（光学工程专业论文）基于激光测距的车轮踏面外形测量仪的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 目前中国的铁路事业正在高速发展，高速机车成为了客运的主流，大量的高速铁路 和地铁也正在建设中。在机车速度提升的同时对于机车的运行安全也越来越受到重视。 作为机车关键部件的车轮在机车运行安全中担任着重要的作用，因此，对于车轮的监 测也是每个国家铁路部门十分重视的一项检测任务。目前全球针对车轮测量的仪器种 类众多，主要测量的参数有：轮对尺寸、踏面外形、踏面缺陷及内部探伤。本文主要 研究并设计一台用于测量车轮踏面外形的便携式测量仪器，采用的激光测距传感器及 d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片组成的测量系统，完成对轮对尺寸数据的采集、运算、传输和 显示功能。 本文通过大量的前期调研，针对激光测距传感器特点和车轮踏面形状，制定了设计 方案。仪器由固定在仪器平台上的激光器，反射激光的反射镜，和连接反射镜转轴的 光电编码器组成。通过算法，d s p 芯片将激光测距信息和光电编码器测角信息转换为 目标点的直角坐标系下的坐标。反射镜的转动可以令仪器获得踏面截面上所有的点的 坐标，从而组成踏面曲线，计算出车轮踏面外形尺寸。文章对仪器的理论精度进行了 分析，并且设计了仪器的外形，研究了最佳安装位置。同时完成了软件编程，器件选 型，电路图绘制等工作，基本完成了仪器的开发工作。并且在实验平台上，使用开发 板对设计方案进行了验证，同时对测量结果做了分析。数据结果表明该仪器可以完成 车轮外形的测量，并且获得相应的踏面曲线，具有一定的借鉴价值和应用前景。 关键词：车轮踏面；d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ；激光测距传感器；光电编码器 西南交通大学硕士研究生学位论文第f f 页 a b s t r a c t r a i l w a yi n d u s t r yi si nah i g hs p e e dd e v e l o p m e n ti nc h i n a t h eh ig hs p e e dl o c o m o t i v e s h a v eb e e nt h em a i nf o r c ei np a s s e n g e rt r a n s p o r t a t i o n ，a n dp l e n t yo fr a i l w a ya n ds u b w a yi s u n d e rb u i l d i n g a l o n gw i t ht h es p e e di m p r o v e m e n t ，t h es a f e t yo fl o c o m o t i v eo p e r a t i o nh a s c o n c e n t r a t e dm o r ea n dm o r ef o c u s a so n eo ft h ee s s e n t i a lp a r t so fl o c o m o t i v e ，t h ec o n d i t i o n o fw h e e l sh a sab i gi n f l u e n c eo nt h es a f e t y , a n dt h e r e f o r e ，a l m o s te v e r yc o u n t r y s g o v e r n m e n tp a y sl o t s o fa t t e n t i o nt ot h et a s ko fm o n i t o r i n gw h e e l s r i g h tn o w , t h e r ea r e v a r i o u sk i n d so fd e v i c e sw h i c ha r eu s e df o rm o n i t o r i n gw h e e l s i nt h i sp a p e r , t h em a i n p u r p o s ei st od e s i g na n da n a l y z ean e wp o r t a b l em e a s u r i n gd e v i c e ，w h i c hi su s e df o r m e a s u r i n g w h e e l p r o f i l e ，a n d b a s e do nl a s e rd i s t a n c e m e a s u r i n g s e n s o ra n d d s p t m s 3 2 0 f 2 812c o n t r o lc h i p i th a sr e a l i z e dt h ee s s e n t i a lf u n c t i o n s ，i n c l u d i n gd a t a c o l l e c t i n g ，c a l c u l a t i n gd a t a ，t r a n s m i t t i n gd a t a ，a n dd i s