智能型轍叉X-Y剖面測量儀.docx

1、智能型轍叉x-v剖面測量儀鄭箭鋒（南昌鐵路局，江西南昌330002）摘要：在分析游標(biāo)式轍叉磨耗測景尺局限性的基礎(chǔ)上，提出智能型轍叉X-Y剖面測量儀的總體設(shè)計(jì)方案，介紹智能測雖儀主要軟硬件設(shè)計(jì)內(nèi)容，并分析儀器樣機(jī)的計(jì)域準(zhǔn)確度，提出改進(jìn)建議。關(guān)鍵詞：轍叉；磨損；剖面測量；人工智能中圖分類號：U213.68文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1006-9178（2013）03-0018-05Abstract:AfteranalyzingthelimitationsofVemier-basedFrogWearfTearMeasurementGauge,theauthorproposestheoveralldesi

2、gnschemeoftheembeddedsystematicX-YBottomProfiler,introducesthecontentsofthemajorhardwaresandsoftwaresintheintelligentmeasurementdevice,analyzestheaccuracyofthesampledevice.Advicesaregiveforimprovement.Keywords:Frog;WearandTear;ProfilingMeasurement；ArtificialIntelligence1概述轍叉一般由又心、翼軌和聯(lián)結(jié)零件組成，可使鐵路列車車輪由

3、一股鋼軌越到另一股鋼軌。我國鐵路具有高密度、大運(yùn)最、大軸重和客貨混跑的特殊運(yùn)輸條件，轍叉在使用過程中受到車輪巨大交變沖擊載荷作用，在接觸應(yīng)力的作用下，軌頂面次表層不斷產(chǎn)生層狀剝落，而易導(dǎo)致轍叉磨損到限和失效。由于轍又磨損病害是引起列車運(yùn)行不平穩(wěn)的重要原因之一，工務(wù)段需要定期檢測轍又，及時掌握轍義磨損程度，消除安全隱患。目前，國內(nèi)轍叉檢測主要采用手工測量的方法。常見的檢測設(shè)備是轍叉翼軌鋼軌磨耗檢測儀和線路鋼軌轍叉磨耗測量尺，均基于游標(biāo)卡尺的原理研制，具有攜帶方便、操作簡單和測量準(zhǔn)確等特點(diǎn)。轍叉翼軌鋼軌磨耗檢測儀由X坐標(biāo)主尺、翼軌測梢尺和X坐標(biāo)游標(biāo)所組成，可在轍叉心寬40mm斷面處任意位置測得叉心

4、和翼軌垂磨；線路鋼軌轍義磨耗測量尺主要由X,Y坐標(biāo)尺組成，用于測量鋼軌垂磨、側(cè)磨、叉心垂磨和輪緣槽寬度等參數(shù)。這種靠人工讀數(shù)的測量尺的精度與操作者操作水平有關(guān)，且測量數(shù)據(jù)難以進(jìn)行計(jì)算機(jī)管理。隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，高速列車平穩(wěn)收稿日期：2012-05-22作者簡介：鄭箭鋒，高級工程師性和舒適度受到越來越高的關(guān)注，為此需要研制測量精確高、操作方便快捷的智能型轍叉X-Y剖面測量儀(以下簡稱“智能測量儀”)，以改善目前我國高速鐵路轍叉測量的局限性。2智能測量儀總體設(shè)計(jì)方案2.1總體設(shè)計(jì)目標(biāo)根據(jù)鐵路線路維修規(guī)則，測量不同規(guī)格的轍叉心和翼軌垂磨時，應(yīng)在轍叉心寬40mm以后的任意值的橫斷面上測底截面輪

5、廓。因此，綜合考慮轍義磨耗測量設(shè)備的操作和維護(hù)等方面的要求，智能測堂儀應(yīng)具有以下功能。(1) 智能測量儀應(yīng)能夠采集轍叉心任意寬處橫斷面輪廓數(shù)據(jù)，具有LCD或PDA屏，能實(shí)時顯示橫斷面的輪廓形狀，并能與內(nèi)置的各類轍又的理論剖面樣板進(jìn)行比較得出磨耗量:。PDA基于藍(lán)牙或RS232串門與智能測量儀進(jìn)行通信，PDA圖形處理軟件具有增加圖形尺寸、標(biāo)示和縮放等功能。(2) 測最數(shù)據(jù)可保存在本地或PDA中，也可以導(dǎo)入PC機(jī)中，通過PC機(jī)軟件可以將不同時間測量的剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以跟蹤轍又的磨損演變狀況。(3) 智能測鼠儀可以高等級測鼠工具為基準(zhǔn)，通過軟件設(shè)置傳感器補(bǔ)償系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，還可設(shè)置其他參數(shù)，如系統(tǒng)時

