鄭 磊，李雪藩，葛保國(guó)ZHENG Lei, LI Xue-fan, GE Bao-guo（.溫州市特種設(shè)備檢測(cè)中心，浙江 溫州 35007；.北京茂苑物業(yè)有限公司，北京 0000）

制造&檢測(cè) Manufacturing & Detection

一種基于統(tǒng)一坐標(biāo)系的起重機(jī)軌道自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)

鄭 磊1，李雪藩1，葛保國(guó)2
ZHENG Lei, LI Xue-fan, GE Bao-guo
（1.溫州市特種設(shè)備檢測(cè)中心，浙江 溫州 325007；2.北京茂苑物業(yè)有限公司，北京 100020）

[摘 要]提出一種基于統(tǒng)一坐標(biāo)系的起重機(jī)軌道自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)改進(jìn)方案，并研制了起重機(jī)軌道自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量起重機(jī)軌道參數(shù)。該系統(tǒng)簡(jiǎn)單易操作，適用于長(zhǎng)距離大跨度的軌道檢測(cè)，應(yīng)用前景廣泛。

[關(guān)鍵詞]起重機(jī)軌道；自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)；統(tǒng)一坐標(biāo)系

隨著社會(huì)進(jìn)步和重工業(yè)的不斷發(fā)展，大型起重機(jī)大量投入使用，由此產(chǎn)生的安全事故時(shí)有發(fā)生。其中，因起重機(jī)軌道處于重載工作條件，地面沉降及操作不當(dāng)?shù)仍斐绍壍揽熊壃F(xiàn)象以及橫向和縱向變形，導(dǎo)致起重機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，嚴(yán)重的情況下可以引起安全事故，所以定期檢查起重機(jī)軌道是生產(chǎn)作業(yè)中所必需的，行車軌道的參數(shù)（直線度、高度差、跨距等）檢測(cè)是主要檢查內(nèi)容。

1 現(xiàn)有起重機(jī)軌道檢驗(yàn)方法簡(jiǎn)述

1.1 標(biāo)準(zhǔn)方法

GB 50278-2010《起重設(shè)備安裝工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定的檢驗(yàn)方法是使用水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀、塔尺及鋼尺等測(cè)量器具，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)計(jì)算后，依據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)判斷起重機(jī)軌道參數(shù)是否滿足使用要求，人工測(cè)量在大跨度長(zhǎng)距離的起重機(jī)檢測(cè)時(shí)，存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、作業(yè)人數(shù)多、作業(yè)效率低下、安全風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題。

1.2 現(xiàn)代主要起重機(jī)軌道檢測(cè)方法簡(jiǎn)述

現(xiàn)代起重機(jī)軌道檢測(cè)技術(shù)是借鑒鐵路軌道檢測(cè)系統(tǒng)的原理，如中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研制開發(fā)的GJ系列檢測(cè)系統(tǒng)，綜合應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖通信、激光技術(shù)、傳感技術(shù)等系列新技術(shù)和高新檢測(cè)裝備，通過(guò)對(duì)檢測(cè)設(shè)備安裝接口方式和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確可靠檢測(cè)軌道參數(shù)，為長(zhǎng)距離大跨度的軌道安全科學(xué)管理奠定了基礎(chǔ)。目前，國(guó)內(nèi)在這方面取得成果主要如下。

1）基于激光三角原理的橋門式起重機(jī)軌道檢測(cè)方法 上海理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院的吳恩啟等人基于激光三角原理提出了一種用于橋門式起重機(jī)軌道檢測(cè)的方法，利用全站儀和移動(dòng)靶車進(jìn)行測(cè)量。軌道測(cè)量機(jī)器人攜帶角隅棱鏡沿軌道前進(jìn)，全站儀裝在軌道上實(shí)時(shí)追蹤角隅棱鏡的位置，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)重構(gòu)出軌道頂面中心線的空間形狀，進(jìn)而計(jì)算出軌道的直線度、雙軌平行度、軌道跨距等參數(shù)。

2）利用準(zhǔn)直激光作為直線基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量 上海工程技術(shù)大學(xué)程維明等人利用準(zhǔn)直激光作為直線基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量，攜帶PSD 光斑位置測(cè)量裝置的小車行走于軌道上并根據(jù)激光光斑位置確定軌道測(cè)量點(diǎn)的偏差參數(shù)，提出兩根軌道分別測(cè)量然后重構(gòu)到同一個(gè)坐標(biāo)系中，計(jì)算軌道參數(shù)。

3）基于激光掃描技術(shù)的軌道檢測(cè)系統(tǒng) 上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院莊駿等人提出綜合使用基站搭載的激光掃描儀，實(shí)時(shí)追蹤小車位置，根據(jù)掃描儀采集的數(shù)據(jù)重構(gòu)軌道頂面中心線的空間位置，從而計(jì)算軌道參數(shù)。

以上檢測(cè)方法檢測(cè)精度、檢測(cè)效率同人工法相比均大幅度提高，但也有不少因素影響測(cè)量精度和操作程序，如因軌道自身的傾斜造成的每次測(cè)量點(diǎn)的位置偏移、軌道長(zhǎng)度增加時(shí)角度誤差引起的定位誤差等，限制了在起重機(jī)軌道檢測(cè)的廣泛應(yīng)用。

2 基于現(xiàn)有起重機(jī)軌道自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的改進(jìn)方案

綜合現(xiàn)有的起重機(jī)軌道自動(dòng)檢測(cè)方法，解決起重機(jī)軌道測(cè)量系統(tǒng)的適用性，確保檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，我們提出了以下改進(jìn)方案。