p l a y i n g b a s e do nt h ea b u n d a n tp r e - r e s e a r c h i n g ，a n da c c o r d i n gt ot h ef e a t u r e so fl a s e rs e n s o ra n d w h e e lt h r e a ds h a p e ，t h i sp a p e rp r o p o s e sar e a s o n a b l ed e s i g np r o p o s a l t h ed e v i c ec o n s i s t so f al a s e rs e n s o r , w h i c hi sf i x e do nt h ed e v i c e ，am i r r o r , w h i c hr e f l e c t st h el a s e rl i g h t ，a n da p h o t o e l e c t r i ce n c o d e r , w h i c hi s t i e dt ot h ea x i so ft h em i r r o r t h r o u g ht h ec a l c u l a t i n g a l g o r i t h m ，t h ed s pc h i pw i l lt r a n s f o r mt h ei n f o r m a t i o n ，c o l l e c t i n gf r o ml a s e rs e n s o ra n d e n c o d e r , t ot h ec o o r d i n a t e su n d e rr e c t a n g u l a rc o o r d i n a t es y s t e m b yp i v o t i n gt h em i r r o r , t h e d e v i c ec a nr e c e i v ea l lt h ec o o r d i n a t eo fp o i n t so nt h et h r e a ds u r f a c e ，a n dt h e nd r a wt h ec u r v e o fw h e e lt h r e a da n dg e tt h ew h e e lp r o f i l e t h ep a p e rh a sa n a l y z e dt h ep r e c i s i o ni nt h e o r y , d e s i g n e dt h es t r u c t u r eo ft h ed e v i c e ，a n dw o r k e do u tt h eb e s tp o s i t i o no fm e a s u r i n g m e a n w h i l e ，i ta l s of i n i s h e dt h es o f t w a r ep r o g r a m m i n g ，c o m p o n e n t ss e l e c t i n g ，s c h e m a t i c c i r c u i td i a g r a md r a w i n g ，a n ds oo n ，b a s i c a l l yr e a l i z i n gt h ef u n c t i o n so ft h ed e v i c e f i n a l l y , u s i n gt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，a n dd s pd e v e l o p m e n tb o a r d ，i tt e s ta n dv e r i f yt h ed e s i g n p r o p o s a l ，a n da n a l y z i n gt h ed a t a t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h i sd e v i c ei sa b l et o m e a s u r et h ew h e e lp r o f i l e ，a n dg e tt h ec u r v eo ft h ew h e e lt h r e a d t h i sd e s i g np r o p o s a lh a s r e f e r e n c ev a l u e sa n da p p l i c a t i o np r o s p e c t s k e yw o r d s ：w h e e lp r o f i l e ；d s p t m s 3 2 0 f 2 8 12 ；l a s e rd i s t a n c em e a s u r i n g s e n s o r ； p h o t o e l e c t r i ce n c o d e r 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密丢使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名：官磊 指导老师签名： 日期：p j i7 吼出炒r 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文首先对课题所涉及到的领域进行了广泛的调研，包括激光测距传感器、机车轮 对保养的相关要求、针对机车车轮踏面外形测量仪器的国内外现状等等。