摘要：介紹了一套光機(jī)電一體化火車輪對自動(dòng)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了高精度激光位移測量、高速同步采樣等多項(xiàng)新技術(shù)。測量算法采用數(shù)字濾波、曲線擬合等多種數(shù)據(jù)處理方法。所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：自動(dòng)檢測 激光位移測量 同步采樣 數(shù)字濾波 貨車輪對 近年來，由于列車的提速以及列車軸承化的發(fā)展和鐵路信息化管理的需求，傳統(tǒng)的手工輪對測量裝置因效率低、差錯(cuò)率高、不便于信息化管理而不能滿足當(dāng)前的需要。與此同時(shí)，由于列車向高速重載方向發(fā)展，使得列車輪對的磨耗加劇，檢修周期縮短，導(dǎo)致各車輛檢修段的工作量加大，因此及時(shí)準(zhǔn)確地掌握車輪輪對的磨耗狀況是非常必要的。研究相應(yīng)的檢測技術(shù)可以為鐵路部門提供實(shí)用的檢測裝置，同時(shí)也為高速鐵路輪軌關(guān)系的研究提供了實(shí)用的檢測手段。本文針對輪對檢測的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了采用ＣＣＤ攝像頭、大量程高精度激光位移傳感器以及高速同步采樣、數(shù)字濾波和曲線擬合等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的包括控制總成和機(jī)械總成在內(nèi)的光機(jī)電一體化的火車輪對檢測及診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠迅速檢測出輪對的外形參數(shù)，而且能夠解決目前最為關(guān)鍵的踏面參數(shù)檢測問題。該系統(tǒng)按照《中華人民共和國鐵道部鐵路貨車輪對和滾動(dòng)軸承組裝及檢修規(guī)則》對工藝標(biāo)準(zhǔn)的要求，可對檢修過程中的已安裝或未安裝軸承的列車輪對的相關(guān)尺寸參數(shù)進(jìn)行非接觸快速自動(dòng)測量，其應(yīng)用必將為列車輪對的測量和檢修提供一種全自動(dòng)、高精度、高效率的檢測手段。 １ 測量系統(tǒng)簡述 本系統(tǒng)是能全自動(dòng)測量鐵路車輛輪對幾何參數(shù)并實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)自動(dòng)化管理的裝置。檢測系統(tǒng)采用高精度激光傳感器ＬＫ５０１以及高速同步采樣等新技術(shù)，從而保證了所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠既快速又準(zhǔn)確地完成輪對相關(guān)參數(shù)的檢測。整個(gè)檢測系統(tǒng)的電控部分主要由上位控制計(jì)算機(jī)及接口、下位計(jì)算機(jī)（完成測量頭運(yùn)動(dòng)控制、同步數(shù)據(jù)采集、采集數(shù)據(jù)的上傳等）、伺服電機(jī)控制器、輪對運(yùn)動(dòng)控制部分、標(biāo)志板圖像錄入部分等組成。上位機(jī)軟件操作界面友好、功能豐富，具有一定的動(dòng)畫顯示功能，能完成測量數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)，檢測結(jié)果能自動(dòng)打印在車統(tǒng)５１－Ｃ卡片上。 １．１ 系統(tǒng)的基本組成 本系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)兩大部分組成。機(jī)械系統(tǒng)是輪對控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要完成輪對的運(yùn)動(dòng)功能，如進(jìn)輪、緩沖、舉升、轉(zhuǎn)輪、落輪和出輪等，其執(zhí)行部件是電磁閥和氣缸。本文主要研究電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，故下面將重點(diǎn)介紹電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)由兩部分組成：（１）測量控制電路；（２）隨動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)的組成如圖１所示。 １．２ 系統(tǒng)工作原理簡介 １．２．１ 隨動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 螺旋滾珠絲桿和精密直線滑動(dòng)導(dǎo)軌組成的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在伺服電機(jī)上，而激光傳感器安裝在滑座上。當(dāng)電機(jī)按預(yù)定的運(yùn)行方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)激光傳感器對輪對進(jìn)行掃描。 １．２．２ 測量控制電路 通過下位機(jī)的控制輸出單元驅(qū)動(dòng)輪對控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使輪對到達(dá)預(yù)定工位,同時(shí)啟動(dòng)伺服電機(jī)開始掃描測量。 