余 杰杭 杰

（1.上海交通大學(xué) 上海 200240）

（2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200333）

起重機(jī)械軌道測(cè)量裝置及檢測(cè)方法的研究

余 杰1，2杭 杰2

（1.上海交通大學(xué) 上海 200240）

（2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 上海 200333）

起重機(jī)械軌道是保證起重機(jī)械安全運(yùn)行的重要條件。目前的軌道檢測(cè)方法，精度較低，安全性差，無(wú)法滿足各類工況的檢測(cè)要求。為解決檢測(cè)中出現(xiàn)的問(wèn)題，本文提出一種起重機(jī)軌道檢測(cè)方法，以準(zhǔn)直激光束為基準(zhǔn)直線，由機(jī)械小車配備光斑位置探測(cè)裝置于軌道上行走并測(cè)量各檢測(cè)點(diǎn)的偏差數(shù)值。本文介紹了檢測(cè)原理、實(shí)施方式并分析了算法，對(duì)裝置樣機(jī)多次試驗(yàn)，數(shù)據(jù)對(duì)比，評(píng)估其測(cè)試精度，并得出了此檢測(cè)裝置具有較強(qiáng)實(shí)用性的結(jié)論。

起重機(jī) 軌道檢測(cè) 激光準(zhǔn)直 檢測(cè)裝置

起重機(jī)械應(yīng)用廣泛，在各行各業(yè)特別是工業(yè)生產(chǎn)中具有不可或缺的作用。當(dāng)起重機(jī)工作一段時(shí)間或者經(jīng)常處于重載工況時(shí)，起重機(jī)的大小車軌道就極有可能產(chǎn)生變形，產(chǎn)生啃軌現(xiàn)象，極大威脅起重機(jī)安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)使起重機(jī)失穩(wěn)脫軌造成安全事故。因此定期對(duì)軌道進(jìn)行檢測(cè)是必不可少的安全保障。

軌道的重要技術(shù)指標(biāo)有雙軌道同截面高度差、軌距、單軌直線度等。目前，工程中多數(shù)運(yùn)用鋼卷尺、塔尺、激光經(jīng)緯儀、全站儀等測(cè)量設(shè)備。全站儀檢測(cè)精度高，但其位置固定，受檢測(cè)環(huán)境影響較大，而其他常規(guī)檢測(cè)手段測(cè)量精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度高、安全性能差。

本文提出一種起重機(jī)軌道檢測(cè)方法，以準(zhǔn)直激光束為基準(zhǔn)直線，由機(jī)械小車配備光斑位置探測(cè)裝置于軌道上行走并測(cè)量各檢測(cè)點(diǎn)的偏差數(shù)值，是一種具有較高精度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)及在線分析的檢測(cè)裝置和方法。

1 測(cè)量思路方案及裝置設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量思路

圖1中，x軸、y軸和z軸分別代表了激光束方向及水平、垂直方向，帶有光屏的小車運(yùn)行于軌道上，攝像頭記錄光屏上的光斑圖片，并傳輸至圖像處理軟件提取光斑中心，換算為相對(duì)于小車上光屏中心的位移，此相對(duì)位移為軌道相對(duì)于基準(zhǔn)的偏差值。在小車從動(dòng)輪上配置光柵編碼器，如果主動(dòng)輪發(fā)生打滑現(xiàn)象，從動(dòng)輪仍能較準(zhǔn)確記錄行走的導(dǎo)軌距離，光柵編碼器記錄從動(dòng)車輪轉(zhuǎn)角，并轉(zhuǎn)換為小車走過(guò)的路程。

圖1 軌道測(cè)量示意

因?yàn)閮筛壍啦皇峭瑫r(shí)測(cè)量，所以要將檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)世界坐標(biāo)系中。2根軌道之間的坐標(biāo)關(guān)系，利用測(cè)量2軌道之間的跨度變化和高低差變化，可以求得2個(gè)基準(zhǔn)之間的差，再經(jīng)軟件計(jì)算，把2個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)（世界坐標(biāo)系）下，然后就可以求出2根軌道的各項(xiàng)偏差值。