然后在此基 础上，提出了一种适合于使用激光测距传感器测量车轮踏面外形的便携式仪器的测量 方案，并在此基础上多次修正和改良，最终确立了论文中采用的测量方法和仪器结构。 同时，对仪器的理论精度进行了分析，并且对仪器安装的外形和最佳测量位置做了阐 述。本文完成了软件部分的编写以及硬件实验平台的搭建并做了实验对仪器的实际效 果进行了验证。从结果上看，仪器可以完成轮对踏面的测量工作。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 庭7 悸 签 引 秘 功 作 瓢 划 瑚 渤 日 位荨 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 轮对尺寸测量的意义 第1 章绪论 在中国，铁路运输，包括客运与货运，是国家交通部门的重要组成部分。而且铁路 运输也对地区经济发展，以及人民生活环境有着密切的联系。我国的大部分物资运输 以及人们的出行都是由铁路运输承担的；许多地区的发展也是从铁路修通的时候开始 的。在发展铁路运输行业上，我国政府投入了大量的人力物力，从青藏铁路的修通， 京沪高铁的启动，以及多个区域动车的开通，都表明我国政府在保证铁路发展上所做 的投入。在将来的很长一段时间里，铁路行业的快速发展将是主旋律。 本文所研究的对象是机车车轮。机车车轮在机车运行过程中承担着十分重要的任 务，它是机车与轨道的结合部位。而且机车与轨道间的作用力与反作用力既是机车能 够向前行驶的原因，也提供刹车时的制动力。同时，车轮承载着整个机车的重量，保 证机车在轨道上的运行。因此一旦车轮在运行时出现了问题，并且任何一个小的问题 都可能造成重大的事故，尤其是在铁路日益提高运行速度的今天，机车的出现事故所 造成的损害会更大更严重。比如2 0 0 7 年1 月1 4 日兰州铁路局的崩轮事件，起因是违 规补焊，而没有按规定更换或者维修车轮而导致车轮在行驶过程中的崩裂l l j 。1 9 9 8 年6 月1 6 日，德国i c e 8 8 4 号也是因为车轮缺陷导致列车颠覆，造成了重大事故【2 】。所以， 机车车轮需要仔细的监测，将事故出现的可能性降到最低。 对于车轮监测来说，有两大重要的监测部分，一个是车轮的外形变化，另一个轮对 出现的缺陷。这两个因素都对轮对的性能及安全性上有巨大的影响。本文中主要针对 的是对车轮的踏面外形变化的监测，设计了测量仪器。这里说的外形不是指轮对设计 时的外形，当然，设计时也需要考虑踏面外形和大小是否能与钢轨匹配，以及是否是 有利于火车转弯和减少磨耗。这里所指的踏面外形是指已经设计好，并生产出来的车 轮的踏面外形，以及在使用期间，经过磨耗后的车轮踏面外形变化。 在机车出厂时，需要检测车轮是否符合生产的设计。对于不符合的设计规定的车轮 不能安装到机车上，这里主要指外形及尺寸不符合原先的设计的轮对。这种不符合设 计规定的轮对会造成机车重心偏离( 左右不同) ，前后倾斜( 前后不同) ，以及闸瓦贴 合不紧密等等许多问题。这些问题会对机车造成不可预测的运动行为，会导致车身颠 簸，左右摇晃，也称蛇行，甚至脱轨等不良后果【3 4 】。所以需要在出厂时对车轮进行外 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 形检测，来验证外形尺寸是否符合规范要求。 同样的，车轮使用后，仍需要对其进行监测。由于机车在运行过程中，存在着轮 对与钢轨之间力的传递( 牵引力、制动力、离心力) ，这会造成轮对踏面与钢轨之间的 摩擦1 5 】。尽管多数轮对采用了磨耗型踏面，并且经过特殊的制作工艺，减轻了磨擦时的 磨耗，但始终避免不了长时间后的磨耗。同时，轨道上无法预测的石子，沙粒或者杂 物也会使车轮表面出现磨损，擦伤，剥离，腐蚀等缺陷。这些问题会对车辆的安全性、 乘坐舒适性和运行平稳性影响很大。首先，当轮对( 在同一轮轴的两端的两个轮对) 的两个车轮磨耗不均时，会产生压力的不均匀分配，机车倾向于磨耗较大的一侧，并 会加剧该轮的磨损。这种不均会导致在转弯时的重心偏差过度或者不足，使钢轨和车 轮的摩擦与预计值偏差过大 6 1 。其次，当车轮的磨耗超过规定的限度时，轮轨间的接触 已经不再保持在良好的状态，从而在转弯或是制动时出现不可预测的运动行为。另外， 车轮缺陷对钢轨会造成瞬时冲击，增加钢轨损耗的可能性，也会造成机车运行的不平 滑。上述现象均会造成机车运行时的颠簸加大，同时损伤钢轨，最重要的是会使机车 运行安全性下降【7 1 。因此，对车轮踏面外形变化进行监测是十分必要的，这一项监测任 务也被列入了机车常规项目检查中的一项。除了保证机车的安全运行以外，对车轮踏 面外形变化进行跟踪监测，可以对车轮不同部位磨耗情况记录和比较，为轮对外形尺 寸研究提供实地资料，对以后进行的轮对外形设计或者改良提供参考依据。 1 2 国内外研究现状 鉴于车轮踏面外形的重要性，从机车出现开始，就出现了对车轮的监控和测量。 