（光学工程专业论文）轮对几何参数光电测量系统的数据处理方法与实现.pdf

论文摘要 轮对几何参数光电铡量系统的数据处理方法与实现 摘 要 轮对的尺寸直接关系到轮轨配合及列车的行车安全，涉及到轮对加 工、 运用及检修过程中的每一个环节， 必须对这些环节统一控制， 才能形 成一套完整的轮对安全保障系统， 因此轮对几何参数的测量是目前国内外 铁路科技工作普遍提出但又未能很好解决的测量问题。 本论文主要对轮对 儿何尺寸的测量方法和系统进行了 研究， 针对我们提出的通过式的测量方 案进行分析，并完成了有关软件系统的开发工作。 在分析现有的轮对几何参数的测量方法优缺点的基础上，本论文确 立了采用激光位移传感器实现了非接触测量， 将较大的尺寸测量转化为较 小尺寸的变化。 通过激光位移传感器测量被测轮对各部尺寸相对于标准轮 对的变化量， 适时将测量数据通过4 8 5 通讯口 传入主控计算机， 通过数据 处理得到各种测量结果。 本论文详细讨论了通过式测量系统的工作原理及 构成， 给出了有关参数的数据处理方法，. 对测量系统的测量误差进行了分 析后， 给出了相应的误差补偿方法， 最后通过编程得以实现。 研制的测量 系统己应用于生产现场， 现场实验数据与理论分析吻合， 表明了测量方案 和测量软件的可行性。 关键词:轮对儿何尺寸激光位移传感器非接触测量数据处理 未-k - ls、 场喇司 意 勿全k 公布 ab s t r a c t s t u d y o n t h e d a t a p r o c e s s i n g m e t h o d f o r a w h e e l - s e t g e o m e t r i c p a r a m e t e r m e a s u r i n g s y s t e m ab s t r a c t t h e d im e n s io n s o f a w h e e l- s e t a r e t h e k e y p a r a m e t e r s t h a t in fl u e n c e b o t h t h e s t a t u s o f o p e r a t io n b e t w e e n t h e w h e e l a n d t r a i n a n d t h e s a f e t y o f t r a i n s , a n d t h e it s d im e n s io n s mu s t b e me a s u r e d a n d c o n t r o lle d i n e v e r y s t a g e i n c l u d i n g t h e m a n u f a c t u r i n g , ma i n t e n a n c e , o p e r a t i o n o f t h e w h e e l s e t . t h e r e f o r e , h o w t o a u t o m a t i c a l ly m e a s u r e g e o m e t r ic p a r a m e t e r s a n d d e f e c t s o f t r a i n w h e e l- s e t s i s a k e y p r o b l e m t h a t h a s n o t s o lv e d t i ll n o w . t h is p a p e r f o c u s o n t h e s t u d ie s o f m e a s u r e m e n t m e t h o d s o f w h e e l- s e t g e o m e t r ic d i m e n s io n , a n d a s o ft w a r e w a s d e v e lo p e d b a s e d o n o u r m e a s u r e m e n t s y s t e m. o n t h e b a s e o f a n a ly z i n g b o t h a d v a n t a g e s a n d d is a d v a n t a g e s e x is t i n g m e a s u r e m e n t m e t h o d s f o r w h e e l- s e t g e o m e t r ic p a r a m e t e r s , a n o v e l a n d s im p le m e t h o d f o r m e a s u r i n g g e o m e t r ic p a r a m e t e r s a n d d e f e c t s o f w h e e ls e t s w a s i n t r o d u c e d , a n d m o s t k e y g e o m e t r ic p a r a m e t e r s , s u