基于激光二维扫描传感器的车体轮廓尺寸测量中车长春轨道客车股份有限公司 (吉林 130062) 赵国新
【摘要】采用激光二维扫描传感器对车体轮廓尺寸进行测量,通过设计激光二维扫描传感器的支撑装置和扫描平台,实现车体轮廓尺寸的快速测量,并能够对车体平面度、弧度等重要尺寸进行实时显示和分析。
关键词:车体轮廓;激光测量;二维扫描;平面度
1. 概述
近年来,轨道车辆制造技术快速发展,国内投入运营高铁占世界运营高铁数量60%以上的同时,我国轨道交通装备“出海”的步伐也在不断加快,中车集团生产的高速列车和地铁车辆已经成为总理的“中国外交名片”,并逐渐进入美国、新加坡等发达国家市场。
车体钢结构的制造误差是车辆制造质量控制的重点之一,车体轮廓尺寸和平面度尺寸等钢结构质量指标不但影响车体外观,对车体钢结构的静态限界和动态限界都有较大的影响,目前车体钢结构轮廓尺寸的检查主要是通过样板比对或莱卡测量的方式进行:样板比对的方式测量精度低、受操作工人技能和工作状态影响大,测量结果不稳定;莱卡测量的方式测量精度高,但需要设置靶点,测量效率低,漏检可能性大。激光测量具有测量精度高、测量速度快,测量结果稳定等优点在汽车轮廓测量等领域大规模应用,开发轨道车辆车体钢结构三维激光测量系统具有重大经济效益和社会效益。
表面的连续扫描测量得到表面点的坐标,利用这些坐标完成车体钢结构表面的构造,最终实现车体钢结构轮廓的尺寸测量,因此车体的尺寸测量关键是要实现车体表面点坐标的精确测量。
测量系统可以通过激光测距传感器的空间位姿和传感器返回的距离信息确定被测点的坐标。当激光传感器旋转或移动时,其空间位姿变化,车体上的被测点的位置也变化,通过连续测量传感器的空间位置和返回的距离得到车体表面的点云信息,激光传感器可以通过精密机械系统来驱动从而实现其在空间的转动或移动。传感器的工作是基于光学三角测量原理,如图1所示。半导体激光发生器发出
2. 测量原理
测量系统是一套基于激光三角测量原理的三维非接触测量系统,它是通过激光测距传感器对锻件
图1 激光传感器测量原理1.激光发生器 2.透镜 3.轮廓线 4.镜片 5.二维CMOS阵列 6.信号处理器 7.物体1922016年 增刊1 www.mw1950.com冷加工
的光,经透镜形成X平面光幕,并在物体上形成一条轮廓线,镜片收集被物体反射回来的光并将其投影到一个二维CMOS阵列,这样形成的目标物体剖面图形被信号处理器分析处理,轮廓线的长度用X轴计量,轮廓线的高低用Z轴计量。
3. 系统组成
(1)系统硬件组成 系统硬件由工业PC机、检测系统支架、运动控制卡、自动调平装置、激光传感器转动扫描装置和激光传感器组成。系统硬件结构图如图2所示:
激光传感器负责进行定点二维激光扫描测量,扫描的数据通过网口上传到工业PC机进行计算分析;自动调平装置由角度传感器和高精度电动机和丝杆,确保测量时二维激光传感器出于竖直状态;激光传感器转动扫描装置带动激光传感器对车体尺寸沿车体竖直方向进行步进式扫描测量,通过控制转动电动机的步进角实现车体横向的扫描精度控制;电动机与二维激光扫描传感器通过硬件方式实现数据同步匹配。
(2)系统软件组成 车体轮廓激光扫描系统软件由启动激光传感器自动调平子程序、传感器转动扫描子程序、激光传感器数据采集子程序、数据处理子程序、人机交互子程序组成。
激光传感器自动调平子程序通过采集自动调平装置的角度传感器的角度信息,通过控制调平步进电动机实现激光传感器的自动调平,调平程序完成后传递消息给扫描系统主程序,由主程序调用激光传感器数据采集子程序和传感器转动扫描子程序实现车体的轮廓扫描测量,测量结束后调用数据处理子程序运用多视点云数据拼合技术完成车体轮廓数据整合,并通过人机交互子程序实现轮廓数据的显示。人机交互子程序可以实现对车体轮廓表面的平
图2 车体轮廓激光扫描系统机加工技术
面度、弧度等尺寸公差阈值的设置,当车体轮廓尺寸公差超出设置阈值范围时进行报警或提示显示。软件流程图如图3所示。
图3 系统软件流程4. 测量误差分析
车体轮廓尺寸测量系统误差主要受二维激光扫描传感器影响,英国真尚有公司生产ZLDS210大范围激光二维轮廓扫描传感器在远端扫描宽度为2080mm时,误差仅为0.7mm,重复误差±0.7mm;而在近端扫描时,误差可以进一步减少。车体的制造平面度公差一般要求小于2mm,宽度公差一般要求(-5,+2)mm,因此ZLDS210大范围激光二维轮廓扫描传感器完全能够满足检测精度要求。
5. 结语
基于激光二维扫描传感器的车体轮廓尺寸测量能够实现车体轮廓尺寸的快速测量,避免了由样板比对方式占用工时长,测量精度受操作工人工作状态影响大和莱卡测量检测效率低的问题,易实现自动化快速检测。同时该系统同样适用于进行其他工件如装配三维料件、车头立体尺寸的测量。
冷加工
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