过去基本是依靠人工估计的方式来对尺寸是否超限和左右不均进行检查。该方法严重 浪费人力资源，并且估计值的准确性很大程度上依赖监测人员的测量工具和经验。随 后，更精确的测量工具使测量值的精度和准确性有了大幅提高，比如千分尺，其测量 长度的精度可达到0 0 1 m m 甚至更高，这促进了车轮外形测量工具的发展。随着科技的 发展，更多的测量工具引入了车轮状态监控中。现在专门用于轮对外形测量的技术主 要分为接触式和非接触式。 1 2 1 接触式 1 ) 卡尺式检测工具( 第四种检查器) 西南交通大学颈士研究生学位论文第3 页 卡尺式检测工具是最原始的对车轮情况进行测量的工具。它针对测量的车轮采用 了特殊的形状设计；同时卡尺上采用了游标卡尺，千分尺来保证精度，人工进行读数； 它主要测量2 个关键位置的数值，一个是7 0 m m 处的竖向数值可求出磨耗量；另一 个是轮缘厚度：这种卡尺精度一般为o5 r a m 左右( 游标和千分尺精度较高) ，精度受人 为影响大。经过多年的实践和发展，卡尺出现了多种为了简化测量步骤而进行的改进， 并申请了各自的专利，如图1 1 所示，这些改进的工具都已经申请了专利，虽然方式 各不相同，但都采用了尺上加尺，一次测量多个关键点的想法，这些工具现在仍有部 分在铁路上使用。具体使用方法可参见参考文献 耻1 1 】。 a ) 新型车轮检查器一1b ) 新型车轮检查器- 2c ) 新型车轮检查嚣一3 图1 - 1 几种卡尺类检涌器【8 3 1 2 ) 磁爬式测量工具 磁爬式测量工具的出现是机械装置与计算机自动化技术的一个结台。其特点是采 用磁性滚轮沿轮对踏面部分滚动，通过计算得到整个踏面的磨耗信息，而不仅仅针对 几个关键点；采用了便携式设计，轻巧方便；由于结合了计算机技术，使用电脑对测 量的数据进行处理，得到磨耗值，不仅减少了计算所消耗的时间，同时减少了人为的 误差；其精度可达到o2 r a m ；需要人工操作。它的主要原理是采用了两个编码器分别 固定在支撑杆与基座，和两个支撑杆的结合处上，从而将转动中心和磁性滚轮连接在 一起，如图1 2 b ) 所示。这两个光电编码器，用于计算支撑杆改变的角度。通过测量得 到的角度信息和支撑杆的长度，可计算得到滚轮的坐标。然后在计算机软件中计算和 修正，可绘制出当前轮对的踏面状况。如果与标准曲线比较，可得到各个点的磨耗值。 除 塑塑圣塑查兰至圭至圣兰兰堡堡兰圣! 至 a ) c , r e e n w o o d e n g 公司的m i n i p r o f 爬式测量仪b ) 仪器的测量原理简图 图1 - 2 磁爬式轮对检测仪 西南变通大学牵引动力国家实验室的周文样博士等人对磁爬式测量装置进行了改 进，设计出了五连杆测量仪i ”】，通过五根连杆，代替原先的两连杆的测量方式。其原 理与两连杆的测量原理类似，只是编码器固定在连杆1 和连杆3 的根部。多出的连杆 使得铡量更加的稳定，测量的数据保持在一个更高的置信水平上。装置结构如图1 - 3 所示。 图1 3 改进后的五连杆轮对测量仪结构图 文献 1 3 q a 提出的改进后的仪器从原先的两连杆及一个节点，改成了现在的5 连杆 及3 个节点，并且建立了对应的数学模型从理论上分析了这种方法在稳定性上的优 势，具体详见参考文献【l3 】。 至童圣堡奎茎堡圭矍童圭兰堡丝塞矍：里 12 2 非接触式 1 ) 光切法 光切法是计算机视觉中的一种经常使用的方法。安装在固定位置的激光器打出的 线激光，经过c c d 图像传感器的接收，然后传输给计算机通过特定的算法结合标定 值，可以计算出具体的轮对尺寸。这种方法测量速度快，整个过程可在机车低速运行 的情况下完成，有的仪器甚至可以在高速运行时正常测量：整个测量系统由计算机自 动控制，不需要人工的操作。这个方法的设备已经广泛应用在了我国的车辆段上，成 都主导科技公司研制的“轮对故障动态检测系统”便采用了这种方式。光切法设备 一般比较大型，适台固定位置，不适合移动测量；这种测量方法对光源和传感器有较 多要求，包括确定的位置，激光光亮程度( 一般安装在遮光棚中) 等；整个系统的核 心是对采集到的图像进行处理的算法，其准确与否对结果影响较大；并且标定的准确 是测量准确的基础。 测量原理如圈1 4 所示。线结构光照射到踏面上，反射光被c c d 接收到，根据光 条在c c d 上的位置，可以计算出光条的空闻坐标，从而得到轮对的尺寸。 n b i n r s 。l l 图】5e l a g 公司的轮对在线检测系统6 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 国际上有许多公司的测量仪器都是基于光切法的原理，只是安装及处理方式各有 不同。图1 5 所示的是e l a g 公司出品的在线式检测系统的照片，其采用的方式是光 切法结合了激光测距传感器测量轮对尺寸 。图中六个点式激光器用于测量轮对的直 径：左下方的线激光器用于测量轮对踏面尺寸。另外日本北海道旅客铁道株式会社也 研制并在现场应用了此类测量系统1 ” ，澳大利亚的i m t r a m 公司也生产了此类测量系 统。 2 ) 图像法 采用图像测量的方法用于检测领域也是现如今的一个研究热点。