本發(fā)明涉及高速鐵路無(wú)砟軌道板檢測(cè)領(lǐng)域，特別是涉及一種軌道交通基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸快速智能檢測(cè)系統(tǒng)及檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

高速鐵路crtsⅲ型無(wú)砟軌道板已在高速鐵路建設(shè)中全面推廣，該軌道板采用工廠化預(yù)制、一次成型生產(chǎn)。作為承載軌道的基礎(chǔ)，crtsⅲ型無(wú)砟軌道板直接影響到軌道的平順性，所以對(duì)軌道板的制作精度要求非常高。根據(jù)鐵總科技[2013]125號(hào)(后張法)和[2013]162號(hào)(先張法)文件要求，每一塊板都必須經(jīng)過(guò)全方位檢測(cè)，并生成檢測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)告，檢測(cè)工作量非常巨大。

目前的crtsⅲ型無(wú)砟軌道板檢測(cè)技術(shù)是對(duì)crtsii型板檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行的改進(jìn)，主要采用鋼尺、游標(biāo)卡尺、萬(wàn)能尺、全站儀及配套工裝來(lái)完成。這套系統(tǒng)完成一塊板檢測(cè)的時(shí)間約為50分鐘，每個(gè)無(wú)砟軌道板廠平均每天生產(chǎn)無(wú)砟軌道板的數(shù)量約為100塊，當(dāng)前的檢測(cè)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足軌道板生產(chǎn)的實(shí)際需求?，F(xiàn)有的采用全站儀配合工裝的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量精度約為0.3mm，軌道板允許的加工誤差為0.5mm，當(dāng)前的檢測(cè)系統(tǒng)在精度上不能完全滿足尺寸檢測(cè)誤差的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種軌道交通基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸快速智能檢測(cè)系統(tǒng)。

本發(fā)明的另一目的是提供一種利用上述檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行crtsⅲ型無(wú)砟軌道板尺寸檢測(cè)的方法。

為此，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種軌道交通基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸快速智能檢測(cè)系統(tǒng)，包括激光測(cè)距儀、基礎(chǔ)構(gòu)件類型識(shí)別裝置、激光點(diǎn)云采集系統(tǒng)、模型重建系統(tǒng)和偏差檢測(cè)系統(tǒng)，所述激光測(cè)距儀實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量基礎(chǔ)構(gòu)件的距離信息，并判斷基礎(chǔ)構(gòu)件是否在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)；所述基礎(chǔ)構(gòu)件類型識(shí)別裝置用于讀取檢測(cè)區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)構(gòu)件的預(yù)埋電子芯片信息或基礎(chǔ)構(gòu)件側(cè)面噴涂的流水號(hào)，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的基礎(chǔ)構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行匹配，進(jìn)而獲得基礎(chǔ)構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)信息；所述激光點(diǎn)云采集系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人、激光掃描儀和光學(xué)跟蹤儀，所述工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)激光掃描儀動(dòng)態(tài)獲取所述基礎(chǔ)構(gòu)件表面的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，所述光學(xué)跟蹤儀跟蹤所述激光掃描儀，并為激光掃描儀提供實(shí)時(shí)的空間位置和姿態(tài)信息；所述模型重建系統(tǒng)對(duì)軌道交通基礎(chǔ)構(gòu)件激光點(diǎn)云快速智能采集系統(tǒng)采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，重建基礎(chǔ)構(gòu)件各部件的三維幾何模型；所述偏差檢測(cè)系統(tǒng)利用重建的基礎(chǔ)構(gòu)件各部件的三維幾何模型，通過(guò)空間幾何計(jì)算得到基礎(chǔ)構(gòu)件各部件的幾何尺寸，再與設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行比較，進(jìn)而得到基礎(chǔ)構(gòu)件外形尺寸的加工偏差并形成檢測(cè)報(bào)告。

上述激光測(cè)距儀設(shè)置在距離軌道板短邊0.5米處的地面上，基礎(chǔ)構(gòu)件類型識(shí)別裝置設(shè)置在距離軌道板長(zhǎng)邊0.5米處的支架上。

所述基礎(chǔ)構(gòu)件類型識(shí)別裝置為識(shí)別技術(shù)讀取軌道板預(yù)埋電子芯片信息的射頻識(shí)別系統(tǒng)或通過(guò)文字識(shí)別技術(shù)讀取軌道板側(cè)面噴涂的流水號(hào)的工業(yè)相機(jī)。

