激光平面度检测技术在高速动车组安装中的应用

赵峻松

(广东南车轨道交通车辆有限公司 技术部 广东新会 529000)



激光平面度检测技术在高速动车组安装中的应用

赵峻松

(广东南车轨道交通车辆有限公司 技术部 广东新会 529000)

根据CRH6动车组车下设备的安装技术条件要求，引入车下设备安装座激光平面度检测技术，可以快速而准确的掌握车下设备各个安装座平面度误差，保证安装质量，提高安装效率。

高速动车; 平面度误差; 激光检测

在城际动车组车下设备的安装过程时，我们都会不断进行车体安装座和设备安装座的平面度误差检测。当车体安装座和设备安装座的平面度误差控制不好，设备安装后车体安装座与车下设备安装座之间的间隙(俗称闪缝)相对偏大时,高速行驶的动车组在刹车制动时，悬挂在车下的设备会产生较大的动态载荷，这种动态载荷会对列车的安全运行带来较大的隐患。由于动车组车体安装座和车下设备安装座的平面度误差直接影响安装座之间闪缝的大小,为此，必须控制好车体安装座与车下设备安装座的平面度误差值。

以和谐号CRH6动车组车下设备安装技术标准规定为例。根据其动车组设备安装技术标准规定：各设备安装座的整体平面度控制在±1 mm以内，单体安装座平面度控制在±0.5 mm以内[1]。为此，车下设备的平面度被列为需要重点检测项目之一。

目前和谐号CRH6动车组车下设备安装中，常规的平面度误差检测方法采用的是直尺塞尺法，这种检测方法简单实用，但测量效率低、精度差，不能实现整体平面度控制在±1 mm以内的准确值，由此带来的后果将是提前进入维修周期或运行中存在安全隐患的可能性增大。为了解决这个问题，笔者在工作实践中引入三维激光平面度检测技术进行平面度误差控制，既可得到精准的平面度误差值，又能提高检测效率，且达到《标准规定》的要求，进而保证动车组安装质量。

下面将动车组现行的平面度测量方法与引入的激光扫描测量方法进行对比分析。

1 平面度误差检测方法

1.1 平面度定义及测量方法

(1)平面度定义

平面度是指基片具有的宏观凹凸高度相对理想平面的偏差。公差带是距离为公差值的两平行平面之间的区域[2]。平面度的标示符号为。

平面度误差是指"被测实际表面相对其理想表面的变动量，理想平面的位置应符合最小条件，平面度误差属于形位误差中的形状误差[2]。

(2)平面度误差测量的几种方法

平面度误差常用的测量方法有：水平仪测量法、打表测量法、平台塞尺法、直尺塞尺法、激光平面度测量仪等。

下面以目前动车装配中常用的直尺塞尺法为例来说明平面度测量原理及方法。

1.2 直尺塞尺法

测量原理：用直尺抵住被测物平面，直尺与被测物平面自检插入塞尺，能插入塞尺的最大厚度为平面度误差。

特点：适用于测量精度较低的平面。

如图1所示，被测物平面度误差要求0.5 mm；则被测物周边插入塞尺，能插入塞尺的厚度小于0.5 mm则合格。

图1 直尺塞尺法原理图

目前动车组车下设备安装座平面度测量方法如下：

将直尺置于单个安装座上，插入塞尺的最大厚度为单体安装座的平面度误差；将直尺放在任意两个安装座表面，能插入塞尺的最大厚度为设备的整体平面度误差。

判定方法：直尺置于单个安装座时，0.5 mm厚度的塞尺均不能通过；直尺置于两个安装座时，在所有的地方1 mm厚度塞尺均不能通过。

图2 直尺塞尺平面度测量法

直尺塞尺平面度测量法的优点是测量方法简单、直观；缺点是测量效率低下、精度差，不能得到准确的平面度误差值。

因此,平面度误差测量的常用方法如水平仪测量法、打表测量法、平台塞尺法、直尺塞尺法等都存在效率低下、精度差，不能得到准确的平面度误差值的效果。

1.3 激光平面度检测法

激光平面度检测法是使用激光扫描仪来进行平面度误差检测。

(1)激光扫描仪的工作原理

激光扫描仪测量系统包括激光发射器、信号接收器、图像处理器3大部分。

激光发射器产生激光脉冲信号，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到CCD1和CCD2(信号接收器)[3]；信号经过图像处理器处理后，可以得到被测物体的三维坐标。即得到描述物体空间位置的三个方向的坐标值(x,y,z)；激光扫描仪能构建系统坐标系并测绘出被测物各点的空间三维坐标，所以激光扫描仪也称为三维激光扫描仪。通常三维激光扫描仪获取体现被测物形态的数据，我们称之为点云数据。