c h a s d ia m e t e r s a t a n y g iv e n p o i n t o f t h e t r e a d , fl a n g e t h i c k n e s s , fl a n g e h e i g h t , r i m t h i c k n e s s , r im w id t h , w h e e l fl a t s , a n d d i s t a n c e b e t w e e n i n t e r n a l f a c e s e t c . c a n b e e a s i ly m e a s u r e d a n d s t o r e d b y u s e o f f i v e s e t s o f p a r a lle l o g r a m m e c h a n is m s t o g e t h e r w it h la s e r t r a n s d u c e r s wh e e l- s e t s a r e d r a g g e d s im p ly b y a c h a in t o p a s s t h r o u g h t h e m e a s u r e m e n t s y s t e m a n d t h e m e a s u r e m e n t r e s u lt s a r e o u t , w h i c h h a s t o t a l ly c h a n g e d t h e s it u a t i o n o f p r o v id i n g a m e a s u r e m e n t p l a t f o r m t o s u p p o rt w h e e ls e t s a n d m a k e s it r o t a t e i n o r d e r t o t a k e me a s u r e me n t s . t h e me a s u r e me n t d a t a a r e t r a n s f e r r e d t o t h e c o m p u t e r t h r o u g h 4 8 5 c o m m u n ic a t io n p o rt , a n d r e s u lt s a r e g o tt e n t h r o u g h d a t a p r o c e s s i n g . m e t h o d s t o c a l ib r a t e t h e m e a s u r e m e n t e r r o r s o f t h e s y s t e m a r e a ls o d is c u s s e d , a n d m e a s u r e m e n t e r r o r s a r e a n a ly z e d . t h e d e v e l o p e d s y s t e m h a s b e e n p u t i n t o o p e r a t io n , a n d s o m e in - s it u m e a s u r e m e n t r e s u lt s a r e g i v e n . t h e i n - s it u m e a s u r e m e n t r e s u l t s a r e q u it c o n s is t e n t w it h t h e o r e t i c a l a n a l y s e s k e y w o r d s : w h e e i - s e t , g e o m e t r ic d im e n s i o n , la s e r d i s p la c e m e n t s e n s o r n o n - c o n t a c t m e a s u r e m e n t s , d a t a p r o c e s s i n g 第一章 绪 论 第一章绪论 1 . ， 轮对几何参数测量问题的提出 在机车车辆工业生产中， 对每个轮对的各部分尺寸都要进行必要的测 量， 这不仅为各相关工序提供加工选配组装的数据， 也是保证行车安全的 重要手段。 轮对关键部位的质量涉及到轮对加工、 运用以及检修过程中的 每一个环节， 必须对这些环节统一控制， 才能形成一套完整的轮对安全保 障系统。目前我国对轮对的检修仍采用定期检修的制度， 每到一定时间将 轮对送到车辆段或车辆厂进行检测与维修， 而检测的手段仍是以各种专用 机械测量器具为主的人工测量阶段，由于轮对需要检测的几何尺寸多达 1 0多项，采用这些机械器具测量不但工作繁琐、劳动强度大 ( 测量一组 轮对，两个人约 2 0分钟)u _ ，而且不能消除人为的测量误差，从而使其 测量精度低， 测量效率更低， 测量结果受测量人员的影响较大， 无法满足 我国铁路技术发展的需要， 特别是由于铁路运行速度的大幅度提高， 加剧 了轮对的各种磨耗， 严重影响了列车的行车安全。 