一种轨道板自动化检测系统性能分析和运行精度评定方法

摘要

本发明公开了一种轨道板自动化检测系统性能分析和运行精度评定方法，主要包括对系统检测效率和检测稳定性分析、平面翘曲检测精度分析、垂向和横向检测精度分析以及系统测量精度评定。本发明以一种高速铁路CRTSⅢ型轨道板外形尺寸偏差自动化检测系统为基础，对该检测系统进行性能分析及精度评定，创造性地对轨道板自动化检测系统的测量精度进行专门定量评价分析。本发明涵盖了轨道板检测的多个方面，能够全面综合地分析轨道板自动化检测系统的性能，并对系统的运行精度进行了评定，具有高效率、高精度、自动化程度高、人员投入少、安全程度高等优点。

说明书

技术领域

本发明属于高速铁路轨道板检测技术领域，具体涉及一种轨道板自动化检测系统性能分析和运行精度评定方法的设计。

背景技术

随着检测技术的进步发展以及CRTSⅢ型轨道板在全国客运专线上的推广使用，为了降低CRTSⅢ型轨道板的检测成本，实现逢板必检的检测效果，推进高速铁路零部件检测由传统全站仪、游标卡尺等接触式手动测量方式向新型工业自动化测量方式的转变，提高轨道板场的标准化建设，各轨道板生产厂家、设计院、研究所和高校对轨道板检测新方法进行研究，检测原理和手段各有不同，并提出了相应的轨道板自动化检测系统。但是，目前为止，对相应轨道板自动化检测系统暂无统一标准方法进行性能分析和精度评定。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前对相应轨道板自动化检测系统暂无统一标准方法进行性能分析和精度评定的问题，提出了一种轨道板自动化检测系统性能分析和运行精度评定方法，对高速铁路CRTSⅢ型轨道板外形尺寸偏差自动化检测系统进行性能分析，同时创造性地对轨道板自动化检测系统的系统精度进行定量评价分析。

本发明的技术方案为：一种轨道板自动化检测系统性能分析和运行精度评定方法，包括以下步骤：

S1、通过多次计时和重复测量，分析轨道板自动化检测系统的检测效率。

S2、通过重复测量分析轨道板自动化检测系统的检测稳定性。

S3、对轨道板自动化检测系统的平面翘曲检测精度进行评定。

S4、对轨道板自动化检测系统的垂向检测精度进行评定。

S5、对轨道板自动化检测系统的横向检测精度进行评定。

S6、对轨道板自动化检测系统的系统测量精度进行评定。

S7、根据轨道板自动化检测系统的检测效率、检测稳定性、平面翘曲检测精度、垂向检测精度、横向检测精度以及系统测量精度对轨道板自动化检测系统的性能及运行精度进行综合分析评定。

进一步地，步骤S1包括以下分步骤：

S11、使用计时器分别测试轨道板自动化检测系统在数据获取阶段、点云预处理阶段和参数计算阶段所需的时间。

S12、将数据获取阶段、点云预处理阶段和参数计算阶段所需的时间进行累加，得到轨道板自动化检测系统的检测总时间。

S13、针对同一块轨道板，重复检测10次，得到10个检测总时间。

S14、取10个检测总时间的算术平均值，并以此为评价参数对轨道板自动化检测系统的检测效率进行分析。

进一步地，步骤S2包括以下分步骤：

S21、针对同一块轨道板，通过轨道板自动化检测系统重复检测10次，计算各检测项目的标准差δ，计算公式为：

其中x_i表示该检测项目第i次检测结果，i＝1,2,...,n，n为检测次数且n＝10，为该检测项目的检测平均值。

S22、统计各检测项目的标准差最大值以及检测结果的最大值和最小值之差的绝对值，并以此为评价参数对轨道板自动化检测系统的检测稳定性进行分析。

进一步地，检测项目包括轨道板长度、宽度、厚度、预埋套管歪斜、板端套管到板端距离、纵向相邻套管中心距离、同一承轨台预埋套管中心距离、中心位置距轨道板中心线距离、预埋套管处承轨台横向位置偏差、预埋套管处承轨台垂向位置偏差、承轨台间外钳口距离、单个承轨台钳口距离、承轨面坡度和承轨面四角水平。