图3 激光扫描仪工作原理

(2)激光扫描仪的特点

①测量速度快，每秒钟可测40～60万个点；精度可达±0.016 mm；测量完美、精准；测量时可动态观察三维点云模型。

②不需要接触被测物体。

③能利用测量软件标注和测量点云模型，如两点距离、两个面高度差、模型的表面积、模型的体积、某个截面等。

④能将3D模型与CAD系统平台接口，进行三维建模。

(3)三维激光的特点

三维激光扫描仪弥补了常规平面度误差检测方法的不足，解决传统平面度误差检测所不能及的问题。运用三维激光扫描仪进行平面度测量不但可以测量单点的坐标，更重要的是它能以点云的方式获取几乎整个物体表面的空间信息，能测出物体的整体空间形态。

激光平面度测量原理是通过点云数据拟合成平面，点云偏离拟合平面的距离就是平面度误差。

2 三维激光平面度检测技术在高速动车组车设备安装中的运用

以CRH6A-200型动车组污物箱为例来说明激光扫描仪检测平面度误差的方法及过程。

2.1 激光扫描仪测量平面度误差的方法及过程

采用目前流行的Creaform公司的HandySCAN 700TM型激光扫描仪，该型号扫描仪特点是：便携、精度高、扫描速度快；这些特点适用于生产车间、物料现场等场所。

首先，我们在污物箱4个安装座之间的设备上贴上扫描仪专用的标识点(如图4所示)；每相邻两个标识点的间距大约100 mm左右。其作用是关联4个安装座之间的空间几何位置，使其具有统一的坐标系。

图4 标识点的作用

由于激光扫描仪单次测量的范围有限，而4个污物箱安装座距离远，扫描仪不能一次测全4个安装座，必须使用上述标识点关联4个安装座的空间位置。

贴好标识点后，我们使用扫描仪自带的专用扫描软件Vxelements扫描这些标识点，系统将自动生成一个坐标系文件，如图5所示。

图5 扫描标识点得到统一的坐标系

然后利用Vxelements软件的扫描命令分别扫描污物箱的4个安装座平面(图6)；得到如下点云数据(图7、图8)：

然后将扫描得到的点云数据导入Geomagic Qualify软件里进行处理。先去除噪声点后得到图9所示点云图形。

图6 扫描污物箱安装座表面

图7 扫描后的点云数据

图8 放大后的点云数据

图9 处理后的点云图形

在Geomagic Qualify软件里选择菜单特征，选择平面里的最佳拟合(图10)，然后用鼠标选择图形区域的所有4片点云；从而得到污物箱4个安装座的平面度误差值(图11)。

图10 平面拟合方法：最佳拟合

2.2 CRH6动车组车下设备安装使用三维激光平面度检测技术取得的效果

从图11中可以得出污物箱4个安装座所构成平面的平面度偏差值为：0.479 642+0.320 091=0.799 733 mm。

根据和谐号CRH6动车组车下设备安装技术标准，以上平面度误差小于1 mm;故判定此污物箱安装座平面度误差合格且测量值精准。

图11 平面度偏差值

如果测量的平面度偏差值大于1 mm，则通过图11中的偏差色值得知4个安装座平面度大小及位置，从图中可以看出，红色区域表示安装座平面凸出的区域，蓝色区域表示安装座凹陷的区域；从而可以对安装座进行打磨和修补；修理后再进行平面度测量，直至合格为止。

同理，用同样的方法测量安装污物箱的4个车体安装座的平面度误差，车体的4个安装座整体平面度误差必须控制在±1 mm以内[1]就能满足安装的技术条件。

一旦熟悉使用了激光平面度检测方法后,检测的时间大大缩短。

2.3 现场测量提高激光扫描仪测量精度的方法

激光三维激光测量误差可分为：仪器误差、被测表面造成的误差和外界环境引起的误差这3类。激光扫描仪现场测量必须尽量降低这3个因素的影响。

(1)仪器误差

仪器误差指的是仪器本身的系统缺陷造成的误差，比如激光测距误差、扫描角度测量误差。比如车下设备整体平面度误差要求±1 mm[1]；使用扫描仪精度±0.05 mm便可达到检测使用需求。激光扫描仪的精度鉴定可委托国家级计量部门进行测试和鉴定；鉴定的方法是利用激光扫描仪特定条件下检测一些标准样件来评估扫描仪的精度。

(2)被测表面造成的误差

被测表面造成的误差指的是：被测表面粗糙度、附着于被测表面的杂质引起的测量误差。

被测表面的粗糙度、附着于被测表面的杂质造成表面反射角度偏差，从而影响扫描得到的点云精度。为此，现场测量时，应该清洁所有设备安装座平面，避免灰尘、油垢和其他杂质，保持被测面干净、光洁；可以降低物体反射面引起的误差。