因此如何快速准确测量 出轮对在检修时的各种几何参数， 研制实用的自 动化检测设备， 是目 前我 国铁路发展中己普遍提出，但又未能很好解决的技术难题之一。 1 . 2 轮对几何尺寸检测技术的现状 目 前国内外对轮对几何参数的自 动测量主要有以下几种方法: 一、便携式测量仪器: 采用各种传感器技术研制的各种便携式测量仪器， 需要人工操作实现 对轮对的部分参数的测量，如丹麦研制的m 工 n i p r o f轮轨轮廓测量系统， 其滚动式踏面形状测量仪能比较准确地测量出踏面形状， 通过与标准形状 北京交通大学硕士学位论文 比较得到各种磨耗尺寸伙 而美国国际电子机械有限公司2 0 世纪8 0 年代 研制的便携式车轮截面测量仪， 能在2 秒中测量出轮缘厚度和踏面磨耗等 参数二 国内也有类似便携式测量仪器。 这类测量方 一 法的缺点是: 测量参数不全面， 测量的自 动化程度低，不 能实现车间自动测量， 测量过程需人工干预， 无法满足铁路快速发展的需 要。 一 _ 、采用接触式传感器: 2 。 世纪8 。 年代，我国开展了轮对几何尺寸自动测量的研究，具有代 表性的是田石家庄车辆)研制的轮对自动测量机，系统共使用了 2 1个光 栅位移传感器， 其主要测量原理是: 当被测轮对沿轨道运动至待测位置后. 将轮对用托架支起， 并1 卜 其旋转， 在转动过程中使用接触式传感器测量各 种儿何尺寸，测量一个轮对所用时间约 2 分钟左右 。 这种测景方法的主要缺点是接触式测量，因为轮对表面不规则和粗 糙， 极容易造成接触式传感器的损坏，同时，由于系统采用了较为复杂的 液压和丁 卜 起控制系统，系统复杂，给实际应用带来较大的问题。 三、采用非接触测量方式: 近年来国内外出现了几种形式的自 动测量系统， 采用c c d 技术和激光 传感技术， 实现对轮对几何参数的自 动测量， 这些测量方法在我国主要应 用于车辆检修部门，而在国外则主要应用于车辆运用部门。 专利 “ 一种轮对自 动检测装置”( 专利号: 0 1 2 2 了 4 9 3 . 3 ) 提出了采用多 个面阵c c d 和线阵c c d 摄像头， 配以较为复杂的传动机构， 来实现对轮辆厚 度、 擦伤、剥离、三点内侧距、踏面尺寸 形状磨耗、轮座轴直径及轴中央 直径的自 动测量， 并研制成对应的测量系统， 其特征是由安装于轮对被测 周围的一组多个面阵c c d 摄像头和一组电涡流测距仪或激光测距仪一 由摆 线针轮减速器并与相关联链轮和链条以及转轴两端相连接的托轮组成旋 转机构; 由液压站提供动力驱动油缸以及在活塞杆端相连接滑块和定位横 梁以及固定滑块上的v 型定位块组成轮对托起定位机构。 但这些测量系统 第一章 绪 论 的构造过于复杂，所有参数的测量需要轮对在几个不同的位置才能完成， 需要轮对前进定位， 支起轮对并旋转， 测量周期长， 测量机构复杂。同时 由于是采用 c c d 技术首先得到踏面形状， 间接计算出轮对轮缘厚、 踏面磨 耗等关键参数，因而测量精度有限， 并且仅能测量轮对的部分参数，因而 测量参数不全面、测量精度不高 专利“ 铁路车辆轮对几何参数自 动测量装置”( 专利号: 0 1 1 0 8 5 2 6 . 6 ) 提出了一种更为复杂的测量机构， 整个系统包含4 个测量机构和2 个横推 测量机构，由于该机构采用轮对转动， 测量机构本身还需要运动，使得测 量周期更长， 结构更为复杂:刹 。 美国专利 “ w h e e l s e t s e n s i n g s y s t e m 轮对传感系统， 美国专利号: 5 9 3 6 7 3 7 公布了一种在每边线路上最少安装2 6 个激光传感器，车轮通过 时， 可测量得到车轮轮辆厚、 轮辍宽、 轮缘厚、踏面直径、踏面形状等参 数，但该装置需要铺设特殊钢轨来安装这些传感器，同时至少采用 5 2个 激光传感器， 成本很高， 不宜在我国 推广使用创 。 美国专f ij m e t h o d a n d s y s t e m f o r c o n t a c t l e s s m e a s u r e m e n t o f r a i l r o a d w h e e l c h a r a c t e r i s t i c s 一种非接触测量车轮特性的方法与 系统， 美国专利号: 5 6 3 6 0 2 6 公布了一种可用于静态和动态测量车轮形貌 的方法与技术，该装置主要采用激光测量技术， 安装在线路上， 可自 动测 量轮缘厚、 轮辆厚、轮辆宽、 踏面关键部分的形状以及踏面直径。 但该装 置不仅需要断轨， 安装复杂， 而且由于被测表面形貌的变化较大， 直接采 用 激光测量技术 进行定 位测量， 测 量精度受到 影响, 美国专利 “ i n s t a l l a t i o n a n d p r o c e s s f o r m e a s u r i n g r o l l i n g p a r a m e t e r s b y m e a n s o f a r t i f i c i a l v i s i o n o n w h e e l s o f r a i l w a y v e h i c l e s 一种利用人工视觉测量车轮参数的装置，美国专利号: 5 8 0 8 9 0 6 ， 该装置主要利用激光发 射的线光源， 采用c c d 摄像技术， 来得 到车轮在滚动过程中的各种参数。 