CN108662997A - 通用crtsⅲ型无砟轨道板关键几何尺寸加工偏差快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通用CRTSⅢ型无砟轨道板关键几何尺寸加工偏差快速检测方法，根据CRTSⅢ型轨道板的设计几何尺寸参数建立独立轨枕三维模型，通过轨枕三维模型组合建立相应型号的轨道板三维模型；采用模板驱动的方法完成承轨台点云分割，对承轨台的承轨面及其内外侧钳口面进行标记，并确定预埋套管中心位置和半径；采用顾及承轨台结构特征的点云降采样方法对承轨台点云进行压缩；采用附加预埋套管中心纵向偏差约束的最小二乘表面配准算法进行将左右承轨台三个关键面点云与轨道板中对应轨枕的三维模型对齐；根据CRTSⅢ型轨道板设计参数的定义，在承轨台点云上完成轨道板关键几何尺寸加工偏差的快速检测。本发明通用性和灵活性好，同时精度能够满足检测需求。

Description

通用CRTSⅢ型无砟轨道板关键几何尺寸加工偏差快速检测 方法

技术领域

本发明涉及高速铁路轨道板检测技术领域，具体为一种通用CRTSⅢ型无砟轨道板关键几何尺寸加工偏差快速检测方法。

背景技术

CRTSⅢ型板式无砟轨道板是我国自主研发、具有完全的自主知识产权的一项重大的科技成果，也是我国高速铁路无砟轨道技术实现国产化的重要标志。CRTSⅢ型板式无砟轨道为带挡肩的新型单元式板式无砟轨道，主要由钢轨、扣件、预制轨道板、配筋的自密实混凝土、限位挡台、中间隔离层(土工布)和钢筋混凝土底座等部分组成。为适应不同跨度的梁，CRTSⅢ型轨道板有多种长度不同的型号，不同型号CRTSⅢ轨道板上各承轨台的尺寸是一致的，其差异在于每块板上的轨枕数量、轨枕间隔以及板上第一个轨枕及最后一个轨枕到板端距离不一致。CRTSⅢ轨道板由于采用一体成型技术，若在生产过程中一块轨道板不合格，对后续的所有轨道板的施工布设和精调工作带来巨大影响。因此，轨道板在出厂之前须对每一块轨道板的加工尺寸进行检测，检测项目包括同一承轨槽两相邻套管中心距、预埋套管的歪斜、凸起高度、预埋套管处承轨台横向位置偏差、预埋套管处垂向位置偏差、单个承轨台钳口距离、承轨台与钳口面夹角、承轨面坡度、承轨台间外钳口间距和承轨台外钳口距外侧套管。

目前，高速铁路CRTSⅢ型无砟轨道板外形尺寸的检测方法主要有：

第一种是人工使用游标卡尺以及相关的检测工装和利用带有马达驱动的全站仪加检测工装的方法对轨道板检测的方法。目前是工程上应用最广泛的检测手段，此方法操作简单，但是需要繁多的检测工装在测量过程中会造成精度的丢失，且需要较多的人员参与检测，繁多的检测项目以及需要较多的检测工装且对需要做检测的场地要求也高，使得检测效率较低。

第二种近景摄影测量加机械驱动的方式：卢书在《高速铁路轨道板快速精密检测技术研究》以及范生宏在《基于数字摄影测量的轨道板快速检测关键技术研究》中论述了此种方法。利用近景摄影测量的检测技术，通过机械驱动的方式，沿着预先设定的对于相机的位置进行标定来采集数据信息，中间还需要一些标靶的设置，而标靶的设置和精度对于最终的检测效率和检测结果有一定程度的影响。

中国发明专利申请号201720916257.0中名称为一种CRTSⅢ型板式无砟轨道板检测系统，利用机械臂以及摄影成像的系统进行数据采集，利用机械臂不同关节处的局部坐标系将扫描结果传入到控制台程序中进行检测，此方法在轨道板的检测效率上有很大的提升，但其在检测过程中依赖于机械臂的定位精度，因此该方法中机械臂的定位误差对于最终检测结果的影响显著。