6、間日期、路局名、站段名、工區(qū)名、線路名、行別、道岔型號、測量人和測梢:方式等。（4）智能測最儀器應(yīng)具有較強(qiáng)的抗干擾性，測量數(shù)據(jù)可以斷電保存，并具有實(shí)時時鐘、環(huán)境溫度補(bǔ)償和低電壓報(bào)警等功能。2.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能測量儀由機(jī)械裝置、測量系統(tǒng)、PDA和PC機(jī)軟件等4個部分組成。機(jī)械裝置部分基于重量輕、體積小和方便攜帶的原則設(shè)計(jì)。其整體采用箱型結(jié)構(gòu)，利用高強(qiáng)度鋁合金材料模型制造。箱體內(nèi)設(shè)有由導(dǎo)軌、滑塊和滑動軸承組成的X方向精密滑動機(jī)構(gòu)，拉繩式X方向位移傳感器與滑塊連接，Y方向位移傳感器則固定于滑塊上，這樣，與位移傳感器連接的探針在人工引導(dǎo)下可方便地貼合轍又表面移動測量。支架定位部件采用可消磁的磁鐵結(jié)構(gòu)

7、，便于智能測最儀在轍叉上固定和定位。箱體上部設(shè)有提手，方便用戶攜帶。智能測量儀機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1智能測儀機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)測量系統(tǒng)由軟件和硬件2部分構(gòu)成，主要承擔(dān)信號采集、數(shù)據(jù)處理與存儲、人機(jī)對話和圖形繪制等任務(wù)，是智能測1:儀的核心部分。測量系統(tǒng)硬件部分采用大容量鋰電池供電，電池及電路板均固定于箱體內(nèi)壁。PDA應(yīng)用軟件主要是為了實(shí)時顯示測量數(shù)據(jù),繪制斷面輪廓圖形，以方便用戶現(xiàn)場檢測和讀數(shù)。PDA可通過集成藍(lán)牙或RS232串口與智能測依儀連接，亦可通過USB接口與PC進(jìn)行通信。PC機(jī)軟件是以VB為工具，以Win98及以上操作系統(tǒng)為環(huán)境，基于SQL2008進(jìn)行開發(fā)的數(shù)據(jù)庫管理軟件。其主要任務(wù)

8、是對以鐵路局為單位，以智能測蟲儀定期采集的各工務(wù)段的每條線路的各型轍叉的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對全局范闈內(nèi)各型轍又磨損情況進(jìn)行動態(tài)管理，以此向線路維修部門提供決策支持。3智能測量儀硬件電路設(shè)計(jì)3.1工作原理設(shè)計(jì)智能測量儀的測鼠系統(tǒng)硬件部分主要由位移和溫度傳感器、信號調(diào)理電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、LCD屏、鍵盤、大容量Flash存儲器和通信端口等組成，如圖2所示。圖2智能測儀電路結(jié)構(gòu)由位移傳感器采集到的信號，經(jīng)調(diào)理后進(jìn)入CPU片內(nèi)的ADC進(jìn)行A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換，再經(jīng)軟件按一定的算法處理后在LCD或PDA上顯示轍叉心輪廓圖形，最后可通過PDA導(dǎo)入到PC機(jī)中作進(jìn)一步處理。測量數(shù)據(jù)既可保存在本地，乂可通過RS232或無

9、線藍(lán)牙保存在PDA中，還可通過PDA的USB口上傳到PC機(jī)中。智能測量儀的溫度傳感器用于實(shí)時采集環(huán)境溫度，對系統(tǒng)和LCD屏進(jìn)行溫度補(bǔ)償。3.2傳感器選型由于轍叉表面形狀比較復(fù)雜，需要選擇接觸式x,y方向位移傳感器來測量轍叉表面。這樣，只要傳感器通過探針始終與轍又表面保持緊密貼合，就可測佚出轍叉的輪廓曲線。根據(jù)各類轍又的技術(shù)要求，智能測量儀測量范圍定為橫向250mm、縱向70mm,測或允許誤差設(shè)計(jì)為0.1mm。由此，X方向傳感器選用德國ASM公司JF-A型拉繩位移傳感器（精度為±0.015%）;V方向傳感器選用英國1XTHUS公司的直線位移傳感器（精度為±0.05%）o傳感器

10、選型的理由，一是測缺范圍和精度符合設(shè)計(jì)要求；二是體積小，質(zhì)量輕，可以安裝在狹窄的機(jī)械裝置內(nèi)；三是低功耗，工作溫度和濕度范圍符合現(xiàn)場需求。3.3硬件電路設(shè)計(jì)智能測量儀硬件電路主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路和信號處理、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)接口、電源以及其他輔助電路等。由于16位MSP430系列單片機(jī)性價比較高，以及具有超低功耗、高可靠性、強(qiáng)大的處理能力、豐富的片內(nèi)外設(shè)和高效的開發(fā)環(huán)境等特點(diǎn)，因此，選擇該系列的MSP430F1611作為嵌入式系統(tǒng)的CPU不僅可以滿足設(shè)計(jì)的需求，而旦可以大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì),提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3.3.1X方向位移傳感器的信號調(diào)理電路智能測最儀的設(shè)計(jì)要求X方向測