该装置的缺点是需要改装线路， 使轮对 在辅 助支撑上 运行(b 北京交通大学硕十学位论 文 此外， 国内外还有许多应用 c c d摄像和激光技术米测量轮对几何参数 的方法和技术， 一 。 。 采用 一 般c c d 摄像头技术来得到踏面形状的精度不高， 一般c c d 摄像头的理沦分辨率为 0 . 2 m m ，由于踏而为一不规则曲面，如果 小采用特殊光源，很难将 c c d 摄像定位j p 被测处，造成其测量精度更低 采用激光位移传感器，并扫描测量踏面形状， 可提高测量精度， 但由于采 用机械扫描， 测量周期较长，同时采用激光传感器扫描时，由于被测踏面 为曲雨 ， 特别是在轮缘部分，由于曲线变化较大， 给激光位移传感器的测 最带来较人的测量误差。 现有的非接触式测量方法有着测量参数不全面， 测量精度有限， 价格 昂贵等缺点，不适用于我国的实际情况。 综上所述，国内国际上还没有通过式的测量方式，现有的测量方式除 少数采用便携式仪器外， 均为在固定台上将轮对顶起后测量， 可检参数少， 测量时间较长，约4 分钟，设备昂贵。 ; 1 . 3 本论文所要解决的主要问题 轮对各项参数的算法的实现 轮对所需要测量的参数很多，其主要几何参数有:左右两轮的轮径、 轮惘厚、 轮惘宽和踏面磨耗及轴中央直径， 轮对的缺陷主要有左、 右轮的 踏面擦伤及剥离等，本论文通过对轮对几何形状的分析及有关缺陷的特 点，根据理论推导出各项参数的计算方法。 二 、系统的误差分析 针对所要测量的轮对各项参数的实现方法，充分考虑传感器的精度、 安装工艺、 机构变形、 磨损、 轮对行走不规范和测量中的冲击等各种因素 对测量精度的影响， 系统地分析在测量中可能出现的各种误差， 为提高测 旱 精度提供理论指导。 只、数据处理力 一 法与软件实现 第一章 绪 论 根据前面所找出的各种算法，实现对测量数据的处理，并考虑各种产 生误差产生的原因，从而实现对测量结果自动修正， 提高测量精度，同时 编写出相应的软件，以实现系统的自 动标定、自动进轮、自动测量、自 动 误差修正以及最终测量报表的打印等功能。 四、为硬件的设计改进提供参考意见 通过对现场数据的分析，找出硬件设计方面存在的问题、为硬件的改 进提供参考意见。 北京交通大学硕十学位论文 第二章轮对主要几何参数及其测量方法 2 . ， 轮对主要几何参数及其要求 轮对是铁路货车在钢轨上的 一 个滚动部件， 由两个车轮和个车轴组 成，其主要几何参数包括:左右两轮的轮径 ( 包括圆度、左右轮径差等) 轮惘厚、轮辍宽和踏面磨耗及轴中央直径，各参数的定义如图2 . 1 所示 图2 . 1轮对的王要几参数的定义 根据铁道部的有关行业标准i ll - ih ,各参数的定义和实际运用范围如一 所不: 轮径 轮径是轮对的车轮滚动纂准圆 距轮惘内侧面 7 0 二 处)的直径，左 羊 ， 轮各 一 个数值， 公称值(d8 4 0 m m ， 实际运用范围为( a 7 6 0 - 8 5 0 m m , 测量要 求: 多点测量， 测量点数)1 6 ， 并找出所测轮对各轮直径的最大、 最小值， 同侧最大最小直径之差大于 0 , 5 二 时报警，异侧最大最小直径之差大于 z m m 时报警。这是一个相对较难测量的量，主要困难是要将测量传感器准 确定位于距轮辍内侧面 7 0 m m处，在自动测量中有一定的难度。 _ 、足 杏 面磨耗 踏面磨耗是车轮踏面与原型相比的踏面磨损量。 第二章轮对主要几何参数及其测量方法 三、轮对内侧距 轮对内侧距是轮对相对的两轮轮辍内侧面间的距离。要求三点测量， 轮对内侧距的公称值 1 3 5 0 m m - 1 3 5 9 m m ，超出 1 3 4 7 二一 1 3 6 2 。 时报警。 四、轮辆宽 轮辆内外侧间的距离定义为轮辆宽，公称值为 1 2 5 m m - 1 4 5 m m ,测量时 超限报警。 五、轮辆厚 轮辆厚定义为: 测量高度 一 ( 轮缘高 +踏面磨耗) ， 在测量时小于2 8 m m 时报警。 六、轴中央直径 两车轮之间车轴的中间部分处轴的直径称为轴中央直径，它的公称 值:0 1 7 4 = q m m ,测量时超限报警。 七、踏面擦伤及剥离 轮对踏面上的损伤，擦伤深度超过 0 . 5 m m 时报警，这也是测量中的一 个难点。 针对以上测量参数的特点和要求， 我们设计的测量系统主要包含5 套 不同长短的平行四边形测量机构和对应的多组激光位移传感器， 能 够完成 对轴中央直径、 轮径 ( 包括多点轮径及左右轮径差等参数) 、轮对内侧距、 轮辆宽、 踏面圆周磨耗等参数的自 动检测; 采用两套c c d 摄像头完成对轮 辆厚的测量。 如图2 . 2 所示为轮对几何参数及缺陷测量原理示意图。下面分别说 明轮对各个几何参数的测量原理。 北京交通大学硕士学位论文 不 工 (弃 之 二止 图 2 . 