LS9000激光測量系統在鋼軌檢測中心的應用

夏文明

(攀枝花鋼鐵集團股份有限公司軌梁廠，四川攀枝花617000)

1 引言

攀鋼軌梁廠檢測中心是重軌質量檢測的重要主體設備，是優質鋼軌生產中不可或缺的重要環節。鋼軌矯直后必須通過鋼軌檢測中心的斷面檢測儀、平直度檢測儀、渦流檢測裝置、超聲波檢測裝置進行全面質量檢測后方可進入下一道工序。鋼軌的缺陷位置標識是由測長裝置來完成的，測長裝置在檢測中就顯得尤為關鍵。改進前鋼軌測長系統是由6套測量輪帶編碼器組合的測量裝置，利用測量輪跟隨鋼軌運動而帶動編碼器旋轉計數得到鋼軌長度。該系統測量輪與鋼軌是硬接觸，并且通過氣缸進行升降，在實際生產中很容易出現故障:一是測量輪的防滑膠皮磨損快、易脫落，更換測量輪周期很短;二是測量輪長期與鋼軌接觸，編碼器長期處于振動中，編碼器易損壞;三是鋼軌長度檢測波動大，不精確，極不利于鋼軌質量檢測控制。

隨著激光技術的不斷發展，技術日趨成熟。通過非接觸式的LaserSpeed9000系列激光測長系統對鋼軌測長就避免了摩擦、振動等因素帶來的測量誤差，使測長系統更加精確可靠。

2 LS9000激光測長原理

LS9000激光測量儀把傳統的激光測量光路信號處理系統及輸出模塊集成在一體，從而獲得更高的工作可靠性及測量精度。采用極化分光光路，可以將傳統系統中單獨設計制造的測速探頭與信號的處理與輸出模塊集成在一起，減少多普勒高頻信號的傳輸環節，避免外部干擾信號進入系統。LS9000激光測長儀主要是利用激光多普勒效應原理實現高精度的速度測量。當兩束同源激光在測量區域相交后，干涉產生一個條紋立體空間，當鋼軌經過該交叉區域，形成明暗交錯的條紋帶，如圖1所示。條紋間隔d由激光波長λ及兩束激光間的半角k決定，d=λ/(2×sink)。被測量鋼軌經過該區域的條紋帶時，鋼軌表面的微小結構顆粒結構將產生明暗交錯的漫反射光信號，該信號被儀表的光子探測器轉化為脈動的電信號，該信號頻率與鋼軌速度相關，頻率f=v/d。由此有:

由以上公式得知鋼軌速度V由頻率f決定。鋼軌長度l=∫vdt，由儀器處理器自行計算得到。激光測量系統就是通過激光多普勒效應和相應的計算即可測量出被測物體的速度、長度。

圖1 激光測量原理圖

3 鋼軌激光測量系統簡介

鋼軌測量系統主要由三套Laser-Speed9000測量儀、六套鋼軌定位對中裝置等附屬設備組成。三套LaserSpeed9000測量儀一套安裝于高寬測量與第一套對中裝置間，一套安裝在渦流檢測裝置與超聲波檢測裝置間，另外一套安裝在第六套對中裝置后。被測量鋼軌進入LS9000激光測速系統測速區域時，LS9000會自動檢測該鋼軌的存在，自動啟動測長過程。當LS9000工作在FINAL LENGTH模式下時，鋼軌在測量過程中，LS9000不產生輸出。當鋼軌尾端離開激光測長儀的有效測量位置后，LS9000向PLC送出該次測量的結果，同時系統自動復位，等候下一次測量的開始。激光測長儀將檢測到的速度和長度通過plc傳到清潔站處理器、斷面檢測處理器、平直度檢測處理器、渦流檢測處理器、超聲波檢測處理器，使其能夠準確計算和反映檢測出缺陷位置，便于查找和標識處理。六套對中裝置裝于每套檢測設備的前后，將鋼軌導向于檢測設備的中心線，使鋼軌的擺動盡量小，提高測量儀測得數據的精度。平直傳輸鏈安裝于平直度檢測裝置中，以保障平直度檢測結果精確。

