蘭可豪， 李淑娟， 王嘉賓， 高向陽， 任朋欣

（西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

CRTSⅢ型無砟軌道板是我國自主研發(fā)的一種新型的板式軌道，具有平順性高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[1]。相比于傳統(tǒng)的軌道板，CRTSⅢ型無砟軌道板改變了限制位移的模式，通過在軌道板下增加填充層材料，優(yōu)化了軌道板的結(jié)構(gòu)和提高了軌道板的彈性[2]。中國鐵路總公司發(fā)布的《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板》（Q/CR 567—2017）提出了CRTSⅢ型無砟軌道板的檢驗(yàn)要求和生產(chǎn)節(jié)拍，并要求部分尺寸全檢[3]。目前，軌道板的尺寸檢測(cè)方法主要包括三坐標(biāo)檢測(cè)法、全站儀檢測(cè)法和激光檢測(cè)法[4-6]。德國的博格板基本都采用全站儀進(jìn)行檢測(cè)，該方法的關(guān)鍵在于軌道板鋪裝過程中的實(shí)時(shí)跟進(jìn)檢測(cè)[7]。全站儀檢測(cè)法的應(yīng)用較為成熟且檢測(cè)精度滿足要求，但其在實(shí)際應(yīng)用中仍采用人工抽檢，檢測(cè)單塊軌道板所需的時(shí)間為30～50 min，檢測(cè)效率較低且難以實(shí)現(xiàn)全檢，無法滿足自動(dòng)化生產(chǎn)節(jié)拍的需求。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是目前國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的檢測(cè)儀器之一，其檢測(cè)精度可達(dá)微米級(jí)，可作為行業(yè)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。但該方法同樣采用人工抽檢方式，檢測(cè)效率較低，不能實(shí)現(xiàn)全檢，且無法實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)[8]。三維激光掃描技術(shù)以其掃描速度快、非接觸、檢測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)，成為了應(yīng)用廣泛的測(cè)量技術(shù)[9-12]。與其他非接觸式測(cè)量方法相比，三維激光掃描技術(shù)具有與計(jì)算機(jī)集成方便、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理和三維重建靈活性高等優(yōu)點(diǎn)[13-16]。Lindenbergh等[17-18]指出三維激光掃描技術(shù)是一種新型的三維測(cè)量技術(shù)，不僅能實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，而且用時(shí)短和精度高，是測(cè)繪領(lǐng)域的一項(xiàng)重大技術(shù)突破。Luo等[19]指出三維激光掃描測(cè)量的結(jié)果能直接導(dǎo)入多種軟件，因此該方法被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，同時(shí)它相當(dāng)于是正向建模軟件的對(duì)稱應(yīng)用。許磊[20]提出了一種結(jié)合手持式激光掃描儀和激光跟蹤儀的軌道板尺寸檢測(cè)方法。薛峰等[21]提出了一種基于圖像處理的非接觸式的軌道板表面質(zhì)量檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)軌道板裂縫的準(zhǔn)確定位。楊銘等[22]介紹了三維激光掃描技術(shù)的測(cè)量原理、操作流程及其目前在CRTSⅢ型無砟軌道板檢測(cè)中的應(yīng)用情況。李強(qiáng)等[23]設(shè)計(jì)了一款基于激光檢測(cè)技術(shù)的自動(dòng)化測(cè)量小車，實(shí)現(xiàn)了對(duì)CRTSⅢ型無砟軌道板的快速檢測(cè)，其檢測(cè)效率是傳統(tǒng)全站儀的3倍。

綜上所述，現(xiàn)階段軌道板的檢測(cè)仍依靠人工輔助檢測(cè)，檢測(cè)效率低，難以達(dá)到每板必檢的要求，且無法融入自動(dòng)化生產(chǎn)線。由于激光檢測(cè)法具有精度高、速度快的優(yōu)點(diǎn)，因此研制一種基于激光檢測(cè)技術(shù)的CRTSⅢ型無砟軌道板檢測(cè)系統(tǒng)具有重要意義。

為此，筆者擬根據(jù)Q/CR 567—2017中CRTSⅢ型無砟軌道板生產(chǎn)線對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍的要求[3]，提出一種基于點(diǎn)激光的立式軌道板輪廓尺寸快速檢測(cè)方法。采用點(diǎn)激光傳感器配合磁柵尺同步采集軌道板及其承軌臺(tái)的輪廓數(shù)據(jù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)基于差值處理的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，并采用最小二乘法對(duì)關(guān)鍵輪廓尺寸進(jìn)行擬合計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)在軌道板生產(chǎn)線要求的生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)完成輪廓尺寸的自動(dòng)檢測(cè)。最后，通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證所提出的檢測(cè)方法的精度和一致性。

