重轨截面精确检测控制系统构建

张学通

摘 要：本文针对重轨检测存在的问题，在消化吸收原有尺寸精度控制的基础上，利用目前先进的激光数字化检测技术，测量重轨外形的实际测量，得到重轨的实际外形数据，并且利用先进的分析软件直接判断重轨的外形是否合格。构建了重轨断面精确检测控制系统。

关键词：重轨;截面;精确;检测

中图分类号：TG334.9 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）04-0072-04

1 概述

攀钢钒轨梁厂万能轧机生产线是我国第一条100米长尺钢轨生产线，由德国西马克（SMS-MEER）提供机械设备和工艺，西门子（SIMENS）提供电气和控制系统，设计年生产能力为100万吨，其中重轨55万吨，H型钢及其它型钢45万吨，于2004年建成投产。经过十几年的生产实践和不断的技术改造，万能线钢轨产品年产量已超过80万吨，产品质量不断提升，可批量生产出满足时速350公里高速铁路技术条件的长尺钢轨（合格率90%以上）。

但是，生产检验及用户使用表明，攀钢钒轨梁厂生产的热轧钢轨在几何尺寸、平直度及表面质量上与日本、法国进口钢轨相比存在较大差距，如通长断面尺寸波动较大、头尾尺寸变化、表面质量较差，成为制约攀钢钒钢轨产品质量及市场竞争力进一步提升的限制环节。

主要原因是：（1）无法对钢轨全断面形状进行测定：现有检测样板仅能检测标准中规定的部分尺寸，对样板无法检测的部分用户又有要求，因此在用户使用过程中容易出现质量异议，如钢轨踏面圆弧充满程度等。（2）对中间材的尺寸及形状无法测量，影响工艺优化，出现中间轧废等对工艺优化极为重要的条件时，因无法及时加工出检测样板而无法检测，即使加工出检测样板也无法检测出轧件圆弧充满程度。对孔型优化起不到提供良好基础数据的作用。（3）不同人员检测的结果可能不一致：不同人员使用同一检测样板，由于使用的方法和习惯不一样，同一件工件出现检测结果不同时，无法判断检测结果的正确性。（4）同一人员检测结果由于方法不同可能存在不一致，同一人员使用同一检测样板，由于使用的力量和使用的位置不一致，同一件工件的检测结果可能出现不同，并无法正确判断产品的实际规格尺寸。（5）如果检测出现不合格品时，无法为生产线提供调整的参考：目前使用的检测样板只能作出合格和不合格的判断，但是不合格品出现时，究竟该调整多少，如何调整等，无法给生产线提供准确的参考价值。（6）轧辊孔型磨损情况无法预见：随着每天重轨的繁重生产任务，重轨轧制期间轧辊孔型伴随着生产逐步出现磨损，但是这种随机的磨损通过传统的检测形式无法预知，只有在出现废品时才会被发现，但是此时已经造成了生产损失。（7）检测样板同样也会磨损，同样会影响产品品质：检测样板随着使用也会出现磨损、精度改变的情况，同样会影响产品品质。（8）所有检测结果无实际数据，出现问题无法溯源。

2 精确测量系统

2.1 系统描述

上述问题正是无法提高目前重轨尺寸精度的一个重要诱因，为改善钢轨质量，提高产品的国际竞争力，本系统是在消化吸收原有尺寸精度控制的基础上，利用目前先进的检测技术，对重轨界面进行实时监控、分析及反馈，通过使用目前先进的激光数字化检测技术，摒弃了传统的样板方法的对比参考法，对重轨外形的实际测量，得到重轨的实际外形数据，并且利用先进的分析软件直接判断重轨的外形是否合格。实现“实时全尺寸检测监控-反馈”为目标的重轨断面尺寸精度检测系统。

2.1.1 硬件部分

（1）RA7柔性關节臂。关节臂测量机专为车间现场使用而设计，可以在0℃至50℃的条件下进行质量监控，主要组成部分包括臂身，转动关节，编码器以及电气线路等，通过操作者手持的方式以不同形式的联接测头对工件进行接触和非接触测量。同时，内置的角度编码器会实时记录各个臂身的姿态，并计算出工件测量位置的坐标。

RA7系列柔性测量系统使得柔性测量的再次上升到一个新的高度，能够完成各种测量、检测任务以及逆向工程系统应用。该系统具备以下技术及设计特点：

1）主轴无限转动技术，每个轴都可以进行无极旋转;2）机器关节内置绝对编码器，开机无需复位即可使用;3）设备使用WiFi无线通讯模块，增加了设备的便携性;4）有锂电池，能够在交流电源不具备的情况下完成完成现场测量任务;5）有新一代ZERO-G平衡杆系统：可平衡测量臂的大部分自重，实现单手操作;6）碳石墨纤维材料臂身，强度高，温度稳定性是铝的25倍，使得系统对环境要求极低;7）测头可快速更换，不需要重新校准。

（2）Perceptron激光扫描测头。作为关节臂测量机非接触测量的附件，Perceptron V3激光扫描测头由激光发射器和CCD接收器组成，采用三角测量原理，将光线信号转化成数字信号，从而快速而精确地产生关于一个物体的数字化表示。

激光所产生的文件是代表了物体表面和特性的点云，从而可完成逆向工程的应用、检测、CAD模型比较、造型以及更多的应用。ScanWorks激光扫描系统，聚焦于精度、速度和灵活性，从而使得用户能够从最初的设计一直到最终检测都能够从中受益，主要参数如下：