(3)外界环境造成的误差

外界环境因素包括温度、湿度、风力、噪声、振动等。

温度能使仪器结构尺寸发生热胀冷缩的微小变化，对测量造成一定的影响；针对此问题的对策是进行激光扫描仪现场校准；比如FARO激光扫描仪配备了一个校准球进行现场校准；实例所用Creaform公司的HandySCAN 700TM型激光扫描仪采用一块校准板进行现场校准(图12)。

激光扫描仪校准也叫标定，所谓标定就是通过标准球 (或者标准块) 上已知的被测点的三维坐标，得出激光扫描仪的传感器坐标系和测量基准坐标的变换方程。当温度变化影响了扫描仪结构尺寸细微变化时，标定时测量标准球(或者标准块)上被测点的三维坐标值，从而得出该值偏离理论坐标值的变化系数，将此系数写入激光扫描仪测量软件中，修正由于温度变化引起的测量误差。

湿度：空气湿度较大时空气中细小的雾珠影响光线垂直穿透，光线通过水珠时会发生折射现象，造成测量偏差。

风力：风力较大的环境造成地面灰尘杂质流动、悬浮于空气中，这些微小的颗粒影响光线的穿透，造成测量误差。

噪声：现场噪声环境能影响工作人员的情绪，造成操作偏差和失误。

振动：振动会使被测工件发生运动，造成扫描点云出现分层现象，影响测量精度。

图12 激光扫描仪现场校准

为了解决外界环境因素对精度的影响，在安装测试的环境中要注意保持温度、湿度的控制，减少风力、噪声、振动的影响，将外界影响值降到最小，从而保证检测的精度。

3 直尺塞尺平面度法与激光平面度检测法的对比

将直尺塞尺平面度检测方法与激光平面度检测法两种方法的各自优缺点对比如下：

从表1中可看到直尺塞平面度尺法与激光平面度检测法的比较中除了成本一项外,激光平面度检测法有其他检测法不可替代的优点。

表1 直尺塞尺平面度法VS激光平面度检测法

激光扫描仪平面度检测法对比传统的平面度测量法，其具有以下优点：

效率高：测量速度快，每秒钟可测40～60万个点；单个污物箱安装座150 mm×100 mm区域仅几秒钟内便可准确性测量完毕；

精度高：精度可达±0.016 mm；测量完美、精准；

操作方便：扫描仪所测点云数据能和CAD系统软件接口，轻松操作处理软件便可获取需要的测量信息。

4 结束语

将三维激光扫描检测技术引入高铁动车组检测领域，能使平面度检测按照人们所需要的尺寸精度进行，能够解决以往由于闪缝过大时，高速行驶的动车组在刹车制动中，气流通过车体安装座与车下设备安装座之间的间隙对悬挂螺栓产生剪切而引起的安全问题；同时，可以较大的提高检测精度和检测效率，保证动车组安装质量和运行安全。随着动车技术的不断完善,激光平面度检测法不久将有替代其他检测法的趋势。

从2007年高速动车组在各条铁路干线投入运营开始到如今，我国的准高速和高速列车已运行7年时间。对动车组的安装、运行和维修这个阶段来说，还是在一个引进、学习、摸索、消化、实践的过程。如何利用先进的现代化手段实施尽快完成这个引进、学习、摸索、消化、实践的过程，实现真正意义上的自有知识技术产权化，完成从跟跑者向领跑者过渡是现阶段历史交给我们的重任。

[1] 时 蒙. 时速200 km和谐号CRH6型城际动车组车下设备安装技术条件[R]. 南车南京浦镇车辆厂， 2011.

[2] GB/T 11337-2004 平面度误差检测[S]. 2005.

[3] 顾 斌，董 杰，董 妍. 探讨三维激光扫描技术的应用[M]. 北京：中国矿业大学环境与测绘学院， 2010.

Application of Laser Flatness Detection Technique in Installation of High Speed EMU

ZHAOJunsong

(CSR Guangdong Rolling Stock Co., Ltd., Xinhui 529000 Guangdong, China)

According to the installation technology requirements of CRH6 EMU hanging equipment, this paper introduces the laser flatness detection technology into the hanging equipment installation , which can quickly and accurately grasp the flatness error of each installation seat for the hanging equipment, can ensure the quality of installation, and can improve the installation efficiency.

high speed EMU; flatness error; laser detection

1008-7842 (2015) 03-0115-05

��)男，工程师(

2015-01-19)

U260.7

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10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.28