激光限界装置在轨道交通中的应用

何永宁 崔文良

摘  要：简要介绍了传统限界试验方式的问题，新型激光限界装置的主体部分组成、主要技术参数，简述激光限界测量流程，通过与传统限界方式对比，简述激光限界装置的优缺点，并对存在的问题提出相应的改进方案。

关键词：激光限界装置;城轨车辆;限界试验

0 引言

根据IEC 6113标准要求，轨道交通车辆组装机械调试完成后，需要进行车辆限界例行试验。轨道车辆限界是和桥梁、隧道等限界起相互制约作用的，当城轨车辆车辆在满载状态下运行时，也不会因产生摇晃、偏移等现象而与桥梁、隧道及线路上其他设备相接触，以保证行车安全。传统限界试验的方法为在龙门架上安装木质、尼龙等材料的仿形限界规，组成车辆限界轮廓，然后将车辆缓慢推过限界轮廓，观察车辆与限界规有无干涉以判断限界试验是否合格。由于各项目车辆外部限界轮廓不同，每个项目都需制作专用限界规。对于轨道交通制造主机厂，每天都有各种项目车辆下线，限界规频繁更换，劳动强度大，而且耗费大量生产时间。同时这种传统限界试验方法还存在测量精度低、工装成本制造及维护高、异常因素影响比较大、非试验过程时间过长等缺点，此试验方法已经不符合轨道交通车辆智能制造、精益生产需求。

为解决传统限界规试验问题，研发应用了一套激光限界装置，利用激光三角测距法扫描出车辆轮廓。车辆通过时，激光限界装置持续扫描车辆，形成车辆连续的断面轮廓，通过与标准的车辆限界包络线进行对比，对超限部位进行实时报警。激光限界装置能自动标识超界部位和自动输出检测报告，根据需求可以生成三维点云图形，限界数据可以存储、标识和数据追溯，实现无模板精准检测。

1 激光限界装置

1.1激光限界装置组成及功能

激光限界装置由测量装置、数据处理单元、带升降结构龙门框架、辅助功能设备组成。通过实时获取激光测距仪和车的距离，作为系统测量开始及测量结束的判断依据，测量过程中实时记录车辆距离用于超限辅助定位。

带升降结构龙门框架：由龙门框架、步进电机、减速单元、垂直运动单元构成。龙门架横梁可以通过软件控制进行自由多模式上下运动，满足不同高度车辆的测试需求。

测量装置：由12台激光3D工业相机组成，3D相机分辨率为2048*1088，帧率为25000Hz，X方向精度为0.275mm-0.756mm，Z方向精度为0.025mm，主要实现整车点云数据的采集。

数据处理单元：由两台工控机组成。主要对各个单元进行指令控制、功能实现及数据计算处理。

辅助功能设备：根据需求配备打印机、视频监控等辅助设备。

根据生产车型的外尺寸及限界试验精度要求，激光限界装置主要技术参数如表1

1.2 激光限界装置测量流程

激光限界装置测量流程为：测量准备→升起测距仪→创建任务→开始测量→测量结束→超限定位→生成测量报告

测量准备：系统上电、打开工控机，在工控机上运行操作软件，选择待测车辆限界参数。如为新项目，则先将待测新项目车辆的限界参数导入操作软件中。

升起测距仪：将反光板固定待测车辆前端，激光点能打到反光板上，测距仪用于自动计算车辆超限位置。

创建任务：在测量操作界面填写待测车型项目类型，选择车辆充气/放气状态，填写任务名称。

开始测量：点击“创建任务”，将待测车辆匀速缓慢推过激光限界龙门架，可以看到激光在持续扫描车辆，注意人员不要进入测量区域，防止扫描结果无效。

测量结束：等待系统处理计算数据，界面显示测量结果。测量结果界面会显示所测车辆限界轮廓，判断是否限界试验是否合格。还可显示出车辆高度、宽度、长度等信息。如果限界不通过，选择“超限索引”，点击“回溯超限界面”，该界面实时显示距离超限的位置。

超限定位：测量结果不合格，可以将车回推，配合激光测距仪回溯测量数据，界面实时显示距离超限的距离。

生成测量报告：可以将测量报告保存成pdf格式到指定的位置或输出打印测量报告。

3 激光限界装置应用效果

与传统限界方式对比，激光限界装置具体优点如下：

①极大提高试验效率。采用激光限界装置试验不再需要更换限界规，减少了限界试验前限界规更换的时间，限界试验由原来约60分钟减少到20分鐘。

②减少限界试验成本。激光限界装置可以适用所有项目车型，减少每年限界规工装的巨大采购费用。

③减少工人劳动强度及作业风险。工人无需频繁更换限界规，无需再登车顶测量车辆高度等数据，大大减少了工人劳动强度及登顶作业的安全风险。

④提高了限界试验质量。检测精度由传统限界方式3mm提高到1mm内，且能测量车辆高度、宽度、长度等尺寸，提高了试验质量。

⑤解决下部限界设计要求。部分项目新增下部限界要求，传统限界方式不便测量。而激光限界装置在车辆底部地下安装了相机，可以直接测量车辆下部限界，满足限界试验车辆下部限界的要求。

⑥容错率高，能快速解决现场问题。限界试验如因设计或制造错误，限界规需要修改或重新制造时，周期较长，还需要重新安装计量。而激光限界装置只需在软件修改限界参数就可以马上重新进行限界试验，不会因工艺装备更改问题影响试验计划。

在激光限界装置调试及应用中，也发现一些问题，改进后已解决。 例如黑色油漆轮廓部分测量效果差，扫描结果偏差较大或者扫描轮廓不完整，存在失真问题。此问题解决方案为遮挡外部光源，增大3D相机曝光率。限界检测扫描完成后，由于扫描数据庞大，计算车辆整车最终轮廓耗时约10分钟，速度较慢。此问题可以通过优化算法，提高硬件配置，以减少计算时间。

4 结语

激光限界装置采用先进的激光测量非接触测量限界方式，其操作便捷、自动化程度高、测量精度高、缩短限界试验时间、提高限界试验效率、减少试验成本、容错率高、应用效果良好，各方面优于传统限界规检测方式。

参考文献

[1]杨凤春.激光扫描在轨道限界检测中的应用[M].现代轨道城市交通，2017-2.[2]何帅.激光限界检测系统的设计与实现[M].微型机与应用，2010.

[3]刘维桢.基于激光扫描技术的铁路限界检测系统[M].铁路技术创新，2012.

[4]陶雄.三维激光扫描技术在隧道断面检测中的应用[M].江苏建筑，2021.

作者简介：何永宁（1984.7），男，湖南浏阳人，助理工程师，硕士，现从事城市轨道交通组装工艺工作