測量開始時(shí)，被測工件與激光傳感器之間的距離為一設(shè)定值（此設(shè)定值對應(yīng)于激光傳感器線性測量段的零點(diǎn)）。在測量過程中，激光傳感器沿著滑動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，當(dāng)被測工件尺寸發(fā)生變化時(shí)，激光傳感器與工件的距離也將改變，其輸出電壓信號也隨之改變，經(jīng)過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換單元采樣后送入下位機(jī)，此為輪對的徑（Ｙ）向數(shù)據(jù)。 與此同時(shí)，下位機(jī)同步計(jì)數(shù)來自伺服電機(jī)控制器的反饋脈沖數(shù)，單片機(jī)以此計(jì)算激光傳感器沿滑動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的位移，此為輪對的軸向數(shù)據(jù)。 伺服電機(jī)根據(jù)設(shè)定的運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)行，同時(shí)電機(jī)控制器把電機(jī)上光電編碼器輸出的一定頻率的反饋脈沖送入下位機(jī)。下位機(jī)對該脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，每隔２０個(gè)計(jì)數(shù)脈沖（對應(yīng)于軸向的０．１ｍｍ），通過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器對激光傳感器的測量輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。這樣就實(shí)現(xiàn)了同步采樣。 下位機(jī)通過基于ＲＳ４２２Ａ標(biāo)準(zhǔn)的串行接口將數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)融合徑向和軸向數(shù)據(jù)后，即可畫出被測工件的二維圖像并計(jì)算出相關(guān)的輪對外形幾何參數(shù)。 ２ 系統(tǒng)檢測與管理軟件 ２．１ 軟件系統(tǒng)簡述 系統(tǒng)檢測與管理軟件主要完成測量數(shù)據(jù)的處理及解算出輪對的各種幾何參數(shù)，從而獲得檢測結(jié)果。該軟件以Ｃ＋＋ Ｂｕｉｌｄｅｒ ５．０為開發(fā)平臺(tái)，采用多任務(wù)和多線程模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主界面顯示模塊、測量信息處理模塊、串行通信模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊、圖像錄入及顯示模塊和輪對信息打印模塊等。根據(jù)本檢測系統(tǒng)的具體特點(diǎn)和要求，軟件系統(tǒng)總框圖如圖２所示。 ２．２ 軟件模塊及功能 監(jiān)控模塊是該軟件的核心，主要包括主界面顯示模塊、測量信息處理模塊和數(shù)據(jù)庫管理模塊等。 ２．２．１ 主界面顯示模塊 該模塊顯示檢測列車輪對過程中的測量信息，包括輪對運(yùn)動(dòng)的控制和動(dòng)畫顯示、輪對軸端標(biāo)志牌的攝像、輪對外形幾何參數(shù)以及被測輪對的外形圖顯示等。 ２．２．２ 測量信息處理模塊 該模塊用于下位機(jī)上傳的測量數(shù)據(jù)的分析和處理，主要包括數(shù)字濾波和曲線擬合以及相關(guān)參數(shù)的計(jì)算等。該模塊是上位機(jī)軟件的重點(diǎn)所在，其數(shù)據(jù)處理算法的優(yōu)劣直接關(guān)系到了本檢測系統(tǒng)的最終測量精度。 ２．２．３ 數(shù)據(jù)庫管理模塊 該模塊存儲(chǔ)操作人員管理信息、被檢測列車輪對的全部信息。這些信息不能隨意修改，模塊提供密碼保護(hù)功能，只有系統(tǒng)管理員才能進(jìn)入。同時(shí)它還具有數(shù)據(jù)庫查詢和統(tǒng)計(jì)功能，可以分別按操作人員、檢測日期來查詢歷史檢測記錄，并且管理人員可以統(tǒng)計(jì)近期工作量，以此來制定后階段的工作計(jì)劃。 串行通訊子線程主要負(fù)責(zé)上位機(jī)和下位機(jī)之間的信息交換，是相對于主線程比較獨(dú)立的線程，平時(shí)運(yùn)行于后臺(tái)，隨時(shí)監(jiān)視串行口的動(dòng)作。該線程采用雙串口協(xié)調(diào)機(jī)制，以保證達(dá)到高速同步測量的目的。圖像信息的錄入采用基于ＵＳＢ接口的攝像頭，以滿足高速高質(zhì)量圖像傳輸?shù)囊蟆? 采用上述的軟硬件設(shè)計(jì)方法，本高精度激光輪對檢測系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，各項(xiàng)性能指標(biāo)都達(dá)到了系統(tǒng)測量精度的要求，具有很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。系統(tǒng)測量精度如表１所示。