4 LS9000激光測長系統設計

鋼軌檢測中心測量裝置是以LS9000激光測量儀為核心。通過與西門子S7300PLC的數據交換，完成整個測量系統的測長處理和缺陷報警位置顯示。

4.1 LS9000激光測量儀性能參數

LS9000激光測量儀測量精度高，在線測量精度優于 ±0.05%，可控環境下優于±0.002%。速度測量范圍大，速度量程為－20km/min～ +20km/min。信號輸出接口多樣化，適用于多種協議的數據傳輸。輸出接口有測長5V或者24V的脈沖信號、速度模量輸出、RS-232和RS-422通訊協議接口、激光測長儀控制信號接口。鋼軌測長系統主要用到了脈沖輸出信號和Profibus DP協議的接口，很好地實現了與外部處理的通訊和數據交換。

4.2 LS9000測長系統硬件配置

LS9000激光測量儀通過專用電纜連接到信號分接端子，然后通過Profibus－DP直接掛到西門子PLC中。測量系統整體結構包括:一是LS9000激光測速測長系統，該系統安裝在現場直接對通過有效測量區域的鋼軌進行檢測;二是信號電纜，用于設備連接;三是信號分接端子，該端子安裝在電控室PLC柜內，激光測長儀將處理過的信號通過該端子發送給上位機處理器，如下圖2、圖3所示。

4.3 LS9000測量儀軟件參數設置

LS9000測量系統安裝運行前必須根據外部設備所接收的脈沖數對應的長度、核心系統運行優化及輸入、輸出等功能進行設置調試。不同的反光物體和使用環境都需要通過軟件參數設置使其更準確地進行測量。測量系統使用的軟件是BLM LaserTrak4.0版本，是測量系統的核心軟件。激光測量儀是否能正常工作就取決于軟件參數設置。

圖2 硬件配置

圖3 PLC硬件組態

LS9000測量系統軟件調試步驟如下:

第一步:用專用電纜(測量儀端為25針插頭，計算機側為9針插頭)將測量儀和計算機連接起來，單獨將12針與24針接入24VDC電源，為激光測量儀供電。

第三步:進入配置設定界面，根據現場被測物體的表面特征和使用環境明暗度等設置相應的匹配參數。一般情況下我們需要對以下四個界面進行設定，也可以根據需要進行不同模式和參數設定。設定完成后保存后重新啟動軟件即可。

圖4 通訊設置

圖5 輸出設置

5 應用分析

經過近一年的運行使用，在使用過程中LS9000激光測長測量系統也存在一些小問題，但只要我們通過對儀器性能和控制參數的深入理解，就能很快解決現場實際問題。充分發揮其優勢，提高系統精度和可靠性。

圖6 標準設置

圖7 高級設置

5.1 被測物運動過程中的振動影響系統精度

鋼軌在運行過程中，由于運輸輥道磨損程度和鋼軌矯直的平直度的不同，很容易出現較大的左右和上下擺動，有時脫離儀器的有效檢測范圍，對測量精度影響較大，不穩定。通過調整6套對中傳輸系統的氣缸壓力，減輕鋼軌的振動，同時通過設置激光測長儀的軟件參數，使其適應這種工況的檢測，大大提高測量精度和穩定性。

圖8 速度和長度監視顯示

5.2 工作環境影響設備可靠性

在沒加冷卻空氣時，由于LS9000測量儀連續工作，自身溫度會不斷升高，會出現長度測量偏差較大，達不到質量檢測設備的精度。為此，我們在LS9000測量儀上加冷卻壓縮空氣，使測量儀工作在20度左右的環境中，同時用plc程序控制測量儀脈沖開啟和關斷時間，使其在沒有鋼軌通過時關閉激光門，減少工作時間，降低儀器不必要的消耗。由于鋼軌在經過超聲波檢測后，表面有水，有時影響其反射的激光光束，導致測量誤差。我們可以通過軟件參數設置，降低“Material Present Threshold”數值，滿足測量需要，提高測量可靠性。

6 結束語

本文詳細地介紹了LS9000測量儀的軟件、硬件及調試步驟等，并結合檢測中心的實際使用情況作了分析總結。實現了快速、準確的控制、設備的連鎖啟停、回路調節、報警、趨勢記錄等一系列功能。采用非接觸性激光測長儀，不但消除了設備磨損及鋼軌刮傷，提高了產量和自動化水平，還降低了故障時間和備件消耗，大大提高了工作效率。