一种基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置及方法。该装置包括五个激光位移传感器；沿列车前进方向轨道内侧依次设置第一、二、三激光位移传感器，第三、一激光位移传感器对称的轨道外侧设置第四、五激光位移传感器。方法为：关于轨道对称的两个激光位移传感器同时获取车轮踏面轮廓线，然后计算出轮缘高与轮缘厚并求其平均值；第一、二、三激光位移传感器同时获取车轮踏面曲线，提取踏面右端面，确定踏面右端面的横坐标，提取对应的踏面基准点坐标；提取车轮圆心与第二激光位移传感器在同一竖直线时第一、二、三激光位移传感器的踏面基准点坐标，计算车轮直径。本发明专利技术为在线非接触式测量，布设方便、测量简单、测量精度高。

Device and method for on-line measuring wheel set size based on laser displacement sensor

The invention discloses a pair of wheel size on-line detection device and method based on laser displacement sensor. The device includes five laser displacement sensor; along the running direction of the train track followed by the inner set first, second, third laser displacement sensor, lateral track third, first laser displacement sensors are symmetrically arranged fourth, fifth laser displacement sensor. Methods: two laser displacement sensors on the orbital symmetry and obtain surface contour of the wheel, and then calculate the flange and the flange thickness and for its high average; first, second, third laser displacement sensor and obtain surface curve of wheel tread, from the right end, determine the abscissa tread the right end, extracting the corresponding step datum point coordinates extraction; wheel center and second laser displacement sensor first, second, third in the same vertical line when the laser displacement sensor tread base point coordinate, calculation of wheel diameter. The invention is an on-line non-contact measurement, which has convenient arrangement, simple measurement and high measuring accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置及方法
本专利技术属于交通安全工程
，特别是一种基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置及方法。
技术介绍
轮对是城轨车辆与轨道耦合的关键部件，其状态的好坏直接关系到城轨交通的行车安全。在车辆运行过程中，轮对的踏面和轮缘部分与钢轨接触摩擦，造成轮对踏面和轮缘磨耗，使得轮对尺寸参数发生变化。轮对尺寸参数的变化对车辆相关技术性能甚至运营安全有巨大影响，因此及时准确的进行轮对尺寸检测，掌握轮对运行状态，具有重要的现实意义。轮对尺寸的在线检测技术和系统一直是国内外轨道交通研究的重点。国外轮对尺寸的在线检测技术与应用已经较为成熟，但由于设备规模大、安装基础要求高、价格昂贵，导致国外的系统不适合国内地铁公司的实际情况。我国的成都主导科技有限公司和西南交通大学采用激光视觉传感技术和电磁超声探伤技术，联合研制出轮对故障在线检测系统，但是因为采用了大量的测量器件，导致结构复杂、造价昂贵，且实际应用中无法取代已有的人工检测。北京交通大学的研究人员采用两个激光位移传感器和涡流位移传感器相结合的方法获取轮对外形尺寸，该方法在实际应用时存在涡流位移传感器难以选型等困难，且传感器一致性较差，难以在实际中推广应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种实用性强、精度高、测量原理简单的基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置及方法，能够实现轮对尺寸在线非接触式测量。实现本专利技术目的的技术解决方案是：一种基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置，包括第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4和第五激光位移传感器L5，五个激光位移传感器均为基于三角测量原理的2D激光位移传感器；所述第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3沿列车前进方向依次设置在轨道内侧，第五激光位移传感器L5设置在第一激光位移传感器L1对称的轨道外侧，第四激光位移传感器L4设置在第三激光位移传感器L2对称的轨道外侧。