它的特点是不需 使用激光器，并且非接触式测量，只需一个c c d 摄像头即可完成采集的工作；所有的 参数都是由计算机软件进行处理，通过对拍摄的图像的处理得到需要的参数，维护和 升级方便，只需更新软件。 图像处理的方法多种多样，下面介绍几种测量方法。 ( 1 ) 二值化图像法 将拍摄到的轮对图像二值化，然后对其提取边缘，再根据标定的信息换算到空间 信息。整个步骤很明了。但实现起来仍有许多的问题，特别是二值化后的边缘缺失， 连接以及非边缘对结果的干扰问题。上海地铁建设公司的何伟荣在其文章中使用了该 种方法，并取得了一定的结果，如图l - 6 所示。详细介绍可以参考文献 1 9 1 。 a ) 原始图像b ) 二值化后图像c ) 提取的边缘图像 图1 6 二值化图像法轮对尺寸测量原理【l ” ( 2 ) 多c c d 二值化图像法 采用多个c c d 同时对轮对进行拍摄，并且根据不同的c c d 获得的信息，融合到 一起，获得多个参数的计算。这个方法的原理仍然是对图像进行二值化，然后提取边 缘的方式，但是多个c c d 的使用，保证了测量的稳定性和精度。高志刚等人在其申请 夏 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 的专利中采用了这种方式，一共采用了6 个c c d ，测量不单单针对轮对的踏面，同 时还测量了轮轴，轮对间距等多个参数。c c d 放置位置如图1 7 所示。具体测量的方 法及结果，详见参考文献 2 0 。 3 ) 激光测距传感器 图1 7 多c c d 二值化法测量系统结构图 激光测距传感器是一种测量距离的高精度测量仪器它的针对性很强，有专门用 与测量超远距离的，比如地球到月球的距离；也有专门测量近距离的：测量不同距离 的激光测距传感器所采用的测量方法也不相同。用于测量近距离的激光测距传感器一 般采用的是三角测量法。它的特点是，可靠性高，采用了独立的测量系统，不依赖于 器件本身，当然，这里只是针对于测量输出目标物体与激光器之间的距离，没有涉及 到其他安装和距离换算所造成的误差；很适合便携式检期4 ，一般的近距离激光测距传 感器的重量都很轻，只有1 0 0 9 或者2 0 0 9 ，可以做成便携的测量设备：测量精度在1 0 i n n 左右，有的甚至能达到5 9 m ；但要达到很高的测量精度对工装要求较高，要尽量避免 振动；同时测量精度与稳定性和激光器特性关系很大。 图1 - 8e l a g 公司的便携式轮对尺寸测量仪叫 至童圣塑奎茎璧圭窒茎兰耋堡篁圣董! 圣 图1 - 8 是e l a g 公司使用自家生产的激光测距传感制作的便携式测量装置“”，采 用了横向平移的机械传动装置，使激光器可以依次扫描过整个踏面。具体的情况可以 联系该厂家进行询问，网址是：v g v c w e l a g c o m 零镧 7 _ 3 专 、一型 i ：习 1 图1 9b a n n e r 公司的便携式轮对尺寸测量仪【” 图卜9 是美国b a n n e r 公司使用自家激光传感器设计的手动的测量轮对尺寸的装置。 通过手动转动测量部分，使激光扫描过整个踏面i ”i 。具体情况可阻联系该厂家进行询 问，网址是：w w w b a n n e r c o m 另外，除了传统的点式的激光测距传感器以外，经过生产厂家的努力，叉推出了 多款集成纯更高的基于激光的测量器件，这些器件的发展将会促进非接触测量领域的 另一次更新。 其中一个可以使用在轮对尺寸测量上的技术是二维传感器。图1 1 0 所示的是真尚 有公司出品的型号为z l d s 2 0 0 的二维激光测距传感器，其可以发射线激光，取代以前 的点激光，并且输出的结果是线激光照射到的物体上每个对应点离激光测距传感器的 距离，也就是说，接收器c c d 上的每个点都同样对应空间的一个坐标，在出厂时便已 经标定好，根据激光在c c d 上点的位置可以直接输出距离值m 】。这个嚣件的出现可以 使便携的测量仪器进一步小型化，精度和稳定性也可能因为集成度的增加而升高。目 前多家厂商都在开发这种器件其中基思士和真尚有公司已经有产品可以发售，详细 情况可以联系厂商，网址是：c h i n ak e y e n e ee o m 和w w w 5 l s e a , s o t sc o m 。 塑室耋塑奎茎至圭坚塞三茎堡堡圣里! 至 图1 1 0 新型二维激光测距传感器【蚓 真尚有公司也对点式激光铡距传感器进行了改进，采用的方式是将扫描机构集成 到了测距传感器中去，可以使激光通过摆动的方式进行扫描。如图1 一1 1 所示。圈中示 意的是使用该测距传感嚣对汽车车轮的扫描。目前还有没有该器件的使用案例，具体 可联系真尚有公司。该公司网站是：w w w 5 1s e n s o r st o m 图1 - 1 1 扫描式二维激光钡4 距传感器【州 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 13 本设计的背景 本设计是为了复核由成都主导科技公司制作的“轮对故障动态检测系统”所测量 出的外形测量数据是否正确而设计的一部测量装置。图1 1 2 所示的是该系统安装在车 辆段的照片。 图1 - 1 2 轮对故障动态检测系统 如图1 1 2 所示，“轮对故障动态检测系统”包括了多个参数的测量，比如车号识 别，撵伤，外形尺寸检测和擦伤测量。