11、信范圍為0-250mm,分辨率為0.04%（0.1/250）。根據(jù)MSP430F1611的技術(shù)參數(shù)，其片內(nèi)12位ADC12分辨率為0.02%,符合智能測量儀*方向測量范圍內(nèi)的精度要求。由于X方向位移傳感器輸出為420mA電流信號，而ADC12輸入為0.63.0V電壓信號，為此選用3.3V作為供電電源，經(jīng)R8分壓后輸出電壓信號可滿足ADC12要求，如圖3所示。圖3位移傳感器信號調(diào)理電路為了讓繪制的輪廓曲線更加接近轍叉的真實(shí)情況，在實(shí)際的測量過程中，智能測量儀的測量速度應(yīng)不少于200個點(diǎn)數(shù)據(jù)/min。而每個點(diǎn)數(shù)據(jù)是多次采樣處理后的數(shù)學(xué)平均值，為了不使信號失真，重點(diǎn)考慮數(shù)據(jù)采樣速度和與PDA通信速度

12、，根據(jù)Nyquist采樣定律，系統(tǒng)采樣頻率應(yīng)不小于100Hz。那么，由拉氏變換將電壓與電流變換成象函數(shù)U（5）和/（s）,因而電阻R（s）=R,電容Zc（s）=1/GO,電h&Z,（s）=sLo輸出最與輸入量之比稱為傳遞函數(shù)尬（s）,即：么貌卜渚脂=混"式中,U°G）,u.G）,U+G）分別表示輸入、輸出和運(yùn)算放大器“+”輸入端電壓，V;R和。組成一階有源低通濾波器。在理想運(yùn)行條件下，令S為0,截至頻率人為1/（2tt/?C）o由圖3可知，Rl=10kQ,C23=0.1jjlF,通帶放大倍數(shù)為1,截至頻率/約為160Hz,滿足實(shí)際測晨時采樣要求。3.3.2丫方向位移

13、傳感器信號調(diào)理電路根據(jù)圖3,丫方向傳感器信號輸出為電阻信號，3.3V的供電電源經(jīng)R10分壓后，輸出0-3.0V電壓信號，可滿足ADC12的要求。4測量系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)智能測量儀的測量系統(tǒng)軟件包括智能測量儀、PDA和PC機(jī)軟件，以下僅以智能測成儀軟件為例進(jìn)行說明°4.1智能測量儀軟件總體方案智能測量儀軟件的任務(wù)是根據(jù)用戶指令控制儀器實(shí)現(xiàn)各種功能，主要分為4個部分，包括啟動程序?qū)印Ⅱ?qū)動程序?qū)?、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用軟件層等程序。其中，應(yīng)用軟件層程序由數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)查洵、系統(tǒng)設(shè)置、參數(shù)設(shè)置以及系統(tǒng)退出等模塊組成，如圖4所示。測量時，智能測量儀要實(shí)時處理大缺數(shù)據(jù)，包括接收指令、實(shí)時刷新圖形及

14、相關(guān)數(shù)據(jù)，任務(wù)多樣而又復(fù)雜。為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和智能化程度，采用實(shí)時性強(qiáng)、代碼短小、容易剪裁和可方便移植到MSP430F1611中的plC/OS-H嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)來管理代碼。由圖4可知，應(yīng)用層程序建立在iiC/OS-II嵌系統(tǒng)板級初始化中斷向量表應(yīng)用軟件層數(shù)據(jù)測量|參數(shù)設(shè)的|數(shù)據(jù)導(dǎo)出數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)設(shè)置|系統(tǒng)謳出操作系統(tǒng)層移植HC/OS-U管理系統(tǒng)資源LCD驅(qū)動A/D驅(qū)動申口驅(qū)動驟動程序?qū)佣?二=鍵盤罪動Flash驅(qū)動時鐘驅(qū)動啟動程序?qū)?!_!=操作系統(tǒng)初始化圖4智能測量儀軟件總體方案入式實(shí)時操作系統(tǒng)之上，通過驅(qū)動程序提供API接口函數(shù)進(jìn)行操作，最終實(shí)現(xiàn)智能測最儀的各功能。數(shù)據(jù)測星是應(yīng)用層