2.1 基于4D Matrix的三維統(tǒng)一坐標(biāo)系設(shè)計(jì)（UCS系統(tǒng)）

UCS系 統(tǒng) 即Unified coordinate system，是統(tǒng)一坐標(biāo)系，利用全站儀等測(cè)量?jī)x器跟蹤軌道機(jī)器人車載標(biāo)靶系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起重機(jī)軌道自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理時(shí)需要對(duì)多個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一。采用了基于4D的三維統(tǒng)一坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換法，可以對(duì)空間中的點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、移動(dòng)，檢測(cè)系統(tǒng)中涉及三維測(cè)量坐標(biāo)系、全站儀坐標(biāo)系、OpenGL坐標(biāo)系均可利用壓棧、出棧的原理，來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速換算，可以高效、可靠的完成三大坐標(biāo)系的統(tǒng)一與換算。

由于數(shù)據(jù)處理采用了UCS系統(tǒng)，改進(jìn)后的起重機(jī)行車軌道自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)工作原理：首先在所需測(cè)量軌道的空間內(nèi)架設(shè)3個(gè)及以上固定的全站儀棱鏡，每次在測(cè)量前，設(shè)在軌道一側(cè)地面上的自動(dòng)跟蹤全站儀先測(cè)量固定位置的棱鏡坐標(biāo)，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系，然后再啟動(dòng)軌道機(jī)器人，使其按設(shè)定速度平穩(wěn)的在起重機(jī)行車軌道上往復(fù)運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)跟蹤全站儀自動(dòng)根據(jù)測(cè)量軌道機(jī)器人攜帶球形棱鏡的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，軌道機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)和全站儀的采集數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)軟件進(jìn)行處理分析；測(cè)量另一根軌道時(shí)重復(fù)上述操作，計(jì)算出軌道運(yùn)行控制參數(shù)并生成相應(yīng)的數(shù)據(jù)圖表，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　 起重機(jī)軌道自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 帶編碼盤的單軌高精復(fù)測(cè)技術(shù)

利用帶編碼盤的閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)單軌測(cè)量，可以更加準(zhǔn)確的測(cè)量出軌道的點(diǎn)位數(shù)據(jù)，通過(guò)精確獲取點(diǎn)位特征，可以獲取更為精確的軌道參數(shù)和定位數(shù)據(jù)。

該結(jié)構(gòu)主要由編碼盤、光電傳感器和核心控制器組成，如圖2所示。編碼盤安裝于軌道機(jī)器人后輪軸上，光電傳感器安裝于編碼盤一側(cè)，核心控制驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而控制軌檢小車行駛的速度，小車在行駛過(guò)程中由光電傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量編碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度并將運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋至給核心控制器，形成了一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。核心控制器記錄每個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)和軌道機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)與設(shè)定參數(shù)比對(duì)，控制直流電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，確保精確定位。

圖2　 帶編碼盤的單軌高精度復(fù)測(cè)技術(shù)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 多傳感器技術(shù)的應(yīng)用

在軌道機(jī)器人上加裝了灰度傳感器、光電開關(guān)、碰撞傳感器、陀螺儀、傾斜角傳感器，灰度傳感器可以檢測(cè)軌道的底部狀態(tài)，光電開關(guān)可以完成起點(diǎn)和終點(diǎn)的判斷，碰撞傳感器用于檢測(cè)緊急狀況，陀螺儀用于校對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)候球形棱鏡的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，傾斜角傳感器可以完成雙軌超高的測(cè)量，通過(guò)多傳感器的融合技術(shù)，軌道機(jī)器人可以完成各種復(fù)雜軌面的測(cè)量，并具有更高的穩(wěn)定性。

2.4 雙自由度可調(diào)節(jié)夾緊軌道裝置

為解決軌道機(jī)器人能夠貼合軌道行駛，準(zhǔn)確在軌道上定位，防止機(jī)載棱鏡的位置因軌道機(jī)器人定位偏差發(fā)生偏移導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，同時(shí)防止從軌道上墜落，設(shè)計(jì)了如圖3所示的雙自由度可調(diào)節(jié)加緊軌道裝置。

圖3　 為雙自由度可調(diào)節(jié)加緊軌道裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

該夾緊裝置，由有T型滑塊螺桿調(diào)整垂直臂上下位置，需調(diào)整時(shí)，松開蝶形螺母。水平滑塊上裝有蝶形螺母并帶刻度線，松開后可以調(diào)整左右位置，確保兩邊的導(dǎo)向輪能緊緊壓在軌道側(cè)面，壓縮彈簧確保導(dǎo)向輪與軌道側(cè)面有良好貼合，彈簧頂針在導(dǎo)軌的側(cè)面槽，放置防止軌道機(jī)器人傾覆。軌道機(jī)器人前后各裝一套夾緊裝置，實(shí)現(xiàn)小車在軌道上的左右精準(zhǔn)定位，并防止軌道機(jī)器人因外力在軌道傾覆墜落的可能。

3 對(duì)改進(jìn)方案的驗(yàn)證

按以上改進(jìn)方案，試制了起重機(jī)軌道自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)對(duì)軌道高度偏差試檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。結(jié)果經(jīng)分析，改進(jìn)的起重機(jī)械軌道自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度達(dá)到±1.0mm，測(cè)量示值誤差為±0.5%，達(dá)到預(yù)期的效果。

圖4　 實(shí)測(cè)起重機(jī)軌道高度偏差輸出圖

（編輯 賈澤輝）

［中圖分類號(hào)］TH213

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］C

［文章編號(hào)］1001-1366（2015）02-0097-03

［收稿日期］2014-12-01

An improvement for crane rail automatic detection system based on unifi ed coordinate system