轨道直线度测量方法的综述

上海大学2014～2015学年春季学期研究生课程考试课程名称：现代光学测试技术课程编号：09SAT9004论文题目:轨道直线度测量方法的综述研究生姓名:华明亚学号:14721353论文评语:成绩:任课教师:高洪跃评阅日期:轨道直线度测量方法的综述华明亚（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）摘要：随着我国铁路交通事业的快速发展，我国的铁路线路已经达到了2.4万公里。在高速铁路线路里程不断增加，列车大提速的背景下，随着使用年限的增加，在某些路段铁轨会发生弯曲、下沉等形变，从而导致平直度等参数超过建设初期的安全设计指标，会产生一系列事故隐患。为预防因线路老化问题带来的重大事故的发生，越来越多的线路需要人工进行检测和维护。在传统铁轨检测时，通常采用1Om弦测法或者大型轨检车进行测量，前者测量误差较大，有很大的局限性；后者价格昂贵，也不便于日常检修使用。因此，工程中需要较高精度，低成本，测量距离长，使用简便的铁轨直线度测量方法。本文介绍了三种简便而且应用比较成熟的轨道直线度测量方法，包括三坐标法，双频激光干涉仪测量法和激光准直测量法。并且简单阐述了它们的工作原理，优缺点，误差分析以及应用场合。关键词：轨道测量；直线度；激光测量；ApplicationofimageprocessingtechnologyHuaMingya(Schoolofmechanicalengineeringandautomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)Abstract:WiththerapiddevelopmentofChina'srailwaytransportation,ourrailwaylinehasreached24000kilometers.Ashighspeedrailwaymileageincreases,withthebackgroundofhighspeedtrainandtheincreaseofage,thetrackofsomesectionswillbendingandsinkingdeformation,whichleadstotheflatnessoftheparametersoverattheinitialstageoftheconstructionsafetydesignindexandwillproduceaseriesofaccidents.Inordertopreventtheoccurrenceofmajoraccidentscausedbytheagingoftheline,moreandmorelinesneedtobedetectedandmaintainedmanually.Inthetraditionalraildetection,usuallywith10mchordmeasurementorlargetrackinspectioncararemeasured,theformermeasurementhasmanyerrors,whichisabiglimitation;thelatterisexpensive,noteasytodailymaintenance.Therefore,theengineeringneedtohighaccuracy,lowcost,longdistancemeasurement,usingsimplerailstraightnessmeasurementmethod.Thispaperintroducesthreesimpleandmoresophisticatedmethodsformeasuringthestraightnessoforbit,includingthreecoordinatemethod,dualfrequencylaserinterferometerandlaseralignment.Anditalsodescribestheirworkingprinciple,theadvantagesanddisadvantages,theerroranalysisandtheapplication.Keywords:Orbitmeasurement;Lasermeasurement;Straightness;1.引言随着我国铁路交通事业的快速发展，普通铁路提速和建设高速铁路已经成为提高铁路运送能力的重要手段。至2007年底，我国铁路原有线路经过了六次大面积提速，快速线路长度达到2.4万公里，其中允许速度160Km/h及以上的线路更是达到了1.6万公里。随着列车运营速度的快速提高，也对铁轨自身的参数提出了更高的要求[1]。高速铁路要求轨道几何形位必须保持极高的平顺性，否则，轨面极小的形变都可能引起巨大的轮轨冲击力，造成轨道部件的损伤，更有甚者，可能会造成列车的脱轨等重大事故发生[2]。轨道状态的不平顺往往是破坏列车运行稳定性的主要原因。因此铁路轨道直线度检测十分有必要。在精密机械制造、航空航天、大坝变形监测、大型建筑和大型设备安装等诸多领域中，对超长距离的直线性测量也有着广泛的需求。就当前整体直线性测量技术的发展现状来说，无论国内还是国外达到的测量水平尚落后于其他几何量的测量。而大几何尺寸的直线性误差测量与常规几何量测量有很大不同，许多大型工件或设备尺寸超过100米，甚至达到千米，重达几十吨甚至上百吨，无法进入计量室安装到测量仪器导轨支架上，往往需要在现场完成测量，其环境条件、设备工具往往给测量带来很多不便。常规的仪器和测量方法已很难满足这些测量要求，有待于进一步研究，采用一些新原理、新方法、新技术来解决。在近二十多年，随着电子技术的发展，激光技术的发展，新型光电探测器的问世，直线度测量方法不断进步，为工业应用提供了先进的科学手段。目前比较常见的直线度测量方法有千分表检验法、水平仪检验法、拉丝检验法、自校正仪检验法、三坐标测量法、激光衍射法和激光干涉法等。