进一步地，步骤S3包括以下分步骤：

S31、选取轨道板自动化检测系统中已检测10次的一块轨道板作为检测板。

S32、利用拉线法在检测板各个承轨台上标记因瓦尺的放置位置。

S33、利用DS₀₃电子精密水准仪和因瓦尺测量各承轨台上标记位置的高程值。

S34、根据高程值计算轨道板两侧的预埋套管处承轨台垂向位置偏差和轨道板四角承轨台组成平面的平面度。

S35、重复步骤S31～S34三次，取三次平面度的算术平均值作为基准值。

S36、采用轨道板自动化检测系统测量10次轨道板的平面翘曲，并将其平均值作为测量值。

S37、对基准值和测量值进行对比分析，评定轨道板自动化检测系统的平面翘曲检测精度。

进一步地，步骤S4包括以下分步骤：

S41、将四面体标准器放置于轨道板检测台座上的设定位置，并在四面体标准器的每个标准工具球上喷涂显像剂。

S42、移动四面体标准器，并通过轨道板自动化检测系统中的法如三维成像仪获取四面体标准器上各目标球在3个不同位置的点云数据。

S43、对各点云数据进行最小二乘拟合，得到各目标球的球心坐标。

S44、根据各目标球的球心坐标计算两个不同高度位置的距离，并将其作为测量值。

S45、将四面体标准器上不同高度平面上各目标球之间的距离作为基准值。

S46、对基准值和测量值进行对比分析，评定轨道板自动化检测系统的垂向检测精度。

进一步地，步骤S5中的横向检测精度包括扣件间距方向检测精度和大钳口方向检测精度。

进一步地，扣件间距方向检测精度的评定方法具体为：

A1、将标准尺横向放置于轨道板检测承轨台上。

A2、按照轨道板自动化检测系统对轨道板进行检测时的运动路径及速度，分别测量标准尺上的各标志圆，共测量10次。

A3、对获得的标准尺上标志圆点云数据进行预处理，拟合计算标志圆点云数据在轨道板标准三维模型坐标系下的圆心坐标。

A4、使各承轨台编号与标志圆编号相对应，计算各拟合圆心间的距离，并其作为测量值。

A5、将标准尺上各标志圆之间的实际距离作为基准值。

A6、对基准值和测量值进行对比分析，评定轨道板自动化检测系统的扣件间距方向检测精度。

进一步地，大钳口方向检测精度的评定方法具体为：

B1、将标准尺竖向放置于轨道板检测承轨台上。

B2、按照轨道板自动化检测系统对轨道板进行检测时的运动路径及速度，分别测量标准尺上的各标志圆，共测量10次。

B3、对获得的标准尺上标志圆点云数据进行预处理，拟合计算标志圆点云数据在轨道板标准三维模型坐标系下的圆心坐标。

B4、使各承轨台编号与标志圆编号相对应，计算各拟合圆心间的距离，并其作为测量值。

B5、将标准尺上各标志圆之间的实际距离作为基准值。

B6、对基准值和测量值进行对比分析，评定轨道板自动化检测系统的大钳口方向检测精度。

进一步地，步骤S6包括以下分步骤：

S61、针对轨道板自动化检测系统的l个检测项目，对每个检测项目检测n个数据。

S62、计算每个检测项目的算术平均值和标准差σ：

其中x_i表示第i个检测数据，i＝1,2,...,n。

S63、根据每个检测项目的标准差确定每个项目的权值：

其中p_m表示第m个检测项目的权值，σ_m表示第m个检测项目的标准差，m＝1,2,...,l。

S64、计算每个检测项目的极差和平均差：

其中表示第m个检测项目的极差，max(x_m),min(x_m)分别表示第m个检测项目的最大检测值和最小检测值，表示第m个检测项目的平均差，ABS(·)表示取绝对值，表示第m个检测项目的算术平均值，表示第m个检测项目的真实值。

