智能型辙叉X-Y剖面测量仪.docx

1、智能型辙叉x-v剖面测量仪郑箭锋（南昌铁路局，江西南昌330002）摘要：在分析游标式辙叉磨耗测景尺局限性的基础上，提出智能型辙叉X-Y剖面测量仪的总体设计方案，介绍智能测虽仪主要软硬件设计内容，并分析仪器样机的计域准确度，提出改进建议。关键词：辙叉；磨损；剖面测量；人工智能中图分类号：U213.68文献标识码：A文章编号：1006-9178（2013）03-0018-05Abstract:AfteranalyzingthelimitationsofVemier-basedFrogWearfTearMeasurementGauge,theauthorproposestheoveralldesi

2、gnschemeoftheembeddedsystematicX-YBottomProfiler,introducesthecontentsofthemajorhardwaresandsoftwaresintheintelligentmeasurementdevice,analyzestheaccuracyofthesampledevice.Advicesaregiveforimprovement.Keywords:Frog;WearandTear;ProfilingMeasurement；ArtificialIntelligence1概述辙叉一般由又心、翼轨和联结零件组成，可使铁路列车车轮由

3、一股钢轨越到另一股钢轨。我国铁路具有高密度、大运最、大轴重和客货混跑的特殊运输条件，辙叉在使用过程中受到车轮巨大交变冲击载荷作用，在接触应力的作用下，轨顶面次表层不断产生层状剥落，而易导致辙叉磨损到限和失效。由于辙又磨损病害是引起列车运行不平稳的重要原因之一，工务段需要定期检测辙又，及时掌握辙义磨损程度，消除安全隐患。目前，国内辙叉检测主要采用手工测量的方法。常见的检测设备是辙叉翼轨钢轨磨耗检测仪和线路钢轨辙叉磨耗测量尺，均基于游标卡尺的原理研制，具有携带方便、操作简单和测量准确等特点。辙叉翼轨钢轨磨耗检测仪由X坐标主尺、翼轨测梢尺和X坐标游标所组成，可在辙叉心宽40mm断面处任意位置测得叉心

4、和翼轨垂磨；线路钢轨辙义磨耗测量尺主要由X,Y坐标尺组成，用于测量钢轨垂磨、侧磨、叉心垂磨和轮缘槽宽度等参数。这种靠人工读数的测量尺的精度与操作者操作水平有关，且测量数据难以进行计算机管理。随着我国高速铁路的快速发展，高速列车平稳收稿日期：2012-05-22作者简介：郑箭锋，高级工程师性和舒适度受到越来越高的关注，为此需要研制测量精确高、操作方便快捷的智能型辙叉X-Y剖面测量仪(以下简称“智能测量仪”)，以改善目前我国高速铁路辙叉测量的局限性。2智能测量仪总体设计方案2.1总体设计目标根据铁路线路维修规则，测量不同规格的辙叉心和翼轨垂磨时，应在辙叉心宽40mm以后的任意值的横断面上测底截面轮

5、廓。因此，综合考虑辙义磨耗测量设备的操作和维护等方面的要求，智能测堂仪应具有以下功能。(1) 智能测量仪应能够采集辙叉心任意宽处横断面轮廓数据，具有LCD或PDA屏，能实时显示横断面的轮廓形状，并能与内置的各类辙又的理论剖面样板进行比较得出磨耗量:。PDA基于蓝牙或RS232串门与智能测量仪进行通信，PDA图形处理软件具有增加图形尺寸、标示和缩放等功能。(2) 测最数据可保存在本地或PDA中，也可以导入PC机中，通过PC机软件可以将不同时间测量的剖面数据进行比较，以跟踪辙又的磨损演变状况。(3) 智能测鼠仪可以高等级测鼠工具为基准，通过软件设置传感器补偿系数进行标定，还可设置其他参数，如系统时

6、间日期、路局名、站段名、工区名、线路名、行别、道岔型号、测量人和测梢:方式等。（4）智能测最仪器应具有较强的抗干扰性，测量数据可以断电保存，并具有实时时钟、环境温度补偿和低电压报警等功能。2.2总体结构设计智能测量仪由机械装置、测量系统、PDA和PC机软件等4个部分组成。机械装置部分基于重量轻、体积小和方便携带的原则设计。其整体采用箱型结构，利用高强度铝合金材料模型制造。箱体内设有由导轨、滑块和滑动轴承组成的X方向精密滑动机构，拉绳式X方向位移传感器与滑块连接，Y方向位移传感器则固定于滑块上，这样，与位移传感器连接的探针在人工引导下可方便地贴合辙又表面移动测量。支架定位部件采用可消磁的磁铁结构