2轮径测量示意图 2 . 2轮径测量 根据轮对轮径的定义， 系统需要测量出左右两个车轮的轮径， 如何准 确得到踏面多点直径， 并计算得到其他相关参数， 是本课题首先要解决的 难题之一。 通过反复论证， 实现了如图2 . 2 的测量原理: 平行四边形机构 1 _ 测量尺与钢轨间的距离及其变化直接代表轮对踏面直径及其变化， 测量 时， 通过测量系统中的导向机构将测量尺的边缘直接定位于踏面直径测量 处，即距离轮朝内侧面 7 0 m m 处， 即使轮对在行走过程偏离 7 0 m m 尺寸， 通 过传感器可以检测出其偏离量， 并进行修正。 具体计算多点直径的公式为: d t, * u = d 4 ?q 十 ，( 式2 . 1 ) 式 中 d * i v , d i,;,m . ， 分 别 为 被 测 轮 对 踏 面 任 意 一 点 的 直 径 、 标 准 轮 对对应点的直径及被测轮对与标准轮对对应点直径之差。 其差值引起平行 四边形测量机构上测量尺的平动， 激光位移传感器直接测量出此平动位移 量。 图2 . 3 为典型的标准轮和被测轮通过测量机构后， 激光传感器得到的 北京交通大学硕士学位论义 - ： l i t h - h4 1 ：，。! = i “f ，。 耋卜一 产铲 捌州 、一一、i 之 髹“，蕃， ，一2 旦_ d 一 1 “ j 一 1 1 ，_ _ 。一 、一一 i l 一 熨 图2 2 轮径测量示意图 2 2 轮径测量 根据轮对轮径的定义，系统需要测量出左右两个车轮的轮径，如何准 确得到踏面多点直径，并计算得到其他相关参数，是本课题首先要解决的 难题之。通过反复论证，实现了如图2 2 的测量原理：平行四边形机构 i 一测量尺与钢轨间的距离及其变化直接代表轮对踏面直径及其变化，测量 时，通过测量系统中的导向机构将测量尺的边缘直接定位于踏面直径测量 处，即距离轮辋内侧面7 0 m m 处，即使轮对在行走过程偏离7 0 m m 尺寸，通 过传感器可以检测山其偏离量，并进行修正。具体计算多点直径的公式为： d 被硼，= d 标准十a ( 式2 1 ) 式中d 被蛳、d 杯拱，分别为被测轮对踏面任意一点的直径、标准轮 对对应点的直径及被测轮对与标准轮对对应点直径之差。其差值引起平行 四边形测量机构上测量尺的平动，激光位移传感器直接测量出此平动位移 量。圈2 3 为典型的标准轮和被测轮通过测量机构后，激光传感器得到的 一一 里三量丝翌圭墨些塑兰墼墨茎塑量查兰 一组记录曲线。 从图2 3 不仅可以得到踏面的多点直径，同时可计算轮对的每个车轮 图2 3 标准轮和被测车轮通过测量机构后的记录曲线 直径的最大值、最小值及同侧、异侧车轮的最大最小直径之差，这些参数 反映轮对滚动圆的圆度误差和轮对两侧车轮直径的落差。 2 3 踏面磨耗测量 由踏面磨耗的定义，可根据如下测量原理由图2 4 可以直接得到踏 面任意一点的圆周磨耗的计算公式： 占膳 每= 峪被铡目酊一d 被铡娓fj 峪标准鹧，一占标准城fj ( 式2 2 ) 式中：d 被渊脚、j 被铡斯分别表示被测轮对通过测量机构时，0 5 、0 6 及0 7 、 0 8 号激光位移传感器得到的任意一点的测量值( 表示任意一点) ， 靠准路，、氏准筋分别表示标准轮对通过测量机构时，0 5 、0 6 及0 7 、0 8 号激 光位移传感器得到的任意点的测量值。 由于踏面圆周磨耗应反映的是平均磨耗，故踏面圆周平均磨耗的计 算公式为： 北京交通大学硕士学位论文 氐均州2 专善将 ( 式2 - 3 ) 式中：为测最总点数。 理想情况下( 即平行四边形机构和钢轨的加工、安装无误差，测量 尺与钢轨严格平行) ，车轮通过测量机构，激光位移传感器记录得到的曲 线应为一理论上的梯形波：当踏面存在磨耗时，整个测量机构向 、佗移， 激光化移传感器会记录卜 这一局部变化，如图25 所示。 磨损 图24 踏面圆周磨耗的测量原理示意图 图2 5 踏面存在磨耗的情形 2 4 内侧距测量 本系统采用对应的两组激光位移传感器，当轮对通过时可扫描计算得 到轮对口目点内侧距，其测量原理示意图如图2 6 所示。 其计算公式为： 北京交通大学硕士学位论文 、 平均 ，。 一 i n.- s ttin 1-, ( 式 2 . 3 ) 式中:n 为测量总点数。 理想情况下 ( 即平行四边形机构和钢轨的加工、安装无误差，测量 尺与钢轨严格平行) ，车轮通过测量机构，檄光位移传感器记录得到的曲 线应为 一 理论上的梯形波:当踏面存在磨耗时，整个测量机构向 曰方 移 激光位移传感器会记录 f 这 一 局部变化，如图2 . 5 所示。 磨 损 量 一 冲 新轮 l = 3 0 0 0 m 图 2 . 4 踏面圆周磨耗的测量原理示意图 图 2 . 5 踏面存在磨耗的情形 2 . 4 内侧距测量 本系统采用对应的两组激光位移传感器， 当轮对通过时可扫描计算得 到轮对四点内侧距，其测量原理示意图如图2 . 6 所示。 其计算公式为: 第二章轮对主要几何参数及其，a 9 量方法 侧 、 一 v a m m s i + . 二 ) 一 (s 1f v t s i + s u v i 2; ) 十 l 1.f im i 试2 . 