李寶旺，宋曉東，孫宏海

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司，唐山 064000）

0 概述

高速動(dòng)車組產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每列8輛短編組含有超過(guò)百萬(wàn)個(gè)零部件，其技術(shù)難度高，制造工藝復(fù)雜。正是基于高速動(dòng)車組技術(shù)、制造以及安全性要求極高的鮮明特點(diǎn)，高速動(dòng)車組的制造需要高精度、高標(biāo)準(zhǔn)的制造及測(cè)量等的技術(shù)要求。

針對(duì)中車唐山機(jī)車車輛有限公司對(duì)于高速車車體結(jié)構(gòu)特征檢測(cè)系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化和信息化升級(jí)改造要求，本文研制高速車車體總成三維測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與配準(zhǔn)算法、開(kāi)發(fā)三維數(shù)據(jù)分析及檢驗(yàn)軟件、開(kāi)發(fā)高速車車體結(jié)構(gòu)特征尺寸分析系統(tǒng)與MES管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信及網(wǎng)絡(luò)接口。在不改變現(xiàn)有生產(chǎn)與加工工藝、測(cè)點(diǎn)分布和工序以及現(xiàn)有數(shù)據(jù)分析原理的基礎(chǔ)上，完成車體總成三維結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)的智能分析、結(jié)果顯示與示警功能，并通過(guò)MES系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多部門協(xié)同分析和智能管理。

1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)軟件的主要功能是對(duì)車體總成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和靶標(biāo)量補(bǔ)償，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)奶幚砗螅瑢y(cè)量結(jié)果直觀顯示。本上位機(jī)軟件是在Visual Studio 2010.NET環(huán)境中使用C++/CLI語(yǔ)言和Acess數(shù)據(jù)庫(kù)編程完成。

1.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)分析軟件主要功能結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

1）系統(tǒng)管理功能：

（1）用戶登錄界面：用戶需要通過(guò)身份、用戶名與密碼驗(yàn)證方可登錄軟件系統(tǒng)。

（2）用戶權(quán)限功能：設(shè)計(jì)管理員與普通人員兩級(jí)權(quán)限管理，管理員擁有系統(tǒng)的所有權(quán)限，如增加普通用戶、測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)靶標(biāo)補(bǔ)償量修改、測(cè)量點(diǎn)編輯(增加、刪除與修改)等權(quán)限，普通測(cè)量人員只具有軟件的使用權(quán)，可以瀏覽數(shù)據(jù)，不能做任何修改操作。

2）基本信息顯示功能：

工程名稱的選擇與顯示、車號(hào)顯示、精度顯示、車號(hào)列表顯示、測(cè)量文件夾所在目錄顯示、檢查員信息與日期顯示。

3）坐標(biāo)變換功能：坐標(biāo)變換是該軟件中的重要部分，執(zhí)行坐標(biāo)變換功能時(shí)，將檢測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維測(cè)量配準(zhǔn)和靶標(biāo)量補(bǔ)償。

（1）首先通過(guò)最小二乘法實(shí)現(xiàn)標(biāo)稱值匹配下的仿射變換，獲得初始配準(zhǔn)目標(biāo)數(shù)據(jù)。

（2）進(jìn)一步采用最優(yōu)擬合變換實(shí)現(xiàn)原有數(shù)據(jù)到初始配準(zhǔn)目標(biāo)數(shù)據(jù)的剛性變換。

（3）基于坐標(biāo)變換的參照測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)相似變換對(duì)剛性變換下三維數(shù)據(jù)進(jìn)行微小精度調(diào)整，最終完成動(dòng)車尺寸三維測(cè)量數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)。

（4）當(dāng)測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)出同側(cè)偏向時(shí)(如底架的x軸向偏差)，可通過(guò)手動(dòng)輸入調(diào)整參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)三維測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的整體微小調(diào)整。

4）關(guān)鍵尺寸結(jié)果展示功能：篩選功能、表格顯示、Excel報(bào)表顯示、圖片顯示、修改保存。

5）分析統(tǒng)計(jì)功能：?jiǎn)吸c(diǎn)測(cè)量分析與一組測(cè)量分析，標(biāo)稱值、上差與下差的顯示，統(tǒng)計(jì)最大值、最小值、平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差，統(tǒng)計(jì)圖顯示。

6）兼容性設(shè)計(jì)

車體總成數(shù)據(jù)分析軟件平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)存8種動(dòng)車組尺寸三維測(cè)量數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和靶標(biāo)偏差量補(bǔ)償?shù)裙δ?，完成車體加工工藝的精度分析。不僅可以進(jìn)行車型選擇而且還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)后續(xù)新車型的支持和對(duì)測(cè)量點(diǎn)的調(diào)整。

