黄志高，王元芳

（武汉铁路职业技术学院，湖北武汉430205）

基于光学原理的铁路钢轨直线度测量系统设计

黄志高，王元芳

（武汉铁路职业技术学院，湖北武汉430205）

提出采用激光位移传感器测量技术对铁轨直线度尺寸进行测量的方法，设计了主要由运动控制测量平台、激光位移传感器、二维PSD位置传感器、信号采集及信号处理模块等四部分组成测量系统。软件系统按照最小二乘拟合的方法对采集数据进行计算，并具备分析、处理存储功能。根据测量结果，分析了系统误差及影响系统精度的主要因素。应用表明：该系统满足高速铁道长轨直线度测量测量要求。

钢轨；直线度；非接触式测量；最小二乘法

随着我国铁路交通事业的迅速发展，特别是国家对高速铁路发展建设的需要，高铁已经成为提高铁路运送能力的重要手段。在铁路系统中，铁轨起到了举足轻重的作用，然而高速铁道用长轨直线度测量一直是困扰生产企业的一个重要的技术难题。目前在生产现场，对铁轨直线度测量大多采用人工的方法，利用直尺和拉绳法等直接测量。此测量方法效率低下，且测量精度远远达不到预定要求，已经无法跟上铁路事业发展方向的要求。

基于此，本文设计了一种基于光学的测量系统，该系统具有高精度、高速度及非接触式测量等特性，实践证明，该测量系统具有较高的性价比，其系统的组成结构如图1所示。

图1 结构简图

1 系统测量原理

基于激光位移传感器测量方法是一种强有力的非接触式测量方法，作为几何量的非接触式测量检测技术，激光位移传感器基于激光三角测量原理[1]，具有测量精度高、响应时间短、光斑精密等特点，所以，提出采用激光位移传感器测量技术实施对铁轨直线度尺寸进行测量。从图1中可以看出，该测量系统主要由高稳定性运动控制测量平台、高精度激光位移传感器、高精度二维PSD位置传感器、高速信号采集及信号处理模块等四部分组成。其中激光位移传感器模块和激光器安装在运动控制平台上，二维PSD位置传感器固定安装在测量平台一端。运动控制平台带动激光位移传感器和激光器作直线运动，PSD位置传感器用来接收激光器位置信号，弥补运动平台自身直线度偏差，同时信号系统对激光位移传感器和PSD位置传感器数据进行采集，信号系统对得到的数据进行分析与处理，最后即可计算工件的直线度。在该系统中，激光位移传感器部分主要是对铁轨形位尺寸进行测量，PSD位置传感器主要是对激光位移传感器位置进行实时记录，信号采集与处理系统部分主要是对测量的信号进行处理计算。

2 测量系统结构设计

由于工厂生产出来的铁轨长度从十几米到二十几米不等，为了能够满足其测量范围要求，本系统设计了一种固定龙门式全自动化的铁轨测量系统，该系统能够满足各种不同长度铁轨直线度测量要求。从结构简图中可以看出，该系统由测量龙门架、测量平台、测量传动机构等几部分组成。

本系统设计龙门架跨度为30 m，考虑到龙门架长度的原因，在选材上选择轻质结构钢，可以有效增加龙门架的刚度，同时也可以减轻龙门架的重量；测量平台是由40组测量支架组成，一方面，可以避免因铁轨自身重力作用而发生弯曲；另一方面，可以大大减少制造成本；测量传动机构包含运动直线轨道及步进运动机构，运动直线轨道是由10根标准的直线导轨安装在龙门架上，如图2所示。

图2 系统结构图

理论上，传感器运动直线轨道本身就有直线度偏差影响，再加上运动直线轨道是由10根直线导轨组成，所以存在累积误差，为了能够消除上述本身直线度误差给测量结构带来的影响，在结构设计上增加了激光器和PSD传感器，激光器安装在传感器传动机构上，跟随激光位移传感器一起运动，PSD传感器安装在龙门架一端，此传感器接收激光器信号，从而可以有效补偿运动直线轨道偏差，提高测量数据准确性。

3 测量系统软件设计

本系统软件是在WINDOWS操作平台的基础上利用Visual C++工具编制而成，具有良好的人机界面，操作简单。系统软件主要由激光移传及PSD位移感器模块、信号采集与处理模块、运动控制平台模块等几部分组成，系统软件算法主要流程图如图3所示。