4 ) 位置2 位置1 图 2 , 6 轮对内侧距测量原理示意图 式中 0 9 , 气x g 9ll5 1 气r jr j i 分 别 为 被 测 车 轮 通 过 测 量 机 构 时 ， 1 0 , 1 2 和 1 1 号激光位移传感器得到的测量值， 车轮通过测量机构时，1 0 , 1 2 和0 9 , 1 1 气 7j % ;tj) 嵘 准 x a l 分 别 为 标 准 号激光位移传感器得到对应点的 测 量 值 ， 气准 $ u 为 标 准 车 轮 踏 面 的 内 侧 距 。 2 . 5 轮辆宽ait 图2 . 7 所示为轮辆宽测量原理示意图，可得轮辆宽的计算公式为: a * sq t , = (5 . n 、 斗 ， 。 )一 (s ta ?m oij 、 、)+ 标 、(式 2 . 6 ) 式 中 : ,5 * n f41 1 5 4 w。 分 别 为 被 测 车 轮 通 过 测 量 机 构 时 ， 0 9 . 1 0 . 1 1 , 1 2 和0 1 . 第二章轮对主要几何参数及其测量方法 万内佣慨i = p 被铡蔫萄+ j 被舞舅萄) 一p 标准| e 萄十占标准轮去，) + 上标准均 ( 式2 4 ) 位置2 位置l j 一 _| 至多耍 l 一 一 j i 1 一 i u j l 、 - ( 互) 一 l 一 _p 多 巫 卜- - f j _ + 一 ； 一 ：壬 一 l 一 _ ， 圈2 。6 轮对内侧距测量原理示惠囝 式中：( 萋4 捌捌、k 剥测萄分别为被测车轮通过测量机构时，1 0 、1 2 和 0 9 、1 1 号激光位移传感器得到的测量值，如准轮句、略准乾萄分别为标准 车轮通过测量机构时，1 0 、1 2 和0 9 、11 号激光位移传感器得到对应点的 测量值，k 准输为标准车轮踏面的内侧距。 2 5 轮辋宽测量 图2 7 所示为轮辋宽测量原理示意图，可得轮辋宽的计算公式为： 辋勋= 翻时+ 6 桩蔫蜥) 一忙标准内，+ k 准， = ，) + 标准靳( a 2 6 ) 式中：占板铡哪、占被铡， j 分别为被测车轮通过测量机构时，0 9 、1 0 、1 1 、1 2 和0 l 、 j ! 塞至望叁鲎墅! ：兰璺堡兰 图2 7 轮辋宽的测量原理示意图 0 2 号激光垃移传感器得到点的测量值，氏准转2 ，、靠准引2 ，分别为标准车轮通过 测量机构时0 9 、1 0 、j l 、1 2 和0 j 、0 2 譬激光位移传感器得到对应点的测量债， 杯糙勘为标准车轮的轮辋宽。 2 6 轴中央直径测量 定义：轴中央处直径，公称值：4 ) 1 7 4 ：j m m ，超限报警。 由图2 8 可得到轴中央直径的计算公式为： d 被测= d 被4 路面i 一2 日被铡 ( 式2 7 ) 通过与标准轮比较，可得到： d 战捌= d 杯准+ ( d 挂晨4 劈面一d 杯准帮而) 一2 0 ，箍测一h 标准) ( 式2 8 ) 式中：d 皱翮踏矿d 标准踏面分别为被测车轮和标准车轮的踏面直径， d 被旷d 标准分别为被测轮对和标准轮对的轴中央直径，i 4 技黉、h 标准分别 为被洲轮对和标准轮对通过测最机构时，1 3 号激光位移传感器得到的测 量值。 第二章车仑对主要几何参羲及其测量方法 匿28 釉中央直径测量厚理示意匿 s s2 7 轮对缺陷测量 轮对缺陷的测量主要包括轮对踏面上的擦伤深度、长度及剥离长度测 量，其主要测量原理是：在理想情况下( 即平行四边形机构和钢轨的加工、 安装无误差，测量尺与钢轨严格平行) ，车轮通过测量机构，激光位移传 感器记录得到的曲线应为一理论上的梯形波；当踏面存在磨耗时，整个测 量机构向下位移；若踏 面存在擦伤和剥离情 况，则测量尺会产生局 部移动，激光位移传感 器会记录下这一局部 变化，图2 9 所示为踏 面存在磨耗及擦伤、剥 离的理论情形“9 。由 磨损 擦伤及磨损轮 图29 踏面存在磨耗及擦伤、剥离的理论情形 第二章轮对主要几何参数及其测量方法 e2 . 8轴中央直径测量原理示意要 2 . 7 轮对缺陷测量 轮对缺陷的测量主要包括轮对踏面上的擦伤深度、长度及剥离长度测 量， 其主要测量原理是: 在理想情况下( 即平行四边形机构和钢轨的加工、 安装无误差，测量尺与钢轨严格平行) ，车轮通过测量机构，激光位移传 感器记录得到的曲线应为一理论上的梯形波; 当踏面存在磨耗时， 整个测 量机构向下位移; 若踏 面存在擦伤和剥离情 况， 则测量尺会产生局 部移动， 激光位移传感 器会记录下这一局部 变化， 图2 . 9 所示为踏 面存在磨耗及擦伤、 剥 离的理论情形“ 9 图。 由 擦伤及磨损轮 擦伤裸度 磨损掀 l = 3 0 0 01 佗 图2 . 9踏面存在磨耗及擦价、 剥离的理论情形 北京交通大学e n 士生位论文 图2 . 1 0的实际测量波形可以得到:踏面擦伤深度、擦伤长度以及剥离长 度。 需要指出的是: 测量机构无法具体辨别是擦伤还是剥离， 需要人工辅 助辨别。 