1 CRTSⅢ型無砟軌道板的點(diǎn)激光檢測(cè)原理

CRTSⅢ型無砟軌道板的結(jié)構(gòu)和主要輪廓尺寸如圖1所示，其整體外形尺寸為5 600 mm×2 500 mm×200 mm，表面均勻分布著9對(duì)承軌臺(tái)。承軌臺(tái)的結(jié)構(gòu)及其主要尺寸如圖2所示。

圖1 CRTSⅢ型無砟軌道板的結(jié)構(gòu)和主要輪廓尺寸Fig.1 Structure and main contour dimensions of CRTSⅢballastless track slab

圖2 承軌臺(tái)的結(jié)構(gòu)及其主要尺寸Fig.2 Structure and main dimensions of rail support platform

CRTSⅢ型無砟軌道板的生產(chǎn)線包含多道工序，其生產(chǎn)節(jié)拍為10 min。其中，檢測(cè)工序的前道工序?yàn)樗B(yǎng)工序，在水養(yǎng)工序中軌道板立式放置在水養(yǎng)池中。檢測(cè)工序的后續(xù)工序?yàn)榇娣殴ば?，在存放工序中軌道板同樣是立式放置。但在傳統(tǒng)的檢測(cè)方法中，必須將軌道板平放才能檢測(cè)。為了節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間，根據(jù)軌道板的工藝流程，本文設(shè)計(jì)了一種立式檢測(cè)方法，以避免軌道板翻轉(zhuǎn)2次，且方便軌道板吊裝，從而提高檢測(cè)效率。所設(shè)計(jì)的軌道板立式檢測(cè)設(shè)備如圖3所示。

圖3 CRTSⅢ型無砟軌道板立式檢測(cè)設(shè)備三維模型Fig.3 Three-dimensional model of CRTSⅢ ballastless track slab vertical detection device

相較于其他激光檢測(cè)方法[9]，點(diǎn)激光檢測(cè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)少，數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性高，且對(duì)上位機(jī)計(jì)算資源的需求小，可滿足軌道板的快速檢測(cè)需求。本文采用點(diǎn)激光傳感器配合磁柵尺同步采集軌道板及其承軌臺(tái)輪廓的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。如圖3所示，點(diǎn)激光傳感器和磁柵尺的數(shù)量均為9個(gè)（與承軌臺(tái)數(shù)量相對(duì)應(yīng)）。其中：點(diǎn)激光傳感器安裝在橫梁上，橫梁通過多個(gè)滑塊固定在直線導(dǎo)軌上；磁柵尺安裝在檢測(cè)立板的凹槽中。

軌道板立式檢測(cè)設(shè)備的動(dòng)力來自伺服液壓缸。伺服液壓缸安裝在檢測(cè)設(shè)備的背面，如圖4所示。當(dāng)檢測(cè)設(shè)備工作時(shí)，伺服液壓缸通過伸縮帶動(dòng)鋼絲繩，鋼絲繩拉動(dòng)橫梁沿直線導(dǎo)軌方向（Z向）勻速運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)軌道板輪廓尺寸的快速檢測(cè)。

點(diǎn)激光傳感器采集的原始數(shù)據(jù)為軌道板輪廓表面到傳感器的距離，定義軌道板平面（非承軌臺(tái)處）所在位置的高度為零點(diǎn)，對(duì)傳感器采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到點(diǎn)激光數(shù)據(jù)；磁柵尺采集的數(shù)據(jù)為點(diǎn)激光傳感器在Z向上的位移。軌道板立式檢測(cè)設(shè)備的工作原理如圖5所示。當(dāng)檢測(cè)設(shè)備開始工作時(shí)，上位機(jī)通過PLC（programmable logic controller，可編程邏輯控制器）控制伺服液壓缸的伸縮，以拉動(dòng)橫梁作勻速運(yùn)動(dòng)；與此同時(shí)，點(diǎn)激光傳感器和磁柵尺同步采集數(shù)據(jù)并上傳至上位機(jī)。隨后，上位機(jī)實(shí)時(shí)處理點(diǎn)激光傳感器和磁柵尺采集的數(shù)據(jù)并將最終結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。當(dāng)軌道板的型號(hào)發(fā)生變化時(shí)，可通過上位機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)來調(diào)整點(diǎn)激光傳感器的位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同型號(hào)軌道板的檢測(cè)。

圖5 CRTSⅢ型無砟軌道板立式檢測(cè)設(shè)備的工作原理Fig.5 Working principle of CRTSⅢ ballastless track slab vertical detection device

2 點(diǎn)激光數(shù)據(jù)處理方法

由圖1和圖2可知，CRTSⅢ型無砟軌道板需要檢測(cè)的關(guān)鍵輪廓尺寸大多位于承軌臺(tái)上，而點(diǎn)激光傳感器所采集的數(shù)據(jù)為其到軌道板輪廓表面的距離，因此要設(shè)計(jì)合適的點(diǎn)激光數(shù)據(jù)處理方法，以獲取承軌臺(tái)的關(guān)鍵輪廓尺寸。