所述工業(yè)機(jī)器人包括一機(jī)械臂及其控制器，所述激光掃描儀安裝在所述機(jī)械臂的下端，機(jī)械臂的上端設(shè)置在一精密滑軌上并能沿該精密滑軌移動(dòng)；所述光學(xué)跟蹤儀通過(guò)一萬(wàn)向云臺(tái)和一支撐架安裝在一直線滑臺(tái)上并能沿該直線滑臺(tái)移動(dòng)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述直線滑臺(tái)上安裝有傳送帶，所述光學(xué)跟蹤儀安裝在所述傳送帶上，所述傳送帶在一步進(jìn)電機(jī)的控制下進(jìn)行移動(dòng)。

所述光學(xué)跟蹤儀通過(guò)動(dòng)態(tài)獲取標(biāo)靶的空間三維坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)自定位，所述標(biāo)靶設(shè)置有多個(gè)，每個(gè)標(biāo)靶分別安裝在一個(gè)標(biāo)靶安裝工件上，標(biāo)靶安裝工件安裝在工件安裝支架的橫梁上。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述工件安裝支架在所述檢測(cè)區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)構(gòu)件的兩側(cè)各設(shè)置有一個(gè)，其中一個(gè)工件安裝支架上設(shè)置有2根橫梁，所述2根橫梁與所述基礎(chǔ)構(gòu)件的水平距離和垂直距離均不相同，在2根橫梁分別均面多個(gè)所述標(biāo)靶安裝工件。

一種crtsⅲ型無(wú)砟軌道板尺寸檢測(cè)方法，其特征在于包括以下步驟：

s1.軌道板表面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)采集：

1)將軌道板運(yùn)輸至檢測(cè)區(qū)域，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的激光測(cè)距儀實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量軌道板的距離信息，判斷軌道板是否在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)；

2)當(dāng)判斷軌道板已進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域內(nèi)后，啟動(dòng)基礎(chǔ)構(gòu)件類型識(shí)別裝置，獲得該軌道板的設(shè)計(jì)參數(shù)信息；

3)啟動(dòng)激光點(diǎn)云采集系統(tǒng)，同步控制機(jī)械臂、激光掃描儀及光學(xué)跟蹤儀，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取軌道板表面的激光點(diǎn)云；

s2.軌道板三維模型重建：利用激光點(diǎn)云采集系統(tǒng)對(duì)crtsⅲ型無(wú)砟軌道板的承軌臺(tái)、預(yù)埋套管及底板的模型進(jìn)行重建，提取模型參數(shù)；

s3.軌道板各部件偏差檢測(cè)：利用偏差檢測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)s2中提取的模型參數(shù)計(jì)算軌道板相應(yīng)部件的尺寸值，再與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，得到軌道板各部件的加工尺寸偏差值。

在步驟s1中，通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)讀取軌道板預(yù)埋電子芯片信息或通過(guò)文字識(shí)別技術(shù)讀取軌道板側(cè)面噴涂的流水號(hào)，再與數(shù)據(jù)庫(kù)中的軌道板參數(shù)進(jìn)行匹配，進(jìn)而獲得該軌道板的設(shè)計(jì)參數(shù)信息。

步驟s2中，對(duì)承軌臺(tái)進(jìn)行模型重建包括以下步驟：

(1)重建無(wú)砟軌道板承軌臺(tái)兩側(cè)的鉗口面及底部的承軌面的空間三維模型，所述空間三維模型的幾何參數(shù)利用公式(1)進(jìn)行計(jì)算：

v1-ax+by+cz+d(1)

式中：

vi：坐標(biāo)觀測(cè)值的殘差；

a、b、c：鉗口面及或承軌面的法向量；

d：鉗口面及或承軌面方程的第四參數(shù)；

x、y、z：鉗口面或承軌面上的激光點(diǎn)坐標(biāo)，

鉗口面或承軌面上的激光點(diǎn)三維坐標(biāo)作為觀測(cè)量，采樣最小二乘法算法可計(jì)算出a、b、c、d四個(gè)參數(shù)的值。

(2)建立無(wú)砟軌道板原始點(diǎn)云的樹(shù)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行快速搜索；

