高速车体侧墙轮廓数字化测量卡板研制

                 高速车体侧墙轮廓数字化测量卡板研制

徐志强[1],刘伟洁,宁鑫

中车唐山机车车辆有限公司 河北省唐山市  064000

摘要：本文基于激光三角测距的原理，设计了一种针对高速车体侧墙形状偏差的高精度数字化测量卡板。该数字卡板根据车体侧墙的结构、形状位置和尺寸要求进行设计，主要由基板和激光位移传感器组成。设计的卡板采用非接触测量，测量精度高、自动化程度高、对被测物没有磨损，满足了高铁车体侧墙生产检测的要求。

关键词：数字化卡板形状偏差测量激光测距

1 引言

在高铁列车车体制造过程中，需要对车体侧墙的形状偏差进行在线检测，以获取准确的形状数据。目前采用的检测方法如图1所示，是采用整体式的铝合金样板作为标准模板，利用直尺人工测量卡板与被测车体之间的间隙，从而获取车体的形状偏差信息。但是这种检测方式测量精度低、效率低、可靠性差、数据无法自动保存，不能满足目前及今后的标准化生产需求，为了进一步提高高铁车体侧墙形状偏差检测技术的自动化以及精密化程度，一种精密的、自动检测技术成为研究的重点和难点。

为此，我们针对侧墙的特殊结构设计研制了一体化数字卡板，能在线测量车体轮廓偏差，同时获得车体一个横截面上多个测点的偏差距离信息，以满足生产的要求。该数字卡板采用高精度激光位移传感器测量距离偏差，保证了测量的高精度；非接触测量的测量方式对于被测件表面没有磨损、没有接触变形，设备使用寿命长、免维护；测量过程实现了自动测量、储存，精度高、可靠性好[1]。

2 数字化卡板研制

2.1 测量原理

为了实现侧墙的形状偏差测量，拟采用多个高精度激光位移传感器来构建一体化数字卡板。通过获取卡板与被测车体表面的法向距离，实现形状偏差的非接触测量。

激光位移传感器的主要测量原理是激光三角测量法[2-3]。直入射式激光三角测量方法示意图如图2，此测量系统由激光器、光阑、透镜、光电器件组成。在入射光路中，激光器产生的激光光线通过光阑和透镜，垂直的照射在被测物体表面，由被测物体表面漫反射，经过透镜在光电器件上成像。

如图2所示，假设α为激光器光轴所在直线与接收透镜光轴所在直线之间所夹锐角，β为光电器件成像平面与接收透镜光轴所在直线之间所夹锐角，a为物到物方主平面之间的距离（即为物距），b为像到像方主平面之间的距离（即为像距），L为被测物体沿着激光器光轴所在直线方向移动的距离，x为像点在光电器件上移动的距离。

以O点为原点，规定靠近激光器时x取负值，远离激光器时x取正值，可以推导出式子：

   (2-1)

反解可得到

     (2-2)

针对上式，规定当物体靠近激光器时，L取负值；当物体远离激光器时，L取正值。以上两个公式即直入射激光三角系统的数学模型。

2.2 测量装置设计

高速车车体侧墙由上墙板、窗上板、窗间板、窗下板、下墙板五块焊接而成。车体侧墙的总高度变化范围为2500mm±100mm，被测轮廓数据为二维轮廓参数，测量要求为：每个侧墙测量12个断面，每个断面测量9-10个数据,同时要求测量侧墙高度,测量数据精确到0.5mm。

设计卡板时综合考虑以下几个方面的问题：

测量轮廓数据为二维轮廓参数，测量点位多、测头数量多；

卡板结构跨度尺寸较大，易变形，测量精度及稳定性不宜保证；

操作方式为人工手持操作，对整体重量有限制要求；

卡板续航能力能满足单班次8小时工作要求。

因此设计的数字化卡板时从以下几个方面进行结构设计和外购件选用：

卡板材料和结构：卡板横跨在被测车体侧墙上面，通过定位机构与被测侧墙保持相对位置关系；经过几种材料试验，选用便于加工制造、稳定性高的铝合金型材，能同时兼顾到刚性、轻量化、曲线形状实现、方便安装加工等多种要素。并在侧面和底面均设计有标准轨道槽，方便测量传感器的安装调整。

定位机构：共有4个，2个置于基板下方，另外2个置于基板的两端；用于保证测量基准的准确。

测量传感器：多个激光位移传感器探头组件（10-14个），安装于卡板的定位板上；该组件设计时考虑测量车型的可拓展性，传感器定位板可沿水平方向调整定位，同时也可上下移动调整并定位。因此，可以满足不同侧墙量程的变化。传感器采用LDS-S-50型一体化激光位移传感器，此款传感器为测量和数据处理模块一体集成，方便控制且重量相对较轻。