7）輔助功能

（1）打印功能：測(cè)量點(diǎn)Excel報(bào)表打印功能與測(cè)量點(diǎn)圖片打印功能。

（2）快捷鍵功能如打?。–trl+P）、系統(tǒng)退出（F2）等，根據(jù)用戶需要可增加其他快捷鍵。

（3）手動(dòng)創(chuàng)建鋼印號(hào)、數(shù)據(jù)庫(kù)密碼修改保存、修改目錄。

1.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)原則

不同型號(hào)高速車車體具有較大的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異，進(jìn)而車體總成定位測(cè)點(diǎn)與關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)位置會(huì)產(chǎn)生較大的改變，為了能夠兼容不同型號(hào)高速車車體總成數(shù)據(jù)的分析處理，車體總成數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)軟件也需要兼容相應(yīng)的改變。因此，基于測(cè)量點(diǎn)結(jié)構(gòu)的任務(wù)需求調(diào)整和測(cè)量精度要求，制定參數(shù)化兼容性設(shè)計(jì)。

1）車體總成車體定位測(cè)點(diǎn)名稱保持一致，以實(shí)現(xiàn)不同車型車體定位測(cè)點(diǎn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2）車體側(cè)墻輪廓線的組成應(yīng)由固定曲線類型組合而成，以實(shí)現(xiàn)不同車型車體側(cè)墻測(cè)點(diǎn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

3）側(cè)墻測(cè)點(diǎn)檢測(cè)需配置對(duì)應(yīng)底架邊梁測(cè)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)不同車型車體側(cè)墻輪廓的準(zhǔn)確檢測(cè)。

4）車體關(guān)鍵尺寸標(biāo)稱值需通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行修改。

鑒于上述不同車型車體總成與底架組成三維數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的兼容性設(shè)計(jì)原則與需求，分別對(duì)每一原則與要求進(jìn)行詳細(xì)方案設(shè)計(jì)闡述。

1）車體總成定位測(cè)點(diǎn)參數(shù)化設(shè)計(jì)方案

（1）定位原則（5個(gè)自由度定位）

①定義右手坐標(biāo)系，沿車體長(zhǎng)度方向?yàn)閄軸、車寬方向?yàn)閅軸、車高方向?yàn)閆軸，確保XY平面在車體標(biāo)準(zhǔn)水平面。

②車體落車檢測(cè)胎并進(jìn)行配重微調(diào)作為車體繞X軸橫滾定位基準(zhǔn)。

③車體兩前轉(zhuǎn)向定位孔中心連線的中點(diǎn)坐標(biāo)與兩后轉(zhuǎn)向定位孔中心連線的中點(diǎn)坐標(biāo)作為車體繞Z軸的偏航定位基準(zhǔn)（并確定寬度定位面）。

④車體前后兩車鉤定位孔中心坐標(biāo)作為車體繞Y軸的俯仰定位基準(zhǔn)（并確定高度定位面）。

（2）定位測(cè)點(diǎn)參數(shù)化設(shè)計(jì)方案

鑒于所有高速車車型具有相同的定位測(cè)點(diǎn)位置（車體轉(zhuǎn)向架定位孔4個(gè)測(cè)點(diǎn)，車鉤面板下方工藝孔定位測(cè)點(diǎn)2個(gè)），滿足相同的定位原則。因此，盡管不同高速車車型定位測(cè)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)差異較大，僅需將6個(gè)定位點(diǎn)間的測(cè)量關(guān)系進(jìn)行如圖2與圖3所示的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

圖2 車體定位X、Y向定位測(cè)點(diǎn)參數(shù)化設(shè)計(jì)

2）車體總成側(cè)墻測(cè)點(diǎn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方案

（1）車體總成側(cè)墻測(cè)點(diǎn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)原則

圖3 車體定位Z向定位測(cè)點(diǎn)參數(shù)化設(shè)計(jì)

對(duì)于不同車型高速車車體總成結(jié)構(gòu)改變而言，側(cè)墻母線為變化最大的調(diào)整。從圖4中不難看出不同車型的側(cè)墻母線均存在較大的結(jié)構(gòu)差異，事實(shí)上側(cè)墻母線的結(jié)構(gòu)差異也是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)多車型兼容的技術(shù)瓶頸之一。

（2）車體總成側(cè)墻測(cè)點(diǎn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方案

進(jìn)一步，對(duì)圖中任一車型的側(cè)墻母線進(jìn)行細(xì)致分析，可發(fā)現(xiàn)不同車型車體總成側(cè)墻的母線均有直線與圓弧相互間連接而成，相互間的區(qū)別僅僅在于每一段曲線自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變。如，對(duì)直線而言：直線的長(zhǎng)度、傾角、起始位置等；對(duì)圓弧而言：圓弧的長(zhǎng)度、曲率、圓心位置等。同時(shí)對(duì)于CRH3X車型而言，由于其是多車型混合編組的試制展示車型，其側(cè)墻輪廓相對(duì)于其他車型側(cè)墻輪廓的變化最為顯著，其檢測(cè)部分由5段曲線組合而成，且其縱向跨度超過(guò)了4m。