(3)利用近鄰域搜索方法從軌道板點(diǎn)云中快速搜索承軌臺(tái)所在區(qū)域的激光點(diǎn)云；

(4)利用矩形分割算法與高程濾波算法分別分割鉗口面及承軌面處的激光點(diǎn)云；

(5)采用平面模型的隨機(jī)采樣一致性算法獲得承軌面及鉗口面的平面采樣點(diǎn)云；

(6)采用最小二乘算法，分別計(jì)算平面模型的幾何參數(shù)，對(duì)承軌臺(tái)鉗口面與承軌面的平面進(jìn)行擬合。

無(wú)砟軌道板的預(yù)埋套管是在軌道板澆筑之前，安裝于軌道板模具定位栓上的絕緣套管。預(yù)埋套管為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，其長(zhǎng)度為141mm，頂部為圓柱體，其圓柱直徑為25.5mm，底部為內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)。步驟s2中，對(duì)預(yù)埋套管進(jìn)行模型重建包括以下步驟：

(1)重建頂部圓柱體三維模型，圓柱體的幾何參數(shù)包括圓柱中軸線法向量n(nx、ny、nz)，圓柱中軸線點(diǎn)坐標(biāo)p(px、py、pz)以及圓柱的半徑r，圓柱體模型的空間幾何參數(shù)根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算：：

式中：

vi：坐標(biāo)觀測(cè)值的殘差；

nx、ny、nz：圓柱的法向量；

px、py、pz：圓柱的中軸線點(diǎn)；

xi、yi、zi：圓柱上的激光點(diǎn)坐標(biāo)；

r：半徑閾值；

預(yù)埋套管內(nèi)部的激光點(diǎn)三維坐標(biāo)作為觀測(cè)量，采樣最小二乘法算法，計(jì)算nx、ny、nz、x0、y0、z0、r等七個(gè)參數(shù)。

(2)建立軌道板原始點(diǎn)云的樹(shù)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行快速搜索；

(3)利用近鄰域搜索方法從軌道板點(diǎn)云中快速搜索預(yù)埋套管所在區(qū)域內(nèi)的激光點(diǎn)云；

(4)利用矩形分割算法和高程濾波算法分別分割預(yù)埋套管的激光點(diǎn)云；

(5)采用圓柱模型的隨機(jī)采樣一致性算法獲得圓柱采樣點(diǎn)云；

(6)采用最小二乘算法計(jì)算圓柱模型的幾何參數(shù)，對(duì)預(yù)埋套管的圓柱體進(jìn)行擬合。

步驟s2中，對(duì)軌道板底板進(jìn)行模型重建的方法為：利用立方體型軌道板底板四角的平面計(jì)算底板框架四角的三維坐標(biāo)，參照對(duì)承軌臺(tái)的平面進(jìn)行擬合的方法對(duì)軌道板底板的平面模型進(jìn)行擬合，得到底板四角框架的平面擬合結(jié)果。

本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明基于激光點(diǎn)云處理算法，重建軌道板預(yù)埋套管、承軌臺(tái)及軌道板底板的三維模型，基于重建的幾何模型，自動(dòng)計(jì)算軌道板各部件幾何尺寸，再將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行比較，并統(tǒng)計(jì)外形尺寸偏差值，將偏差值自動(dòng)生成規(guī)范要求的檢測(cè)表格。數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理由檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)控制，無(wú)需檢測(cè)人員干預(yù)。該方法不僅適用于軌道板的尺寸和尺寸偏差檢測(cè)，還適用于其它軌道交通基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸和尺寸偏差的檢測(cè)。

本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)集成了工業(yè)機(jī)器人、激光掃描儀、光學(xué)跟蹤儀等關(guān)鍵設(shè)備，并能對(duì)基于點(diǎn)云處理算法的無(wú)砟軌道板進(jìn)行智能檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)砟軌道板(i/ii/iii型)等大型基礎(chǔ)構(gòu)件的自動(dòng)化、智能化和信息化檢測(cè)，與傳統(tǒng)的采用全站儀配合工裝的人工檢測(cè)方式相比，其效率提升5倍以上，檢測(cè)精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的軌道交通基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸快速智能采集系統(tǒng)的立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的局部放大結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的軌道交通基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸快速智能采集系統(tǒng)的主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的軌道交通基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸快速智能采集系統(tǒng)的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明中標(biāo)靶安裝工件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明中標(biāo)靶安裝裝置結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖7是本發(fā)明中跟蹤定位裝置的安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是本發(fā)明crtsⅲ型無(wú)砟軌道板尺寸偏差檢測(cè)方法的流程圖；

