薛峰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

軌道板關(guān)鍵幾何尺寸快速檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

薛峰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081）

軌道板關(guān)鍵幾何尺寸檢測(cè)是軌道板出廠檢驗(yàn)重要項(xiàng)目之一，也是高速鐵路軌道施工質(zhì)量的保障。實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板關(guān)鍵幾何尺寸的快速檢測(cè)，對(duì)于提高生產(chǎn)效率和保障軌道板質(zhì)量都具有實(shí)用價(jià)值。本文給出了綜合采用線陣圖像技術(shù)和激光圖像三維檢測(cè)技術(shù)的快速檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)方案，基于該技術(shù)方案研制了針對(duì)CRTSⅢ型軌道板關(guān)鍵幾何尺寸的快速檢測(cè)系統(tǒng)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明:與常規(guī)檢測(cè)技術(shù)相比，該檢測(cè)系統(tǒng)具有檢測(cè)速度快、自動(dòng)化檢測(cè)、操作簡(jiǎn)便、可適用于流水化作業(yè)且可納入BIM平臺(tái)應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

軌道板；關(guān)鍵幾何尺寸；快速檢測(cè)；圖像檢測(cè)；BIM（BuildingInformationModeling）

軌道板的外形尺寸對(duì)于保障高速鐵路軌道質(zhì)量及線路平順性起著重要作用，因此在軌道板的出廠檢測(cè)中對(duì)于外形尺寸的檢測(cè)有著嚴(yán)格要求。目前軌道板尺寸的檢測(cè)主要是通過全站儀對(duì)板上所有承軌臺(tái)的左右軌套管位置逐個(gè)進(jìn)行人工檢測(cè)，工作量大，每塊軌道板的檢測(cè)時(shí)間約需20min，直接影響到了軌道板的生產(chǎn)效率。因此，目前只能實(shí)現(xiàn)對(duì)部分軌道板進(jìn)行抽檢，無法實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)規(guī)則要求的每板必檢。

研制軌道板自動(dòng)測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板關(guān)鍵幾何尺寸的快速檢測(cè)，提高軌道板出廠檢驗(yàn)效率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每塊軌道板都出廠必檢的要求，對(duì)于保障CRTSⅢ型板的生產(chǎn)質(zhì)量有著現(xiàn)實(shí)意義，對(duì)于形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CRTSⅢ型板成套工藝也是個(gè)必要補(bǔ)充。

1　技術(shù)方案

據(jù)相關(guān)論文及專利，已有的檢測(cè)技術(shù)主要是基于全站儀或攝影測(cè)量技術(shù)的定點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)，采用這些方法測(cè)量時(shí)都需要人工布設(shè)標(biāo)志物或檢測(cè)球，基站架設(shè)和標(biāo)志物布置都需要占用人力資源和時(shí)間，測(cè)量前準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理都需要一定的時(shí)間，即使其中較快的檢測(cè)方法也需要15min以上。

經(jīng)過對(duì)軌道板檢測(cè)需求的深入分析，確定了基于圖像檢測(cè)技術(shù)的移動(dòng)檢測(cè)方案。該方案主要技術(shù)：①采用高速線陣圖像技術(shù)和激光圖像檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板單個(gè)斷面線陣圖像和寬度高度尺寸的快速檢測(cè)。圖像檢測(cè)技術(shù)因其具有精度高、速度快、可擴(kuò)充性好的特點(diǎn)，因此在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。經(jīng)過合理設(shè)計(jì)，圖像檢測(cè)精度完全可以滿足要求。②高精度的測(cè)量基準(zhǔn)平臺(tái)和快速移動(dòng)機(jī)構(gòu)。采用上述圖像檢測(cè)技術(shù)獲得的是單個(gè)斷面處軌道板信息，需要通過高精度的測(cè)量基準(zhǔn)平臺(tái)和快速移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)圖像檢測(cè)裝置沿軌道板進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)軌道板信息的獲取。③軌道板平面圖像和三維模型的建模處理及尺寸檢測(cè)。通過對(duì)軌道板單個(gè)斷面信息和位置信息的集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板平面圖像和三維模型尺寸的獲取。經(jīng)過算法修正，消除軌道板可能存在的各種旋轉(zhuǎn)和平移誤差，精確測(cè)量得出軌道板關(guān)鍵幾何尺寸。④采用單板移動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)流水化作業(yè)模式。設(shè)計(jì)中考慮采用運(yùn)輸機(jī)具將軌道板從脫模臺(tái)架運(yùn)送到檢測(cè)臺(tái)位，快速檢測(cè)完成后再送至封錨臺(tái)架，從而實(shí)現(xiàn)軌道板生產(chǎn)、檢測(cè)流水化作業(yè)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要技術(shù)指標(biāo)：

①5min以內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)單塊板的檢測(cè)；

②套管中心距檢測(cè)精度＜0.5mm；

③承軌臺(tái)平整度檢測(cè)精度＜1.0mm；

④鉗口夾角檢測(cè)精度＜1.0°。

2　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于總體技術(shù)方案，快速檢測(cè)系統(tǒng)由檢測(cè)平臺(tái)、測(cè)量裝置、運(yùn)板機(jī)具3大模塊組成，見圖1。

