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122基于 LabVIEW 和 2D 激光扫描的受电弓滑板磨耗测量（中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）童 磊，罗 婷，周 明 摘 要 设计了一种基于 LabVIEW 和激光雷达扫描的受电弓滑板磨耗测量方法和装置。使用 2D 激光雷达扫描受电弓滑板，通过对激光测量数据分析提取滑板上表面横截曲线，并通过线性拟合矫正曲线以解决降弓测量时滑板倾斜问题，通过对比初始数据和磨耗后数据得到磨耗值。经过反复测试，这种测量方法和测量装置满足降弓状态下全滑板磨耗精确测量要求，测量精度高，测量重复性好。关键词 LabVIEW；激光扫描；滑板磨耗 中图分类号 TN06 文献标识码 A 文章编号 1006-7523（2023）05-0122-06DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2023.05.020 收稿日期 2023-07-10 作者简介 童磊（1974），男，硕士，中车株洲电力机车研究所有限公司，工程师；罗婷（1996），女，中车株洲电力机车研究所有限公司，助理工程师；周明（1986），男，中车株洲电力机车研究所有限公司，工程师。引 言滑板磨耗是电气化列车或电力机车机车运行后进行受电弓检测的主要项目之一，常规的检测方法是使用游标卡尺人工测量、使用图像识别方法测量和激光扫描测量。弓网供电受流性能试验台是研究弓网供电受流综合性能的系统，试验过程中对滑板磨耗检测精度要求高、且需要对全滑板进行密集测量。使用游标卡尺测量工作量较大，且测量环境人工测量存在一定的危险性，而图像识别方法测量精度低，而现有激光扫描测量装置为线路安装，造价高且弓网供电受流性能试验台环境无法安装。本文是基于高精度 2D 激光位移传感器和 LabVIEW 的实现试验过程中滑板磨耗精确检测，满足试验台检测要求，并可广泛用于受电弓检修系统。一、系统组成滑板磨耗测量系统可实现受电弓前后滑板的磨耗自动检测，满足滑板长度最大 1250 mm、滑板宽度有 45 mm 和 60 mm 两种、滑板中心线距离最大 580 mm 检测要求，系统在降弓状态下检测，可通过运动参数设置来调整检测装置，以实现不同弓型的滑板磨耗检测，包括机车受电弓、高铁受电弓和地铁受电弓。系统由扫描运动控制装置、安装在运动部件下方的 2D 激光位移传感器、测试计算机及磨耗测量软件组成。运动控制装置用来实现 2D 激光位移传感器往复运动1，从而实现对受电弓内侧及外侧滑板的扫描2，运动控制装置由双丝杆十字滑台、伺服电机、伺服控制器及 PLC 组成，测量计算机通基于 LabVIEW 和 2D 激光扫描的受电弓滑板磨耗测量123山东工业技术 2023 年 第 5 期(总第 313 期）过 RS485 总线与 PLC 进行通讯，由运行于测量计算机上的滑板磨耗检测软件控制运动过程3。2D 激光位移传感器选用高精度激光位移传感器，测量分辨率 12 m，量程范围 240 mm50mm，实现磨耗测量误差 0.1 mm，满足不同弓型的检测要求。系统硬件如图 1 所示。2D激光位移传感器扫描激光线十字滑台图 1 系统硬件系统软件基于 NI LabVIEW 2018 版开发，软件由运动控制部分和磨耗测量部分组成。控制部分采用使用 Modbus VI 创建 Modbus主设备（PLC）和从设备（测控计算机），并在Modbus 从设备上执行读写操作，通过对 PLC 线圈的写操作来控制伺服电机的启停，并读取线圈值以获取设备状态，通过读写 PLC 寄存器来获取传感器实时位置和进行测试前的归零操作3。测试部分分为以太网通讯部分和数据分析部分，以太网通讯是软件获取 2D 激光位移传感器的原始测量数据，数据分析部分对原始数据进行分析和处理。软件组成示意图如图 2 所示。测控软件运动控制部分磨耗测试部分PLC线圈读写PLC寄存器读写以太网通讯测试数据分析图 2 测量软件组成示意图二、测量原理测量原理如图 3 所示。图 3 测量原理示意图检测激光线垂直于滑板（图中红线），从一根滑板一端向另一端匀速移动，移动过程中进行检测，检测范围覆盖滑板两端无磨损区域，以两端无磨损区域检测数据为校准基准，分析滑板磨损区域磨耗情况，传感器以 0.1 米/秒沿滑板方向平移，传感器采样频率（触发间隔）设置为 25 ms（40 Hz），取样间隔为 5 mm。当检测完一根滑板后，运动控制装置将 2D 激光位移传感器平移到另一根滑板上，再匀速返回，从而完成另一根滑板的扫描检测4。传感器移动装置采用十字滑台结构，x 方向和 z 方向分别安装丝杆支架和两个伺服电机，由伺服控制器控制伺服电机驱动丝杆选装来实现传感器水平运动，x 方向沿滑板方向从一端向另一端移动，移动速度 0.1 米/秒，z 方向运动实现从前滑板平移至后滑板，再沿后滑板以 0.1米/秒速度移动。系统流程图如图 4 所示（见 124 页）。三、磨耗测量及分析滑板测量是在受电弓降弓状态下进行，降弓状态下滑板呈倾斜姿态，且每次降弓时受电弓弓头姿态和位置无法保证严格一致。为了解决这些问题，测试软件采取截取、矫正等分析算法。测量分析过程如图 5 所示（见124 页）。1.