基于激光位移传感器的便携式轮对测量仪
基于激光位移传感器的便携式轮对测量仪
作者:杨静;谢海椿;邢宗义;
轮对是列车在行驶过程中直接与钢轨接触的部分,其几何形态的变化直接影响列车的行车安全和乘坐舒适性 。随着我国城市轨道交通建设的高速发展,待检测车轮数目的不断增加,测量周期的不断缩短,轮对尺寸检测实现自动化和便携化的要求日渐迫切。目前,国外较为成熟的产品有MINIPROF便携式轮廓曲线检测仪,该仪器具有测量精度高 、携带方便等优点,但价格昂贵,现场适应性差。国内研究人员对MINIPROF做了研究之后,改进并研制了基于连杆机构的测量仪,如西南交通大学周文祥的二连杆机构测量仪和上海铁科院轨道交通科技有限公司研制的WS2009-DSP C4l ,但由于便携性差、稳定性低等原因未得到广泛应用。目前,国内铁路的检修部门仍广泛使用第四代检查器和轮径尺,这种手动检测工具测量准确度低。本文设计了基于激光测距传感器的便携式轮对测量仪,采用STM32作为仪器的控制单元,实现了仪器的智能化和便携化;利用激光位移传感器和直线步进电机的组合实现非接触式测量,保证了测量精度;增加SD卡存储模块,实现了测量结果的自动存储;结合触摸液晶屏实现人机交互,增加了仪器的可操作性。
1、系统总体设计与工作原理
1.1轮对主要几何参数
城轨车辆轮对截面的车轮和钢轨的接触面为踏面,踏面 一 侧 突 出 的 圆弧 部 分 称 为轮缘。车轮踏面有 一 定 斜 度 ,其 作 用 是 便 千通 过 曲线使车辆对中并保证踏面沿宽度方向均匀磨耗。车轮的主要几何参数有车轮直径、轮缘高度、轮缘厚度,车轮直径指通过基点沿着车轮一周的圆的直径,轮缘厚度指基点上10mm处水平直线与轮缘两交点之间的距离,轮缘高度指轮缘顶点到过基点的水平直线的距离。
1.2装置踏面测量原理
测量仪通过激光位移传感器和直线步进电机可以获取描述轮对轮缘踏面的离散坐标点。以激光位移传感器前进方向为x轴正方向,激光线的发射方向为y轴正方向,光电开关检测点为坐标原点0,建立二维直角坐标系。
直线步进电机带动激光传感器以一个恒定的速度v匀速运动,运动方向为x轴正方向,激光位移传感器实时地返回自身与轮对踏面轮廓的距离,将获得的距离值序列通过一定的几何关系转换得到踏面曲线的离散坐标值。
1.3系统总体设计
基千激光位移传感器的便携式轮对测量仪的总体设计框图如图3所示,由机械支架、主控模块、数据采集模块、存储模块、交互模块等组成。
主控模块分别通过FSMC总线和SPI接口来实现对交互模块中的液晶屏和触摸屏控制;通过SDIO接口实现与存储模块之间的通信;通过RS485接口与激光位移传感器相连与通信;通过普通的1/0口对光电开关按键组和直线步进电机进行控制。机械支架一方面能够支撑各个电路模块,另一方面能够为仪器提供稳定的测量条件,使得激光位移传感器能够准确地采集轮对的外形轮廓数据。
测量仪在轮对上安装完毕后,主控模块进行系统所需使用的外设初始化并控制液晶屏显示初始测量界面;在接收到触摸屏上的控制信息之后,系统以遮光片通过光电开关的时刻为基准,协同控制直线步进电机运行和激光位移传感器进行数据采集;数据采集完毕后,主控模块进行数据处理得到轮对的主要几何参数;最后,测量结果一方面显示在液晶屏上,另一方面被保存在存储模块中。
2硬件设计
2.1主控模块设计
主控模块的作用是协调各个模块并行工作、负责模块间的通信。综合系统接口多、低功耗、计算复杂等因素,主控模块采用STM32F103VET6作为主控制器。该芯片基千Cortex-M3的32位RISC内核,工作频率可高达72MHz、丰富的定时器资源、包括I2c、SPI和USART在内的众多通信接口以及3种低功耗模式(睡眠、停机、待机),在达到装置控制要求的同时满足便携式设备低功耗的需求。
主控芯片的USART外设引脚只能输出为TIL电平,而激光位移传感器支持的通信接口是RS485,所以需要进行电平转换才能正常地收发串口数据。本文采用MAX13487E芯片进行电平转换,具体如图4所示。MAX13487E芯片只能支持串口数据的单向收发操作,属于半双工通信模式。
2.2 电源模块
电源模块给整个装置供电,整个系统的电平需求:STM32主控芯片为3.3V; 部分芯片为5V; 激光位移传感器和步进电机驱动器为12V。整个系统的电流需求:激光位移传感器的工作电流为0.8A左右;直线步进电机的启动电流为4A,工作电流为2A; STM32主控芯片所有外设均工作的情况下的工作电流为36mA;液晶屏背光工作下的工作电流为0.15A左右。
