7 473 261 36 60
7 473 261 36 59
ПРИМЕНЕНИЕ ЛАЗЕРНОГО СКАНИРОВАНИЯ В ЗАДАЧЕ РЕМОНТА КУЗОВА ГРУЗОВОГО ПОЛУВАГОНА

М.И. Бирюков, А.В. Москалев, Семенов С.М., Сергеев Д.И.,

НПП «Измерон-В»

 

We have introduced an innovative laser scanning technology and new equipment for the inspection and repairs of freight cars. The new equipment provides freight car repair facilities with a fast and reliable wagon body inspection process. The prototype has been successfully installed and tested at the Magnitogorsk car repair shop.

 

Введение

Проблема обеспечения должного качества геометрии кузова при ремонте подвижного состава уже неоднократно обсуждалась и хорошо известна специалистам. Наш опыт внедрения измерительной техники для железных дорог России и ближнего зарубежья позволяет с уверенностью утверждать, что указанная проблема имеет место для всех типов подвижного состава. Ранее нами был подробно рассмотрен вопрос о типичных дефектах геометрии кузова пассажирских вагонов [1] и предложен корректный метод решения данной проблемы, успешно опробованный в пассажирском депо Орехово-Зуево, где нашими специалистами был смонтирован специализированный стенд правки кузова пассажирского вагона.

В данной статье рассмотрим задачу обеспечения заданных геометрических параметров кузова грузового полувагона и метод, разработанный нами для ее решения. В отличие от пассажирских вагонов, грузовые полувагоны, в силу особенностей эксплуатации, подвергаются значительно более сильным механическим воздействиям и, соответственно, характер дефектов кузова требует иных подходов к ремонту. Для достижения высокой производительности при ремонте грузовых полувагонов в депо Магнитогорск была предложена и внедрена инновационная технология правки кузова полувагона с помощью машины Ермак-2006, совмещенной с автоматической лазерной сканирующей измерительной системой (АЛСИ).

Описание технологии

Сущность предложенной технологии состоит в том, что состояние вагона оценивается с помощью измерительной системы, которая автоматически определяет наличие дефектов геометрии кузова полувагона и показывает оператору правильной машины точное расположение мест, требующих правки и величину отклонения от номинального размера. Вся информация об отклонениях представлена в удобном графическом виде, в форме электронной 3D-модели. Это существенно упрощает работу оператора, повышает качество ремонта, а, кроме того, позволит в дальнейшем реализовать полностью автоматическое управление процессом правки на основе результатов измерений.

Тема правки кузова вагона весьма обширная и заслуживает отдельного обсуждения. В рамках данной статьи мы рассмотрим только вопросы, связанные с постановкой задачи измерения геометрических параметров кузова полувагона, технической реализацией лазерной сканирующей системы, а также основные проблемы, которые были нами решены в процессе разработки и внедрения данной системы.

Постановка задачи, анализ требований к проведению контроля геометрии кузова грузового полувагона

Перед началом разработки был согласован предварительный вариант ТЗ, содержащий в себе следующие основные требования к измерительной системе:

Последний пункт рассмотрим более подробно. Следует отметить, что почти все требования ЦВ-587, касающихся геометрии кузова, сформулированы некорректно, а отсутствие графических иллюстраций не позволяет интерпретировать их однозначным образом.

Так, например, в п.7.1.6. записано «Суммарное уширение или сужение боковых стен в средней части  межстоечного проема полувагонов допускается не более 60 мм. Уширение  или  сужение одной стены в средней части допускается не более 30 мм. Суммарное уширение боковых стен в плоскости угловых стоек допускается не более 30 мм». Данный пункт порождает целый ряд вопросов.

1. Что следует понимать под уширением? Увеличение расстояние между боковыми стенками по отношению к номинальному размеру, или увеличение ширины вагона в средней части по сравнению с торцевой?

2. В первом предложении указано на среднюю часть межстоечного проема. Вероятно, предполагается, что данное уширение следует измерять от стенки до стенки в некотором сечении между вертикальными стойками, посередине проема. Однако ничего не сказано об уширении в сечении, проходящем через стойки. Эта неопределенность позволяет строить самые невероятные догадки. Одни специалисты могут толковать данный параметр как уширение стены лишь в рамках данного межстоечного проема, а не по всей длине боковой стенки, другие – как уширение по всей длине, но в сечении каждого межстоечного проема и т.д..

3. С нашей точки зрения говорить об уширении одной стены (во втором предложении п.7.1.6), а также о «суммарном уширении» некорректно. Вероятно, авторы имели в виду величину выпуклости каждой стены в средней части наружу, или внутрь. Однако здесь говорится просто об уширении «одной стены в средней части», в то время как в первом предложении говорится о «средней части межстоечного проема», что соответствует принципиально разным понятиям. Возникает вопрос: то ли это неаккуратность (опечатка), то ли сознательное желание авторов разработать запутанные и противоречивые формулировки, чтобы в дальнейшем можно было легко оспорить любую претензию к исполнителю ремонта по качеству геометрии кузова?