圖9是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中，承軌臺(tái)垂向偏差精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的軌道交通基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸快速智能檢測(cè)系統(tǒng)主要包括3部分：軌道交通基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸快速智能采集系統(tǒng)、模型重建系統(tǒng)和偏差檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人攜帶激光掃描儀動(dòng)態(tài)獲取軌道板表面的激光點(diǎn)云，光學(xué)跟蹤儀實(shí)時(shí)跟蹤激光掃描儀，獲取激光掃描儀的空間位置與姿態(tài)信息，再將掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，得到軌道板整體表面的激光點(diǎn)云；通過(guò)模型重建系統(tǒng)對(duì)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，重建軌道板各部件的三維幾何模型，獲得承軌臺(tái)、預(yù)埋套管、底板的三維模型數(shù)據(jù)；通過(guò)偏差檢測(cè)系統(tǒng)，利用重建的部件幾何模型，通過(guò)空間幾何計(jì)算得到軌道板各部件的幾何尺寸，再與設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行比較，進(jìn)而得到軌道板外形尺寸的加工偏差并形成檢測(cè)報(bào)告。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)和檢測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

參見(jiàn)圖1-圖7，在本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)中，軌道交通基礎(chǔ)構(gòu)件尺寸快速智能采集系統(tǒng)包括激光測(cè)距儀(圖中未示，設(shè)置在距離軌道板短邊0.5米處的地面上)、基礎(chǔ)構(gòu)件類型識(shí)別裝置(圖中未示，設(shè)置在距離軌道板長(zhǎng)邊0.5米處的支架上)和激光點(diǎn)云采集系統(tǒng)。激光測(cè)距儀實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量基礎(chǔ)構(gòu)件的距離信息，并判斷基礎(chǔ)構(gòu)件是否在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)；基礎(chǔ)構(gòu)件類型識(shí)別裝置用于讀取檢測(cè)區(qū)域內(nèi)基礎(chǔ)構(gòu)件的預(yù)埋電子芯片信息或基礎(chǔ)構(gòu)件側(cè)面噴涂的流水號(hào)，與數(shù)據(jù)庫(kù)中的基礎(chǔ)構(gòu)件參數(shù)進(jìn)行匹配，進(jìn)而獲得基礎(chǔ)構(gòu)件的設(shè)計(jì)參數(shù)信息。所述激光點(diǎn)云采集系統(tǒng)包括工業(yè)機(jī)器人11、激光掃描儀12和光學(xué)跟蹤儀13。工業(yè)機(jī)器人11驅(qū)動(dòng)激光掃描儀12動(dòng)態(tài)獲取基礎(chǔ)構(gòu)件表面的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，光學(xué)跟蹤儀13跟蹤激光掃描儀12，并為激光掃描儀12提供實(shí)時(shí)的空間位置和姿態(tài)信息。

其中，所述的基礎(chǔ)構(gòu)件類型識(shí)別裝置可以是識(shí)別技術(shù)讀取軌道板預(yù)埋電子芯片信息的射頻識(shí)別系統(tǒng)，也可以是通過(guò)文字識(shí)別技術(shù)讀取軌道板側(cè)面噴涂的流水號(hào)的工業(yè)相機(jī)。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，基礎(chǔ)構(gòu)件為crtsⅲ型無(wú)砟軌道板10，工業(yè)機(jī)器人11為一機(jī)械臂，激光掃描儀12安裝在機(jī)械臂的下端，機(jī)械臂的上端設(shè)置在一精密滑軌14上并能沿該精密滑軌移動(dòng)，圖中的傘狀結(jié)構(gòu)代表光學(xué)跟蹤儀13的跟蹤范圍。參見(jiàn)圖7，光學(xué)跟蹤儀13通過(guò)一萬(wàn)向云臺(tái)15和一支撐架16安裝在直線滑臺(tái)17上并能沿直線滑臺(tái)17移動(dòng)。