7、，便于智能测最仪在辙叉上固定和定位。箱体上部设有提手，方便用户携带。智能测量仪机械装置结构如图1所示。图1智能测仪机械装置结构测量系统由软件和硬件2部分构成，主要承担信号采集、数据处理与存储、人机对话和图形绘制等任务，是智能测1:仪的核心部分。测量系统硬件部分采用大容量锂电池供电，电池及电路板均固定于箱体内壁。PDA应用软件主要是为了实时显示测量数据,绘制断面轮廓图形，以方便用户现场检测和读数。PDA可通过集成蓝牙或RS232串口与智能测依仪连接，亦可通过USB接口与PC进行通信。PC机软件是以VB为工具，以Win98及以上操作系统为环境，基于SQL2008进行开发的数据库管理软件。其主要任务

8、是对以铁路局为单位，以智能测虫仪定期采集的各工务段的每条线路的各型辙叉的数据为基础，对全局范闱内各型辙又磨损情况进行动态管理，以此向线路维修部门提供决策支持。3智能测量仪硬件电路设计3.1工作原理设计智能测量仪的测鼠系统硬件部分主要由位移和温度传感器、信号调理电路、单片机最小系统、LCD屏、键盘、大容量Flash存储器和通信端口等组成，如图2所示。图2智能测仪电路结构由位移传感器采集到的信号，经调理后进入CPU片内的ADC进行A/D模数转换，再经软件按一定的算法处理后在LCD或PDA上显示辙叉心轮廓图形，最后可通过PDA导入到PC机中作进一步处理。测量数据既可保存在本地，乂可通过RS232或无

9、线蓝牙保存在PDA中，还可通过PDA的USB口上传到PC机中。智能测量仪的温度传感器用于实时采集环境温度，对系统和LCD屏进行温度补偿。3.2传感器选型由于辙叉表面形状比较复杂，需要选择接触式x,y方向位移传感器来测量辙叉表面。这样，只要传感器通过探针始终与辙又表面保持紧密贴合，就可测佚出辙叉的轮廓曲线。根据各类辙又的技术要求，智能测量仪测量范围定为横向250mm、纵向70mm,测或允许误差设计为0.1mm。由此，X方向传感器选用德国ASM公司JF-A型拉绳位移传感器（精度为±0.015%）;V方向传感器选用英国1XTHUS公司的直线位移传感器（精度为±0.05%）o传感器

10、选型的理由，一是测缺范围和精度符合设计要求；二是体积小，质量轻，可以安装在狭窄的机械装置内；三是低功耗，工作温度和湿度范围符合现场需求。3.3硬件电路设计智能测量仪硬件电路主要包括单片机最小系统电路和信号处理、A/D转换、数据存储、数据通信、人机接口、电源以及其他辅助电路等。由于16位MSP430系列单片机性价比较高，以及具有超低功耗、高可靠性、强大的处理能力、丰富的片内外设和高效的开发环境等特点，因此，选择该系列的MSP430F1611作为嵌入式系统的CPU不仅可以满足设计的需求，而旦可以大大简化系统设计,提高系统的稳定性。3.3.1X方向位移传感器的信号调理电路智能测最仪的设计要求X方向测

11、信范围为0-250mm,分辨率为0.04%（0.1/250）。根据MSP430F1611的技术参数，其片内12位ADC12分辨率为0.02%,符合智能测量仪*方向测量范围内的精度要求。由于X方向位移传感器输出为420mA电流信号，而ADC12输入为0.63.0V电压信号，为此选用3.3V作为供电电源，经R8分压后输出电压信号可满足ADC12要求，如图3所示。图3位移传感器信号调理电路为了让绘制的轮廓曲线更加接近辙叉的真实情况，在实际的测量过程中，智能测量仪的测量速度应不少于200个点数据/min。而每个点数据是多次采样处理后的数学平均值，为了不使信号失真，重点考虑数据采样速度和与PDA通信速度

12、，根据Nyquist采样定律，系统采样频率应不小于100Hz。那么，由拉氏变换将电压与电流变换成象函数U（5）和/（s）,因而电阻R（s）=R,电容Zc（s）=1/GO,电h&Z,（s）=sLo输出最与输入量之比称为传递函数尬（s）,即：么貌卜渚脂=混"式中,U°G）,u.G）,U+G）分别表示输入、输出和运算放大器“+”输入端电压，V;R和。组成一阶有源低通滤波器。在理想运行条件下，令S为0,截至频率人为1/（2tt/?C）o由图3可知，Rl=10kQ,C23=0.1jjlF,通带放大倍数为1,截至频率/约为160Hz,满足实际测晨时采样要求。3.3.2丫方向位移

13、传感器信号调理电路根据图3,丫方向传感器信号输出为电阻信号，3.3V的供电电源经R10分压后，输出0-3.0V电压信号，可满足ADC12的要求。4测量系统软件设计智能测量仪的测量系统软件包括智能测量仪、PDA和PC机软件，以下仅以智能测成仪软件为例进行说明°4.1智能测量仪软件总体方案智能测量仪软件的任务是根据用户指令控制仪器实现各种功能，主要分为4个部分，包括启动程序层、驱动程序层、操作系统层和应用软件层等程序。其中，应用软件层程序由数据测量、数据导出、数据查洵、系统设置、参数设置以及系统退出等模块组成，如图4所示。测量时，智能测量仪要实时处理大缺数据，包括接收指令、实时刷新图形及

