机车车辆静态限界检测系统自动化设计与实现(原理部分)

1、L o g o机车车辆静态界限检测系统自动化设计及实现刘雷华L o g o 本文构建了一种基于激光扫描的机车车辆静态限界检测方案。应用激光测距技术，结合可编程控制技术进行限界检测，是一种自动高效的非接触式测量方法。该方法在车身四周分布测距传感器，测距传感器在电机的传动下实现机车车身截面的扫描测量，同时结合有效的标定方法，利用上位机进行数据处理，可以很快得到高精度的测量结果，较好的满足了现代化机车限界检测的需求。L o g o内容内容 1. 1. 系统测量原理系统测量原理 2. 2. 硬件实现硬件实现L o g oText 2一、系统测量原理。主要包括铁轨坐标系的建立、被测点三维坐标值的求解、系

2、统测量结果的超界判断。1.铁轨坐标系建立设计了如图所示标定卡规，用激光跟踪仪测得标定卡规上四个靶标座中心在激光跟踪仪坐标系下的坐标值，由事先标定过的标定卡规得出下侧平面与内侧面方程，进而计算出两面交线方程。同理可求得另一侧的交线方程。将两条直线方程确定的平面作为系统XOY面，将铁轨两内侧面的中分面作为XOZ面，将过靶标座中心点且与平行铁轨垂直的面作为YOZ面。L o g oText 3Text 4Text 2.三维坐标值的求解133sTTLeL为事先标定过的靶标座中心到激光光源点的距离矢量。T为被测截面上某点三维坐标值。101122ss TTee利用激光跟踪仪完成如下变换：L o g o3.超

3、界判断本文采用的是简化的二维平面超限检测方法。对于三维空间中的任意被测点，都可以把它们转化到所建铁轨坐标系中。这样在进行超限判断时，不用考虑机车运行方向（X方向）坐标分量对系统测量结果的影响，只需要在前面所建铁轨坐标系的YOZ 平面内，判断机车任意截面上的所有被测点是否在标准限界以内。这样大大减少了计算时间，提高了计算机资源的利用效率。L o g o二、系统硬件实现系统硬件结构包括：门状支撑框架、丝杠导轨、6个激光测距传感器、10个伺服电机、10个伺服控制器、3个可编程控制器（PLC）、主机及相应的显示器。 L o g o1.测距传感器选型： 激光测距从原理上可以分为飞行时间法（TOF）、三角

4、法、干涉法三种。基于飞行时间法的激光测距技术又可分为脉冲激光测距法、相位激光测距法等。 脉冲激光测距法：由激光器通过发射端向一定范围内的被测物发射短激光脉冲，经过一定时间的空间传输后在被测物表面上发生漫发射并返回到接收端的光电检测器。测得激光在发射端到被测物之间的往返时间t 后，可计算出测距传感器与被测目标的距离L= ct/ 2 。脉冲式激光测距通常难以在短距离内获得较高的精度。 相位激光测距法：相位激光测距是通过周期的光信号对目标光信号进行光强调制，使出射光信号的光强呈周期性变化。出射激光经过被测物反射后被接收，而接收到的激光信号与发射信号间存在相位差，测量距离为L = , 。L o g o

5、本文选用的是一款LRFS-0200-485型相位激光测距原理的传感器本文选用的是LRFS-0200-485型相位激光测距原理的传感器。通过合理布局传感器，实现了机车车辆的扫描测量。L o g o2.控制器设计 本文选取了欧姆龙公司CP1H-X40DT-D型号的PLC， R88M-G系列的伺服驱动器及电机。根据后续所接负载的不同，选取了400w/100w两种不同功率的伺服电机及对应的伺服驱动器。为了实现机车车辆限界的自动测量，需要设计系统的自动控制部分，以PLC为控制核心。该自动控制部分能有效控制激光测距传感器的运动，并实时反馈运动位置信息，作为求解被测点三维坐标的重要参数。6个传感器在电机的控

6、制下实现2维运动，因而需要10个电机及对应的10个伺服驱动器。本文选用的CP1H-X40DT1-D型PLC最多驱动4个伺服驱动器，从而选用3个PLC。其中两台PLC各自驱动3个伺服，剩下一台驱动四个伺服。PLC与上位机通过hostlink协议通信，只需1根RS485连线即可完成上位机与PLC连线。传感器也通过RS485与上位机连接，但需要6根独立的线缆。L o g oText 1Text 3Text 4硬件框架结构L o g o3.电源设计为了提高系统的供电安全性，分别采用了断路器，保险丝，钥匙开关和交流接触器等措施，同时为了改善供电电源的特性，通路中还设计了浪涌滤波器和噪声滤波器。供电输出可以直接给10 个伺服驱动器进行供电，将供电输出进行24V电源转换，得到PLC的所需电源。L o g