S65、根据每个检测项目的极差和平均差计算每个检测项目的系统相对误差和偶然相对误差：

其中表示第m个检测项目的系统相对误差，表示第m个检测项目的偶然相对误差。

S66、根据每个检测项目的系统权值、相对误差和偶然相对误差计算轨道板自动化检测系统的系统相对精度和偶然相对精度

S67、根据轨道板自动化检测系统的系统相对精度和偶然相对精度计算轨道板自动化检测系统的标准系统精度和标准偶然精度

S68、根据轨道板自动化检测系统的标准系统精度和标准偶然精度计算轨道板自动化检测系统的系统测量精度

其中为相关系数。

本发明的有益效果是：本发明涵盖了轨道板检测的多个方面，能够全面综合地分析轨道板自动化检测系统的性能，并对系统的运行精度进行了评定，具有高效率、高精度、自动化程度高、人员投入少、安全程度高等优点。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的一种轨道板自动化检测系统性能分析和运行精度评定方法流程图。

图2所示为本发明实施例提供的CRTSⅢ型轨道板结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种轨道板自动化检测系统性能分析和运行精度评定方法，如图1所示，包括以下步骤S1～S7：

S1、通过多次计时和重复测量，分析轨道板自动化检测系统的检测效率。

本发明实施例中，以高速铁路CRTSⅢ型轨道板外形尺寸偏差自动化检测系统为例，其中CRTSⅢ型轨道板的结构如图2所示。高速铁路CRTSⅢ型轨道板外形尺寸偏差自动化检测系统由库卡机器人、法如三维成像仪以及数据处理子系统组成，数据处理子系统使用的平台为PolyWorks软件。

步骤S1包括以下分步骤：

S11、使用计时器分别测试轨道板自动化检测系统在数据获取阶段、点云预处理阶段和参数计算阶段所需的时间。

轨道板检测过程中包括数据获取阶段、点云预处理阶段和参数计算阶段这三个阶段，本发明实施例中分别统计其所需时间。

S12、将数据获取阶段、点云预处理阶段和参数计算阶段所需的时间进行累加，得到轨道板自动化检测系统的检测总时间。

S13、针对同一块轨道板，重复检测10次，得到10个检测总时间。

S14、取10个检测总时间的算术平均值，并以此为评价参数对轨道板自动化检测系统的检测效率进行分析。

S2、通过重复测量分析轨道板自动化检测系统的检测稳定性。

步骤S2包括以下分步骤：

S21、针对同一块轨道板，通过轨道板自动化检测系统重复检测10次，计算各检测项目的标准差δ，计算公式为：

其中x_i表示该检测项目第i次检测结果，i＝1,2,...,n，n为检测次数且n＝10，为该检测项目的检测平均值。

S22、统计各检测项目的标准差最大值以及检测结果的最大值和最小值之差的绝对值，并以此为评价参数对轨道板自动化检测系统的检测稳定性进行分析。

本发明实施例中，检测项目包括轨道板长度、宽度、厚度、预埋套管歪斜、板端套管到板端距离、纵向相邻套管中心距离、同一承轨台预埋套管中心距离、中心位置距轨道板中心线距离、预埋套管处承轨台横向位置偏差、预埋套管处承轨台垂向位置偏差、承轨台间外钳口距离、单个承轨台钳口距离、承轨面坡度(分母)和承轨面四角水平。