传感器安装于卡板内部的定位板上，分别对准被测车体的相应测量点，并与被测点表面垂直，用于测量卡板与被测车体的轮廓形状偏差。

控制器：控制系统为了满足现场检测需求，包含工业一体机一台、激光距离检测装置14个、绝对值编码器、数据读取装置等。其外壳及安放空间在设计本体时一起考虑，与本体融为一体。

控制系统除考虑测量要求外，同时对各测量传感器的用电量进行匹配，优化用电需求，以减少电池容量，达到控制整体重量的目的。

电池：选用快速可充电式，内置于卡板之内，可为所有器件供电，保证连续工作。

综上所述，数字化卡板组成如图3所示，整个数字化卡板系统主要由基板和激光位移传感器构成。

数字卡板的基板横跨在被测车体侧墙上面，通过支撑机构和滚轮与被测侧墙保持稳定而可靠的相对位置关系，并且保证每次测量位置一致性、提供测量重复性。基板的长度保持与被测车墙的高度基本一致，以便放置测量装置。主要结构说明如下：

1-工件测量左端双轮定位器。

2-激光测量传感器探头组件（10-14个）。

3、6-柔性测量工装支撑轮组。

4-各传感器组件水平方向调整定位槽。

5-被测工件。

7-工件高度测量传感器。

8-可移动支架，用于高度测量传感器调整。

9-测量工装主体基板。其侧面和底面均设计有标准轨道槽，方便安装调整。

10-电池放置仓。

11-激光传感器探头上下调整机构。

12-控制及显示仪表。

13-工件纵向位移测量装置。

2.3 测量装置使用

在首次测量前，按测量要求，数字卡板应进行校准，校准以被测工件的基准模型为准。工装校准包含有两部分内容，一是传感器状态检测。可随时检测显示每个传感器的输出状态及测量数据，从而判断传感器是否完好，并可由此对传感器进行机械位置的调整。二是测量模型校谁。将工装放在被测工件的基准模型上，位置对准后执行校准，由数字化卡板系统更新基础曲线数值。

由于是自动化测量，所以测量工具的操作简单。将“卡板”横跨在工件上面的起始测量位，工装左端双轮定位器与工件端面靠实，按起始位测量键，执行起始位测量，该位置的测量，除读取侧墙弧面数据及高度数据外，还将初始化沿工件长度方向的工装位移数据。然后随着工装的移动，显示位移，并提示下一测量点，到位后执行该位置的测量，直至完成所有测量。

3 实验结果

为了验证设计的数字化卡板的重复性、稳定性和重复定位精度[4]，我们设计了3种测试实验：

1) 重复性试验：将被测车体侧墙可靠支撑并固定，将卡板置于被测侧墙之上，锁紧所有的定位机构。所有传感器连续采样若干个读数、记录，观测传感器读数的重复变化规律，实验测量数据如表1所示。

表1 卡板重复性测试数据(单位mm)

2) 稳定性试验：将被测车体可靠支撑并固定，将卡板置于被测车体侧墙之上，锁紧所有的定位机构。每隔5分钟记录所有传感器的读数，观察长时间周期内的读数变化规律，实验测量数据如表2所示。

表2 卡板稳定性测试数据(单位mm)

3)重复定位精度试验：将被测车体侧墙可靠支撑并固定，将卡板置于被测侧墙之上。打开定位机构，取下卡板，再次安装、锁紧，重复上述过程，观察传感器读数的变化规律，实验测量数据如表3所示。

表3 卡板重复定位精度测试数据(单位mm)

由实验测量结果可知，所设计的数字化卡板测量的重复性好、稳定性高、重复定位精度高，达到了车辆侧墙测量的工艺要求。

4 结语

本文设计了一种测量高铁车体侧墙形状偏差的数字化卡板，该卡板主要利用激光位移传感器测距。实验结果证明，卡板的重复性好、稳定性高、重复定位精度高，很好满足了车体的测量要求。

本文提出的数字化卡板设计思路和方法具有广泛的应用性，还可以用于其他对测量精度要求高的工业生产领域。

参考文献：

1. 庄葆华, 张吉华. 激光三角测距法及其在汽车工业中的应用[J]. 汽车技术, 1993(11):28-30.

2. 聂晨晨, 张海波, 陶卫,等. 基于FPGA与DSP的一体化激光三角位移传感器系统[J]. 计算机测量与控制, 2012, 20(6):1725-1728.

3. 金文燕, 赵辉, 陶卫. 激光三角测距传感器建模及参数优化研究[J]. 传感技术学报, 2006, 19(4):1090-1093.

4. 倪骁骅. 形状误差测量结果不确定度的研究及应用[D]. 合肥工业大学, 2002.

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1.作者简介：徐志强（1983－），男，本科学历，高级工程师，从事轨道车辆工艺装备设计和研究工作。