2.1檢測(cè)平臺(tái)

檢測(cè)平臺(tái)作為整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的基準(zhǔn)平臺(tái)，既要提供高精度的測(cè)量基準(zhǔn)，又要實(shí)現(xiàn)測(cè)量裝置沿X和Y兩個(gè)方向的移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道板左股和右股承軌臺(tái)表面的連續(xù)檢測(cè)。

1）測(cè)量基準(zhǔn)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

為了保證最終的檢測(cè)精度，要求檢測(cè)平臺(tái)在全區(qū)域內(nèi)（長(zhǎng)6.2m，寬3.2m）高度方向誤差＜0.1mm。為此采用定制的型材結(jié)構(gòu)來搭建基準(zhǔn)平臺(tái)。

2）移動(dòng)機(jī)構(gòu)

移動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)測(cè)量裝置在X和Y兩個(gè)方向上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，為此設(shè)計(jì)了兩組伺服電機(jī)。每組由2臺(tái)同型號(hào)電機(jī)組成，同步旋轉(zhuǎn)以保障測(cè)量裝置穩(wěn)定移動(dòng)，避免發(fā)生左右移動(dòng)不均衡現(xiàn)象。

2.2測(cè)量裝置

測(cè)量裝置是檢測(cè)系統(tǒng)的核心模塊，實(shí)現(xiàn)軌道板關(guān)鍵幾何尺寸的測(cè)量。

圖1　檢測(cè)系統(tǒng)組成

1）硬件組成

為了實(shí)現(xiàn)軌道板關(guān)鍵幾何尺寸檢測(cè)，采用了高速線陣圖像技術(shù)和激光圖像檢測(cè)技術(shù)來分別實(shí)現(xiàn)軌道板平面參數(shù)和高度參數(shù)的測(cè)量。系統(tǒng)由高速線陣相機(jī)、高速面陣相機(jī)和線激光光源組成。其中，線陣相機(jī)和線激光光源精確布置在軌道板正上方同一斷面處，面陣相機(jī)則布置在軌道板斷面的斜上方，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高度參數(shù)的測(cè)量（見圖2）。系統(tǒng)還包括信號(hào)同步器、處理主機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡等。處理主機(jī)實(shí)時(shí)采集伺服電機(jī)的移動(dòng)位置信號(hào)，并高速采集線陣相機(jī)和面陣相機(jī)的圖像數(shù)據(jù)，來生成軌道板表面二維圖像和三維檢測(cè)數(shù)據(jù)。

圖2　相機(jī)布置

2）幾何尺寸檢測(cè)

從圖像來源和檢測(cè)技術(shù)上，幾何尺寸檢測(cè)分為平面圖像檢測(cè)和三維斷面數(shù)據(jù)檢測(cè)。

平面圖像檢測(cè)針對(duì)線陣相機(jī)采集的二維圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔距的準(zhǔn)確測(cè)量。首先，根據(jù)圓孔的圖像特征采用優(yōu)化算法對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，準(zhǔn)確識(shí)別出圓孔的輪廓，再采用最小二乘法擬合出圓孔圖形，根據(jù)圓孔圖形，計(jì)算得到圓心的位置，進(jìn)而計(jì)算得出兩個(gè)圓孔的間距。處理中的關(guān)鍵是擬合得到圓孔圖形，其實(shí)際效果見圖3。

圖3　套管圓孔識(shí)別效果

三維斷面數(shù)據(jù)檢測(cè)采用的是結(jié)構(gòu)光檢測(cè)原理，即通過激光投射出物體的輪廓，由面陣相機(jī)檢測(cè)識(shí)別激光線，并通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換由像素尺寸解算為寬度和高度信息。檢測(cè)原理見圖4。同樣，三維檢測(cè)中的關(guān)鍵技術(shù)之一也是輪廓線的二值化處理和識(shí)別。計(jì)算中使用Hi3D算法，分辨率可以達(dá)到1/16像素，實(shí)際應(yīng)用效果證明算法識(shí)別效果穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

圖4　結(jié)構(gòu)光檢測(cè)原理

通過檢測(cè)軟件讀取三維斷面數(shù)據(jù)，可擬合出承軌臺(tái)的三維模型圖。圖5為通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的CRTSⅢ型軌道板數(shù)據(jù)擬合出的承軌臺(tái)三維圖。

圖5　承軌臺(tái)三維圖

3）軟件編制

上位機(jī)軟件采用VC++語言編寫，具有良好的實(shí)時(shí)性和接口兼容性。操作界面見圖6。

圖6　操作界面

為便于網(wǎng)絡(luò)訪問，客戶端應(yīng)用程序采用BS結(jié)構(gòu)編寫。檢測(cè)參數(shù)界面見圖7。

圖7　檢測(cè)參數(shù)界面

2.3運(yùn)板機(jī)具

運(yùn)板機(jī)具主要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程的流水化作業(yè)，可采用車間現(xiàn)有的軌道小車，但是需要在軌道車上安裝限位裝置，以保證軌道板位置不會(huì)有過大偏離。