中国发明专利申请号为201610171840.3发明名称为“检测CRTSⅢ型轨道板外观尺寸偏差的方法”的中国发明专利申请中，采用激光跟踪仪和手持扫描仪组合方式来采集数据结合点云处理算法最终实现了快速的CRTSⅢ型轨道板检测。但是该方法利用激光跟踪仪的姿态将点云纠正到轨道板坐标系，其中激光跟踪仪的精度也会对最终检测结果产生影响。且在对于预埋套管相关检测项目偏差时，借助球形自归心工装，通过扫描的自归心工装顶部球形模型点云来间接来测得预埋套管的中心，此过程中自归心球形工装的误差最终将影响对预埋套管中心的检测结果，且对于规范中要求的预埋套管歪斜值无法检测。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种通用性好，精度高，灵活性强的通用CRTSⅢ型无砟轨道板关键几何尺寸加工偏差快速检测方法。技术方案如下：

一种通用CRTSⅢ型无砟轨道板关键几何尺寸加工偏差快速检测方法，包括以下步骤：

S1：根据CRTSⅢ型轨道板的设计形状和尺寸建立独立轨枕三维模型，再根据轨枕数、轨枕间隔、第一个轨枕到板首端和最后一个轨枕到板末端距离四个参数，通过轨枕三维模型组合建立不同型号的轨道板三维模型；

S2：采用模板驱动的方法完成承轨台点云分割，将承轨台点云中对应的承轨面、内侧和外侧的钳口面作为三个关键面，分别进行标记，并确定承轨台点云中对应的预埋套管中心位置和预埋套管半径；

S3：采用顾及承轨台结构特征的点云降采样法对承轨台点云进行压缩；

S4：采用附加预埋套管中心纵向偏差约束的最小二乘表面配准算法进行将左右承轨台所述三个关键面的点云与轨道板中对应轨枕的三维模型对齐；

S5：根据CRTSⅢ型轨道板设计参数的定义，在承轨台点云上完成待检测参数的量测计算，并与设计参数相比较，得到轨道板几何尺寸的加工偏差。

进一步的，所述待检测参数包括：同一承轨槽两相邻套管中心距、预埋套管凸起高度、预埋套管歪斜、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、单个承轨台钳口距离、承轨面与钳口面夹角、承轨面坡度、承轨台间外钳口间距和承轨台外钳口距外侧套管中心距。

更进一步的，所述采用模板驱动的方法完成承轨台点云分割具体为：在点云局部扫描坐标系内，以轨枕三维模型中承轨面为基础，去掉点云中对应的由外边缘向内2～3cm的局部范围，并去掉以预埋套管中心为圆心，半径为3～4cm的局部范围，建立承轨面模板；以轨枕三维模型中内侧和外侧的钳口面为基础，去掉掉点云中对应的由外边缘向内1～2cm的局部范围，建立内侧和外侧的钳口面模板。

更进一步的，所述确定预埋套管中心位置和预埋套管半径的方法为：在承轨台承轨面点云上提取预埋套管的边界点进行参数拟合；其中利用Alpha-Shape算法提取预埋套管的边界点，然后利用加权最小二乘法拟合圆的方法得到预埋套管中心的坐标及预埋套管半径。

更进一步的，所述采用顾及承轨台结构特征的点云降采样法对承轨台点云进行压缩具体为：对承轨面、内侧和外侧的钳口面三个关键面对应的点云按比例参数1进行抽稀；承轨面内预埋套管区域的点密度保持不变，对承轨台点云中除承轨面、内侧和外侧钳口面以及预埋套管区域以外的点云按照参数2进行抽稀，且比例参数1小于比例参数2。

更进一步的，所述S4具体为：将左右承轨台点云与轨枕模型分别进行配准，配准过程首先以表面法线方向为准，建立承轨面及其内、外侧钳口面与承轨台点云中各点的对应关系；然后基于刚体模型原理建立模型与点云之间的匹配方程，利用最小二乘技术对该方程进行迭代求解获得模型与点云之间的转换参数；在每次迭代结束后，利用步骤S2中确定的预埋套管中心位置对模型和点云在L轴方向上的偏差进行调整；然后继续迭代，直到模型与表面之间的偏差小于设定的阈值，配准完成。

本发明的有益效果是：本发明通用性好，能够适应所有型号的CRTSⅢ型轨道板的关键几何尺寸检测；精度高，系统精度可达到0.1mm，满足轨道板的检测精度需求；系统的灵活性好，不依赖机器人、光学跟踪器、全站仪等外部精确定位设备来实现扫描点云的定位和定姿。

