一種新的起重機(jī)軌道檢測(cè)方法和裝置

孔慶彬 程維明

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院1，上海 200072；上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2，上海 201620)

一種新的起重機(jī)軌道檢測(cè)方法和裝置

孔慶彬1程維明2

(上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院1，上海 200072；上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2，上海 201620)

現(xiàn)有起重機(jī)軌道檢測(cè)方法存在檢測(cè)范圍小、檢測(cè)精度低、安全性差等不足，為解決現(xiàn)有起重機(jī)軌道檢測(cè)方法存在的問題，提出了一種新的起重機(jī)軌道檢測(cè)方法，并研究了基于該方法的一種新型起重機(jī)軌道檢測(cè)裝置。介紹了檢測(cè)方法的檢測(cè)方案和實(shí)現(xiàn)方式，并詳細(xì)分析了檢測(cè)算法，設(shè)計(jì)了檢測(cè)裝置樣機(jī)并進(jìn)行了多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，提出的檢測(cè)方法滿足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)起重機(jī)軌道檢測(cè)的精度要求，具有檢測(cè)安全性強(qiáng)、檢測(cè)成本低、檢測(cè)方便等優(yōu)點(diǎn)。

起重機(jī) 全站儀 檢測(cè)裝置 軌道檢測(cè) 參數(shù)檢測(cè)

0 引言

隨著工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，起重機(jī)在現(xiàn)代化生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛，社會(huì)對(duì)起重機(jī)的要求也越來越高。起重機(jī)運(yùn)行中的一個(gè)主要問題是車輪啃軌。啃軌嚴(yán)重時(shí)，可能造成脫軌事故。因此對(duì)軌道進(jìn)行定期檢測(cè)具有十分重要的意義[1-2]。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的起重機(jī)軌道檢測(cè)參數(shù)主要包括單軌水平面內(nèi)和鉛垂面內(nèi)直線度、雙軌同截面內(nèi)跨距及高度差[3]。目前,檢測(cè)主要基于兩種方法：激光準(zhǔn)直法[4-5]和全站儀法[6-7]。前者檢測(cè)方便，但對(duì)于大跨度軌道，光斑圖像出現(xiàn)飄動(dòng)及波紋現(xiàn)象，檢測(cè)效果不理想。后者利用全站儀可以獲得比較高的檢測(cè)精度，而現(xiàn)有方法在檢測(cè)大車軌道時(shí)作業(yè)環(huán)境建立在空中，存在危險(xiǎn)系數(shù)高、檢測(cè)不方便等問題。

本文提出了一種新的起重機(jī)軌道檢測(cè)方法，在獲得較高測(cè)量精度和較遠(yuǎn)測(cè)量距離的同時(shí)，將作業(yè)環(huán)境移至地面，由全站儀建立統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系，對(duì)兩根軌道進(jìn)行檢測(cè)。該方法提高了安全性，且無需挪動(dòng)全站儀位置即可進(jìn)行雙軌檢測(cè)，使得檢測(cè)更方便，數(shù)據(jù)處理更簡(jiǎn)單。

1 檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

軌道檢測(cè)的基本思路是采用一定的方法和裝置獲取軌道實(shí)際曲線，然后根據(jù)相應(yīng)算法通過數(shù)據(jù)處理得到軌道的各項(xiàng)待求參數(shù)。對(duì)于軌道曲線的獲取，一般是通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的軌檢裝置如軌檢小車或軌檢儀，使其在軌道上運(yùn)行，利用其行走軌跡得到軌道實(shí)際曲線。然而由于起重機(jī)軌道雙軌跨距較大，考慮到軌道的超大跨度，不可能像測(cè)量機(jī)床、電梯和鐵軌一樣設(shè)計(jì)一輛橫跨兩根軌道的測(cè)量橋，從而一次性測(cè)出兩根軌道的所有參數(shù)。

對(duì)于起重機(jī)軌道來說，一般是設(shè)計(jì)可在單根軌道上運(yùn)行的軌檢裝置，分別對(duì)兩根軌道參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，然后采用一定的方式將兩條曲線置于同一個(gè)坐標(biāo)系下，通過相應(yīng)算法得到雙軌聯(lián)合參數(shù)。

以全站儀為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，軌檢裝置分別在兩根軌道上運(yùn)行。通過固定在某位置的全站儀瞄準(zhǔn)檢測(cè)裝置上的反射棱鏡或反射靶，測(cè)量出反射棱鏡或反射靶中心到全站儀的斜距以及全站儀在水平方向和垂直方向旋轉(zhuǎn)的角度α和θ，即可根據(jù)式(1)得到兩根軌道測(cè)點(diǎn)在全站儀坐標(biāo)系中的空間坐標(biāo)，重構(gòu)出軌道頂面中心線的空間形狀。