S3、对轨道板自动化检测系统的平面翘曲检测精度进行评定。

步骤S3包括以下分步骤：

S31、选取轨道板自动化检测系统中已检测10次的一块轨道板作为检测板。

S32、利用拉线法在检测板各个承轨台上标记因瓦尺的放置位置。

本发明实施例中，如图2所示，CRTSⅢ型轨道板包括18个承轨台，因瓦尺带有强制对中装置。

S33、利用DS₀₃电子精密水准仪和因瓦尺测量各承轨台上标记位置的高程值。

S34、根据高程值计算轨道板两侧的预埋套管处承轨台垂向位置偏差和轨道板四角承轨台组成平面的平面度。

S35、重复步骤S31～S34三次，取三次平面度的算术平均值作为基准值。

S36、采用轨道板自动化检测系统测量10次轨道板的平面翘曲，并将其平均值作为测量值。

S37、对基准值和测量值进行对比分析，评定轨道板自动化检测系统的平面翘曲检测精度。

S4、对轨道板自动化检测系统的垂向检测精度进行评定。

步骤S4包括以下分步骤：

S41、将四面体标准器放置于轨道板检测台座上的设定位置，并在四面体标准器的每个标准工具球上喷涂显像剂。

本发明实施例中，采用一种四面体标准器作为标准件，来验证高速铁路CRTSⅢ型轨道板外形尺寸偏差自动化检测系统的垂向检测精度。该标准件是由4个目标点构成的四面体坐标架，每个目标点都由一个直径为38.1mm的标准工具球(该标准工具球为1.5英寸/38.1mm的不锈钢亮光球，球度＝1μm)的中心给出，球与球之间通过殷钢杆连接，其底座采用为殷钢制作，该标准四面体标准器的测量范围为100mm，坐标测量不确定度为U＝0.005mm，k＝2。