原始波形 擦伤宽度 翼后 2飞 0 五 去 面存在磨耗及o r 伤剥离的实测波形图 综上所述，当轮对通过测量机构时，通过传感器采集的数据处理后即 可得到轮对的以上几何参数 第三章轮对几何参数光电测量系统的总体设计 第三章轮对几何参数光电测量系统的总体设计 本系统主要由机体、轮对自动进给、导向机构、轮对几何参数及缺陷 测量机构、计算机与信号采集处理系统等五部分组成，如图3 ，l 所示，可 分为硬件部分、系统信号控制及软件部分。 图3 1 轮对几何参数光电自动测量系统主要组成 3 。1 系统的硬件设计 系统的硬件部分主要包括机体、轮对自动进给、导向机构、轮对几何 参数测量机构等部分组成，具体设计如下： 一、机体 机体的主要作用是支撑整个测量系统，同时将测量系统相对封闭起 来，避免外界杂散光对测量系统中激光传感器测量精度的影响，如图3 2 北京交通大学硕士学位论义 所示，机体由框架式钢结构组成，整个机体的外形尺寸为4 7 0 0 m i x 2 4 3 5 r i l f 】 1 8 0 0 m m 。 ：、自动进给、导向机构 轮对自动进给、导向机构主要作用是完成轮对自动按正确的位置进入 和退出测最机构。它主要由电机、减速机、链轮、推爪、链轮支架、光电 开关及导向板组成。其中电机是进给机构的动力部分，减速机用来调整链 轮的传动速度，推爪固定在链轮上，链轮带动推爪推动轮对行进，光电于1 ： 关反馈轮对的位置信号，计算机控制电机最终实现轮对在机体中的钢轨f 停止、行走与洲量。 图3 ，2 轮对几何参数及缺陷测量系统现场 三、测量机构 轮对几何参数及缺陷测量机构是本系统的核心与特征部分。此机构主 要包括5 套不同且固定在机体上部的平行四边形测量机构和对应的多组 激光位移传感器，完成对轴中央直径、轮径( 包括多点轮径及左右轮径差 等参数) 、轮对内侧距、轮辋宽、踏面圆周磨耗、踏面擦伤及剥离等参数 第三章轮对几何参数光电测量系统的总体设计 的自动测量与检测。 其中本系统的主要特色是使用了平行四边形机构来完成主要的测量。 所用的平行四边形机构主要有支撑板、摆臂、缓冲弹簧、测量尺组成，激 光传感器安装在支撑板、测量尺及机体等部位，具体结构如图3 3 ，安装 位置示意图如图3 4 所示。 缓冲弹 、檄光信感器 图3 3 平行四边彤机构 图3 4 系统测量原理示意图 3 2 系统信号控制及软件部分 系统信号控制及软件部分，即测量系统数据采集与处理部分，主要包 1 7 第三章 轮对几何参数光电测量系统的总体设训 的自 动测量与检测。 其中本系统的主要特色是使用了平行四边形机构来完成主要的测量。 所用的平行四边形机构主要有支撑板、 摆臂、 缓冲弹簧、测量尺组成， 激 光传感器安装在支撑板、测量尺及机体等部位，具体结构如图3 . 3 ，安装 位置示意图如图 3 . 4所示。 图3 . 3 平行四边形机构 r ,y 1 i ns - i 气. 产 一一 一 (巡 - 户一一 一 处 之 兰 二 n n /砚 1 几吸 沁 图3 . 4系 统测量原理示意图 3 . 2 系统信号控制及软件部分 系统信号控制及软件部分， 即测量系统数据采集与处理部分， 主要包 北京交通大学硕士学位论义 含信号处理的硬件部分和专用软件部分，硬件部分集中在 一 个电气柜中 完成对测最系统中自动进给机构的控制、 数据的自 动采集与计算，自动生 成车统 5 1 - c 报表和 与 激光传感器通讯等功能。 一 、信号处理硬件组成 信号处理系统硬件部分主要由1 3 个激光位移传感器、两套c c d摄像 系统、激光线光源、 p - i i i 工业控制计算机. 数据采集板，图像采集板，带 光电隔离的 1 8 5 通i t , 板，1 / 0 控制板，只组红外光电开关，打印机，信号 处理箱，电源系统等部分组成，此部分主要集中在一个电气柜中。图3 . o 为本系统的信号处理硬件逻辑连接图。 图 3 . 5 信号处理硬件逻辑连接图 二、信号处理软件部分 信号处理软件主要完成对测量系统的控制、 数据采集、 数据处理、 输 出电子表文与统计报表。整个系统的软件开发以b o r l a n d c + + b u i l d e r 为 开发工具， 使用标准的s q l 数据库语言 设计了工 n t e r b a s e 数据库。 软件 中要解决好两个技术问题: 各种自 动补偿技术的实现和各种传感器特征信 第三章 轮对几何参数光电测量系统的总体设计 号的提取。 p i l l 工业控制计算机与检测系统的通信采用r s - 4 8 5 串口， 波特 率为1 9 . 2 k b / s , 8 位数据位，1 位停止位。4 8 5串口具有传输可靠、速率 高 等 优点， 在 检测 系统中 得到 广 泛 的 应用. r o- 6 . 如图3 . 6 为测量系统的软件控制处理流程总图， 图3 . 7 为测量信号处 理的软件流程图。 北京交通大学硕士学位论文 厂 一属. 一 、 一一 ， 垂x i frz po 母 一泣 - 州 提 某 函 1疾 酥 牙 ， _ _ 尸 于一 ， 、 叉_ - 上i l- 功能选扦 l一 遗 , 对到指定 位n 、 口 测量 k - 曰卜- _ _ 炙 一、习 盯、忍病到 指 走 位 宜 拧制进轮电机工作 下 份 二 下 万 百 _ 钾 r 洲 l 甲 _ - -一 卫 一、 二 遥 达光电i 1 仲俞 )hrl 于 奋 行 拉制进转电机丁! r 工工 二 二 ( 洛 觅光 电 门 位 育 t _， 数招 采赞 _ l 、 一一. 