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1、L o g o 机车车辆 静态界限检测系统自动化设计及实现 刘雷华 L o g o 本文构建了一种基于激光扫描的机车车辆静态限界检测 方案。应用激光测距技术，结合可编程控制技术进行限界检 测，是一种自动高效的非接触式测量方法。该方法在车身四 周分布测距传感器，测距传感器在电机的传动下实现机车车 身截面的扫描测量，同时结合有效的标定方法，利用上位机 进行数据处理，可以很快得到高精度的测量结果，较好的满 足了现代化机车限界检测的需求。 L o g o 内容 1. 系统测量原理 2. 硬件实现 L o g o Text 2 一、系统测量原理。 主要包括铁轨坐标系的建立、被测点三维坐标值的求解、系统测
2、量 结果的超界判断。 1.铁轨 坐标系建立 设计了如图所示标定卡规，用激 光跟踪仪测得标定卡规上四个靶 标座中心在激光跟踪仪坐标系下 的坐标值，由事先标定过的标定 卡规得出下侧平面与内侧面方程 ，进而计算出两面交线方程。同 理可求得另一侧的交线方程。将 两条直线方程确定的平面作为系 统XOY面，将铁轨两内侧面的中 分面作为XOZ面，将过靶标座中 心点且与平行铁轨垂直的面作为 YOZ面。 L o g o Text 3 Text 4 Text 2.三维坐标值的求解 L为事先标定过的靶标座中心 到激光光源点的距离矢量。T为 被测截面上某点三维坐标值。 利用激光跟踪仪完成如下变换： L o g o 3
3、.超界判断 本文采用的是简化的二维平面超限检测方法。 对于三维空间中的任意被测点，都可以把它们转化到所建铁轨坐标系中。这 样在进行超限判断时，不用考虑机车运行方向（X方向）坐标分量对系统测 量结果的影响，只需要在前面所建铁轨坐标系的YOZ 平面内，判断机 车任意截面上的所有被测点是否在标准限界以内。这样大大减少了计算时间 ，提高了计算机资源的利用效率。 L o g o 二、系统硬件实现 系统硬件结构包括：门状支撑框架、丝杠导轨、6个激光测距传感 器、10个伺服电机、10个伺服控制器、3个可编程控制器（PLC） 、主机及相应的显示器。 L o g o 1.测距传感器选型： 激光测距从原理上可以分
4、为飞行时间法（TOF）、三角法、干 涉法三种。基于飞行时间法的激光测距技术又可分为脉冲激光测距 法、相位激光测距法等。 脉冲激光测距法：由激光器通过发射端向一定范围内的被测物 发射短激光脉冲，经过一定时间的空间传输后在被测物表面上发 生漫发射并返回到接收端的光电检测器。测得激光在发射端到被 测物之间的往返时间t 后，可计算出测距传感器与被测目标的距离 L= ct/ 2 。脉冲式激光测距通常难以在短距离内获得较高的精度。 相位激光测距法：相位激光测距是通过周期的光信号对目标光 信号进行光强调制，使出射光信号的光强呈周期性变化。出射激光 经过被测物反射后被接收，而接收到的激光信号与发射信号间存在
5、相位差，测量距离为L = , 。 L o g o 本文选用的是一款LRFS-0200-485型相位激光测距原理的传感器 本文选用的是LRFS-0200-485型相位激光测距原理的传感器。通过合 理布局传感器，实现了机车车辆 的扫描测量。 L o g o 2.控制器设计 本文选取了欧姆龙公司CP1H-X40DT-D型号的PLC， R88M-G系列的伺服 驱动器及电机。根据后续所接负载的不同，选取了400w/100w两种不同 功率的伺服电机及对应的伺服驱动器。 为了实现机车车辆限界的自动测量，需要设计系统的自动控制部分，以PLC 为控制核心。该自动控制部分能有效控制激光测距传感器的运动，并实时 反
6、馈运动位置信息，作为求解被测点三维坐标的重要参数。 6个传感器在电机的控制下实现2维运动，因而需要10个电机及对应的10 个伺服驱动器。本文选用的CP1H-X40DT1-D型PLC最多驱动4个伺服驱 动器，从而选用3个PLC。其中两台PLC各自驱动3个伺服，剩下一台驱动 四个伺服。PLC与上位机通过hostlink协议通信，只需1根RS485连线即可 完成上位机与PLC连线。传感器也通过RS485与上位机连接，但需要6根 独立的线缆。 L o g o Text 1 Text 3Text 4 硬件框架结构 L o g o 3.电源设计 为了提高系统的供电安全性，分别采用了断路器，保险丝，钥匙开关和交 流接触器等措施，同时为了改善供电电源的特性，通路中还设计了浪涌滤 波器和噪声滤波器。供电输出可以直接给10 个伺服驱动器进行供电，将供 电输出进行24V电源转换，得到PLC的所需电源。 L o g o 系统的工作流程如左图所示，首先根据 被测车型选择相应的标准限界，然后开始 测量，测量过程中，先将传感器移动到待 测位置，然后采集数据，待所有点测量完 成后进行数据处理并显示。 工作流程图 L o g o