光學(xué)跟蹤儀13通過(guò)動(dòng)態(tài)獲取標(biāo)靶的空間三維坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)自定位，所述標(biāo)靶設(shè)置有多個(gè)，參見(jiàn)圖6，每個(gè)標(biāo)靶分別安裝在一個(gè)圓柱形的標(biāo)靶安裝工件18的斜面上，標(biāo)靶安裝工件18的上端面和底部的斜面所在的平面之間的夾角優(yōu)選為60度。多個(gè)標(biāo)靶安裝工件18安裝在工件安裝裝置19的橫梁20上，其排列和數(shù)量應(yīng)當(dāng)保證在有遮蓋物遮擋時(shí)，光學(xué)跟蹤儀能檢測(cè)到至少5以上定位標(biāo)靶點(diǎn)。

在圖中所示的實(shí)施例中，在待測(cè)軌道板的兩側(cè)各設(shè)置有一組(3個(gè))工件安裝裝置19，且兩側(cè)的工件安裝裝置的高度不同。其中一側(cè)的3個(gè)工件安裝裝置上均設(shè)置有2個(gè)橫梁20，2個(gè)橫梁20的高度和與軌道板10的距離均不相同。

本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)中，所述模型重建系統(tǒng)對(duì)軌道交通基礎(chǔ)構(gòu)件激光點(diǎn)云快速智能采集系統(tǒng)采集的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，重建基礎(chǔ)構(gòu)件各部件的三維幾何模型；所述偏差檢測(cè)系統(tǒng)利用重建的基礎(chǔ)構(gòu)件各部件的三維幾何模型，通過(guò)空間幾何計(jì)算得到基礎(chǔ)構(gòu)件各部件的幾何尺寸，再與設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行比較，進(jìn)而得到基礎(chǔ)構(gòu)件外形尺寸的加工偏差并形成檢測(cè)報(bào)告。

下面結(jié)合圖8對(duì)本發(fā)明的crtsⅲ型無(wú)砟軌道板尺寸檢測(cè)方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

該檢測(cè)方法包括以下步驟：

s1.軌道板表面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)采集：

為了快速獲取軌道板表面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用工業(yè)機(jī)器人操控激光掃描儀對(duì)軌道板進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的步驟如下：

1.軌道板自動(dòng)就位平臺(tái)將軌道板運(yùn)輸至檢測(cè)區(qū)域，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的激光測(cè)距儀，實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量軌道板距離信息，判斷軌道板是否在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)；

2.軌道板進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，啟動(dòng)軌道板類型識(shí)別系統(tǒng)，通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)(radiofrequencyidentification，rfid)，讀取軌道板預(yù)埋電子芯片信息，或通過(guò)文字識(shí)別技術(shù)(opticalcharacterrecognition，ocr)，讀取軌道板側(cè)面噴涂的流水號(hào)，再與數(shù)據(jù)庫(kù)中軌道板參數(shù)進(jìn)行匹配，進(jìn)而獲得該軌道板的設(shè)計(jì)參數(shù)信息；

3.獲得待檢測(cè)軌道板參數(shù)后，啟動(dòng)激光點(diǎn)云采集系統(tǒng)，同步控制工業(yè)機(jī)器人、激光掃描儀及光學(xué)跟蹤儀，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)獲取軌道板表面激光點(diǎn)云。

s2.軌道板三維模型重建：

高速鐵路crtsⅲ型無(wú)砟軌道板主要由承軌臺(tái)和軌道板底板組成?！陡咚勹F路crtsⅲ型板式無(wú)砟軌道先張法預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板、高速鐵路無(wú)砟軌道嵌縫材料暫行技術(shù)條件》(鐵總科技[2013]162號(hào))文件，對(duì)軌道板外形尺寸偏差及檢驗(yàn)要求中，列舉軌道板檢測(cè)項(xiàng)目及允許偏差。除軌道板表面保護(hù)層厚度檢測(cè)項(xiàng)外，其他各項(xiàng)內(nèi)容均可以通過(guò)承軌臺(tái)及軌道板底板的幾何模型進(jìn)行計(jì)算。所以，利用三維激光點(diǎn)云進(jìn)行軌道板外形尺寸偏差檢測(cè)的關(guān)鍵步驟是重建承軌臺(tái)、預(yù)埋套管及底板的三維模型。

(1)承軌臺(tái)模型重建的方法如下：

無(wú)砟軌道板的承軌臺(tái)由兩側(cè)的鉗口面及底部的承軌面組成，重建承軌臺(tái)三維模型是分別重建這3個(gè)平面的空間三維模型，平面模型的空間幾何參數(shù)可根據(jù)公式1進(jìn)行計(jì)算。

y1-ax+by+cz+d(1)