从工业上应用范围来看，三坐标法、双频激光干涉仪测量法、激光准直测量法的成熟度较高。2.直线度测量原理直线度误差是几何量测量中形位误差的最基本参数之一,也是评价机械产品质量的重要指标之一。GB/T11336—2004规定:直线度误差是被测实际直线对其理想直线的变动量,理想直线的位置应符合最小条件[3]。直线度的测量方法很多,需要选择适当的方法获得测量数据,然后进行数据处理得到直线度误差值。目前,在直线度测量中,测量装置拾取的只是被测表面全部要素中的一部分,而且又是离散数据,并非全部信息。因此,如何正确选取采样间距就显得十分重要。如果间距过大,则丢失信息太多,不能真实地反映被测要素,影响测量结果(一般说来,此时结果有偏小趋势);反之,如果采样间距过小,则容易引入一些干扰信号和其他无用信号,同样给测量带来影响,而且还给出大量无用数据,使测量和评定效率下降(此时,测量结果一般偏[4])。3.长轨道直线度测量方法3.1三坐标法3.1.1测量原理与传统测量仪器是将被测量和机械基准进行比较测量不同的是，坐标测量机的测量实际上是基于空间点坐标的采集和计算。虽然现代的测量机比早期的功能要高级很多，但基本原理是相同的，即建一个刚性的结构，此结构有三个互相垂直的轴，每个轴向安装光栅尺，并分别定义为X、Y、Z轴。为了让每个轴能够移动，每个轴向装有空气轴承或机械轴承。在垂直轴上的探测系统记录测量点任一时刻的位置。探测系统一般是由测头和接触式探针构成，探针与被测工件的表面轻微接触，获得测量点的坐标。在测量过程中，坐标测量机将工件的各种几何元素的测量转化为这些几何元素上点的坐标位置，再由软件根据相应几何形状的数学模型计算出这些几何元素的尺寸、形状、相对位置等参数。三坐标测量法是将被测物体置于三坐标测量系统的测量空间中，获得被测物体的各测量点的空间坐标，根据这些点的空间坐标值经过数据处理得到被测物的直线度误差[5]。国内生产的三坐标设备有昆明机床股份有限公司的CLZJ系列、航空303所的C工OTA系列和上海机床厂的Ply系列，它们均达到了国内较先进的水平。其典型精度在2-4微米。3.1.2三坐标法的优缺点三坐标测量法具有精度高、测量灵活、系统柔性好等优点，但是其属于接触式测量，对于定位点的确定有一定要求，导致测量速度较慢[6]。并且随着被测件的增大，系统往往需要配有高精度的长导轨。因此该方法适合于离线抽检，不适合在线的实时测量。国外一些厂商所研制的无导轨式三坐标测量机具有更高的性能，其中的典型代表是美国的ImageGuided公司的Pixsys系列产品，其最大量程lm,在x,y轴上的测量精度为0.15mm，z轴为2mm。但是三坐标测量方法不适用于超长距离铁轨的直线度测量[7]。3.2双频激光干涉仪测量法3.2.1高精度直线度基准装置的测量原理该测量系统如图2所示,被测直尺安装在工作台(滑板)上,工作台在电机驱动下沿直线导轨移动。由双频激光干涉测量系统对直尺表面进行采样,采样点的位置由光栅测量系统检出。这个系统由计算机统一控制,自动完成全部测量过程。由于双频激光干涉仪测量系统的读数反映的是被检直尺表面的直线度误差及滑板移动的直线度误差的综合值,为了分离这两种误差,采用单尺反转法进行测量[8]。首先利用激光器对直尺的一面进行采样,所示。假设在任一采样点处直尺表面的直线度误图1三坐标法测量示意图图2直线度基准装置系统构成差为iE,此处滑板移动的直线性误差为iT,此时激光器的采样值为iS1,则下式成立iiiTES1然后将激光器移到直尺的另一侧,同时直尺的安装位置也随之反转180°。此时进行第二次采样。假设在各个采样点位置上,激光器的采样值为iS2,则同样有下式成立iiiTES2将相同采样点位置上反转前后两次采样值相加,可得该采样点处直尺表面的直线度误差值为:2)(21iiiSSE将反转前后两次采样值相减,可得该采样点处滑板运动直线误差为:2)(21iiiSST将各个采样点位置上的直线度误差值进行最小二乘处理,最后可以得到直尺的总的直线度误差E：minmaxEEE3.2.2装置检验及优缺点分析为验证该方法的测量精度,对4种不同长度的直尺进行了实际测试。4种直尺分别为100mm,200mm,300mm光学直尺和400mm金属研磨直尺,每种直尺分别测量5次,取平均值作为测量结果,取极限误差和相对误差作为测量精度的评定依据[9],结果见表1。表1不同长度直尺直线度测量结果(单位:μm):测量长度第一次第二次第三次第四次第五次平均值极限误差100mm0.4490.4560.4670.4690.4800.4640.036200mm0.8300.8500.8370.8350.8490.8380.027300mm1.0511.0301.0061.0301,0101.0250.054400mm9.4829.4679.4879.4969.4469.4760.059实际测试结果表明,该双频激光干涉仪测量可在一般条件下实现优于0.1μm/m的测量不确定度,可用于大尺寸直尺直线度误差的高精度检测。这种测量方法是目前公认的精度最高的一种测量技术。双频激光测量装置的特点是[10]:1）在以激光束为基准直线的基础上，采用干涉原理进行读数，提高了分辨率和精度；2）该方法的测量原理和光学系统不受激光束漂移的影响；3）此类仪器利用握拉斯顿棱镜分光使测量结果不受激光水平漂移的影响，具有一定的自适应性，对大气的湍流和空气的扰动影响抵制能力强。但是由于激光干涉仪价格昂贵，很难在工程上大量使用，并且使用条件相对严格，不利于大面积的推广。3.3激光准直测量法3.3.1测量原理及装置在测量大长度轨道的直线度时，采用激光基准法有很大优势，即采用准直激光束的能量中心线作为直线基准，携带光斑位置探测器的载体沿轨道方向移动，激光光斑落在光斑位置探测器上。当轨道存在弯曲偏差时，沿轨道移动的载体将偏离原直线轨迹，其偏移量便由光斑位置探测器反映出来，从而可以获得轨道的直线度误差[11]。利用准直激光束作为直线