15、程序中最重要的模塊，主要功能是采集轍又?jǐn)嗝孑喞獢?shù)據(jù)，實(shí)時繪制和顯示輪廓圖形和磨耗量。4.2數(shù)據(jù)測量模塊流程數(shù)據(jù)測咕模塊流程如圖5所示。圖5數(shù)據(jù)測模塊流程用戶首先要進(jìn)行局、段、工區(qū)名和線路名、行別、道岔型號、測量人和測量方式等參數(shù)設(shè)置，以利于數(shù)據(jù)后續(xù)規(guī)范化管理。參數(shù)設(shè)置完后，進(jìn)入零點(diǎn)標(biāo)定環(huán)節(jié)，即將儀器固定在轍又頂面后，置測量的第1個點(diǎn)坐標(biāo)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以保證轍叉輪廓圖形集中顯示在坐標(biāo)第1,4象限。這樣，一方面符合人的視覺習(xí)慣，同時也方便用戶數(shù)據(jù)的后續(xù)分析處理。零點(diǎn)標(biāo)定結(jié)束后，用戶則可利用探針對轍義工作形面進(jìn)行移動掃描操作。測量得到的數(shù)據(jù)在坐標(biāo)上是若干個離散的點(diǎn)，通過最小二乘數(shù)學(xué)模型對其進(jìn)行曲線擬合

16、，以使轍叉輪廓曲線平滑接近立實(shí)情況。在用戶確認(rèn)測量操作結(jié)束后，LCD顯示轍叉輪廓圖形和轍叉磨耗星，測屋數(shù)據(jù)被保存到Flash存儲器中，以便數(shù)據(jù)的查詢和導(dǎo)出。5儀器測試與測量不確定度分析5.1回程誤差測試為了驗(yàn)證智能測量儀樣機(jī)I可程誤差的符合性,對一副P12號廢山轍叉的叉心寬40mm處進(jìn)行測量。在相同條件下，智能測量儀對該轍叉同一斷面進(jìn)行正向和反向測量，其示值之差的絕對值(回程誤差)為0.01mm,符合設(shè)計(jì)允許誤差的要求，測測址寬度/mm(a)正方向測量圖6智能測儀樣機(jī)的測結(jié)果5.2測量不確定度分析根據(jù)JJF1059-1999測量不確定度評定與表示，智能測量儀的標(biāo)準(zhǔn)不確定度由傳感器準(zhǔn)確度、儀器內(nèi)

17、部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理、儀器標(biāo)定以及其他因素等引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量組成。5.2.1由傳感器準(zhǔn)確度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量智能測量儀X方向傳感器的精度為±0.015%,丫方向傳感器精度為±0.05%,引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量服從均勻分布，取&為于是X方向的傳感器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u,=o.oi5%vr；以最大量程(250mm)進(jìn)行計(jì)算，則uu=0.015%x250/VT«0.0217(mm),即X方向由傳感器準(zhǔn)確度引入的不確定度分量Ul,(最大值)為0.0217mm。同理，丫方向由傳感器準(zhǔn)確度引入不確定度分量的最大值聞(以最大晝程70mm計(jì)算)，則Uiy=O.O5%

18、x7O/x/3-«0.0202(mm)o5.2.2由智能測Et儀內(nèi)部數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換引入的不確定度分量u2智能測Gt儀選用片內(nèi)12位ADC12的MSP430F1611芯片，根據(jù)MSP430F1611的技術(shù)參數(shù)，其片內(nèi)12位ADC12的相對分辨率3為0.02%o因此，由智能測量儀內(nèi)部數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換量化引起的不確定度分量u2=0.29x5xL(其中為最大程)。則在X方向A/D轉(zhuǎn)換械化引入的不確定度分量必為必=0.29x0.02%x250=0.0145(mm)。在Y方向M)轉(zhuǎn)換最化引入的不確定度分量也,為U2y=0.29x0.02%x70=0.0041(mm)。5.2.3儀器標(biāo)定引入的不確定

19、度分量的選用五等量塊對智能測量儀進(jìn)行標(biāo)定，其引入的不確定度分量為u3=(O.5+5/)jxm(/為被測長度)。由于衰塊屬2點(diǎn)分布,k=l,則在*方向，以最大量程250mm來計(jì)算，儀器標(biāo)定引入的不確定度分量虹為"；=0.5+5/=0.00175(mm)o在V方向，以最大量程70mm來計(jì)算，儀器標(biāo)定引入的不確定度分量哈為嗎=0.5+5/=0.00085(mm)o5.2.4其他不確定因素智能測量儀采取溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)措施，環(huán)境溫度變化、電源波動等其他不確定因素所引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量可以忽略不計(jì)。5.2.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度智能測量儀合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度化由以上3項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度組成，y機(jī)：+福+云。X方向測量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度瞄為嶺,=V”"奴+吃=Vo.02172+0.01452+O.(X)l7&=0.026(mm)©Y方向測量的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度.為%=也,+%+%=Vo.02022+0