附图说明

图1为本发明的检测方法流程图。

图2a为轨枕LQZ坐标系示意图，图2b为轨道板L’QZ坐标系示意图；

图中：轨枕LQZ坐标系原点O位于轨枕右侧承轨台外侧套管中心，Q轴为轨枕两个承轨台外侧套管制中心方向，Z轴为板面垂向法向，L轴与Q轴和Z轴正交，L’轴与L轴一致。

图3为承轨台正视图；图中：1-承轨面；2-钳口面；3-预埋套管中心；4-承轨面模板。

图4为承轨台侧斜视图；图中：5-钳口面模板。

图5a、图5b、图5c为预埋套管与承轨面姿态情况；6-预埋套管。

图6为承轨面沿法向方向平移28mm后的位置图；7-平移后承轨面与外侧钳口面的交线；8-平移后承轨面与内侧钳口面的交线。

图7为轨道板左侧承轨台侧斜视图；9-承轨台承轨面与钳口面形成的夹角。

图8为承轨台侧视截面图；10-水平面；11-承轨面与水平面形所呈现的坡度。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1中所示，本发明的对于CRTSⅢ型无砟轨道板外形尺寸偏差检测的方法主要有一些几个步骤：

S1：首先根据CRTSⅢ型轨道板的设计形状和尺寸建立单一轨枕三维模型，然后根据轨枕数、轨枕间隔、第一个轨枕到板首端和最后一个轨枕到板末端距离四个参数，通过轨枕三维模型组合建立不同型号的轨道板三维模型。

轨道板模型的具体生成方法为：根据CRTSⅢ型轨道板设计尺寸，首先建立如图2所示的轨枕坐标系LQZ，在该坐标系内生成单根轨枕模型；然后以对应型号轨道板第一根轨枕的轨枕坐标系作为如图2所示的轨道板坐标系L’QZ，轨枕坐标系的Q轴和Z轴的定义一致；然后根据该型轨道板轨枕数、轨枕间隔、第一个轨枕到板首端和最后一个轨枕到板末端距离四个参数，将其余各轨枕的模型组合得到该型轨道板的模型。

S2：采用模板驱动的方法完成承轨台点云分割，对承轨台的承轨面1及其内、外侧钳口面2三个关键面进行标记，并确定预埋套管中心3位置和半径。

采用模板驱动的方法完成承轨台点云分割具体为：所述采用模板驱动的方法完成承轨台点云分割具体为：在点云局部扫描坐标系内，以轨枕三维模型中承轨面1为基础，去掉点云中对应的由外边缘向内2～3cm的局部范围，并去掉以预埋套管中心3为圆心，半径为3～4cm的局部范围，建立承轨面模板4；以轨枕三维模型中内侧和外侧的钳口面2为基础，去掉点云中对应的由外边缘向内1～2cm的局部范围，建立内侧和外侧的钳口面模板5。

预埋套管中心位置和半径确定方法为：在承轨台承轨面点云上提取预埋套管的边界点进行参数拟合；其中利用Alpha-Shape算法提取预埋套管的边界点，然后利用加权最小二乘法拟合圆的方法得到预埋套管中心的坐标及预埋套管半径。

S3：采用顾及承轨台结构特征的点云降采样方法对承轨台点云进行压缩。

具体为：对承轨面1、内侧和外侧的钳口面2三个关键面对应的点云按比例参数1进行抽稀；承轨面内预埋套管区域的点密度保持不变，其余部分按照参数2进行抽稀，且比例参数1小于比例参数2。

S4、采用附加预埋套管中心纵向偏差约束的最小二乘表面配准算法进行将左右承轨台三个关键面点云与轨道板中对应轨枕的三维模型精确对齐，将点云从局部扫描坐标系转换到轨道板坐标系内。

具体为：左右承轨台点云与轨枕模型分别进行配准；配准过程首先以表面法线方向为准，建立承轨面1及其内、外侧钳口面2与承轨台点云中各点的对应关系；然后基于刚体模型原理建立模型与点云之间的匹配方程，利用最小二乘技术对该方程进行迭代求解获得模型与点云之间的转换参数；在每次迭代结束后，利用步骤S2中确定的预埋套管中心位置对模型和点云在L轴方向上的偏差进行调整；然后继续迭代，直到模型与表面之间的偏差小于设定的阈值，配准完成。

S5、根据CRTSⅢ型轨道板设计参数的定义，在承轨台点云上完成预埋套管和承轨台相关检测项目的量测，并与设计值相比较，得到轨道板几何尺寸的加工偏差。

具体为：在步骤中S4将承轨台点云纳入到到轨枕坐标系和轨道板坐标系之后，根据承轨台点云计算待检测项目的值，并和设计值进行比较计算偏差，按照规范规定的偏差允许值输出检测项目的检测结果和偏差值。