14、相关数据，任务多样而又复杂。为了提高系统响应速度和智能化程度，采用实时性强、代码短小、容易剪裁和可方便移植到MSP430F1611中的plC/OS-H嵌入式实时操作系统来管理代码。由图4可知，应用层程序建立在iiC/OS-II嵌系统板级初始化中断向量表应用软件层数据测量|参数设的|数据导出数据查询系统设置|系统讴出操作系统层移植HC/OS-U管理系统资源LCD驱动A/D驱动申口驱动骤动程序层二，-二=键盘罪动Flash驱动时钟驱动启动程序层=!_!=操作系统初始化图4智能测量仪软件总体方案入式实时操作系统之上，通过驱动程序提供API接口函数进行操作，最终实现智能测最仪的各功能。数据测星是应用层

15、程序中最重要的模块，主要功能是采集辙又断面轮廓数据，实时绘制和显示轮廓图形和磨耗量。4.2数据测量模块流程数据测咕模块流程如图5所示。图5数据测模块流程用户首先要进行局、段、工区名和线路名、行别、道岔型号、测量人和测量方式等参数设置，以利于数据后续规范化管理。参数设置完后，进入零点标定环节，即将仪器固定在辙又顶面后，置测量的第1个点坐标为坐标原点，以保证辙叉轮廓图形集中显示在坐标第1,4象限。这样，一方面符合人的视觉习惯，同时也方便用户数据的后续分析处理。零点标定结束后，用户则可利用探针对辙义工作形面进行移动扫描操作。测量得到的数据在坐标上是若干个离散的点，通过最小二乘数学模型对其进行曲线拟合

16、，以使辙叉轮廓曲线平滑接近立实情况。在用户确认测量操作结束后，LCD显示辙叉轮廓图形和辙叉磨耗星，测屋数据被保存到Flash存储器中，以便数据的查询和导出。5仪器测试与测量不确定度分析5.1回程误差测试为了验证智能测量仪样机I可程误差的符合性,对一副P12号废山辙叉的叉心宽40mm处进行测量。在相同条件下，智能测量仪对该辙叉同一断面进行正向和反向测量，其示值之差的绝对值(回程误差)为0.01mm,符合设计允许误差的要求，测测址宽度/mm(a)正方向测量图6智能测仪样机的测结果5.2测量不确定度分析根据JJF1059-1999测量不确定度评定与表示，智能测量仪的标准不确定度由传感器准确度、仪器内

17、部数据转换和处理、仪器标定以及其他因素等引入的标准不确定度分量组成。5.2.1由传感器准确度引入的标准不确定度分量智能测量仪X方向传感器的精度为±0.015%,丫方向传感器精度为±0.05%,引入的标准不确定度分量服从均匀分布，取&为于是X方向的传感器引入的标准不确定度u,=o.oi5%vr；以最大量程(250mm)进行计算，则uu=0.015%x250/VT«0.0217(mm),即X方向由传感器准确度引入的不确定度分量Ul,(最大值)为0.0217mm。同理，丫方向由传感器准确度引入不确定度分量的最大值闻(以最大昼程70mm计算)，则Uiy=O.O5%

18、x7O/x/3-«0.0202(mm)o5.2.2由智能测Et仪内部数据A/D转换引入的不确定度分量u2智能测Gt仪选用片内12位ADC12的MSP430F1611芯片，根据MSP430F1611的技术参数，其片内12位ADC12的相对分辨率3为0.02%o因此，由智能测量仪内部数据A/D转换量化引起的不确定度分量u2=0.29x5xL(其中为最大程)。则在X方向A/D转换械化引入的不确定度分量必为必=0.29x0.02%x250=0.0145(mm)。在Y方向M)转换最化引入的不确定度分量也,为U2y=0.29x0.02%x70=0.0041(mm)。5.2.3仪器标定引入的不确定

19、度分量的选用五等量块对智能测量仪进行标定，其引入的不确定度分量为u3=(O.5+5/)jxm(/为被测长度)。由于衰块属2点分布,k=l,则在*方向，以最大量程250mm来计算，仪器标定引入的不确定度分量虹为"；=0.5+5/=0.00175(mm)o在V方向，以最大量程70mm来计算，仪器标定引入的不确定度分量哈为吗=0.5+5/=0.00085(mm)o5.2.4其他不确定因素智能测量仪采取温度补偿等技术措施，环境温度变化、电源波动等其他不确定因素所引起的标准不确定度分量可以忽略不计。5.2.5合成标准不确定度智能测量仪合成标准不确定度化由以上3项标准不确定度组成，y机：+福+云。X方向测量的合成标准不确定度瞄为岭,=V”"奴+吃=Vo.02172+0.01452+O.(X)l7&=0.026(mm)©Y方向测量的合成标准不确定度.为%=也,+%+%=Vo.02022+0