式中：

vi：坐標(biāo)觀測(cè)值的殘差；

a、b、c：平面的法向量；

d：平面方程的第四參數(shù)。

鉗口面或承軌面上的激光點(diǎn)三維坐標(biāo)作為觀測(cè)量，采樣最小二乘法算法可計(jì)算出a、b、c、d四個(gè)參數(shù)的值。

利用激光點(diǎn)云采集系統(tǒng)采集的軌道板表面激光點(diǎn)云重建承軌臺(tái)鉗口面或承軌面的三維模型，主要有以下步驟：

1.建立軌道板原始點(diǎn)云的樹(shù)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行快速搜索；

2.近鄰域搜索方法，從軌道板點(diǎn)云中快速搜索承軌臺(tái)所在區(qū)域的激光點(diǎn)云；

3.利用矩形分割算法與高程濾波算法，分別分割鉗口面及承軌面處的激光點(diǎn)云；

4.采用平面模型的隨機(jī)采樣一致性算法(randomsampleconsensus,ransac)，獲得承軌面及鉗口面的平面采樣點(diǎn)云；

5.采用最小二乘算法，分別計(jì)算平面模型的幾何參數(shù)，對(duì)承軌臺(tái)鉗口面與承軌面的平面進(jìn)行擬合。

(2)預(yù)埋套管模型重建的方法如下：

無(wú)砟軌道板的預(yù)埋套管是在軌道板澆筑之前，安裝于軌道板模具定位栓上的絕緣套管。預(yù)埋套管為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，其長(zhǎng)度為141mm，頂部為圓柱體，其圓柱直徑為25.5mm，底部為內(nèi)螺紋結(jié)構(gòu)。預(yù)埋套管三維模型重建是重建頂部圓柱體三維模型，圓柱的幾何參數(shù)包括：圓柱中軸線法向量n(nx、ny、nz)，圓柱中軸線點(diǎn)坐標(biāo)p(px、py、pz)，以及圓柱的半徑r，圓柱模型的空間幾何參數(shù)可根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算。

式中：

vi：坐標(biāo)觀測(cè)值的殘差；

nx、ny、nz：圓柱的法向量；

x0、y0、z0：圓柱的中軸線點(diǎn)；

xi、yi、zi：圓柱上的激光點(diǎn)坐標(biāo)；

r：半徑閾值；

預(yù)埋套管內(nèi)部的激光點(diǎn)三維坐標(biāo)作為觀測(cè)量，采樣最小二乘法算法，計(jì)算nx、ny、nz、x0、y0、z0、r等七個(gè)參數(shù)。

利用激光點(diǎn)云采集系統(tǒng)采集的軌道板表面激光點(diǎn)云重建預(yù)埋套管的三維模型包括以下步驟：

1.建立軌道板原始點(diǎn)云的樹(shù)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，便于對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行快速搜索；

2.近鄰域搜索方法，從軌道板點(diǎn)云中快速搜索預(yù)埋套管所在區(qū)域內(nèi)的激光點(diǎn)云；

3.利用矩形分割算法與高程濾波算法，分別分割預(yù)埋套管的激光點(diǎn)云；

4.采用圓柱模型的隨機(jī)采樣一致性算法(randomsampleconsensus,ransac)，獲得圓柱采樣點(diǎn)云；

5.采用最小二乘算法，計(jì)算圓柱模型的幾何參數(shù)，對(duì)預(yù)埋套管圓柱進(jìn)行擬合。

(3)軌道板底板模型重建的方法如下：

軌道板底板設(shè)計(jì)類型為立方體類型，利用軌道板底板四角的平面，計(jì)算底板框架四角的三維坐標(biāo)。平面模型擬合算法參照承軌臺(tái)的平面擬合，得到底板四角框架平面的擬合結(jié)果。