甲 数据 又生 r 4it ig ax rd i f_ _ _ 上 上 二 二 二 二改 而 衅 1 n 堂 据 ， f l x : $ . ; 杯 一 _ _ _ 一 一 叉 卜 _ _ 一 乏 n : 6 min , 图 像v : x 一 下 万 - 数据图像处 巫 il i m e . n 1* tl 11 - b i : 定数据 结果存储、显示和扫印 ! 、 二 贻束 工 作 ， 泛 一 犷 仁 二_到 ( 协 弓 图 3 . 6 控制处理流程总图 第三章 轮对几何参数光电测量系统的总体设训 开始 p c k工作流丘 图 -一-卜 叫传感器发送自检妈 接收到两字节致褥 l一一 舟成所有传感器 自t - i y 3送 梢 侧 盛据长度=始定长度超时 提示 出味 c r c 校牲通过 发送 喇 r ， 处理敬也和图像显示， 保存 图 3 ， 7 测量信号处理流程图 21 北京交通大学硕士学位论文 第四章 传感器采集数据的处理方法 本系统中采用了激光位移传感器， 用以直接测量出待测目标相对 于传感器测量方向的位移变化，从而可得到测量万向上待测日 标的 尺寸变化，下面就具体地分析各类传感器的数据处理方法。 4 . ， 激光位移传感器的工作原理 激光位移传感器采用的是激光三角测量法的基本原理，图 4 . 1 所示为激光三角法测位移的原理图i2 , ; e, 半导体激光器l d 发出的光 经透镜l . 会聚后照射在被测物体表面的0 点处 ( 以下简称物光点 ， 经透镜 l成像于 c c d传感器 e的光电中心 0 点。此时 e的输出为 零， 称 0 点为位移计的位移零点。当被测物相对位移计发生位移时， 物光点将沿入射光方向移动x ， 从而引起像光点在e _ 二 发生位移x ， 进而引起e 输出信号的变化。 c c d 传 感 器 e x 驱动及前置处理 半导体激光器山 、.、r.1 l i + 信号处理 被r d il物体表面纠( _二毒 _ _ 二 、匕位移量计算 图4 . 1 激光三角法测位移的原理图 由图41 可得: x _ - x 主 一 l i g a p x ( 式4 - 1 ) 第四章 传感器采集数据的处理方法 若待测面由基准位置下移，式中取“一 ”; 反之取”十 号。 式中x , x 分别是被测物位移和c c d 器件上像斑的位移; l , l 分别是基准位置处的物距和像距。 l , l 、a 是系统的结构参数，根据具体使用要求而选定。 由此可见精确的测量x 就可以得到被测物体的位移量， 这就是 三角法测量位移的基本原理。 前面经给出了物像位移关系的公式， 但在实际系统中， 由于各种 因素的影响( 焦平面误差等) ，物像位移关系也发生变化，这时按照 公式计算的结果就有误差。为了克服这个缺点，就要在传感器光学 系统确定后进行传感器的标定。通过高精度的微动装置带动被测表 面，将距离制成表格，实际测量时通过查表就可以侧出位移。传感 器标定的目的是确定传感器的输入输出关系， 分析传感器的线性度、 灵敏度、滞后和重复性等特性指标，分析各种外界因素对传感器的 影响。传感器标定时，应注意标定仪器设备的精度等级的确定。所 用的测量仪器的精度至少要比 被标定的传感器的精度高一个等级。 这样，通过标定确定的传感器的各项指标才是可靠的，所确定的精 度才是可信的。 我们采用激光双频干涉测长仪作为测量仪器， 其精度完全可以满 足标定的要求。标定采用比较标定法，即将被标定的传感器安装在 双频激光干涉测长仪上，标定时同时记录双频激光干涉测长仪和被 测传感器的值，实现标定。具体的方法是，将被测面固定在电移台 上，通过程序控制电移台以步长 0 . 5 。 逐步运动，每运动一步，就 改变一次被测面位置，电移台在每一被测面位置静止时，通过双频 激光干涉测长仪可以 精确的测出这个位移变化量 ( 认为无误差) ， 同 时传感器也测出一个值，根据一系列的双频和传感器的数据可以做 出传感器的标定曲线。 图 4 . 2是在传感器工作条件下精确测量的标定曲线。实际测量 北京交通人学硕士学位论文 时，根据传感器输出的像素值，通过标定数据经插值处理，即可得 到测量日标与传感器的距离，通过_次测量距离的变化，即可得到 被测量目标位移的变化量。 卑绷9澎当畏架裂军圈 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 传感器的输出数据 图4 . 2传感器的标定曲线 4 . 2 插值算法的研究 前面已经介绍了，通过传感器标定，我们可以得到传感器输出 值与真实位移之间的对应关系。理论上说，标定的越密传感器的测 量精度就越高; 但同时标定过程也就越复杂。 在实验中采用了每0 . 5 毫米标定一个值。这样无法保证侮个像素都对应一个位移值。为了 使每个像素都对应一个位移值，就要对标定数据进行插值。通常数 据表中所列的数据都是不连续的，而我们需要知道已列数据的中间 值，这就需要这些已列数据求出待测值，这种过程叫插值。 插值的算法很多，