截取滑板横截面上部曲线图 6 为 2D 激光位移传感器测量得到的滑板124图 4 系统流程图图 5 测量分析过程表面原始数据曲线，实线区域为滑板上表面，虚线部分为滑板外侧的无效部分，基于滑板几何特征，测量软件剔除了无效的虚线部分，截取得到的曲线如图 7 所示5,6。图 6 滑板原始曲线图 7 截取所得有效区域2.矫正滑板横截面上部曲线图 7 为截取的滑板横截面上部曲线，由图 7可见滑板为倾斜状态，无法直接得到滑板顶点 y向高度数据，需要将此曲线矫正为水平，矫正曲线需要有一个水平基准，为了得到水平基准，测量软件采用线性拟合算法 7。线 性拟合是通过循环调用广义最小二乘方法和 Levenberg-Marquardt 方法使实验数据拟合为下列等式代表的直线方程一般式：f=ax+b （1）x 是输入序列 X，a 是斜率，b 是截距。该 VI将得到观测点(X,Y)的最佳拟合 a 和 b 的值。下列等式用于描述由线性拟合算法得到的线性曲线：yi=axi+b （2）线性拟合的常用方法是最小二乘法、最小绝对残差或 Bisquare 方法，如 Y 的噪声为高斯分布，可使用最小二乘法。最小绝对残差和 Bisquare 拟合方法是健壮的拟合方法。基于 LabVIEW 和 2D 激光扫描的受电弓滑板磨耗测量125山东工业技术 2023 年 第 5 期(总第 313 期）下图为对最小二乘法、最小绝对残差和Bisquare 拟合方法的结果比较。图 8 三种线性拟合的比较基于上述分析以及测量所得滑板表面曲线点位数据特征，本系统测量软件采用 Bisquare方法来进行基准曲线拟合，得到拟合直线如下图所示。图 9 线性拟合得到基准线测量曲线与拟合基准线进行比较，得到水平矫正后的滑板表面横截曲线和曲线顶点 y 值，可见采用此方法有效解决了降弓后滑板表面倾斜问题。矫正后的滑板表面曲线如图 10 所示。矫正分析程序如图 11 所示。图 10 矫正后的表面曲线图 11 滑板上表面横截曲线分析程序对照滑板磨耗检测工艺，对于矫正后的曲线，软件提取曲线顶点，并在 2D 激光位移传感器扫描测量过程逐帧记录滑板表面横截曲线顶点值Yi，全滑板顶点数据曲线如下图所示（单侧滑板）。图 12 测量得到的滑板表面顶点曲线3.磨耗计算通常情况下的滑板磨耗检测手段有两种，一种是匹配法，磨耗滑板与原始滑板廓形进行配准来计算滑板的磨耗值。第二种是距离法，碳滑板是安装在受电弓弓顶的金属托板槽中，因此金属托板正常情况下不会产生磨损，以金属托板为基准，测量计算滑板表面到托板的垂向距离8。综合测量要求和本系统的测量特点，采用匹配法进行磨耗测量，测量软件将多次测量的全滑126图 15 磨耗分析程序基于 LabVIEW 和 2D 激光扫描的受电弓滑板磨耗测量板顶点数据以.log 的格式存储为不可修改的文本文件9。图 13 全滑板顶点数据存储程序试验结束后读取存储的 test.log 文本文件，并将本次测量全滑板顶点数据数据与初次测量数据数组进行比较，得出滑板总磨耗值，也可以与上次试验数据进行比较，得出本次试验磨耗值。测量所得滑板磨耗曲线如图 14 所示。滑板磨耗测量程序如图 15 所示10。图 14 滑板磨耗曲线将磨耗测量值与游标卡尺手动测量值进行对比如下表所示，鉴于测量值众多，以 10 mm 为间隔进行手动测量比较，由下表可见，系统测量数据与手动测量数据偏差很小。表 1 测量数据比较点位系统测量/mm手动测量/mm偏差/mm100.060.070.01200.110.130.02300.10.090.01400.1850.160.025500.160.170.01600.170.180.01700.170.180.01800.180.20.02900.120.130.01四、结论本系统成功地将 2D 激光位移传感器应用于滑板磨耗测量，并采用 LabVIEW 编程实现了 2D激光位移传感器对滑板表面的扫描控制、测量数据的截取、曲线矫正和滑板磨耗分析，解决了弓网受流性能试验的滑板磨耗逐点精确测量的问题，系统还可应用于受电弓检修设备的滑板磨耗自动测量，具有广泛的应用价值。127山东工业技术 2023 年 第 5 期(总第 313 期）参考文献1 马晓泉.大规模激光扫描技术及其在国内应用现状 J.科技信息，2012,(29):74-75.2 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curve is linearly fitted to solve the tilt problem of the slide board during the bow drop measurement.The wear value is obtained by comparing the initial data with the data after wear.After repeated testing,the measuring method and measuring device meet the requirements of accurate measurement of the wear of the whole slide under the condition of falling bow,with high measurement accuracy and good repeatability.Key Words:LabVIEW,laser scanning,sliding plate wear