每条激光线高达768点;

每秒钟发出30条激光线;

工作距离144mm;

精度34μm，2sigma;

外型尺寸：105×52×90mm。

2.1.2 软件部分

为方便的处理激光测头所采集的海量数据，分析采用专业的点云软件Geomagic Qualify软件，以确保处理效率，精度以及处理的方便性。

Geomagic Qualify建立了CAD和CAM之间所缺乏的重要联系纽带，从而实现了完全数字化的制造环境。允许在CAD模型与实际构造部件之间进行快速、明了的图形比较，Geomagic Qualify可用于首件检验、线上检验或车间检验、趋势分析、2D和3D几何测量以及自动报告等。

显著节约了时间和资金，可以在数小时（而不是原来的数周）内完成检验和校准，因而可极大地缩短产品开发周期。

改进了流程控制，可以在内部进行质量控制。

提高了效率，Geomagic Qualify是一种为设计人员提供的易用和直观的工具，设计人员不再需要分析报告表格，也不必将2D数据转换为3D CAD模型。

改善了沟通，自动生成的、适用于Web的报告改进了制造过程中各部门之间的沟通。

提高了精确性，Geomagic Qualify允许用户检查由好几万个点定义的面的质量，而定义CMM面的点可能只有五到十个。

2.2 方案实施

2.2.1 测量目标

根据要求，在目前测量系统基础上，除钢轨高度，腰部厚度及底部厚度外还存在多种尺寸控制的要求，随着数字化和现代化测量的需要，样板测量的模式都受到了种种限制，因此需要使用通用测量设备的方式对工件进行质量监控，提高测量准确度和可靠性。

测量内容：F1-F11。

2.2.2 检测过程描述

（1）理论数据输入。检测前先导入通过UG、CATIA等专业的三维软件设计出的重轨三维尺寸模型参考。

（2）工件数据采集。其中RA 7520m柔性关节臂测量机和三维激光扫描系统负责重轨截面原始数据的快速采集。

得到原始点云数据，得到点云数据后，导入Geomagic专用快速分析软件。

（3）基准对齐。根据工艺基准情况进行基准对齐，可选择使用加工面对齐或最佳拟合（无基准约束）对齐。

（4）2D尺寸分析。

1）轨高F3。

方法：在2维截面中选择线到线的距离，为获取最大高度点，包容方法为最外侧。

2）头宽F4。

方法：在2维截面中选择线到线的距离，为获取最大高度点。

3）底宽F5。

方法：在2维截面中选择线到线的距离，为获取最外侧点，包容方法为最外侧。

4）腰宽F6。

方法：在2维截面中选择线到线的距离，为获取最内侧点，包容方法选择为最内侧。

5）轨底尖厚度F7。

方法：由底寬基准面分别偏置14mm和20mm创建两个截面，分别计算偏置14mm和20mm截面处的轨底尖厚度。

6）对称度F8。

方法：找到通过顶部的最大平面，偏置14.2mm，在头宽侧面提取平面，并计算两个面的交线，使用3D距离求交线和平面的距离。

7）直线段间隙F9。

方法：在截面内选取直线段作为评价区域，分别选择评价参考理论值和实际值之间的距离。

F9 D1=D43+D51=（0.315+0.374）mm=0.689mm

F9 D2=D50+D52=（0.546+0.375）mm=0.921mm

8）钢轨轨头最高点和理论值距离。

方法：在截面内分别选择测量值和理论值的最外侧，评价参考理论值和实际值之间的距离。

9）3D点分析。

方法：将点云和Cad模型进行3D比较，通过色差图直观的查看。

每一个位置的偏差，不同颜色反应点的偏差，绿色区域表示合格。

3 系统优势

（1）因为使用的是同一检测工具，且检测工具的检测结果是数字化的，所有的判定也是通过程序自动完成，不会因为人员的不同而出现不同的结果。测量精度0.05mm;能检测所有钢轨的不同孔型轧件断面尺寸。（2）当重轨出现不合格时，可以通过报告颜色知道是哪部分不合格，超差了多少？并且通过具体的数据对生产线进行调整，并对调整后生产出的产品进行快速分析，观察调整后的效果，直到产品全部合格。（3）当重轨全部合格时，可以知道整个轨型的那些部分的余量最小，并且通过具体的数据对生产线进行调整，并对调整后生产出的产品进行快速分析，观察调整后的效果，直到产品各部分的余量最佳。（4）当重轨某一部分的尺寸出现逐渐偏大的情形时，可提前预知可能出现废品的几率，并且及时进行调整，避免废品的产生。（5）所有的检测结果都可以进行完整的保存，而这些原始数据都是进行工艺持续改进的重要参考。通过对检测结果的持续性统计分析，可以帮助工厂分析轧辊孔型的大致损耗，生产线大致需要调整的时间等，为工厂的生产提前安排提供参考依据。（6）仪器使用方便，操作简单易学。整机重量仅5kg，可以随时移动，所有程序可定制，操作人员仅需半天的时间即可操作使用。

采用激光数字化检测将能有效的对重轨尺寸进行精确的检控，并且在出现不合格品时，也能为万能轧机尺寸精度控制提供完善的调整参考。有利于提高整个产品的合格率。

参考文献

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