Список можно продолжать, но, по нашему мнению, приведенного примера достаточно для того, чтобы показать, что данный документ нуждается в серьезном пересмотре. В то же время, очевидно, что есть объективная потребность в проведении аккуратных измерений основных геометрических параметров кузова, поэтому мы разработали собственную интерпретацию данных правил, а на ее основе – подход и методику измерения.

Математическая интерпретация всех пунктов требований ЦВ-587, касающихся геометрии кузова,  сводится к тому, что нормируются допустимые отклонения от прямолинейности и плоскостности основных элементов кузова. А именно,

- отклонения от прямолинейности «одномерных» элементов: хребтовой балки, поперечных балок (в т.ч. концевых и шкворневых), верхней и нижней обвязки, стоек;

- отклонения от плоскостности «двумерных» элементов: боковых и торцевых стен.

Таким образом, независимо от толкования правил ремонта, мы можем дать исчерпывающую информацию о вышеуказанных отклонениях в удобном для пользователя виде, и он сможет самостоятельно принять решение о том, какие элементы имеют допустимые геометрические отклонения, а какие требуют правки.

Дополнительно следует отметить, что, если контроль прямолинейности «одномерных» элементов можно реализовать стандартными средствами измерений, то определение формы и взаимного расположения «двумерных» элементов – более сложная задача. Сложность усугубляется тем, что на одной позиции необходимо контролировать полувагоны разных типов, похожих внешне, но с существенными отличиями в конструкции кузова. Поэтому широко используемые нами ранее методы контроля геометрии по контрольным точкам в данном случае практически непригодны.

Учитывая все приведенные выше соображения, мы пришли к выводу о том, что в данной задаче целесообразно использовать метод подробного сканирования объекта с целью получения большего объема информации о его форме. Наличие избыточной информации дает следующие возможности:

1)   автоматически распознать нужные контролируемые элементы кузова;

2)   получить более точный и надежный результат измерения;

3)   получить результат не в терминах «годен/не годен», а более подробную информацию, пригодную для нужд проведения ремонта.

Физический принцип работы измерительной системы

Система АЛСИ построена на основе отдельных модулей сканирования, каждый из которых содержит лазерный радар с механической разверткой пучка. Лазерный пучок сканирует пространство в заданных пределах по горизонтали и вертикали, и излучение, отраженное от объекта, регистрируется приемником. При этом измеряется время, за которое лазерный пучок проходит путь от излучателя до объекта и обратно до приемника, и, на основании известной скорости распространения излучения, рассчитывается расстояние до точек объекта. Две угловые координаты каждой точки по азимуту и вертикальному углу жестко задаются устройством механической развертки в процессе сканирования. Таким образом, по окончании сканирования мы сразу получаем набор точек с известными координатами в 3-мерном пространстве, так называемое «облако точек».

Техническая реализация

АЛСИ для контроля кузова грузового полувагона включает в себя 4 отдельных модуля сканирования. Модули сканирования расположены стационарно вокруг кузова вагона, напротив каждой из его стенок (см. Рис.1). Передача информации от модулей сканирования по коммуникационным линиям, ее обработка, визуализация результата и формирование протокола измерений осуществляется с помощью модуля управления.

         Такое техническое решение позволяет реализовать:

1)    бесконтактное измерение на безопасном расстоянии от кузова и силовых агрегатов машины для правки;

2)    полностью стационарную распределенную измерительную систему, не нуждающуюся в предварительном развертывании, юстировке и т.д., готовую к проведению измерений сразу после включения.

Именно эти особенности системы делают возможным ее применение в условиях производства.

 

Расчет оценок требуемых геометрических параметров кузова

Как показано выше, все геометрические параметры кузова делятся на две группы: отклонения от прямолинейности «одномерных» элементов, и   отклонения от плоскостности «двумерных» элементов кузова.

Разработанная нами методика работы с данными сканирования отличается от типичных подходов, применяемых в других системах, и включает в себя следующие этапы:

1)   фильтрация облака точек;

2)   Распознавание отдельных элементов;

3)   Построение геометрической модели элемента;

4)   Расчет оценки числового значения геометрического параметра.

Рассмотрим эту методику на примере конкретных элементов кузова полувагона.

Пример 1. Расчет прямолинейности вертикальной стойки боковой стенки:

Фильтрация (сглаживание) облака точек. В силу физического принципа сканирования облако точек содержит много шумов. Поэтому фильтрация -это необходимая операция, которая применяется всеми разработчиками сканирующих систем.

Распознавание отдельных элементов.  Из облака точек выделяется  подмножество, которое соответствует заданному элементу, в данном случае, вертикальной стойке (см. Рис.2).

         Вопросы разработки и выбора алгоритма сглаживания, а также распознавания (выделения) характерных элементов имеют большое значение в решении задач сканирования трехмерных объектов сложной формы, однако они выходят за рамки данной статьи и рассматриваться не будут.

Построение геометрической модели элемента.

Форму вертикальной стойки (ее изгиб в направлении оси X, см. Рис.2) будем аппроксимировать кривой второго порядка:       

Технологии
и услуги

Записей не найдено.