基于C++的車體總成數據分析軟件設計

李寶旺，宋曉東，孫宏海

（中車唐山機車車輛有限公司，唐山 064000）

0 概述

高速動車組產品結構復雜，每列8輛短編組含有超過百萬個零部件，其技術難度高，制造工藝復雜。正是基于高速動車組技術、制造以及安全性要求極高的鮮明特點，高速動車組的制造需要高精度、高標準的制造及測量等的技術要求。

針對中車唐山機車車輛有限公司對于高速車車體結構特征檢測系統的自動化、智能化和信息化升級改造要求，本文研制高速車車體總成三維測量數據轉換與配準算法、開發三維數據分析及檢驗軟件、開發高速車車體結構特征尺寸分析系統與MES管理系統數據通信及網絡接口。在不改變現有生產與加工工藝、測點分布和工序以及現有數據分析原理的基礎上，完成車體總成三維結構特征數據的智能分析、結果顯示與示警功能，并通過MES系統實現多部門協同分析和智能管理。

1 上位機軟件設計

本系統上位機軟件的主要功能是對車體總成數據采集系統的數據進行三維坐標轉換和靶標量補償，經過適當的處理后，將測量結果直觀顯示。本上位機軟件是在Visual Studio 2010.NET環境中使用C++/CLI語言和Acess數據庫編程完成。

1.1 軟件結構設計

數據分析軟件主要功能結構圖，如圖1所示。

圖1 軟件功能結構圖

1）系統管理功能：

（1）用戶登錄界面：用戶需要通過身份、用戶名與密碼驗證方可登錄軟件系統。

（2）用戶權限功能：設計管理員與普通人員兩級權限管理，管理員擁有系統的所有權限，如增加普通用戶、測量點坐標靶標補償量修改、測量點編輯(增加、刪除與修改)等權限，普通測量人員只具有軟件的使用權，可以瀏覽數據，不能做任何修改操作。

2）基本信息顯示功能：

工程名稱的選擇與顯示、車號顯示、精度顯示、車號列表顯示、測量文件夾所在目錄顯示、檢查員信息與日期顯示。

3）坐標變換功能：坐標變換是該軟件中的重要部分，執行坐標變換功能時，將檢測系統采集的數據進行三維測量配準和靶標量補償。

（1）首先通過最小二乘法實現標稱值匹配下的仿射變換，獲得初始配準目標數據。

（2）進一步采用最優擬合變換實現原有數據到初始配準目標數據的剛性變換。

（3）基于坐標變換的參照測量點，通過相似變換對剛性變換下三維數據進行微小精度調整，最終完成動車尺寸三維測量數據的配準。

（4）當測量結果呈現出同側偏向時(如底架的x軸向偏差)，可通過手動輸入調整參數的方式實現三維測點數據的整體微小調整。

4）關鍵尺寸結果展示功能：篩選功能、表格顯示、Excel報表顯示、圖片顯示、修改保存。

5）分析統計功能：單點測量分析與一組測量分析，標稱值、上差與下差的顯示，統計最大值、最小值、平均值及標準偏差，統計圖顯示。

6）兼容性設計

車體總成數據分析軟件平臺，能夠實現現存8種動車組尺寸三維測量數據配準和靶標偏差量補償等功能，完成車體加工工藝的精度分析。不僅可以進行車型選擇而且還能夠實現對后續新車型的支持和對測量點的調整。

7）輔助功能

（1）打印功能：測量點Excel報表打印功能與測量點圖片打印功能。

（2）快捷鍵功能如打印（Ctrl+P）、系統退出（F2）等，根據用戶需要可增加其他快捷鍵。

（3）手動創建鋼印號、數據庫密碼修改保存、修改目錄。

1.2 參數化設計原則

不同型號高速車車體具有較大的結構設計差異，進而車體總成定位測點與關鍵測點結構位置會產生較大的改變，為了能夠兼容不同型號高速車車體總成數據的分析處理，車體總成數據分析系統軟件也需要兼容相應的改變。因此，基于測量點結構的任務需求調整和測量精度要求，制定參數化兼容性設計。

1）車體總成車體定位測點名稱保持一致，以實現不同車型車體定位測點的參數化設計。

2）車體側墻輪廓線的組成應由固定曲線類型組合而成，以實現不同車型車體側墻測點的參數化設計。

3）側墻測點檢測需配置對應底架邊梁測點，以實現不同車型車體側墻輪廓的準確檢測。

4）車體關鍵尺寸標稱值需通過數據庫進行修改。

鑒于上述不同車型車體總成與底架組成三維數據分析系統的兼容性設計原則與需求，分別對每一原則與要求進行詳細方案設計闡述。

1）車體總成定位測點參數化設計方案

（1）定位原則（5個自由度定位）

①定義右手坐標系，沿車體長度方向為X軸、車寬方向為Y軸、車高方向為Z軸，確保XY平面在車體標準水平面。

②車體落車檢測胎并進行配重微調作為車體繞X軸橫滾定位基準。

③車體兩前轉向定位孔中心連線的中點坐標與兩后轉向定位孔中心連線的中點坐標作為車體繞Z軸的偏航定位基準（并確定寬度定位面）。

④車體前后兩車鉤定位孔中心坐標作為車體繞Y軸的俯仰定位基準（并確定高度定位面）。

（2）定位測點參數化設計方案

鑒于所有高速車車型具有相同的定位測點位置（車體轉向架定位孔4個測點，車鉤面板下方工藝孔定位測點2個），滿足相同的定位原則。因此，盡管不同高速車車型定位測點的結構差異較大，僅需將6個定位點間的測量關系進行如圖2與圖3所示的參數化設計。