如圖2所示，世界坐標(biāo)系中的兩條測(cè)量曲線。

圖2 同一世界坐標(biāo)系下的測(cè)量曲線

在x=X時(shí)，從圖2中可知：軌道1上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為（X， y1， z1），軌道2上對(duì)應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)為（X， y2，z2），則在x=X處的各偏差項(xiàng)：

兩軌跨度偏差：

兩軌的高度偏差：

單軌垂直面內(nèi)的彎曲偏差（Vertical）：

單軌水平面內(nèi)的彎曲偏差（Horizontal）：

其中，S為理論跨度值。如此可得出軌道偏差曲線，圖3中，獲得被測(cè)軌道的直線度誤差的方法是：根據(jù)對(duì)已知的y軸及z軸方向求兩軸各自的最小包容線。

圖3 軌道曲線最小包容區(qū)域法

軌道上頂面的曲線與理論高度的偏差就可以通過(guò)被測(cè)軌道直線度的最小誤差，及x軸（激光束基準(zhǔn)）與最小包容線的中心線之間夾角來(lái)求得。

1.2 裝置設(shè)計(jì)

軌道檢測(cè)裝置由測(cè)量小車、激光發(fā)射裝置、計(jì)算機(jī)及無(wú)線通信設(shè)備組成。激光由激光發(fā)射裝置發(fā)出，打在小車的接收光屏上，由小車上視頻采集攝像設(shè)備記錄光斑圖片并發(fā)送回PC機(jī)通過(guò)軟件計(jì)算出相應(yīng)軌道點(diǎn)的彎曲偏差，機(jī)上的應(yīng)用軟件通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙通信設(shè)備與小車通信，從而控制小車前進(jìn)后退等動(dòng)作，圖4為測(cè)量系統(tǒng)框圖。

圖4 測(cè)量系統(tǒng)框圖

測(cè)量小車在軌道上行駛，是軌道檢測(cè)的主要部件，配置電機(jī)、減速器、夾緊軌道裝置、光柵編碼器、光屏、攝像頭、充電電池、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸及電機(jī)控制單片機(jī)系統(tǒng)等。要求運(yùn)行平穩(wěn)，盡可能避免振動(dòng)，整體重心盡可能低于導(dǎo)軌頂面，且位于軌道的中軸線附近。小車設(shè)置夾緊軌道裝置通過(guò)導(dǎo)向輪夾緊軌道側(cè)面以保持小車平穩(wěn)姿勢(shì)，并有彈簧施力機(jī)構(gòu)讓導(dǎo)向輪具有伸縮性，便于小車通過(guò)軌道接頭部位以及軌道不平整處。小車行走距離由編碼器測(cè)量，則x軸方向上的位移量即為編碼器所測(cè)數(shù)據(jù)。

激光發(fā)射裝置的作用是發(fā)射準(zhǔn)直激光線，激光發(fā)生器產(chǎn)生的激光要求在100m范圍內(nèi)能夠在光屏上形成穩(wěn)定的近似圓形光斑。通過(guò)對(duì)比，選擇采用功率為70MW的綠色激光發(fā)射器，其發(fā)射激光能夠滿足要求且較穩(wěn)定。水平氣泡選用的是誤差為4′，即激光發(fā)射管在100m情況下能夠保持±1mm的誤差精度，并在旋轉(zhuǎn)時(shí)保持同軸旋轉(zhuǎn)。通過(guò)專業(yè)調(diào)試裝置進(jìn)行水平氣泡的安裝和同軸度調(diào)節(jié)，以保證激光發(fā)射裝置產(chǎn)生水平激光束，圖5為激光發(fā)射裝置主要組成。