S42、移动四面体标准器，并通过轨道板自动化检测系统中的法如三维成像仪获取四面体标准器上各目标球在3个不同位置的点云数据。

S43、对各点云数据进行最小二乘拟合，得到各目标球的球心坐标。

S44、根据各目标球的球心坐标计算两个不同高度位置的距离，并将其作为测量值。

S45、将四面体标准器上不同高度平面上各目标球之间的距离作为基准值。

S46、对基准值和测量值进行对比分析，评定轨道板自动化检测系统的垂向检测精度。

S5、对轨道板自动化检测系统的横向检测精度进行评定。

本发明实施例中，横向检测精度包括扣件间距方向检测精度和大钳口方向检测精度。

其中，扣件间距方向检测精度的评定方法具体为：

A1、将标准尺横向放置于轨道板检测承轨台上。

A2、按照轨道板自动化检测系统对轨道板进行检测时的运动路径及速度，分别测量标准尺上的各标志圆，共测量10次。

A3、对获得的标准尺上标志圆点云数据进行预处理(拼接、对齐等)，拟合计算标志圆点云数据在轨道板标准三维模型坐标系下的圆心坐标。

A4、使各承轨台编号与标志圆编号相对应，计算各拟合圆心间的距离，并其作为测量值。

A5、将标准尺上各标志圆之间的实际距离作为基准值。

A6、对基准值和测量值进行对比分析，评定轨道板自动化检测系统的扣件间距方向检测精度。

大钳口方向检测精度的评定方法具体为：

B1、将标准尺竖向放置于轨道板检测承轨台上。

B2、按照轨道板自动化检测系统对轨道板进行检测时的运动路径及速度，分别测量标准尺上的各标志圆，共测量10次。

B3、对获得的标准尺上标志圆点云数据进行预处理(拼接、对齐等)，拟合计算标志圆点云数据在轨道板标准三维模型坐标系下的圆心坐标。

B4、使各承轨台编号与标志圆编号相对应，计算各拟合圆心间的距离，并其作为测量值。

B5、将标准尺上各标志圆之间的实际距离作为基准值。

B6、对基准值和测量值进行对比分析，评定轨道板自动化检测系统的大钳口方向检测精度。

S6、对轨道板自动化检测系统的系统测量精度进行评定。

步骤S6包括以下分步骤：

S61、针对轨道板自动化检测系统的l个检测项目，对每个检测项目检测n个数据。

本发明实施例中，在检测数据时，以mm为有效单位，确保测量所得数值都真实有效。

S62、计算每个检测项目的算术平均值和标准差σ：

其中x_i表示第i个检测数据，i＝1,2,...,n。

S63、根据每个检测项目的标准差确定每个项目的权值：

其中p_m表示第m个检测项目的权值，σ_m表示第m个检测项目的标准差，m＝1,2,...,l。对于一组检测项目，其权值之比等于相应方差倒数之比，这就表明，方差越小，其权值越大，或者说，精度越高，其权值越大。权值可以作为比较检测值之间精度高低的指标。

S64、计算每个检测项目的极差和平均差：

其中表示第m个检测项目的极差，max(x_m),min(x_m)分别表示第m个检测项目的最大检测值和最小检测值，表示第m个检测项目的平均差，ABS(·)表示取绝对值，表示第m个检测项目的算术平均值，表示第m个检测项目的真实值。

S65、根据每个检测项目的极差和平均差计算每个检测项目的系统相对误差和偶然相对误差：

其中表示第m个检测项目的系统相对误差，表示第m个检测项目的偶然相对误差。

S66、根据每个检测项目的系统权值、相对误差和偶然相对误差计算轨道板自动化检测系统的系统相对精度和偶然相对精度

S67、根据轨道板自动化检测系统的系统相对精度和偶然相对精度计算轨道板自动化检测系统的标准系统精度和标准偶然精度

为了对不同检测项目的精度做对比，本发明实施例统一考虑到一个标准,提出归并到1.0m长度来计算比较，而由于之前检测项目的数据以mm为有效单位，因此这里需要对系统相对精度和偶然相对精度乘以1000得到标准系统精度和标准偶然精度

S68、根据轨道板自动化检测系统的标准系统精度和标准偶然精度计算轨道板自动化检测系统的系统测量精度

考虑到测量不确定度一般包含若干个分量，其中一些分量(A类)可用统计方法(如贝塞尔法、最大误差法、最大残差法、极差法和最小二乘法等)评定，并可用实验标准差s_i表征，其它分量(B类)只能基于经验或其它信息做评定，可由假设分布的置信因子及估计的误差限求得近似标准差u_j，A类分量和B类分量的合成仍应按方差合成原理进行，即：

其中，β为协方差项，即任意两误差间协方差之和。由于相关系数的计算非常麻烦，应尽可能避开它的计算。设有两个误差σ₁,σ₂，它们合成后得出：

式中，ρ_1,2为相关系数，当两误差完全相等时，ρ_1,2＝1；当两误差不相等时，ρ_1,2＝0。综上所述可以得出系统测量精度的计算公式为：

其中为相关系数。

S7、根据轨道板自动化检测系统的检测效率、检测稳定性、平面翘曲检测精度、垂向检测精度、横向检测精度以及系统测量精度对轨道板自动化检测系统的性能及运行精度进行综合分析评定。

本发明实施例中，对高速铁路CRTSⅢ型轨道板外形尺寸偏差自动化检测系统的综合分析评定结果为：高速铁路CRTSⅢ型轨道板外形尺寸偏差自动化检测系统检测耗时少，平均检测一块轨道板的用时≤7min，检测效率高；重复测量精度高，稳定性极高，平面翘曲测量可靠性满足要求，垂向及横向检测精度高，系统测量精度为0.155mm/m，测量过程稳定可靠，检测结果真实，可靠性强，完全满足轨道板外形尺寸检测的“高可靠性”和“高稳定性”要求，

本发明提出的轨道板自动化检测系统性能分析和运行精度评定方法结合CRTSⅢ型轨道板的各个检测项目，建立轨道板检测系统的性能和精度评价体系，可以全方位多角度地对自动化检测系统进行性能分析和精度评价，具有较强的可靠性、准确性和可操作性。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。