外形尺寸检测部分采用的是图像处理的检测方 式，通过激光嚣将线激光投射到轮对上，并由图像传感器c c d 接收激光的浸反射，再 由其内部的图像处理算法以及标定程序自动计算出该车轮的尺寸。这套系统不需要 机车停止不动或者落轮，它可在机车慢速通过过程中完成整个测量过程，是一套测量 速度快，精度高的测量系统，其测量输出精度为02 r a m i “1 。 该套系统已在中国的多个铁路段中得到了应用。该套设备的输出精度高，但是仍 需要一个辅助的复核工具对测量结果进行抽检，来客观评价“轮对放障动态检测系统” 中车轮外形尺寸检测的测量精度，阻此来保证该套系统的测量的精度，并可以通过复 核检查出该套系统是否工作正常。复核是报重要的一个步骤，通过复核，才能证明仪 器的精度已经达到了其所标称的精度：复核的工作同时可以检测仪器是否仍然工作正 常，数据是否准确，否则即使仪器出现了测量偏差，工作人员也无法从仪器中检查出 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 来；复核是周期性的必要的检测步骤，在检测系统中是必不可少的一个环节。复核需 要采用一套独立的测量系统，并且要求可靠性高。以前的复核方式常常采用卡尺结合 人工这样的原始方式，测量不准确且人为误差高。后来采用了磁爬式测量方式，但其 测量的结果的可靠性要由标定的准确性来决定。独立可靠性不高。激光测距传感器可 以直接给出距离信息，其可靠性及精度不依赖于人工而在于器件本身，这样则避免了 人工参与而造成的人工误差，同时，其精度有多种选择，一般可保持在5 1 a m ，从而使 仪器测量的高精度成为了可能。所以，本设计便是采用激光测距传感器为传感器，专 门用于对车轮进行非接触式的外形检测的仪器进行了设计和理论分析。 1 4 本文完成的主要内容 本文完成的主要内容有 1 ) 背景调研，在文章准备工作中，通过网络，图书，以及咨询指导老师和联系厂 商，获得了丰富的材料，包括国内外现状，最新产品信息，研究意义，不同产品采用 的基本方法，以及国家规定的轮对标准，等等。并且对这些资料进行了分类整理，其 中多数作为本文的参考文献，附在文章最后。 2 ) 设计测量方法，在研究了类似器件的工作原理之后，对测量方法进行了设计， 并与指导老师进行了探讨，最终确定了所要采用的方法。 3 ) 算法验证，对设计出的算法使用m a t l a b 软件进行验证，最终证明该方法可以 正确得到所需的测量数据。 4 ) 精度分析及选型，为了指导选型工作，对精度进行了分析，并且根据精度分析 选择了符合要求的测量器件。 5 ) 外形设计，在确定了使用的器件和采用的方法后，对仪器的外形进行了设计。 6 ) 最佳安装位置分析，根据激光测距传感器的特点，针对不同踏面形状的轮对型 号，分析了最佳的测距传感器安装位置，并根据分析的结果，选定了最后的安装位置。 7 ) 程序编写及验证，完成相关的程序编写，并且分模块对程序进行了功能验证。 8 ) 绘制原理图，按照要求，确定输入输出端子，电源芯片，存储芯片，通信芯片 等，然后绘制电路原理图。 9 ) p c b 版布局布线，原理图绘制成功后，对元器件进行封装，并生成p c b 版，并 采用手工布线的方式，完成了布线工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 1 0 ) 硬件调试，对硬件进行了调试，发现并解决其中出现的多种问题。 1 1 ) 实验及结果显示，在自制的实验平台，采用开发板和选型出的激光器以及编 码器，进行了实验，包括平板实验和l m a 踏面实验，并对采集到的数据进行了显示。 1 2 ) 误差分析，对实验获得的数据进行误差分析。 1 3 ) 对测量数据进行了标定，并对标定后的数据重新计算，分析误差，与原始数 据的误差进行比较，分析原因。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第2 章基本原理及外形设计 2 1 动车及轮对介绍 1 ) 动车组 在2 0 0 7 年，中国铁路上出现了新的机车，这些机车是中国本土机车制造企业在引 进了国外的高速列车制造技术的基础上，制造而成的。这些车的特点是运行速度快， 都可以平稳运行在2 0 0 公里每小时以上的速度，其动力方式与以前的中国机车都有差 别。最主要的区别是动力分散以及动拖比大。动力分散电动车组的优点是，动力装置 分布在列车不同的位置上，能够实现较大的牵引力，编组灵活。由于采用动力制动的 轮对多，制动效率高，且调速性能好，制动减速度大，适合用于限速区段较多的线路。 另外，列车中一节动车的牵引动力发生故障对全列车的牵引指标影响不大。动力分散 的电动车组的缺点是：牵引力设备的数量多，总重量大【2 5 】。从以上的介绍我们可以了 解到，动车组的出现使铁路的运行更有效率，加速度快，制动效率高，使得列车进出 站时间变短，同时缩短了站与站之间的列车运行时间。平均速度大幅度上升，从过去 的7 0 k m h ，到如今的2 0 0 k m h 以上的速度。这使得机车铁路及铁路的各个环节都有了 更高的要求，自然也包括了其中的重要部件，轮对的监测。 动车的车轮虽然做了改进，但大概轮廓还是和以前类似，以下是l m a 型车轮的踏 面绘制尺寸，其中的数据如( 8 3 ；3 3 ) 是指绘图时每个点的参考坐标值【2 6 1 。 房q 暴弋白 。 ，- ，l 甓翻 轮径铡位量一 l x l ：4 0么x i ：l s l 7 0 1 3 5 图2 - 1l m a 机车轮对【2 6 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 ) 关键尺寸介绍 s t 图2 2 关键尺寸介绍【2 7 】 图2 2 是车轮的轮缘和踏面部分的横截面图，车轮的截面轮廓，即图中曲线部分 就是测量仪所测量的部分。所以如果将测量所得到的点连成线便会得到一条类似的曲 线。在轮对监测中所要测量的关键尺寸有以下几个。 轮缘高度：基点到最高点的高度差，图中用鼬标示。基点是指离端面( 图中最左 边部分) 规定距离( l 2 ) 在踏面上所对应的点。轮缘高度反映踏面磨耗量。高度值与 标准值相减，可得到磨耗值，该值越大，说明磨耗量越大。 轮缘厚度：端面到比基点高出规定高度( l 3 ) 所对应位置间的横向距离。图中用 蹦标示。 轮缘坡度：踏面坡度，指轮缘顶部下规定位置( l 1 ) 与踏面上规定高度( l 3 ) 所 对应点间的横向距离。图中用椒标示。【2 7 】 这三个尺寸可以基本反映出一个车轮的磨损情况，一旦轮缘高度过高，或者厚度 变窄，说明车轮已经被磨耗。当数值超过规定的安全数值时，车轮就需要旋修，或者 更换。 同时，整个踏面其他部分的磨耗量也是技术人员及工作人员关心的部分，可以对 整个踏面的情况有一个综合的了解。 2 2 外形设计 本文针对所要测量的目标和将要采用的方法以及器件，并且参考国内外已经在使 用的设备的外形设计，对该仪器进行了设计，并制作了示意图，如图2 3 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 a ) 外形1 陀oo c8 c ) 外形前视图 b ) 外形2 r 17 1f 一? i _ u _ 鼎_ d ) 外形侧视图e ) 外形顶视图 图2 3 仪器的外形设计 其中，在底部基座部分的圆盘是用于放置磁石，使仪器可以吸附到车轮的端面上， 起到固定仪器的作用；而底部的两个突出的圆柱则是用于将仪器卡在车轮上，车轮的 轮缘部分可以支撑起这两个圆柱，并将待测的踏面部分置于测量范围之内；图2 - 3 b ) 所示的突出部分是电池，上面分别是开关，指示灯及j t a g 和s c i 通信接口；顶部的 部分是1 2 8 6 4 的液晶显示屏，用于显示当前状况，菜单，以及结果；顶部的伸出端 的拉杆的与仪器内的反射镜相连，拉杆的转动可以带动反射镜的转动，测量时就是通 过拉动拉杆带动反射镜转动完成的；打开上表面，里面可以看到固定在仪器上的激光 测距传感器以及反射镜部分；反射镜的转轴与光电编码器相连，并且通过两个焊接在 上表面的支撑部件固定在上表面上；支撑部件上有圆孔，在圆孔中嵌入轴承，将转轴 固定在轴承中间，这样可以减少摩擦的阻力，降低因转轴转动导致的仪器振动；支撑 顶部并且连接底部的中间部分( 与电池相连的部分) 的支撑部件在除了支撑的作用外 还担负着测定初始参数的作用，具体算法在原理部分有详细介绍。根据算法要求，该 部分应与顶部成9 0 度直角，并且要求表面平滑。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 a ) 测量开始时b ) 测量中c ) 测量结束时 图2 4 工作状态中拉杆位置的变化 图2 4 所示的是仪器的工作中的状态，a ) 所示的是开始时拉杆的位置，b ) 是测试 中的位置，c ) 是测试结束时的位置。工作人员只需打开电源，并且通过上位机发送相 应的指令到下位机，然后慢慢拉动拉杆从如图a ) 所示的位置拉到如图c ) 所示的位置， 整个测量就结束了。l c d 会显示出最后的结果，并且仪器会将数据上传到上位机，方 便后续的管理工作。 2 3 测量原理 2 3 1 模型说明 为了测量所需的数据和踏面磨耗的具体情况，我们首先要做的就是正确获取踏面的 信息。本文中采用的方法是使用激光测距传感器获得的距离信息以及光电编码器所得 到的角度信息，通过其他己知信息的辅助，从而得到踏面上点的坐标信息。首先，将 激光传感器固定在仪器上；然后通过转动一个以固定轴旋转的反射镜，将激光光斑反 射到轮对踏面上；旋转过程中，激光器将随着反射镜的旋转而获得其扫描过的点的距 离信息，编码器同时记录反射镜旋转的角度。这些点所在的位置最终将组成踏面的一 个截面曲线。一旦获得了足够多的点的距离信息和角度信息，便可以将关键位置的参 数计算出来，具体原理如下图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 i ： 、二 图2 5 仪器测量原理图 图2 5 中o 是反射镜的固定转轴位置，反射镜可以以o 为轴转动。图中的曲线是 踏面的一个截面。以o 为原点建立如图直角坐标系，y 轴平行于车轮的端面，厂为激光 在镜面的反射点到激光在车轮踏面上投影的光斑之间的距离。矽为x 轴与反射的激光 之间的夹角。r 为激光出射面到转轴中心的距离。为了说明系统原理，我们假设图中 的3 个量，、护、r 可以通过系统中的方法测量或者计算得到，那么，点a 的坐标便可 以表示为： x = ( r - r ) c o s 0 ( 2 一1 ) y = ( r - r ) s i n o ( 2 2 ) 随着镜面的转动，护也跟着变化，而激光器投射到踏面上的光斑也随之移动。