(1)

式中：xP、yP、zP為測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)；s為測(cè)點(diǎn)到全站儀的斜距；θ為測(cè)點(diǎn)垂直角；α為測(cè)點(diǎn)水平角。

全站儀法基于激光三角測(cè)量原理，利用全站儀和在軌道上移動(dòng)的軌道檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)量。全站儀檢測(cè)原理圖如圖1所示。

圖1 全站儀檢測(cè)原理圖

本文提出的檢測(cè)方案如圖2所示。

圖2 檢測(cè)方案示意圖

將全站儀固定于地面，位于兩根軌道之間某個(gè)位置，將檢測(cè)作業(yè)環(huán)境移至地面，由全站儀建立統(tǒng)一的全局坐標(biāo)系對(duì)兩根軌道進(jìn)行檢測(cè)。搭載反射靶的兩部軌檢儀分別運(yùn)行在兩根軌道上，對(duì)軌道進(jìn)行采樣，全站儀瞄準(zhǔn)反射靶，測(cè)量軌檢儀在軌道不同位置處的靶心坐標(biāo)。在測(cè)量過程中，靶心與軌道頂面中心線的相對(duì)位置保持不變，這樣可以用靶心的運(yùn)動(dòng)軌跡代替軌道頂面中心線的輪廓。測(cè)量結(jié)束后分別獲得位于同一坐標(biāo)系的兩組坐標(biāo)值。通過這兩組坐標(biāo)即可重構(gòu)出兩條軌道曲線，進(jìn)而可獲得兩根軌道的直線度、雙軌跨距和雙軌高差等待測(cè)參數(shù)。

在該檢測(cè)方法中，只要反射靶能夠?qū)崿F(xiàn)沿水平軸和沿反射靶支撐軸兩個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)，即能滿足不同檢測(cè)環(huán)境和任意軌道位置的要求。而對(duì)于特定的檢測(cè)環(huán)境，軌道高度固定不變，在檢測(cè)過程中一般無需沿水平軸方向旋轉(zhuǎn)反射靶，因此反射靶在該方向上的旋轉(zhuǎn)可設(shè)計(jì)為手動(dòng)旋轉(zhuǎn)固定，由檢測(cè)人員在軌道上安裝檢測(cè)裝置時(shí)一并調(diào)節(jié)到合適角度即可。

軌檢控制系統(tǒng)的核心是控制反射靶沿其支撐軸方向的精確旋轉(zhuǎn)，保證在不同軌道位置全站儀總是能夠瞄準(zhǔn)反射靶靶心。由于全站儀實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)是不同位置處靶心距全站儀的斜距s以及水平方向角度α和垂直方向角度θ，因此利用全站儀測(cè)量的水平角α即可實(shí)現(xiàn)上述反射靶的控制，相鄰兩測(cè)點(diǎn)水平角之差即為反射靶旋轉(zhuǎn)角度。

2 檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

檢測(cè)完成后全站儀得到的數(shù)據(jù)為A、B兩軌的距離和角度數(shù)據(jù)：(SAi，αAi，θAi)和(SBj，αBj，θBj)，其中i=1,…,n，j=1,…,m，分別表示A、B兩軌采樣點(diǎn)點(diǎn)號(hào)。由式(1)可得到位于同一坐標(biāo)系下的兩組坐標(biāo)數(shù)據(jù)(xAi，yAi，zAi)和(xBj，yBj，zBj)。檢測(cè)算法就是利用這兩組坐標(biāo)數(shù)據(jù)處理得到各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)的。

2.1 單軌參數(shù)算法

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的起重機(jī)軌道彎曲偏差是分水平和垂直兩個(gè)方向分別測(cè)量的。因此，對(duì)于單軌參數(shù)來說，應(yīng)分為單軌水平面內(nèi)直線度和單軌鉛垂面內(nèi)直線度分別評(píng)定。

平面內(nèi)直線度評(píng)定方法有兩端連線法、最小二乘法和最小包容區(qū)域法三種。其中，兩端連線法精度較低，一般對(duì)于精密檢測(cè)不宜采用。最小二乘法比兩端連線法精度高，盡管其直線度相比最小區(qū)域法仍有誤差，但由于最小二乘法相對(duì)最小區(qū)域法算法簡(jiǎn)單，非常易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于起重機(jī)軌道檢測(cè)來說是一種較為適宜的選擇。

最小二乘法已比較成熟，分別對(duì)兩組坐標(biāo)的x、y坐標(biāo)應(yīng)用最小二乘法即可得到兩軌的水平面內(nèi)直線度，分別對(duì)兩組坐標(biāo)的x、z值應(yīng)用最小二乘法即可得到兩根軌道的鉛垂面內(nèi)直線度。

