軌檢測中心測量裝置是以LS9000激光測量儀為核心。通過與西門子S7300PLC的數(shù)據(jù)交換，完成整個(gè)測量系統(tǒng)的測長處理和缺陷報(bào)警位置顯示。

4.1 LS9000激光測量儀性能參數(shù)

LS9000激光測量儀測量精度高，在線測量精度優(yōu)于 ±0.05%，可控環(huán)境下優(yōu)于±0.002%。速度測量范圍大，速度量程為－20km/min～ +20km/min。信號輸出接口多樣化，適用于多種協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸。輸出接口有測長5V或者24V的脈沖信號、速度模量輸出、RS-232和RS-422通訊協(xié)議接口、激光測長儀控制信號接口。鋼軌測長系統(tǒng)主要用到了脈沖輸出信號和Profibus DP協(xié)議的接口，很好地實(shí)現(xiàn)了與外部處理的通訊和數(shù)據(jù)交換。

4.2 LS9000測長系統(tǒng)硬件配置

LS9000激光測量儀通過專用電纜連接到信號分接端子，然后通過Profibus－DP直接掛到西門子PLC中。測量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)包括:一是LS9000激光測速測長系統(tǒng)，該系統(tǒng)安裝在現(xiàn)場直接對通過有效測量區(qū)域的鋼軌進(jìn)行檢測;二是信號電纜，用于設(shè)備連接;三是信號分接端子，該端子安裝在電控室PLC柜內(nèi)，激光測長儀將處理過的信號通過該端子發(fā)送給上位機(jī)處理器，如下圖2、圖3所示。

4.3 LS9000測量儀軟件參數(shù)設(shè)置

LS9000測量系統(tǒng)安裝運(yùn)行前必須根據(jù)外部設(shè)備所接收的脈沖數(shù)對應(yīng)的長度、核心系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化及輸入、輸出等功能進(jìn)行設(shè)置調(diào)試。不同的反光物體和使用環(huán)境都需要通過軟件參數(shù)設(shè)置使其更準(zhǔn)確地進(jìn)行測量。測量系統(tǒng)使用的軟件是BLM LaserTrak4.0版本，是測量系統(tǒng)的核心軟件。激光測量儀是否能正常工作就取決于軟件參數(shù)設(shè)置。

圖2 硬件配置

圖3 PLC硬件組態(tài)

LS9000測量系統(tǒng)軟件調(diào)試步驟如下:

第一步:用專用電纜(測量儀端為25針插頭，計(jì)算機(jī)側(cè)為9針插頭)將測量儀和計(jì)算機(jī)連接起來，單獨(dú)將12針與24針接入24VDC電源，為激光測量儀供電。

第三步:進(jìn)入配置設(shè)定界面，根據(jù)現(xiàn)場被測物體的表面特征和使用環(huán)境明暗度等設(shè)置相應(yīng)的匹配參數(shù)。一般情況下我們需要對以下四個(gè)界面進(jìn)行設(shè)定，也可以根據(jù)需要進(jìn)行不同模式和參數(shù)設(shè)定。設(shè)定完成后保存后重新啟動(dòng)軟件即可。

圖4 通訊設(shè)置

圖5 輸出設(shè)置

5 應(yīng)用分析

經(jīng)過近一年的運(yùn)行使用，在使用過程中LS9000激光測長測量系統(tǒng)也存在一些小問題，但只要我們通過對儀器性能和控制參數(shù)的深入理解，就能很快解決現(xiàn)場實(shí)際問題。充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提高系統(tǒng)精度和可靠性。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置

圖7 高級設(shè)置

5.1 被測物運(yùn)動(dòng)過程中的振動(dòng)影響系統(tǒng)精度

鋼軌在運(yùn)行過程中，由于運(yùn)輸輥道磨損程度和鋼軌矯直的平直度的不同，很容易出現(xiàn)較大的左右和上下擺動(dòng)，有時(shí)脫離儀器的有效檢測范圍，對測量精度影響較大，不穩(wěn)定。通過調(diào)整6套對中傳輸系統(tǒng)的氣缸壓力，減輕鋼軌的振動(dòng)，同時(shí)通過設(shè)置激光測長儀的軟件參數(shù)，使其適應(yīng)這種工況的檢測，大大提高測量精度和穩(wěn)定性。

圖8 速度和長度監(jiān)視顯示

5.2 工作環(huán)境影響設(shè)備可靠性

在沒加冷卻空氣時(shí)，由于LS9000測量儀連續(xù)工作，自身溫度會(huì)不斷升高，會(huì)出現(xiàn)長度測量偏差較大，達(dá)不到質(zhì)量檢測設(shè)備的精度。為此，我們在LS9000測量儀上加冷卻壓縮空氣，使測量儀工作在20度左右的環(huán)境中，同時(shí)用plc程序控制測量儀脈沖開啟和關(guān)斷時(shí)間，使其在沒有鋼軌通過時(shí)關(guān)閉激光門，減少工作時(shí)間，降低儀器不必要的消耗。由于鋼軌在經(jīng)過超聲波檢測后，表面有水，有時(shí)影響其反射的激光光束，導(dǎo)致測量誤差。我們可以通過軟件參數(shù)設(shè)置，降低“Material Present Threshold”數(shù)值，滿足測量需要，提高測量可靠性。

6 結(jié)束語

本文詳細(xì)地介紹了LS9000測量儀的軟件、硬件及調(diào)試步驟等，并結(jié)合檢測中心的實(shí)際使用情況作了分析總結(jié)。實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確的控制、設(shè)備的連鎖啟停、回路調(diào)節(jié)、報(bào)警、趨勢記錄等一系列功能。采用非接觸性激光測長儀，不但消除了設(shè)備磨損及鋼軌刮傷，提高了產(chǎn)量和自動(dòng)化水平，還降低了故障時(shí)間和備件消耗，大大提高了工作效率。