其中，待检测参数包括：同一承轨槽两相邻套管中心距、预埋套管凸起高度、预埋套管歪斜、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、单个承轨台钳口距离、承轨面与钳口面夹角、承轨面坡度、承轨台间外钳口间距和承轨台外钳口距外侧套管中心距。计算方法如下：

同一承轨槽两相邻套管中心距：由同一承轨槽内的两个预埋套管的圆心的三维坐标(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，计算其空间的欧几里德距离。公式如下：

预埋套管歪斜：以预埋套管的中心坐标为基准，沿着预埋套管法向方向向上平移120mm处的点坐标(x₁,y₁,z₁)，计算此点到预埋套管设计中线的距离即为预埋套管的歪斜偏差，承轨面拟合的参数方程为Ax+By+Cz+D＝0。计算公式如下：

预埋套管凸起高度：根据预埋套管面相对于承轨面的位姿关系进行分情况计算其凸起高度，一种是预埋套管面与承轨台面不相交(a,b)，求其预埋套管中心到承轨面的距离。二种是预埋套管与承轨台面相交(c)，计算其最高点到承轨面的距离为预埋套管的凸起高度,承轨台面拟合的参数方程为Ax+By+Cz+D＝0。计算公式如下：

预埋套管处承轨台横向位置偏差：利用同一列承轨台两预埋套管的中心中点，将首末的承轨台两预埋套管中心的中点(l₁,q₁,z₁)(l₂,q₂,z₂)连线，计算其他承轨台两预埋套管中心的中点(l_i,q_i,z_i)到此直线的垂向距离，即两预埋套管中心的中点在垂向面上的投影点(z_i,q_i,0)到此连线在垂向方向上投影线Al+Bq+C＝0的距离。计算公式如下：

预埋套管处承轨台垂向位置偏差：利用同一列承轨台两预埋套管的中心中点，将首末的承轨台两预埋套管中心的中点(l₁,q₁,z₁)(l₂,q₂,z₂)连线，计算其他承轨台两预埋套管中心的中点(l_i,q_i,z_i)到此直线的垂向距离即两预埋套管中心的中点在垂向面上的投影点(l_i,0,z_i)到此连线在垂向方向上投影线Al+Bz+C＝0的距离。计算公式如下：

单个承轨台钳口距离：将承轨面沿承轨面法向方向向上平移28mm后与左右两个钳口面相交于两条直线(7，8)，交线之间的空间距离即为单个承轨台的钳口距离。取其中交线的中点(l₁,q₁,z₁)到交线：的距离即为单个承轨台钳口距离，其计算公式为：

其中为(A_i,B_i,C_i),i＝1,2；

承轨台与钳口面夹角：承轨面和内外侧钳口面的夹角(9)，利用拟合的承轨面的法向量和钳口面法向量计算两法向量之间的夹角即为承轨面与钳口面的夹角。计算公式如下：

承轨面坡度：承轨面相对于水平面(10)的坡度(11)，利用承轨面法向量和水平面法向量求得两平面夹角，求此夹角的正弦值即为承轨面相对于水平面的坡度。计算公式如下：

承轨台外钳口间距：计算同一轨枕上左右承轨台外钳口面与沿承轨面法向向上平移28mm后的承轨面的交线(7)，取其中一交线中点(l₁,q₁,z₁)，求其到另一条直线的距离，计算公式如下：

其中为(A_i,B_i,C_i),i＝1,2；

承轨台外钳口距外侧套管中心距：利用承轨台外侧预埋套管中心沿承轨台法向方向向上平移28mm,与承轨面沿着其法向方向平移28mm，与外侧钳口面相交于直线，计算偏移的中心点(l₁,q₁,z₁)到此交线的距离，即为承轨台外钳口距外侧套管中心距。计算公式如下：

其中为(A_i,B_i,C_i),i＝1,2；

轨道板四角的承轨面水平：利用轨道板四角的四个承轨台上两预埋套管的中心的中点坐标(l₁,q₁,z₁)，(l₂,q₂,z₂)，(l₃,q₃,z₃)和(l₄,q₄,z₄)，用这四个点拟合一个平面Al+Bq+Cz+D＝0，并分别计算四个点到此平面的距离d_i，即为轨道板四角的承轨面水平，计算公式如下：