2.1 點(diǎn)激光數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

在CRTSⅢ型無砟軌道板的檢測(cè)過程中，可能會(huì)存在數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)突變等異常情況。圖6所示為采集的某組存在異常的原始點(diǎn)激光數(shù)據(jù)（承軌臺(tái)輪廓數(shù)據(jù)）。導(dǎo)致異常情況產(chǎn)生的因素包括邊緣折射、灰塵和點(diǎn)激光傳感器自身損壞等，這些因素均會(huì)嚴(yán)重影響檢測(cè)精度。因此，在對(duì)點(diǎn)激光數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算前，須對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以剔除異常值。

圖6 存在異常的原始點(diǎn)激光數(shù)據(jù)Fig.6 Original point laser data with anomalies

差值處理是指對(duì)一組數(shù)據(jù)中所有相鄰的2個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行差值運(yùn)算，并利用異常數(shù)據(jù)（相鄰數(shù)據(jù)差值大于設(shè)定閾值）相鄰范圍內(nèi)多個(gè)數(shù)據(jù)的平均值替代異常數(shù)據(jù)來消除誤差的方法[8]。根據(jù)點(diǎn)激光數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，本文采用差值處理方法對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。首先，以存在數(shù)據(jù)突變的位置為界，將需要處理的點(diǎn)激光數(shù)據(jù)分割為多個(gè)區(qū)域，圖6所示數(shù)據(jù)的區(qū)域分割結(jié)果如圖7所示。然后，依次對(duì)每個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行差值處理，以去除異常數(shù)據(jù)。最后，采用MATLAB軟件中的Smooth函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。綜上所述，基于差值處理的點(diǎn)激光數(shù)據(jù)預(yù)處理流程如圖8所示。

圖7 點(diǎn)激光數(shù)據(jù)區(qū)域分割結(jié)果Fig.7 Region segmentation result of point laser data

圖8 基于差值處理的點(diǎn)激光數(shù)據(jù)預(yù)處理流程Fig.8 Preprocessing flow of point laser data based on difference processing

基于圖8流程，對(duì)圖6所示的原始點(diǎn)激光數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，預(yù)處理后的點(diǎn)激光數(shù)據(jù)平滑連續(xù)，不存在突變，且對(duì)應(yīng)外形與圖2所示的承軌臺(tái)輪廓一致，可用于承軌臺(tái)關(guān)鍵輪廓尺寸的擬合計(jì)算。

圖9 點(diǎn)激光數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果Fig.9 Preprocessing result of point laser data

2.2 點(diǎn)激光數(shù)據(jù)擬合計(jì)算方法

CRTSⅢ型無砟軌道板承軌臺(tái)的關(guān)鍵輪廓尺寸包括小鉗口距、大鉗口距、預(yù)埋套管中心距、承軌面夾角和預(yù)埋套管歪斜等。為了在預(yù)定的生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)完成軌道板輪廓尺寸的快速檢測(cè)，采用最小二乘法對(duì)預(yù)處理后的點(diǎn)激光數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算，具體流程如圖10所示。

圖10 基于最小二乘法的點(diǎn)激光數(shù)據(jù)擬合流程Fig.10 Fitting flow of point laser data based on least square method

鑒于承軌臺(tái)小鉗口距的擬合計(jì)算較為復(fù)雜，下文以該輪廓尺寸為例進(jìn)行分析?；趫D9所示的預(yù)處理結(jié)果，先采用最小二乘法擬合得到鉗口面直線Y1、Y3和承軌面直線Y2，如圖11所示。隨后，將擬合直線Y2向上平移28 mm，得到直線Y4。直線Y4與Y1、Y3的交點(diǎn)分別為G1和G2，這2個(gè)點(diǎn)之間的距離即為小鉗口距。

圖11 承軌臺(tái)小鉗口距擬合計(jì)算示意Fig.11 Schematic of fitting calculation of small jaw distance of rail support platform

圖11中的4條直線可分別表示為：

直線Y1、Y2、Y3通過擬合直接得到，而直線Y4由直線Y2向上平移28 mm所得。由此可知，k4=k2，參數(shù)b4可由以下幾何關(guān)系求得：

聯(lián)立式(4)和式(5)，確定直線Y4的方程。隨后，求解直線Y4與Y1、Y3的交點(diǎn)G1(xG1,yG1)和G2(xG2,yG2)的坐標(biāo)，公式如下：