考虑到装置的便携性要求,电源采用12V悝电池组进行供电,其可持续放电电流为6A,能够满足本系统需求。为了系统各个部分的电平需求,本系统采用LM7805芯片和超低噪声输出线性稳压器MIC5205芯片实现两级电压转换电路。 首先使用LM7805将梩电池组输出的12V转换为5V,然后通过MIC5205将5V电压转为3.3V,供主控芯片使用。MIC5205的输出电流为150mA,可以提供超过1%的初始精度。系统的数据采集模块的工作电流较大,在电路设计时应将电源模块对数据采集模块和其他模块的供电接口进行隔离,防止数据采集模块开始工作时产生的电流突变对其他模块产生干扰。
2.3交互模块
交互模块分为2部分:液晶屏驱动部分和触摸屏控制部分。液晶屏驱动部分采用ILl9341芯片,主控芯片通过使用FSMC总线控制液晶屏。FSMC能够模拟8080通讯接口时序,高效率地向ILl9341控制器写入控制命令,并且将16位的像素点数据输入到ILl9341的GRAM中,从而控制液晶屏显示目标图像。
本仪器使用的触摸屏为电阻屏,控制部分采用四线电阻触摸屏专用的触摸控制器TSC2046芯片。 TSC2046内部有一个具有采样和保持功能的12位逐次逼近AID转换器,可将触摸屏X,Y方向的触点电压采样并通过SPI接口传输给主控芯片。主控芯片接收到触摸屏X,Y方向的触点电压后,将其与参考电压vf相比,从而获得触电的具体位置。
2.4数据采集模块
数据采集模块由激光位移传感器、直线步进电机以及光电开关组成。为了达到的.5mm的设计精度,选用精度为的.1mm的ZLDS100-50-45-8K-RS485型号的激光位移传感器;考虑了行程、导程和精度等因素后,选用28000型双叠厚步进电机以及RGS04直线导轨作为数据采集模块中的运动单元;光电开关选用EE-SX670型对射光电开关。
数据采集模块中只有光电开关信号调理电路需要设计,其余部分的电路均是接口电路,不再赘述。入光ON型常开型光电开关安装在直线导轨上距离车轮内端面d处,当金属遮光片运动到遮住光电开关的光线时,光电开关内部的三极管导通将输出脚的电平拉低,主控芯片通过中断方式接收信号,并触发激光位移传感器开始采集数据。光电开关电路如图6所示。
3软件设计
3.1软件总体设计
软件的总体设计包括2方面:轮对儿何参数的直接测量和从SD卡读取测量的历史数据。系统上电复位后,程序首先进行系统初始化,显示系统主界面,此时用户可以在触摸屏界面中选择需要进行的操作,包括直接测量和读取数据。当系统接收到触摸屏发来的“直接测量“信号后,主控模块控制数据采集模块进行轮对轮廓曲线的扫描;然后主控芯片对采集的数据进行处理得到具体的轮对尺寸;最后将尺寸数据显示到液晶屏上并保存到SD卡中。当接收到“读取数据“信号后,在用户设置读取时间后,仪器通过USB访问SD卡获取历史数据。
3.2数据处理流程
在激光传感器测得轮对轮廓原始数据后,首先把原始数据解码成实际的距离数据;其次通过儿何关系将获得的距离值序列转化成图2坐标系中的坐标值;然后采用最小二乘法对坐标值进行分段曲线拟合,直到拟合误差在一定范围内;最后根据图1中轮对尺寸的定义计算出各参数。
4、系统设置
使用本装置对一节车厢的6个车轮的4个不同部位进行测量,将测量结果与人工结果进行比较,结果如表1所示。从表1可以看出本装置测量结果与人工测量结果偏差基本在0.5mm之内,说明两者测量值基本吻合,该装置能满足实际现场的检测要求。对装置其他的一些性能指标进行了测试。
检测装置在18s内能检测一个车轮,而人工检测一个车轮需要大约3min,因此使用本装置能提高检测效率;装置的功耗在20W以下,在电池组充满电的情况下,能连续测量3h此外装置的总重最为1.6kg,一个人操作便能完成车轮尺寸测量。结合装置测量误差:轮缘高误差为的.5mm,轮缘厚为土0.5mm轮径为辽mm,系统能够满足地铁检修部门的要求。
5.结束语
提出了基于激光位移传感器的便携式轮对测量仪,采用激光位移传感器和直线步进电机的组合作为装置的数据采集模块,SD卡作为数据存储单元,液晶屏和触摸屏作为人机交互单元。本文首先介绍了系统的总体设计,并阐述了轮对尺寸参数测量原理;然后分别介绍了系统主要模块的硬件设计和主要的软件流程图;最后通过现场试验验证装置在保证测量精度的同时,能够满足地铁检修部门的检修要求。
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