一种基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测方法，包括以下步骤：步骤1，布设传感器：沿列车前进方向，在轨道内侧依次设置第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3，在轨道外侧设置第五激光位移传感器L5、第四激光位移传感器L4，第三激光位移传感器L3和第四激光位移传感器L4、第一激光位移传感器L1和第五激光位移传感器L5关于二者之间的轨道对称设置；步骤2，坐标变换、数据融合：第一激光位移传感器L1、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4、第五激光位移传感器L5同时探测车轮输出探测点坐标后，通过坐标变换和坐标平移分别将第一激光位移传感器L1和第五激光位移传感器L5、第三激光位移传感器L3和第四激光位移传感器L4同一时刻的输出点融合到同一坐标系上，融合后的点即为踏面轮廓线上的离散点，根据踏面轮廓外形几何关系计算出轮缘高h1、h2，轮缘厚d1、d2，并对分别对轮缘高h1和h2，轮缘厚d1、d2求平均值，得到最终的轮缘高h、轮缘厚d；步骤3，踏面右端面提取：根据第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3经步骤2坐标变换之后的数据，对踏面右端面进行提取，得出踏面右端面的横坐标；步骤4，提取第二激光位移传感器L2与车轮圆心在同一竖直线时的踏面基准点：当第二激光位移传感器L2到轮缘最低点距离最短时，此时第二激光位移传感器L2与车轮圆心在同一竖直线，对该时刻踏面曲线进行分段拟合后，根据步骤2得到的踏面右端面横坐标提取第一激光位移传感器L1、第三激光位移传感器L3测得的踏面基准点坐标；步骤5，计算车轮直径：设定第二激光位移传感器L2的踏面基准点坐标为(0,0)，根据步骤4得到的第一激光位移传感器L1、第三激光位移传感器L3测得的踏面基准点坐标建立坐标系，计算车轮直径。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：(1)测量原理简单，只需五个激光位移传感器即可实现对轮对尺寸的检测，系统稳定性高；(2)在线非接触式测量，提高了检测效率和精度，为实现轮对尺寸在线测量提供了一种新的解决方案。附图说明图1是本专利技术中基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置的结构示意图。图2是本专利技术中四个激光位移传感器与车轮之间的安装角度的示意图。图3是本专利技术中轮对踏面探测激光位移传感器安装示意图。图4是本专利技术中经坐标变换、数据融合后的踏面数据点示意图，其中(a)为第三、第四激光位移传感器的融合结果图，(b)第一、第五激光位移传感器的融合结果图。图5是本专利技术中车轮直径在线检测装置的工作原理示意图。具体实施方式本专利技术是基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测方法，首先对传感器输出数据进行处理，获得踏面基准点坐标，然后根据几何关系计算得到轮径。下面结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。结合图1，本专利技术基于激光位移传感器的非接触式轮对尺寸在线检测装置，包括第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4、第五激光位移传感器L5，其中第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3沿列车前进方向依次设置在轨道内侧，第五激光位移传感器L5设置在第一激光位移传感器L1对称的轨道外侧，第四激光位移传感器L4设置在第三激光位移传感器L2对称的轨道外侧。结合图2～3，两个激光位移传感器与车轮之间的安装角度示意图。所述第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4、第五激光位移传感器L5至轨道的垂直距离均为L，L的范围为200mm～400mm；第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4、第五激光位移传感器L5与铅垂线的夹角分别为β1、β2、β3、β4、β5，β1、β2、β3、β4、β5的范围为40°～60°；第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4、第五激光位移传感器L5与沿轨道方向的直线夹角分别为a1、a2、a3、a4、a5，a1、a2、a3、a4、a5的范围均为15°～65°。所述第一激光位移传感器L1与第二激光位移传感器L2之间的距离为l1；第二激光位移传感器L2与第三激光位移传感器L3之间的距离为l2；l1、l2的范围均为300mm～550mm。结合图2～4，本专利技术基于激光位移传感器轮对尺寸在线检测方法，包括以下步骤：步骤1，布设传感器：沿列车前进方向，在轨道内侧依次设置第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3，在轨道外侧设置第五激光位移传感器L5、第四激光位移传感器L4，第三激光位移传感器L3和第四激光位移传感器L4、第一激光位移传感器L1和第五激光位移传感器L5关于二者之间的轨道对称设置；步骤2，坐标变换、数据融合：第一激光位移传感器L1、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4、第五激光位移传感器L5同时探测车轮输出探测点坐标后，通过坐标变换和坐标平移分别将第一激光位移传感器L1和第五激光位移传感器L5、第三激光位移传感器L3和第四激光位移传感器L4同一时刻的输出点融合到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置，其特征在于，包括第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4和第五激光位移传感器L5，五个激光位移传感器均为基于三角测量原理的2D激光位移传感器；所述第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3沿列车前进方向依次设置在轨道内侧，第五激光位移传感器L5设置在第一激光位移传感器L1对称的轨道外侧，第四激光位移传感器L4设置在第三激光位移传感器L2对称的轨道外侧。