圖2 車體定位X、Y向定位測點參數化設計

2）車體總成側墻測點的參數化設計方案

（1）車體總成側墻測點的參數化設計原則

圖3 車體定位Z向定位測點參數化設計

對于不同車型高速車車體總成結構改變而言，側墻母線為變化最大的調整。從圖4中不難看出不同車型的側墻母線均存在較大的結構差異，事實上側墻母線的結構差異也是傳統數據分析軟件系統不能實現多車型兼容的技術瓶頸之一。

（2）車體總成側墻測點的參數化設計方案

進一步，對圖中任一車型的側墻母線進行細致分析，可發現不同車型車體總成側墻的母線均有直線與圓弧相互間連接而成，相互間的區別僅僅在于每一段曲線自身結構參數的改變。如，對直線而言：直線的長度、傾角、起始位置等；對圓弧而言：圓弧的長度、曲率、圓心位置等。同時對于CRH3X車型而言，由于其是多車型混合編組的試制展示車型，其側墻輪廓相對于其他車型側墻輪廓的變化最為顯著，其檢測部分由5段曲線組合而成，且其縱向跨度超過了4m。

針對高速車多車型間的側墻結構差異，利用其車體總成側墻母線自身組成結構參數差異關系，采用車體總成側墻母線整體結構劃分、分段結構參數化設計的原則，實現了高速車車體總成側墻結構差異化的結構參數設計，并結合課題組前期的高速車車體總成數據分析軟件系統開平臺，完成了現有高速車型變結構側墻總成結構化差異的兼容性數據分析參數化設計，具體效果如圖4所示。

圖4 高速車型側墻結構的差異化分析

圖5為高速車型側墻結構數據分析的參數化設計選擇界面。以TSD023車型車體總成的側墻母線參數化設計為例進行說明。圖中左側的圖片顯示區域為TSD023車型側墻輪廓的CAD側墻界面結構展示，通過對該結構的詳細劃分與標準，新車型軟件開發技術人員可通過自身身份認證，在軟件授權的條件下，基于車型側墻母線的結構分段劃分，技術人員可選擇設計側墻母線不同曲線的結構類型，并完成結構改變下的結構參數調整，軟件會自動根據新車型側墻母線的參數化選型與設計，自動生成新車型側墻母線輪廓結構數據。

圖5 側墻結構數據分析的參數化設計

3）側墻輪廓測點的參數化設計方案

通過對車體總成測點的分析分析可知，側墻輪廓測點為相對結構測點，其計算的規則為側墻表面測點（窗口上沿、車體最寬等）與底架邊梁測點間的Y向相對距離。因而，盡管測點的輪廓線與邊梁的寬度均發生了變化，然而側墻輪廓測點的計算關系保持不變。因此，仍可采用原有的計算方式進行數據尺寸分析，但需要指定側墻截面與底架邊梁截面間的關系。因此，側墻輪廓測點的參數化設計需事先確定截面對應關系與截面個數。

4）車體總成非側墻測點的參數化設計方案

車體總成的非側墻輪廓測點為Z向邊梁模塊化測點、車體長度X向測點與車鉤面板平面度測點等，其具有相似的結構特性，即局部結構測點，其計算規則不隨結構的改變而產生變化。因此，僅需要修改對應關鍵尺寸的標稱值與公差范圍即可滿足參數化設計需求。

2 運行效果及軟件界面

本軟件系統經過長期實踐檢驗，能夠實現8種動車組尺寸三維測量數據配準和靶標偏差量補償等功能，完成車體加工工藝的精度分析，為確保動車組的精確加工以及加工工藝的完善提供技術支撐。且具有一定通用性、兼容性和擴展性，是實現高效測量與生產的重要工具，達到了設計預期的要求。軟件界面效果圖如圖6～圖8所示。

圖6 車體總成數據分析軟件主界面

圖7 測量結果圖片顯示

3 結論

本文介紹了一種針對高速車車體結構特征尺寸分析的上位機軟件設計方法，詳細分析了實現多車型兼容的測點參數化設計準則，并討論了該軟件系統所具有的功能。經過長期實踐檢驗，本文所設計的數據分析軟件系統操作簡便，能夠完成高速車車體尺寸加工工藝的精度分析，方便了一線工程師及操作人員使用，且具有一定通用性、兼容性和擴展性，是實現高效測量與生產的重要工具。

圖8 高速車型數據分析報表系統設計