2.2 雙軌參數(shù)算法

提出的雙軌參數(shù)算法是該檢測(cè)算法的核心，其基本思路如下。

分別對(duì)A軌和B軌作線性擬合，得到兩條擬合曲線，然后分別過這兩條曲線作鉛垂平面(分別記為A面和B面)。因?yàn)橐话銇碚f這兩個(gè)平面是不平行的，因此作第三個(gè)鉛垂平面(記為C面)，其為A面和B面的“平均平面”，即以A面和B面法線平均值作為其法線的平面。這樣，以C面的法線作為計(jì)算同截面內(nèi)雙軌跨距和高差的評(píng)定方向。這樣與起重機(jī)在軌道上運(yùn)行的方式比較接近，計(jì)算得到的跨距和高差有較為實(shí)際的意義。

確定評(píng)定方向之后，以任一軌(如A軌)的測(cè)量值開始評(píng)定：依次取A軌各測(cè)點(diǎn)A(xAi，yAi，zAi)，從這一點(diǎn)出發(fā)，沿C面法線方向，與B面交于B點(diǎn)，則A、B兩點(diǎn)之間的距離就是雙軌在該測(cè)點(diǎn)同截面內(nèi)的跨距值。A、B兩點(diǎn)具有相同的z值，而B點(diǎn)與其在B軌擬合直線上的投影點(diǎn)BT的z值之差則為雙軌在該測(cè)點(diǎn)同截面內(nèi)的高度差。

2.2.1 雙軌跨距

對(duì)A軌、B軌分別作線性擬合，可得兩條擬合直線：

式中：kA、bA、mA、nA為A軌線性擬合系數(shù)；kB、bB、mB、nB為B軌線性擬合系數(shù)。

由式(2)可知，過LA的鉛垂面即A面的方程為y=kAx+bA，其法線斜率為：

KnA=-1/kA

(4)

同樣，B面法線斜率為：

KnB=-1/kB

(5)

則A、B面的平均平面即C面的法線斜率為：

KnC=(KnA+KnB)/2

(6)

過A軌各測(cè)點(diǎn)Ai(xAi，yAi，zAi)，以KnC為斜率作直線，與B面y=kBx+bB交于點(diǎn)Bi：

式中：xAi、yAi為A軌各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)；KnC為平均平面法線斜率，由式(6)得到；kB、bB為B軌線性擬合系數(shù)。

由式(8)可得在該點(diǎn)的雙軌同截面跨距為：

(9)

由式(4)～(9)聯(lián)立即可計(jì)算出各個(gè)位置處的雙軌跨距。

2.2.2 雙軌高差

令x=xBi，由式(3)可得到Bi點(diǎn)在B軌擬合直線LB上的投影點(diǎn)BTi的z值：

zBTi=mBxB+nB

(10)

則在該點(diǎn)的雙軌同截面高差為：

hi=zBi-zBTi=zAi-(mBxBi+nB)

(11)

式中：zAi為測(cè)得的A軌各測(cè)點(diǎn)z坐標(biāo)；xBi為由式(8)得到的Bi點(diǎn)x坐標(biāo)。

由式(4)～(11)聯(lián)立即可計(jì)算出各個(gè)位置處的雙軌高差。

3 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

軌道檢測(cè)要求檢測(cè)裝置運(yùn)行時(shí)盡可能平穩(wěn)，以減少運(yùn)行的振動(dòng)和搖晃。整體重心應(yīng)盡可能貼近軌道頂面且位于軌道的中軸線附近，以保持裝置的平穩(wěn)。反射靶靶心應(yīng)盡可能地貼近軌道頂面中心線且要保證測(cè)量時(shí)不被自身遮擋光線。儀器的軌道夾緊裝置通過導(dǎo)向輪夾緊軌道側(cè)面，以保持運(yùn)行姿勢(shì)，并有彈簧施力機(jī)構(gòu)保持導(dǎo)向輪伸縮性，便于其通過軌道接頭以及軌道側(cè)面不平整處。

設(shè)計(jì)的檢測(cè)儀構(gòu)件主要有定位部件、夾緊部件、接近開關(guān)、前輪部件、驅(qū)動(dòng)部件、電路板支架、后輪部件、托盒、框架、反射靶升降桿、反射靶底座、反射靶等，如圖3所示。

圖3 檢測(cè)儀機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

儀器一側(cè)為定位部件，用來保障其運(yùn)行方向沿軌道方向，并保障其外形中心線與軌道頂面中心線重合。定位臂與軌道1∶10的傾斜側(cè)面相接觸，采用關(guān)節(jié)軸承為接觸零件，接觸由線接觸變?yōu)槊娼佑|，保障了定位夾緊精度。