其中i＝1,2,3,4；

单侧承轨面的中央翘曲量：利用轨道板单侧首尾承轨台上两预埋套管中心的中点坐标连线，计算单侧中央承轨台上两预埋套管中心的中点(l₁,q₁,z₁)到此连线的距离，即为单侧承轨面中央翘曲量，计算公式如下：

其中为(A_i,B_i,C_i),i＝1,2。

Claims (6)

1.一种通用CRTSⅢ型无砟轨道板关键几何尺寸加工偏差快速检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据CRTSⅢ型轨道板的设计形状和尺寸建立独立轨枕三维模型，再根据轨枕数、轨枕间隔、第一个轨枕到板首端和最后一个轨枕到板末端距离四个参数，通过轨枕三维模型组合建立不同型号的轨道板三维模型；

S2：采用模板驱动的方法完成承轨台点云分割，将承轨台点云中对应的承轨面（1）、内侧和外侧的钳口面（2）作为三个关键面，分别进行标记，并确定承轨台点云中对应的预埋套管中心（3）位置和预埋套管半径；

S3：采用顾及承轨台结构特征的点云降采样法对承轨台点云进行压缩；

S4：采用附加预埋套管中心纵向偏差约束的最小二乘表面配准算法进行将左右承轨台所述三个关键面的点云与轨道板中对应轨枕的三维模型对齐；

S5：根据CRTSⅢ型轨道板设计参数的定义，在承轨台点云上完成待检测参数的量测计算，并与设计参数相比较，得到轨道板几何尺寸的加工偏差。

2.根据权利要求1所述的通用CRTSⅢ型无砟轨道板关键几何尺寸加工偏差快速检测方法，其特征在于，所述待检测参数包括：同一承轨槽两相邻套管中心距、预埋套管凸起高度、预埋套管歪斜、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、单个承轨台钳口距离、承轨面与钳口面夹角、承轨面坡度、承轨台间外钳口间距和承轨台外钳口距外侧套管中心距。

3.根据权利要求1所述的通用CRTSⅢ型无砟轨道板关键几何尺寸加工偏差快速检测方法，其特征在于，所述采用模板驱动的方法完成承轨台点云分割具体为：在点云局部扫描坐标系内，以轨枕三维模型中承轨面（1）为基础，去掉点云中对应的由外边缘向内2~3cm的局部范围，并去掉以预埋套管中心（3）为圆心，半径为3~4cm的局部范围，建立承轨面模板（4）；以轨枕三维模型中内侧和外侧的钳口面（2）为基础，去掉点云中对应的由外边缘向内1~2cm的局部范围，建立内侧和外侧的钳口面模板（5）。

4.根据权利要求1所述的通用CRTSⅢ型无砟轨道板关键几何尺寸加工偏差快速检测方法，其特征在于，所述确定预埋套管中心（3）位置和预埋套管半径的方法为：在承轨台承轨面点云上提取预埋套管的边界点进行参数拟合；其中利用Alpha-Shape算法提取预埋套管的边界点，然后利用加权最小二乘法拟合圆的方法得到预埋套管中心的坐标及预埋套管半径。

5.根据权利要求1所述的通用CRTSⅢ型无砟轨道板关键几何尺寸加工偏差快速检测方法，其特征在于，所述采用顾及承轨台结构特征的点云降采样法对承轨台点云进行压缩具体为：对承轨面（1）、内侧和外侧的钳口面（2）三个关键面对应的点云按比例参数1进行抽稀；承轨面内预埋套管区域的点密度保持不变，对承轨台点云中除承轨面（1）、内侧和外侧钳口面（2）以及预埋套管区域以外的点云按照参数2进行抽稀，且比例参数1小于比例参数2。

6.根据权利要求1所述的通用CRTSⅢ型无砟轨道板关键几何尺寸加工偏差快速检测方法，其特征在于，所述S4具体为：将左右承轨台点云与轨枕模型分别进行配准，配准过程首先以表面法线方向为准，建立承轨面（1）及其内、外侧钳口面（2）与承轨台点云中各点的对应关系；然后基于刚体模型原理建立模型与点云之间的匹配方程，利用最小二乘技术对该方程进行迭代求解获得模型与点云之间的转换参数；在每次迭代结束后，利用S2中确定的预埋套管中心位置对模型和点云在L轴方向上的偏差进行调整；然后继续迭代，直到模型与表面之间的偏差小于设定的阈值，配准完成。