， 的值也被刷新。当光斑移动到b 时，b 点的坐标仍可以根据b 点所对应的，和口的值 计算得到。当光斑扫描完踏面截面上所有的点时，我们便得到了一系列的踏面上的点 的坐标，而根据这些坐标我们就可以得到。 ( 1 ) 重构踏面曲线。将点在软件中进行插值，连接起来，便可以在电脑中重构踏 面曲线。 ( 2 ) 计算车轮关键参数。一旦找到关键点所对应的坐标( 如7 0 m m 处的基点) ，对 坐标进行加减运算便可得到车轮的关键参数。 ( 3 ) 将测量得到的曲线与标准曲线比较，可以计算任意一点的磨耗值。 所以，系统的关键在于，、矽、r 的获取。另外，从示意图上可以看出，在踏面端 面附近的曲线有部分无法被激光器测量得到( 一小部分) ，但由于该部分在轮缘外侧， 不与钢轨接触，因此不会产生磨损，所以可以忽略对该部分的测量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 2 3 2 激光测距原理 实验中采用激光测距传感器用来获得，的值。目前的激光测距传感器主要有以下 三种形式，一是脉冲法，二是相位法，三是三角测量法。 1 ) 脉冲法 脉冲激光测距的原理如图2 - 6 所示。由发射装置发出一个短脉冲( 被称为主波) 。 经过待测距离l 后射向被测目标，被反射回来的脉冲激光被称为回波。回波反射回测 距仪，由光电探测器接收，根据主波信号与回波信号间的时间间隔t ：，就可以算得待 测目标的距离 l = c t l 2 ( 2 3 ) 式中c 一空气中的光速。【2 8 】 n 传输时间 反 射 物 图2 - 6 脉冲激光测距原理图【2 8 】 激光脉冲测距是远距离测距的重要手段。在有合作目标的情况下，可达到极远的 测程，在近程测量时，若测量不确定度要求不高，可以不用合作目标。特点是：测量 速度快，精度高，不受地形限制。在军事，气象研究和人造卫星的运动研究方面有重 要的地位。但激光脉冲测距仪在近地面使用时主要缺点是受气象条件的影响较大。 2 ) 相位法 相位激光测距原理如图所示。测距仪由光源发出按某一频率厂变化的正弦调制光 波。出射的光波到达被测目标，而通常被测距离上放有一块反射棱镜作为被测的合作 目标，这块棱镜能把入射光束反射回去，并保证反射光的方向与入射光的一致。在接 收端获得回波信号，通过测距仪的测相系统对光波的往返一次的相位变化进行测量， 一一 一一。一瞰 r竺型 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 由所测得的相位差就能得到所测距离。 合作目标 ( 棱镜) 图2 7 相位激光测距原理图【2 9 】 传播的相位变化为： 伊= 2 ，靠刀+ 矽= 2 x ( m + z s z n )m = o ，1 ，2 1 ( 2 - 4 ) 式中，锄= 筹。那么被测距离l 就可以得出： 2 = c f _ c 寺= 锄+ ，z ) ( 2 - 5 ) 2 万 、 则 = 要( 聊+ 朋) = 三，( m + 朋) ( 2 6 ) ， 、 4 、 式中，厶为半波长度，t = a 2 。这时，三，作为度量距离的光尺。【2 9 】 激光相位测距通常有非常高的测距精度，适用于民用测量。激光相位测距其测距 长度比较短，如果需要用此方法测量较长的距离，则需要多个不同频率的激光作为光 源来进行距离测量。 3 ) 三角测量法 三角测量法中的接收装置与上两种不同，一般是图像接收器，比如c c d 。通过判 断接收传感器获得的图像，推算出激光器出射面与目标物体之间的距离。其中包括了 一维三角法测量，二维三角测量以及其他测量方式。文中所采用的是一维三角法测量 传感器。具体原理如下。 里童圣塑奎兰至圭堡塞兰茎堡篁圣矍! ! 至 、 图2 - 8 激光三角法测距原理【刈 图2 - 8 所示的是一维三角法测量原理。激光器发射的激光打在物体上并且漫反射。 漫反射光被c c d 接受，形成一个光点。在目标位置改变时，光点便会在c c d 上移动。 也就是说，每个c c d 上的光点对应了一个唯一的距离值( 离教的) ，这个值一般可以 通过输出的电流或者电压的大小作为输出信号，传递给测量设备。所以，通过测量电 压或者电流的大小，就可知道c c d 上光点的位置，即可得到激光器离目标物体的距离 值”3 ”。这种传感器在出厂时就已经确定了可以测量的范围以及测量的精度。测量的 精度一般在测量范围的05 左右，性能良好的传感器的精度可达到0 1 。这种测量方 式以测量近距离物体为主，主要应用在要求近距离高精度的测量或控制仪器中，比如 铡量产品厚度，自动计算产品数量。以及各种工业应用中【”删。在本系统中，采用的 就是这一个类型的激光测距传感器。 2 3 3 光电编码器测量角度 光电编码器测量的是口值。本设计中，光电编码器与反射镜的转动中心轴相连。 所以，镜面的转动自动带动光电编码器转轴的转动，从而获得测量所需要的角度。一 般光电编码器可以分为两种。 1 ) 增量式光电编码器 增量式光电编码器有一个中心有轴的光电码盘如图2 - 9 所示。其上有环形通、暗的 刻线由光电发射和接收器件读取。 至妻塞塑奎兰堡圭至圣兰兰堡兰圣矍：! 至 图2 - 9 增量式光电编码器码盘3 ” 当编码器转动时，光电码盘会跟随着一起转动，从而导致光电发射和接收器采集到 脉冲信号，这每一个脉冲都表示