圖5 激光發(fā)射裝置主要組成

單片機(jī)系統(tǒng)是測(cè)量系統(tǒng)中的核心部分，負(fù)責(zé)接收測(cè)距反饋的脈沖信號(hào)，同時(shí)也接受電腦軟件由藍(lán)牙發(fā)送的前后運(yùn)動(dòng)及車速指令；測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)光柵編碼器將脈沖信號(hào)由單片機(jī)模塊發(fā)送給電腦；視頻系統(tǒng)由透明PVC材質(zhì)的屏及視頻采集攝像設(shè)備組成。采用VB.net編寫(xiě)軟件系統(tǒng)界面，軟件可以將單片機(jī)系統(tǒng)在測(cè)距時(shí)接受到的脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)接收下來(lái)（根據(jù)檢測(cè)要求不低于5點(diǎn)/m），軟件設(shè)計(jì)具有校正功能，保持檢測(cè)小車在x軸方向上的準(zhǔn)確性，校正小車從動(dòng)輪編碼器行走與實(shí)際行走的距離偏差，同時(shí)軟件通過(guò)藍(lán)牙能控制車速、方向。無(wú)線攝像頭將記錄的光斑圖像發(fā)送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算光斑中心，隨后由光斑中心坐標(biāo)連接生成軌道偏差曲線，分析曲線，從而得知測(cè)得的某段軌道最大偏差所在位置。

攝像頭采集的光斑圖像傳輸至電腦，運(yùn)用軟件MATLAB的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行離線分析處理，MATLAB在數(shù)值計(jì)算方面具有強(qiáng)大功能，在圖像處理領(lǐng)域運(yùn)用廣泛。

2 兩坐標(biāo)統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)

兩條軌道坐標(biāo)系的統(tǒng)一，是該測(cè)量方案中的技術(shù)難點(diǎn)，在測(cè)量中實(shí)現(xiàn)步驟如下：

首先建立世界坐標(biāo)系WCS：以軌道1的準(zhǔn)直激光基準(zhǔn)為x軸，調(diào)整激光發(fā)射器a水平及轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)裝置，使其發(fā)射的激光線保持水平并在小車光屏中心線上，并在水平面內(nèi)取y軸，以右手定則確定z軸；

然后在軌道2上放置激光發(fā)射器b，同時(shí)將激光發(fā)射器a旋轉(zhuǎn)90°，使激光發(fā)射器b側(cè)平面與激光發(fā)射器a互相垂直，記錄激光發(fā)射器b側(cè)面光斑中心與激光發(fā)射器a的垂直距離，此距離作為軌道2與軌道1坐標(biāo)高差，同時(shí)測(cè)量激光發(fā)射器a軸心與激光發(fā)射器b軸心之距；

最后在軌道2上放置激光發(fā)射器b和測(cè)量小車，調(diào)整激光發(fā)射器b水平及轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)裝置，使其發(fā)射的激光線保持水平并在小車光屏中心線上，這樣軌道2的局部坐標(biāo)系LCS2也已建立起來(lái)。

當(dāng)滿足上述條件后，實(shí)現(xiàn)的基本思路就是利用已知的世界坐標(biāo)系WCS，調(diào)整激光系統(tǒng)b，使建立的軌道2的局部坐標(biāo)系LCS2是平行于世界坐標(biāo)系WCS的。

3 光斑中心計(jì)算

3.1 光斑中心提取

激光束光斑中心位置探測(cè)，影響著整個(gè)軌道檢測(cè)的精度。對(duì)小車上無(wú)線攝像頭傳輸至電腦的光斑圖像進(jìn)行圖像二值化處理，采用了兩種方法，一是選取平均中值與灰度最大值，平均中值是由軟件MATLAB中的graythresh函數(shù)得出，此函數(shù)可根據(jù)背景的不同，自動(dòng)調(diào)整圖片合適閾值。然后按照25%與75%的歸一值設(shè)定閾值；二是直接設(shè)置手工進(jìn)行設(shè)定的閥值，隨著小車運(yùn)行圖片亮度變化，當(dāng)提取光斑形狀有偏差時(shí)人工調(diào)整閥值大小以保證光斑形狀減少誤差。其中第二種方法便于及時(shí)調(diào)整閾值以獲得反映光斑幾何特征的灰度圖像。