儀器另一側(cè)為夾緊部件，采用彈簧和螺栓將關(guān)節(jié)軸承座和定位臂相連接，主要是為配合其定位部件在保障定位精度前提下保障運(yùn)行過程中不被“卡死”。在軌道上安裝時(shí)，兩個(gè)夾緊部件和兩個(gè)定位部件可繞固定軸旋轉(zhuǎn)180°至軌面以下，以夾緊軌道側(cè)面(如圖3所示)，從而夾緊軌道。

夾緊部件和定位部件均安裝防側(cè)翻臂，其在扭簧作用下可繞轉(zhuǎn)軸扭動(dòng)。當(dāng)遇到障礙時(shí)，防側(cè)翻臂可以轉(zhuǎn)動(dòng)，避開障礙；而當(dāng)裝置在突發(fā)狀況下發(fā)生側(cè)翻時(shí)，防側(cè)翻臂則可以緊緊抱住軌道，保障安全可靠。反射靶升降桿可調(diào)節(jié)反射靶伸長(zhǎng)距離，以保證在不同軌道高度下其測(cè)量光線不被儀器自身遮擋。

4 試驗(yàn)

在中鍛重型水電設(shè)備公司的起重機(jī)地面軌道上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，應(yīng)用提出的起重機(jī)軌道檢測(cè)方法和設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置對(duì)軌道進(jìn)行了采點(diǎn)，軌長(zhǎng)74 m，采樣間隔1點(diǎn)/2 m。測(cè)量完成后，利用所提出的檢測(cè)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，將處理后的檢測(cè)結(jié)果同上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院對(duì)該軌道的檢測(cè)鑒定結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。表1中，試驗(yàn)序號(hào)1為本次試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，試驗(yàn)序號(hào)2為上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院檢測(cè)鑒定結(jié)果。

通過試驗(yàn)對(duì)比可知，提出的起重機(jī)軌道檢測(cè)方法和基于該方法設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度接近于采用原有全站儀方法和檢測(cè)裝置的檢測(cè)精度，參數(shù)中最大誤差也在3 mm以內(nèi)。

考慮到本試驗(yàn)采用的是測(cè)量精度較低的全站儀，其測(cè)距精度為2 mm，低于結(jié)果2的徠卡全站儀的1 mm測(cè)量精度。因此，提出的新方法和據(jù)此研制的檢測(cè)儀檢測(cè)精度可以滿足要求，并且系統(tǒng)所需成本更低，檢測(cè)更安全、更方便。

表1 試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語

本文針對(duì)現(xiàn)有起重機(jī)軌道檢測(cè)方法的不足，提出了一種新的檢測(cè)方法，并研究了一種新型起重機(jī)軌道檢測(cè)儀。該方法在檢測(cè)過程中，無需將全站儀架至起重機(jī)高空軌道，檢測(cè)更安全、更可靠。詳細(xì)分析了各項(xiàng)檢測(cè)參數(shù)的計(jì)算算法，該算法不依賴于坐標(biāo)系的位置，不需特意設(shè)定坐標(biāo)系方向，算法更簡(jiǎn)單，檢測(cè)更方便。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法和裝置檢測(cè)精度接近于采用傳統(tǒng)全站儀法檢測(cè)的精度，而系統(tǒng)成本大大降低，檢測(cè)更安全。若采用更高精度的全站儀測(cè)量，能達(dá)到更高的檢測(cè)精度。研究的檢測(cè)方法為起重機(jī)軌道檢測(cè)提供了一條更安全、更可靠、成本更低、更易實(shí)現(xiàn)的途徑，可替代原有全站儀法進(jìn)行較長(zhǎng)軌道的檢測(cè)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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A New Kind of Crane Rail Detection Method and Device

The existing crane rail detection method features deficiencies including small detection range, low detection accuracy, and poor security, etc., to solve these problems, a new kind of crane rail detection method is proposed; in addition, relevant detection device based on this method is researched. The detection strategy and implementing mode of this method are introduced, and the detection algorithm is analyzed in detail. The prototype of the detection device is designed, and tested on site. The results of field test indicate that this method meets the detection accuracy for crane rail requested in the standard, and features advantages of strong detection security, low detection cost, and ease operation, etc.

Crane Total station Detection device Rail detection Parameters detection

孔慶彬(1990-)，男，現(xiàn)為上海大學(xué)精密儀器及機(jī)械專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、自動(dòng)化控制及精密檢測(cè)等方面的研究。

TP206+.1

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10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201504014

修改稿收到日期：2014-08-12