根據(jù)兩點(diǎn)距離公式，求得小鉗口距A4：

3 檢測(cè)方法的精度和一致性驗(yàn)證

3.1 精度分析

三坐標(biāo)檢測(cè)法的精度高，為行業(yè)檢測(cè)精度標(biāo)準(zhǔn)[8]。為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)方法的精度和可靠性，分別采用本文檢測(cè)方法和三坐標(biāo)檢測(cè)法對(duì)多組CRTSⅢ型無砟軌道板承軌臺(tái)的關(guān)鍵輪廓尺寸（承軌面夾角、小鉗口距、預(yù)埋套管中心距和大鉗口距）進(jìn)行測(cè)量，并取其中一組針對(duì)同一軌道板上9個(gè)承軌臺(tái)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比?；诒疚臋z測(cè)方法和三坐標(biāo)檢測(cè)法的承軌臺(tái)關(guān)鍵輪廓尺寸的測(cè)量結(jié)果分別如表1和表2所示。為方便直觀觀察，以折線圖形式比較基于2種檢測(cè)方法的承軌臺(tái)關(guān)鍵輪廓尺寸，如圖12所示。

表1 基于本文檢測(cè)方法的承軌臺(tái)關(guān)鍵輪廓尺寸測(cè)量結(jié)果（部分）Table 1 Measurement results of key contour dimensions of rail support platform based on detection method in this paper (part)

表2 基于三坐標(biāo)檢測(cè)法的承軌臺(tái)關(guān)鍵輪廓尺寸測(cè)量結(jié)果（部分）Table 2 Measurement results of key contour dimensions of rail support platform based on three-coordinate detection method (part)

圖12 基于不同檢測(cè)方法的承軌臺(tái)關(guān)鍵輪廓尺寸對(duì)比Fig.12 Comparison of key contour dimensions of rail support platform based on different detection methods

通過觀察圖12可知，基于本文檢測(cè)方法與三坐標(biāo)檢測(cè)法的承軌臺(tái)關(guān)鍵輪廓尺寸的測(cè)量結(jié)果相差不大，說明本文檢測(cè)方法的精度與三坐標(biāo)檢測(cè)法相近，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)中軌道板檢測(cè)精度的要求。

3.2 一致性分析

通過對(duì)同一軌道板的9個(gè)承軌臺(tái)的小鉗口距進(jìn)行5次重復(fù)測(cè)量來驗(yàn)證本文檢測(cè)方法的一致性，測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 基于本文檢測(cè)方法的承軌臺(tái)小鉗口距的5次重復(fù)測(cè)量結(jié)果Table 3 Five repeated measurement results of small jaw distance of rail support platform based on detection method in this paper單位：mm

由表3可知，本文檢測(cè)方法對(duì)9個(gè)承軌臺(tái)的小鉗口距的5次重復(fù)測(cè)量結(jié)果基本一致，最大極差為0.010 mm，最小極差為0.002 mm，極差平均值僅為0.006 7 mm，表明本文檢測(cè)方法的一致性良好。

4 結(jié) 論

本文采用點(diǎn)激光測(cè)量技術(shù)對(duì)CRTSⅢ型無砟軌道板進(jìn)行了立式檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)承軌臺(tái)關(guān)鍵輪廓尺寸的自動(dòng)化快速檢測(cè)，主要工作和結(jié)論如下。

1）設(shè)計(jì)了基于點(diǎn)激光測(cè)量技術(shù)的CRTSⅢ型無砟軌道板立式檢測(cè)設(shè)備，能夠滿足軌道板生產(chǎn)線對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍的要求，且減少了軌道板翻轉(zhuǎn)的次數(shù)，節(jié)約了生產(chǎn)時(shí)間。

2）基于差值處理對(duì)點(diǎn)激光傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理；并以小鉗口距的擬合計(jì)算為例，設(shè)計(jì)了基于最小二乘法的承軌臺(tái)輪廓尺寸擬合計(jì)算方法。

3）采用本文檢測(cè)方法和三坐標(biāo)檢測(cè)法對(duì)同一軌道板上9個(gè)承軌臺(tái)的輪廓尺寸進(jìn)行了測(cè)量并對(duì)比了兩者的精度。結(jié)果表明，2種檢測(cè)方法的測(cè)量結(jié)果相差很小，說明本文檢測(cè)方法的精度較高。利用本文檢測(cè)方法對(duì)同一軌道板上9個(gè)承軌臺(tái)的小鉗口距進(jìn)行5次重復(fù)測(cè)量，以進(jìn)行一致性分析。結(jié)果表明，5次重復(fù)測(cè)量的最大極差為0.010 mm，說明本文檢測(cè)方法具有良好的一致性。

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的CRTSⅢ型無砟軌道板輪廓尺寸快速檢測(cè)方法的檢測(cè)效率較高，可以在要求的生產(chǎn)節(jié)拍內(nèi)完成檢測(cè)任務(wù)，且其精度較高和一致性良好，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。