图3 系统软件流程图

4 系统测量计算方法、测量结果及误差分析

4.1 系统测量计算方法

本系统测量数据包含两组数据，一组是激光位移传感器得到的数据为X[i]，另一组是PSD位移传感器得到的数据为Y[i]，所以通过此两组数据即可得到一系列的铁轨数据Z[i]=X[i]+Y[i]，如图4所示。

图4 测量示意图

然后选择最小二乘拟合的方法计算铁轨数据Z[i]的直线方程。设x和y之间的函数关系由直线方程[2]：

解上述正规方程组便可求得直线参数a0、a1的值，即可拟合Z[i]数据点的直线，然后再计算每个点与直线的偏差即可得到铁轨的直线度。

4.2 系统测量的结果

本系统对铁轨尺寸做了大量的直线度测量试验，本文仅对12.5 m铁轨直线度进行测量分析，其中铁轨直线度示值为2 mm/m.测量20次结果如表1所示，测量结果波形图如图5所示。

表1 测量结果（单位：mm）

图5 测量结果波形图

由测量的结果表1可知，铁轨直线度均值为1.995 mm/m，标准偏差为0.022 3 mm，其误差范围在允许的范围内，完全能够满足国标标准。如图5所示的测量结果波动性比较平稳，可见测量重复性比较稳定。

4.3 测量系统的误差分析

本测量系统是基于激光位移传感器的测量方法，每一个测量环节都可能有影响测量精度的因素。从本测量系统来看，影响该测量系统的误差主要有：激光位移传感器与PSD位移传感器的测量精度[3]、系统的机械结构[4]、信号处理算法精度[5]。

（1）在本测量系统中，采用了高速高精度激光位移传感器直接的测量方法，为了能够精准获取接头外系统轮廓，本系统选用的激光位移传感器和PSD位置传感器精度为5μm，此传感器抗干扰能力强，另外通过PSD位置传感器能实时补偿系统本身的直线度误差的影响。

（2）本测量系统测量平台采用多支撑平台支撑工件的测量方法，在测量前，会通过结构光方法调整支撑平台在同一水平面上，因而可以减小测量系统的误差。

（3）信号处理的精度对尺寸测量有直接的影响，本文采用最小二乘拟合的方法进行计算测量结果，能够准确描绘铁轨表面情况，从而能减小算法对测量系统的误差。

5 结束语

铁路钢轨直线度测量系统基于激光三角测量原理，实现了对铁轨直线度尺寸的非接触式测量。通过适当的结构设计和传感器选用，实现了测量精度的有效控制，测量结果满足国标标准。同时，对铁轨直线度参数进行检测，经过数据采集和处理后，能够按实际试验要求的格式存储并输出检测报告。

该系统结构简单，工作可靠，操作使用方便。投入了正常的使用之中，它对于铁道钢轨的科学管理和使用，保证正常生产、安全生产具有重要的实际应用价值和现实意义。

[1]韩世卓.铁路无缝钢轨直线度测量[J].仪器仪表学报，2004，25（A1）：191-192.

[2]王可，宋天皎，孙兴伟，等.直线度误差曲线形成机理与形位特性研究[J].重型机械，2016，64（1）：29-32.

[3]郝志伟，刘悦，于开迪，等.基于组网测量法对大型导轨直线度的检验[J].科技创新导报，2016，13（19）：57-59.

[4]张丽萍，李业农，赵建杰.某数控车床贴塑导轨直线度误差的灰色预测[J].制造技术与机床，2016，56（4）：38-41.

[5]罗钧，麻锦侠，刘学明，等.三维坐标点集的空间直线度高精度快速评定[J].上海交通大学学报，2016，51（5）：730-735.

Design of Railway RailStraightness Measurement System Based on OpticalSystem

HUANG Zhi-gao，WANG Yuan-fang
（Wuhan Railway Vocational College of Technology，Wuhan Hubei 430205，China）

A measurement system which is composed of four parts with themotion controlmeasurement platform，laser displacement sensor，two-dimensional PSD position sensor and signal acquisition and processingmodule was designed，tomeasure the straightness of the rail size by using a laser displacement sensormeasurement technology in the paper.According to the least square fitting method，the software system was used to analyze the collected data.The main factors affecting the accuracy of the system and systematic error are analyzed，according to the measurement results.The system can meet the requirements of high speed railway long track straightnessmeasurement.

rail；straightness；non-contactmeasurement；least squaremethod

U213.4

A

1672-545X（2017）04-0046-03

2017-01-01

黄志高（1972-），男，湖北随州人，讲师，硕士研究生，研究方向：铁道机车车辆。