s3.軌道板各部件偏差檢測(cè)：

鐵總科技[2013]162號(hào)文件中，詳細(xì)列舉了crtsⅲ型軌道板外觀尺寸偏差及檢驗(yàn)要求，主要包含軌道板外觀尺寸、預(yù)埋套管、承軌臺(tái)、扣件間距、板頂面平整度等偏差要求。根據(jù)上述步驟s2中提取的模型參數(shù)，利用偏差檢測(cè)系統(tǒng)，可以計(jì)算相應(yīng)的尺寸值，再與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，即可獲得軌道板各部件加工尺寸偏差值，這里只列舉其中相對(duì)重要的項(xiàng)目。例如，承軌臺(tái)預(yù)埋套管中心距離，可根據(jù)模型擬合的預(yù)埋套管與承軌面交點(diǎn)，計(jì)算螺栓孔中心實(shí)際距離，再與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較(設(shè)計(jì)值為233.3mm)，即可計(jì)算螺栓孔中心的加工偏差。再如，單個(gè)承軌臺(tái)鉗口距離，可根據(jù)模型擬合的平面模型參數(shù)，將承軌面模型沿z軸平行向上移動(dòng)28mm，向上移動(dòng)的承軌面與鉗口面的相交為平行線，兩條平行交線的空間距離，即為單個(gè)承軌臺(tái)鉗口(小鉗口)距離。

試驗(yàn)及分析

(1)數(shù)據(jù)描述

為了評(píng)價(jià)本發(fā)明方法的可靠性與精度，建立了無(wú)砟軌道板尺寸檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)系統(tǒng)由工業(yè)機(jī)器人(機(jī)械臂)、精密滑軌、激光掃描儀及光學(xué)跟蹤儀等設(shè)備組成。工業(yè)機(jī)器人為沈陽(yáng)新松機(jī)器人公司的sr10al型號(hào)，負(fù)載能力：10kg；重復(fù)定位精度：±0.06mm；最大工作半徑：1957mm；精密滑軌的重復(fù)定位精度：±0.08mm；最高速度：5000mm/s；滑臺(tái)長(zhǎng)度：7000mm。激光掃描儀及光學(xué)跟蹤儀為加拿大creaform公司的metroscan750elite型號(hào)，體積精度：0.078mm@16.6m³，測(cè)量速率：480000次測(cè)量/秒；軌道板為p5600類型的直線軌道板。軌道板頂面距離地面高度為1m，即參照軌道板自動(dòng)就位平臺(tái)高度設(shè)計(jì)。

(2)檢測(cè)結(jié)果

無(wú)砟軌道板尺寸檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)處理軌道板表面激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)?；诩す恻c(diǎn)云處理算法，重建軌道板預(yù)埋套管、承軌臺(tái)及軌道板底板的三維模型，基于重建的幾何模型，自動(dòng)計(jì)算軌道板各部件幾何尺寸，再將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行比較，并統(tǒng)計(jì)外形尺寸偏差值，將偏差值自動(dòng)生成規(guī)范要求的檢測(cè)表格。數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理由檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)控制，無(wú)需檢測(cè)人員干預(yù)。無(wú)砟軌道板尺寸偏差檢測(cè)報(bào)告如下表所示：

軌道板外形尺寸檢查卡

軌道板外形尺寸檢查卡

(3)精度分析

軌道板尺寸快速智能檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)待檢測(cè)的p5600類型直線軌道板進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)20次。檢測(cè)室內(nèi)溫度和濕度相對(duì)恒定，整套檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)外界震動(dòng)擾動(dòng)。承軌臺(tái)的垂向偏差檢測(cè)涉及軌道板單側(cè)所有承軌臺(tái)，檢測(cè)設(shè)備覆蓋范圍較大，是整套檢測(cè)系統(tǒng)精度控制相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)。在軌道板實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于受預(yù)埋鋼筋預(yù)應(yīng)力徐變的影響，此檢測(cè)項(xiàng)目也是最容易超出規(guī)范要求的偏差值。選擇垂向偏差檢測(cè)精度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，將同一塊軌道板多次檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析承軌臺(tái)垂向偏差的精度如下：最大差值：0.96，最小差值：0.92mm，平均差值：0.94mm，差值的方差：0.012，垂向偏差精度統(tǒng)計(jì)結(jié)果圖9所示。

本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)集成了工業(yè)機(jī)器人、激光掃描儀、光學(xué)跟蹤儀等關(guān)鍵設(shè)備，并能對(duì)基于點(diǎn)云處理算法的無(wú)砟軌道板進(jìn)行智能檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)砟軌道板(i/ii/iii型)等大型基礎(chǔ)構(gòu)件的自動(dòng)化、智能化和信息化檢測(cè)，與傳統(tǒng)的采用全站儀配合工裝的人工檢測(cè)方式相比，其效率提升5倍以上，檢測(cè)精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。