3.2 除去噪聲

實(shí)驗(yàn)中獲取的圖像會(huì)因受到某些干擾而含有噪聲。噪聲會(huì)造成測(cè)試精度降低，因此需要采取一些辦法來(lái)去除噪聲。

試驗(yàn)中為了除去噪聲，使用相關(guān)函數(shù)，首先選用函數(shù)bwlabel，bwlabel是軟件MATLAB圖像處理工具箱中用來(lái)標(biāo)注二進(jìn)制圖像中已連接部分的函數(shù)，在這里用于定位光斑與背景的連通區(qū)域。再采用函數(shù)regionprops，此函數(shù)也是MATLAB中的函數(shù)，可度量圖像區(qū)域?qū)傩裕糜诮y(tǒng)計(jì)顯示被標(biāo)記區(qū)域的面積分布、區(qū)域總數(shù)，通過(guò)regionprops在bwlabel標(biāo)注出的連通區(qū)域?qū)ふ页鲈肼晠^(qū)，然后將其清零。一般認(rèn)為噪聲區(qū)域小于光斑區(qū)域，選取面積最大的區(qū)域后，將其他區(qū)域置零則可達(dá)到去噪的目的。當(dāng)所提取光斑面積不是最大面積時(shí)，需通過(guò)人工設(shè)置閥值或者采用特征提取等數(shù)據(jù)處理方法。

3.3 圓擬合原理及圓心計(jì)算

經(jīng)過(guò)去噪后將所得光斑灰度圖像分別通過(guò)重心法和圓擬合法尋找光斑中心，通過(guò)不斷試驗(yàn)比對(duì)，當(dāng)測(cè)量小車距離激光發(fā)射裝置較遠(yuǎn)時(shí)，光屏上的光斑不為對(duì)稱圖像，這時(shí)重心法計(jì)算誤差較大，圓擬合法在提取光斑中心精度高于重心法。

圖6 經(jīng)過(guò)去噪后光斑二值圖像

隨后為了獲得擬合圓，需運(yùn)用regionprops函數(shù)得出相關(guān)參數(shù)確定出某個(gè)正多邊形，而當(dāng)一個(gè)正多邊形的邊數(shù)相當(dāng)大時(shí)，就接近正圓形，如此得出的正圓形并將其擬合，正多邊形邊數(shù)越大，擬合越精確。

為了確定擬合圓（光斑）的圓心坐標(biāo)和半徑，需要在所擬合的圓上任取三點(diǎn)。程序如下：

擬合圓圓心坐標(biāo)：

擬合圓半徑：

在測(cè)試中，由于攝像頭拍攝的圖片會(huì)產(chǎn)生一定的變形。因此采用二次函數(shù)去估計(jì)圖像擬合圓中心與接收光屏上實(shí)際中心，再補(bǔ)償圖像中心偏差，這樣光斑中心計(jì)算與實(shí)際中心誤差較小。

4 誤差分析

在試驗(yàn)初期，曾用紅色激光作為激光發(fā)射裝置光源，由于其激光功率較小，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)直線距離超過(guò)50m后存在著光斑漂移現(xiàn)象，并且光斑形狀不是圓狀，不利于光斑中心識(shí)別，因此改為采用功率較大光斑漂移較小的綠光作為首選光源，盡可能保證光斑形狀為圓形，以減少光斑中心識(shí)別誤差。

測(cè)量小車運(yùn)行中不可避免出現(xiàn)的隨機(jī)振動(dòng)而對(duì)測(cè)量造成誤差，采用小車往返多次求平均的方法抵消隨機(jī)偏差，并盡量使其在無(wú)接頭的軌道段內(nèi)運(yùn)行以減少測(cè)量誤差。測(cè)量小車選擇慢速行駛以減小測(cè)距系統(tǒng)與光斑圖片傳輸至計(jì)算機(jī)時(shí)間差產(chǎn)生的軌道軸向誤差，另外測(cè)量采樣率也盡可能降低。

圖7 誤差分析示意圖

設(shè)由軌道彎曲造成的接收屏傾斜角度為β，其引起的絕對(duì)誤差ε為：

由于起重機(jī)軌道曲線是連續(xù)高階可導(dǎo)，所以傾斜角β極小，其本身數(shù)量級(jí)為10-3rad，求得絕對(duì)誤差ε 為10-5mm量級(jí)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10183—2010規(guī)定，起重機(jī)軌道每2m內(nèi)的彎曲極限偏差小于2mm，因此該絕對(duì)誤差ε可忽略不計(jì)。此情況適用于軌道水平方向彎曲造成的同類誤差。由于軌道高階可導(dǎo)，可采用正弦曲線模擬計(jì)算實(shí)際軌道，見(jiàn)式（6）。