針對(duì)高速車多車型間的側(cè)墻結(jié)構(gòu)差異，利用其車體總成側(cè)墻母線自身組成結(jié)構(gòu)參數(shù)差異關(guān)系，采用車體總成側(cè)墻母線整體結(jié)構(gòu)劃分、分段結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)的原則，實(shí)現(xiàn)了高速車車體總成側(cè)墻結(jié)構(gòu)差異化的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，并結(jié)合課題組前期的高速車車體總成數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)開(kāi)平臺(tái)，完成了現(xiàn)有高速車型變結(jié)構(gòu)側(cè)墻總成結(jié)構(gòu)化差異的兼容性數(shù)據(jù)分析參數(shù)化設(shè)計(jì)，具體效果如圖4所示。

圖4 高速車型側(cè)墻結(jié)構(gòu)的差異化分析

圖5為高速車型側(cè)墻結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析的參數(shù)化設(shè)計(jì)選擇界面。以TSD023車型車體總成的側(cè)墻母線參數(shù)化設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明。圖中左側(cè)的圖片顯示區(qū)域?yàn)門SD023車型側(cè)墻輪廓的CAD側(cè)墻界面結(jié)構(gòu)展示，通過(guò)對(duì)該結(jié)構(gòu)的詳細(xì)劃分與標(biāo)準(zhǔn)，新車型軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)人員可通過(guò)自身身份認(rèn)證，在軟件授權(quán)的條件下，基于車型側(cè)墻母線的結(jié)構(gòu)分段劃分，技術(shù)人員可選擇設(shè)計(jì)側(cè)墻母線不同曲線的結(jié)構(gòu)類型，并完成結(jié)構(gòu)改變下的結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)新車型側(cè)墻母線的參數(shù)化選型與設(shè)計(jì)，自動(dòng)生成新車型側(cè)墻母線輪廓結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

圖5 側(cè)墻結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)分析的參數(shù)化設(shè)計(jì)

3）側(cè)墻輪廓測(cè)點(diǎn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)車體總成測(cè)點(diǎn)的分析分析可知，側(cè)墻輪廓測(cè)點(diǎn)為相對(duì)結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)，其計(jì)算的規(guī)則為側(cè)墻表面測(cè)點(diǎn)（窗口上沿、車體最寬等）與底架邊梁測(cè)點(diǎn)間的Y向相對(duì)距離。因而，盡管測(cè)點(diǎn)的輪廓線與邊梁的寬度均發(fā)生了變化，然而側(cè)墻輪廓測(cè)點(diǎn)的計(jì)算關(guān)系保持不變。因此，仍可采用原有的計(jì)算方式進(jìn)行數(shù)據(jù)尺寸分析，但需要指定側(cè)墻截面與底架邊梁截面間的關(guān)系。因此，側(cè)墻輪廓測(cè)點(diǎn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)需事先確定截面對(duì)應(yīng)關(guān)系與截面?zhèn)€數(shù)。

4）車體總成非側(cè)墻測(cè)點(diǎn)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方案

車體總成的非側(cè)墻輪廓測(cè)點(diǎn)為Z向邊梁模塊化測(cè)點(diǎn)、車體長(zhǎng)度X向測(cè)點(diǎn)與車鉤面板平面度測(cè)點(diǎn)等，其具有相似的結(jié)構(gòu)特性，即局部結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)，其計(jì)算規(guī)則不隨結(jié)構(gòu)的改變而產(chǎn)生變化。因此，僅需要修改對(duì)應(yīng)關(guān)鍵尺寸的標(biāo)稱值與公差范圍即可滿足參數(shù)化設(shè)計(jì)需求。

2 運(yùn)行效果及軟件界面

本軟件系統(tǒng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐檢驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)8種動(dòng)車組尺寸三維測(cè)量數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和靶標(biāo)偏差量補(bǔ)償?shù)裙δ?，完成車體加工工藝的精度分析，為確保動(dòng)車組的精確加工以及加工工藝的完善提供技術(shù)支撐。且具有一定通用性、兼容性和擴(kuò)展性，是實(shí)現(xiàn)高效測(cè)量與生產(chǎn)的重要工具，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期的要求。軟件界面效果圖如圖6～圖8所示。

圖6 車體總成數(shù)據(jù)分析軟件主界面

圖7 測(cè)量結(jié)果圖片顯示

3 結(jié)論

本文介紹了一種針對(duì)高速車車體結(jié)構(gòu)特征尺寸分析的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)分析了實(shí)現(xiàn)多車型兼容的測(cè)點(diǎn)參數(shù)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并討論了該軟件系統(tǒng)所具有的功能。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐檢驗(yàn)，本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，能夠完成高速車車體尺寸加工工藝的精度分析，方便了一線工程師及操作人員使用，且具有一定通用性、兼容性和擴(kuò)展性，是實(shí)現(xiàn)高效測(cè)量與生產(chǎn)的重要工具。

圖8 高速車型數(shù)據(jù)分析報(bào)表系統(tǒng)設(shè)計(jì)