摘要：基于激光三角原理提出了一种用于桥门式起重机轨道检测的方法，并开发了适于此类轨道的检测系统。该系统主要包括轨道测量机器人、全站仪、三维重构计算系统。轨道测量机器人携带角隅棱镜沿轨道前进，全站仪实时追踪角隅棱镜的位置，根据记录数据重构出轨道顶面中心线的空间形状，进而计算出轨道的直线度，双轨平行度，轨道跨距等参数，以此为依据对轨道进行维修或者更换。该系统的测量精度可达 2 mm，与原有检测方法相比，其检测效率提高约50%。
关键词：桥式门式起重机；轨道检测；全站仪；三维重构
1. 引言
桥门式起重机在正常运行时，车轮轮缘与轨道应保持有一定的间隙（20~30 mm）。在生产实践中，起重机啃轨问题一直是影响其正常运行的难题，轻则降低设备的工作效率，加重维护工作量和运行成本费用，重则导致安全隐患，酿成人身或设备事故[4]。因此及时检测轨道的状态，提前维修或者更换，防止发生更大的事故是非常重要的。
目前，对啃轨判断主要有2种方法，经验法[5]和车轮检测法[6]。经验法主要是根据以往啃轨引起的现象来判断当前是否发生啃轨，如轨道侧面有明显的摩擦痕迹、起重机的运行阻力增大等，这种方法的准确性较差，车轮检测法是通过测量起重机车轮的水平偏差、垂直偏差以及跨距来判断轨距和轨道的弯曲程度，测量精度不高。本文根据激光三角原理[7]，提出了一种新的起重机轨道检测方法，并开发了相应的检测系统。该检测系统主要包括全站仪，轨道检测机器人和重构计算系统等3部分。轨道检测机器人携带角隅棱镜沿轨道前行，棱镜到轨道一侧的距离保持不变，而全站仪实时追踪并记录棱镜的位置。通过数据处理可以将2轨道顶面中心线重构，计算出起重机轨道的直线度、双轨的平行度、轨道跨距等参数。该系统根据常用轨道的截面尺寸设计并适用于宽度在70~130 mm的起重机轨道和宽度为68 m和70 mm的重轨，测量精度为 2 mm。检测的速度为0.2~0.3 m/s，因此可极大地提高检测效率。
2. 轨道检测机器人的结构设计
由于要在高空轨道上行驶，应尽量简化结构减轻重量，保证运行平稳；有光电式和机械式防撞开关双重保险，一旦轨道检测机器人运行过程中遇到障碍物可及时停止；安装防侧翻机构，如果轨道检测机器人发生倾斜，由防侧翻机构抱紧轨道保证其不会从高空轨道坠落，对地面工作人员及物品造成重大伤害，并保护设备自身的安全；有慢速测量（0.1~0.2 m/s，实现无级变速）和快速退回（0.3 m/s）2级变速和正反向运行。
轨道检测机器人按功能结构划分主要包括标记部件、机架部件、防撞装置、侧轮与防侧翻装置、棱镜、遥控装置和外壳部件等。其外形尺寸约为500 mm 150 mm 200 mm（长 宽 高）。
2.1 机架部件
机架主要包括底盘、支架、前后轮和驱动电机。前后轮可使机器人与轨道保持3点接触，运行平稳，前轮的跨距不能超过待测轨道面的最小宽度70 mm，本设计中取前轮跨距为60 mm。底盘为厚度3.0 mm的钢板，用于安装和定位其他各零部件。为了轨道检测机器人的中心不偏移出轨道面，应尽量降低其重心高度，即底盘距离轨道面的距离应尽可能减小。根据三维建模软件solidworks建立轨道检测机器人的模型并定义各零件的材料，计算出该机器人重心高度为32.9 mm，横向偏离中心线2.8 mm，因此其重心不会偏离出轨道面。
支架保持了轨道检测机器人机身不发生形变，是该机器人的骨架结构。根据其在运行过程中需要克服轮子与轨道间的摩擦力消耗的功率，该机器人的重量约为10kg，主动轮与轨道间的摩擦力作为轨道检测机器人运行的主动力，主动轮与轨道的摩擦力按滑动摩擦力计算，该机器人工作时要求运行平稳，钢轨上面会有较多灰尘，满足2级变速和正反转的要求。确定选择24V直流电动机。