由圖7中，檢測(cè)裝置由傾斜角β而引起的垂直平面彎曲偏差：

起重機(jī)軌道測(cè)量的極限偏差為10mm，為了得出該測(cè)量方法的原理誤差，運(yùn)用仿真計(jì)算得出次測(cè)量方法原理誤差有效值僅為3.50×10-5mm，僅在10-5mm量級(jí)，因此其原理精度可以保證。

5 軌道測(cè)量裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

軌道檢測(cè)裝置研制完畢后，選取普通門(mén)式起重機(jī)的軌道進(jìn)行軌道測(cè)量。同時(shí)使用傳統(tǒng)的全站儀檢測(cè)方法測(cè)量軌道，并將兩種檢測(cè)方法測(cè)量出的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 軌道測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本文提出一種起重機(jī)軌道檢測(cè)方法，以準(zhǔn)直激光束為基準(zhǔn)直線，由機(jī)械小車配備光斑位置探測(cè)裝置于軌道上行走并測(cè)量各檢測(cè)點(diǎn)的偏差數(shù)值，測(cè)量小車軌道數(shù)據(jù)點(diǎn)的采集、測(cè)量及分析實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。傳統(tǒng)的全站儀人工測(cè)量方法與本文研究的測(cè)量方法相比，全站儀相對(duì)來(lái)說(shuō)需要人工定點(diǎn)，人工尋找測(cè)量目標(biāo)，測(cè)量點(diǎn)數(shù)的多少直接影響到測(cè)量軌道整體特征的反映，因此軌道測(cè)量裝置的勞動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于全站儀，此方法為起重機(jī)械軌道檢測(cè)提供了更為安全、可靠、精確度較高的途徑，具有較高的實(shí)用、推廣價(jià)值。

［1］ 吳恩啟，杜寶江，張輝輝.橋門(mén)式起重機(jī)軌道檢測(cè)技術(shù)研究［J］.無(wú)損檢測(cè)，2007，29（10）：578-579.

［2］ 繆家鼎.光電技術(shù)［M］.杭州：浙江大學(xué)出版社，2004：156-162.

［3］ 高經(jīng)伍，林蕓，白云，等.二維PSD在測(cè)量物體平面位置的實(shí)驗(yàn)研究［J］.東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，25（2）：46-49.

［4］寧延平，劉戰(zhàn)鋒.國(guó)內(nèi)外高精度直線度測(cè)量技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.儀器儀表與檢測(cè)，2005 （4）：363-369.

［5］ 解春花.論橋門(mén)式起重機(jī)啃軌原因分析［J］.煤炭技術(shù)，2003，22（10）：23-25.

［6］ GB/T 10183—2010 橋式和門(mén)式起重機(jī)制造及軌道安裝公差［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［7］ 程維明，宋偉，劉亮.一種新型橋門(mén)式起重機(jī)軌道測(cè)量方法［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2010，21（18）：2187-2191.

Research on Measuring Device and Measuring Method of Crane Rails

Yu Jie1，2Hang Jie2
（1.Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240）（2.Shanghai Institute of Special Equipment and Technical Research Shanghai 200333）

The crane rail is an important condition to ensure the safe operation of crane.The accuracy and security of current rail detection method are low and poor， and could not meet the requirements of all kinds of working conditions.In order to solve the detection problem， this article proposes a crane rail detection method， which has a linear reference by using laser beams， by mechanical car equipped with light spot position detection device to walk on the rail while measuring the deviation values of the detection.This article introduces the detection principle，the implementation method and the analysis algorithm， then designs a prototype and takes several tests， proves the practicability of the device through the accuracy evaluation and comparison.

Crane Rail detection Laser collimation Detection device

X941

B

1673-257X（2016）09-0021-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.09.005

余杰（1987～），男，本科，助理工程師，從事起重機(jī)械定期檢驗(yàn)及相關(guān)安全評(píng)估工作。

（2016-04-20）