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置，其特征在于，包括第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4和第五激光位移传感器L5，五个激光位移传感器均为基于三角测量原理的2D激光位移传感器；所述第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3沿列车前进方向依次设置在轨道内侧，第五激光位移传感器L5设置在第一激光位移传感器L1对称的轨道外侧，第四激光位移传感器L4设置在第三激光位移传感器L2对称的轨道外侧。2.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测装置，其特征在于，所述第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4、第五激光位移传感器L5至轨道的垂直距离均为L，L的范围为200mm～400mm；第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4、第五激光位移传感器L5与铅垂线的夹角分别为β1、β2、β3、β4、β5，β1、β2、β3、β4、β5的范围为40°～60°；第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4、第五激光位移传感器L5与沿轨道方向的直线夹角分别为a1、a2、a3、a4、a5，a1、a2、a3、a4、a5的范围为15°～65°；所述第一激光位移传感器L1与第二激光位移传感器L2之间的距离为l1；第二激光位移传感器L2与第三激光位移传感器L3之间的距离为l2；l1、l2的范围为300mm～550mm。3.一种基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，布设传感器：沿列车前进方向，在轨道内侧依次设置第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3，在轨道外侧设置第五激光位移传感器L5、第四激光位移传感器L4，第三激光位移传感器L3和第四激光位移传感器L4、第一激光位移传感器L1和第五激光位移传感器L5关于二者之间的轨道对称设置；步骤2，坐标变换、数据融合：第一激光位移传感器L1、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4、第五激光位移传感器L5同时探测车轮输出探测点坐标后，通过坐标变换和坐标平移分别将第一激光位移传感器L1和第五激光位移传感器L5、第三激光位移传感器L3和第四激光位移传感器L4同一时刻的输出点融合到同一坐标系上，融合后的点即为踏面轮廓线上的离散点，根据踏面轮廓外形几何关系计算出轮缘高h1、h2，轮缘厚d1、d2，并对分别对轮缘高h1和h2，轮缘厚d1、d2求平均值，得到最终的轮缘高h、轮缘厚d；步骤3，踏面右端面提取：根据第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3经步骤2坐标变换之后的数据，对踏面右端面进行提取，得出踏面右端面的横坐标；步骤4，提取第二激光位移传感器L2与车轮圆心在同一竖直线时的踏面基准点：当第二激光位移传感器L2到轮缘最低点距离最短时，此时第二激光位移传感器L2与车轮圆心在同一竖直线，对该时刻踏面曲线进行分段拟合后，根据步骤2得到的踏面右端面横坐标提取第一激光位移传感器L1、第三激光位移传感器L3测得的踏面基准点坐标；步骤5，计算车轮直径：设定第二激光位移传感器L2的踏面基准点坐标为(0,0)，根据步骤4得到的第一激光位移传感器L1、第三激光位移传感器L3测得的踏面基准点坐标建立坐标系，计算车轮直径。4.根据权利要求3所述的基于激光位移传感器的轮对尺寸在线检测方法，其特征在于，步骤2所述坐标变换、数据融合，具体如下：步骤2.1、第一激光位移传感器L1、第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3、第四激光位移传感器L4、第五激光位移传感器L5同时探测车轮得到探测点坐标，所述探测点坐标以激光发射方向的中心线为y轴、垂直于激光发射方向中心线的直线为x轴、激光源为坐标原点；步骤2.2、对第四激光位移传感器L4和第一激光位移传感器L1输出的二维坐标值根据以下公式进行坐标变换，得到以激光源为原点、垂直于轨道的直线为x轴、平行于车轮端面的直线为y轴的坐标系下的坐标值其中，βi为激光位移传感器与铅垂线的夹角；上标i＝1,4分别对应第一激光位移传感器L1、第四激光位移传感器L4；步骤2.3、对第二激光位移传感器L2、第三激光位移传感器L3及第五激光位移传感器L5输出的二维坐标值根据以下公式进行坐标变换，得到以激光源为原点、垂直于轨道的直线为x轴、平行于车轮端面的直线为y轴的坐标系下的坐标值

【专利技术属性】
技术研发人员：李婷，杨志，臧瑶，徐坤，邢宗义，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32