2.2 防撞装置
轨道检测机器人在运行遇到障碍物时应自动停止，故设置双向防撞装置：有机械防撞装置和光电开关2层防撞措施。光电开关可检测到前方轨道上1000~500 mm内的障碍物，断开电机电源，轨道检测机器人自动停止运行。一旦光电开关失灵，由机械防撞装置撞击障碍物后断开电源，以保障轨道检测机器人的安全。
2.3 加紧及防侧翻装置
为保障轨道检测机器人的平稳运行，设置侧轮加紧轨道两侧和防止轨道检测机器人发生侧翻坠落的机构，即侧轮及防侧翻装置（见图1）。4个侧轮左右对称加紧轨道两侧，根据被测轨道的实际宽度，调整调节螺栓的位置直到加紧力适当（弹性侧轮侧弹簧被压缩的长度为原长的1/2）。当轨道某段受磨损变窄时弹性侧轮杆在弹簧作用下伸出，保证侧轮时刻贴紧轨道侧面，轨道检测机器人在运行过程中不会震动或者晃动。固定侧轮保证棱镜到轨道一侧的距离不变，作为测量的基准。
图1 防侧翻机构示意图
由于侧轮在高度方向的不可调节性，侧轮高度设计以中型轨道为依据，使侧轮加紧中型轨道的中间部位，在夹持小型轨道的时候侧轮加紧位置偏下，夹持大型轨道时侧轮加紧位置偏上，但是总能保证安全夹持。
防侧翻装置主要是防止轨道检测机器人行走时发生意外从轨道上坠落。防侧翻杆宽度方向上的缩紧与张开与两侧侧轮保持一致，以适应不同宽度的轨道，并且在防侧翻杆的端部开设调整槽，实现高度方向上的可调性。
防侧翻装置正常状态下不与轨道接触，小车发生倾斜时两侧防侧翻杆抱紧轨道需要满足条件S D/2。根据不同的轨道，通过改变防侧翻杆与导杆的夹角 以满足条件。
2.4 其他部件
棱镜部件是轨道检测机器人的核心部件，角隅棱镜反射全站仪发射的激光束，由CCD接受，通过数据计算重构出轨道的模型，是判断轨道是否合格的依据。采用工业2.0遥控器，可以在10 km范围内接收信号，控制轨道检测机器人的快慢速前进、后退、止步及打标记等动作。
3 .全站仪
全站仪选用徕卡公司的TPS1202，该仪器可以实现高精度的角度测量和长测程距离测量，能够自动搜索对应的角隅棱镜。自动目标搜索是利用CCD阵列识别测量棱镜的位置。仪器发射一束激光，经棱镜反射后由CCD接收。反射光点到CCD中心的相关位置被计算出来，称为ATR偏置。此偏置值可用来驱动仪器将仪器的十字丝对准棱镜。然后进行快速、连续测量，其最大测程达到3000m，测量精度可达2mm，角度测量精度可达1 [7]。
4 .测量原理
测量时将轨道检测机器人放置在轨道上，根据被测轨道的宽度调节其侧轮位置，使其加紧轨道并且角隅棱镜大致位于轨道中心线上，将全站仪置于水平面上2轨道间的某处。如图2所示，取全站仪侧头位置为坐标系原点0，棱镜距离轨道面一定高度由轨道检测机器人带动沿轨道前进，（由于棱镜距离轨道面的高度h一定，将计算结果的y值减去h就是实际轨道的高度）。
由图2可知，Pi的三维坐标xi，yi，zi分别为：ONi（P iMi），PiP i，OMi全站仪可以测量记录的数据有：测量距离Si，垂直转角ai，水平转角 i，则有
yi＝Si sinai
tg ＝xi/zi
x2i＋z2i＝（Si sinai）2
整理得
（1）
轨道检测机器人前进过程中全站仪测量并记录下一系列[Si，ai， i]，保持全站仪在原位置不动，将轨道检测机器人移至轨道2上进行测量，记录下另外一组[Si，ai， i]，由式（1）可以对2轨道顶面中心线进行三维重构[8,9,10]。由此计算起重机轨道的直线度、双轨的平行度和轨道跨距等参数。
表1 实验数据记录