毛坯板检测系统研究
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摘要：本文通过对CRTSII型板的检测系统进行研究，把工业测量应用于高铁检测，填补了国内外在高铁CRTSII板检测方面的空白，使国内外在CRTS II型板检测方面向前迈进了一大步。
关键词：毛坯板检测系统研究
0引言
CRTS II型轨道板，源自于德国博格公司的博格板，国内有关部门通过对博格板制作技术的全面消化、吸收与设备的研发改进，形成了CRTS II型轨道板。CRTS II型轨道板的制造质量决定了它在线路上的铺设精度，直接影响整条线路的平顺性、施工进度与施工成本。因此为了保障轨道板的制板质量，控制毛坯板的打磨量，提高制板效率、控制制板成本，需要对轨道板在制造过程进行几何参数的检测与控制。
1毛坯板测量方法研究内容
毛坯板质量的好坏直接影响其生产质量，通过毛坯板的测量数据可以反调模具，所以对毛坯板的检测尤其重要。其主要内容有：承轨台预埋套管的直线度、每列承轨台的平面度、小钳口尺寸（承轨台内部尺寸）、大钳口尺寸（承轨台外部尺寸）、两列承轨台面的夹角、承轨台的钳口直线度、承轨台钳口中线直线度、所有承轨台中心点形成的平面度等。检测精度根据不同的检测项目，要求在0.3mm～1.0mm之间。为此，我们研发了毛坯板检测系统。
1.1 坐标系统的确定
为保障检测精度与检测效率，根据毛坯板检测的现场情况，通过比较测试选定了最佳的坐标系确定方案，即选择毛坯板左承轨台的第1个预埋套管点为坐标原点、通过右承轨台的第1个预埋套管点的水平连线为X轴，通过原点向上的铅垂线为Z轴，构成右手直角坐标系。
1.2 检测内容
毛坯板承轨台几何参数的检测内容如：承轨台大、小钳口的几何参数是空间概念，需要通过专门工装来体现测量位置。
根据毛坯板的特点自主研发出平台式检测工装，在工装上雕刻花瓣形球棱镜放置位置，确保精密角凹型球棱镜中心的复现精度。工装采用特制钢材，经过多次试验改进后形成三点支撑一个平板，接触面采用线和点的接触方式。顶面花瓣形中心注入强磁，以免球棱镜滑脱。
把平台式检测工装分别左靠、右靠同一承轨台的挡肩面， NET05全站仪双盘位准确测量工装上的精密角凹型球棱镜，完成左右两列承轨台的数据采集后，现场就可以调用软件计算出大钳口尺寸、小钳口尺寸、轨底坡、平面度（打磨量）、钳口直线度、钳口中线直线度等内容。
1.3 数据处理方法与软件开发
涉及到的数学计算内容有：点与点之间的距离计算、多点组成的直线拟合与直线度分析、多点组成的平面拟合与平面度分析、平面与平面间的夹角计算等。
两点之间空间距离的计算
已知空间两点的坐标P1（X1、Y1、Z1），P2（X2、Y2、Z2），由以下公式（1）计算两点间的空间距离S：
（1）
直线方程与直线拟合
一般来讲，空间两点就可确定一条直线，即空间两点共6个坐标值的观测值组合方程，就可求解上述6个未知参数。
实际上，每条直线上的模具预埋件套管的测量点有10个，因此存在多余观测条件，可以组成误差方程，按最小二乘法拟合计算由该10个观测点共同组成的最佳空间直线，并由此可以直接统计分析直线度。我们采用的是最小二乘法评定直线度误差的判别法。最小二乘法的关键是首先由测得点求出最小二乘中线，即工业测量中所谓的空间直线的最小二乘拟合。
过一点(X0,Y0,Z0)，且方向数为a,b,c的空间直线的参数方程为
由于为非线性方程，故需迭代求解。
最小二乘中线lLS求出来后，只要求出每个测量点到lLS的距离，即可得到dmax，空间任意方向的直线度2dmax。
对给定平面（假设为XOZ平面）内的最小二乘中线的直线求法与空间直线的求法类似，设在XOZ平面内的最小二乘中线方程为
Z=aX+b
上式写成误差方程为：
Vi=Xida+db-li
其中
li=Zi-(a0Xi+b0)
至少有n(n≥2)个点，就可求出在给定平面XOZ内的最小二乘中线lLS。
平面方程与平面拟合
一般来讲，空间3个点就可以确定一个平面，而在每列模具承轨台平面度检测中，采集的空间点一般有20来个。因此同样存在多余观测条件，可以组成误差方程，按最小二乘法拟合计算由该20个观测点共同组成的最佳空间平面，并由此可以进行平面度的统计分析。
空间平面的数学方程一般表达式如式（2）所示。
因此第i个观测点的误差方程为
据最小二乘可组成如下法方程：
=
式中n为观测点个数，按上式可方便的解出平面参数a、b、c。
平面夹角
如上所述，通过空间拟合计算，确定如式（2）所示的2个平面方程后，即可按式（3）方便地计算该两平面的夹角θ。
2小结
将工业测量方法及原理成功应用于毛坯板检测，填补了国内外在高铁检测方面的空白，使国内外在CRTS II型板检测方面向前迈进了一大步。目前，该检测方法在世界处于领先地位。同时该测量方法也适用于船舶、汽车、核工业等其他行业的大物体外形测量。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
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