運(yùn)板流程中，首先是把拆完模具的軌道板從脫模臺(tái)架上吊裝到運(yùn)板小車上。下放過程中要注意使軌道板密貼限位裝置，以保證軌道板與檢測(cè)平臺(tái)間的相對(duì)位置在容許范圍內(nèi)，即軌道板就位。

軌道板就位后，運(yùn)板小車將軌道板運(yùn)送到檢測(cè)平臺(tái)下備檢。

軌道板檢測(cè)完成后，運(yùn)板小車再將軌道板送回到原吊裝處，由天車將其吊送到封錨臺(tái)架上以開展下一步工作。

3　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1檢測(cè)速度試驗(yàn)

經(jīng)過調(diào)試，設(shè)定伺服電機(jī)帶動(dòng)測(cè)量裝置每秒大概移動(dòng)100mm。檢測(cè)流程包括自動(dòng)對(duì)位、寬度測(cè)量、高度測(cè)量等，約需4min完成。數(shù)據(jù)處理時(shí)間約在10s內(nèi)完成，檢測(cè)過程在5min內(nèi)就可全部完成。

3.2檢測(cè)精度分析

精度分析以全站儀檢測(cè)數(shù)據(jù)為參考對(duì)象?，F(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)抽取1塊CRTSⅢ型軌道板，根據(jù)《CRTSⅢ型無砟軌道板技術(shù)條件》中要求的外形尺寸檢測(cè)要求，采用全站儀檢測(cè)，數(shù)據(jù)見表1。

針對(duì)同一塊板，利用研制的檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)了3次，3次檢測(cè)的方差值見表2。3次檢測(cè)平均值與全站儀檢測(cè)數(shù)據(jù)的誤差值見表3。

表1　全站儀檢測(cè)數(shù)據(jù)

表2　3次檢測(cè)的方差值

表3　3次檢測(cè)平均值與全站儀檢測(cè)數(shù)據(jù)的誤差值

從表2中可以看出，檢測(cè)系統(tǒng)自身數(shù)據(jù)重復(fù)性很好，檢測(cè)穩(wěn)定性亦很好。從表3可以看出，如果以全站儀檢測(cè)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，則檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)的絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)精度滿足要求，但是個(gè)別點(diǎn)處誤差較大，橫向檢測(cè)中同一承軌臺(tái)套管中心距最大誤差為0.66mm，線性度最大誤差為0.69mm，外鉗口到外套管中心距最大誤差1.22mm，而高度檢測(cè)中平面度最大誤差為0.59mm。

綜合表2和表3結(jié)果，可認(rèn)為研制的快速檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)穩(wěn)定性很好，其檢測(cè)結(jié)果的系統(tǒng)誤差更多地來源于檢測(cè)平臺(tái)自身的制造誤差。

4　結(jié)語

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及試用表明，研制的快速檢測(cè)系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并具有以下特點(diǎn)：

1）檢測(cè)快速，可在5min內(nèi)完成單板檢測(cè)，大幅提高了檢測(cè)效率；

2）檢測(cè)自動(dòng)化，檢測(cè)過程無需專人介入，大大提高了可靠性；

3）檢測(cè)流程可納入流水線作業(yè)，顯著提高了生產(chǎn)效率；

4）信息集成，檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)上傳，數(shù)據(jù)無縫接入BIM平臺(tái)。

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，既有系統(tǒng)的檢測(cè)精度還存在不足，因此還需要進(jìn)一步完善系統(tǒng)軟硬件并豐富系統(tǒng)功能。優(yōu)化完善后的快速檢測(cè)系統(tǒng)可在保障軌道板生產(chǎn)質(zhì)量，促進(jìn)基于BIM的軌道板建養(yǎng)修一體化工作中發(fā)揮積極作用。

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AbstractInspection of key geometric dimensions of track slab is required before being sent to market，ensuring good track construction of high speed railway.Rapid inspection is meaningful to high producing efficiency and good quality of track slab.In this paper，a combination of linear imaging technology and three-dimensional laser imaging detection technology for rapid detection systems was proposed.T his system aimed at the rapid inspection of CRT SⅢtrack slab，and was verified by field test.T he test showed that this system outweigh the regular inspection，being faster and automatic，easier to manipulate，pipelining and applicable to BIM platform.

Design and Application of Rapid Inspection System for Key Geometric Dimension of Track Slab

XUE Feng
（Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

Track slab；Key geometric dimension；Rapid inspection；Image inspection；BIM（Building Information Modeling）

U213.2+42；U216.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.30

1003-1995（2016）04-0118-05

（責(zé)任審編葛全紅）

2015-10-10；

2015-12-08

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所基金項(xiàng)目（15TJ123F35-1）

薛峰（1979—），男，助理研究員，碩士。