本發(fā)明屬于鐵路車輪檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于激光位移傳感器的非接觸式輪對尺寸在線檢測方法。

背景技術(shù)：

城軌交通車輛車輪是機(jī)車與軌道的耦合部位，承載著整個機(jī)車的重量并保證機(jī)車在軌道上的運(yùn)行。車輪在運(yùn)行過程中不斷地與軌道發(fā)生摩擦，造成車輪踏面磨耗，使車輪輪徑、輪緣厚度以及輪緣高度等輪對尺寸參數(shù)發(fā)生變化，影響著列車安全運(yùn)行以及乘客生命財(cái)產(chǎn)安全。因而對車輪踏面外形變化的跟蹤監(jiān)測，具有重要的意義。

輪對尺寸檢測系統(tǒng)是軌道交通安全運(yùn)行研究的重點(diǎn)，國內(nèi)外研究均有很大的突破。美國、瑞士、日本、俄羅斯等國在輪對尺寸自動檢測系統(tǒng)研制擁有成熟的技術(shù)，但是其昂貴的成本以及對軌道的特殊要求，不適合在國內(nèi)廣泛應(yīng)用。國內(nèi)成都主導(dǎo)科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ly系列輪對故障動態(tài)檢測系統(tǒng)采用光截圖像測量技術(shù)，能夠自動檢測車輪外形尺寸，但是該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、抗干擾能力差，檢測精度低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡易、原理簡單的基于激光位移傳感器的非接觸式輪對尺寸在線檢測方法，能夠?qū)崿F(xiàn)輪對尺寸動態(tài)非接觸高精度測量。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是：一種基于激光位移傳感器的非接觸式輪對尺寸在線檢測方法，包括以下步驟：

步驟1，傳感器布設(shè)：沿列車前進(jìn)方向軌道內(nèi)側(cè)順次設(shè)置第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2，在第一激光位移傳感器l1關(guān)于同側(cè)軌道對稱的軌道外側(cè)設(shè)置第四激光位移傳感器l4，在第二激光位移傳感器l2關(guān)于同側(cè)軌道對稱的軌道外側(cè)設(shè)置第三激光位移傳感器l3；第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2的激光源均與軌道上表面處于同一平面；

步驟2，坐標(biāo)變換：把第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3和第四激光位移傳感器l4同步采集的數(shù)據(jù)所在的坐標(biāo)系xoy進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，變換到與軌道內(nèi)端面平行的uov坐標(biāo)系中；

步驟3，端面及關(guān)鍵特征點(diǎn)提?。焊鶕?jù)步驟2坐標(biāo)變換后的數(shù)據(jù)，提取第一激光位移傳感器l1、第三激光位移傳感器l3左端面和第二激光位移傳感器l2、第四激光位移傳感器l4右端面；對第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分段擬合，并根據(jù)第一激光位移傳感器l1左端面、第二激光位移傳感器l2右端面提取第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2；

步驟4，車輪直徑計(jì)算：根據(jù)步驟3獲得的第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2，選擇車輪圓心位于第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2中心線時(shí)刻的數(shù)據(jù)，并計(jì)算車輪直徑；

步驟5，車輪輪緣參數(shù)計(jì)算：根據(jù)數(shù)據(jù)融合獲取第一激光位移傳感器l1、第四激光位移傳感器l4和第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3兩組踏面輪廓線，進(jìn)而求取輪緣厚度h1、h2，輪緣高度g1、g2，兩組數(shù)據(jù)取平均獲取輪緣厚度h'、輪緣厚度g'；根據(jù)步驟4獲取圓心位于第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2中心線時(shí)刻前后3幀數(shù)據(jù)，獲取輪緣厚度h1'、h2'、h3'和輪緣高度g1'、g2'、g3'，將三組數(shù)據(jù)取平均獲取輪緣厚度h、輪緣厚度g。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)在于：(1)采用非接觸式檢測方式，檢測原理簡單、成本低，能夠在列車運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)列車輪徑、輪緣厚度、輪緣高度等輪對尺寸參數(shù)動態(tài)在線高精度測量；(2)輪緣參數(shù)使用多組和多幀檢測方法，提高了檢測精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于激光位移傳感器的非接觸式輪對尺寸在線檢測方法的流程圖。

圖2是本發(fā)明的檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3與車輪之間的安裝示意圖。

圖4是第一激光位移傳感器l1左踏面以及關(guān)鍵特征點(diǎn)提取示意圖。

圖5是本發(fā)明的直徑檢測原理示意圖。

圖6是第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3數(shù)據(jù)融合后車輪踏面輪廓線示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明是基于激光位移傳感器的非接觸式輪對尺寸在線檢測方法，首先將激光位移傳感器輸出的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)變換，端面及關(guān)鍵特征點(diǎn)提取，找到車輪圓心位于第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2中心線時(shí)傳感器到車輪踏面距離，根據(jù)幾何關(guān)系得到車輪直徑。通過數(shù)據(jù)融合獲取兩組車輪踏面輪廓線，進(jìn)而求取兩組輪緣參數(shù)均值。同時(shí)，取車輪圓心位于第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2中心線前后三幀輪緣參數(shù)取均值，以提高系統(tǒng)檢測精度。

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

結(jié)合圖1，本發(fā)明是一種基于激光位移傳感器的非接觸式輪對尺寸在線檢測方法，包括以下步驟：

步驟1，傳感器布設(shè)：圖2為本發(fā)明的檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖。沿列車前進(jìn)方向軌道內(nèi)側(cè)順次設(shè)置第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2，在第一激光位移傳感器l1關(guān)于同側(cè)軌道對稱的軌道外側(cè)設(shè)置第四激光位移傳感器l4，在第二激光位移傳感器l2關(guān)于同側(cè)軌道對稱的軌道外側(cè)設(shè)置第三激光位移傳感器l3；第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2的激光源均與軌道上表面處于同一平面；

如圖2、圖3所示，第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3、第四激光位移傳感器l4離軌道垂直安裝距離l1、l2、l3、l4均相等，取值范圍為300～400mm；第一激光位移傳感器l1和第二激光位移傳感器l2水平安裝距離l5與第三激光位移傳感器l3和第四激光位移傳感器l4水平安裝距離l6相等，取值范圍為800～1000mm；第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3、第四激光位移傳感器l4與鉛垂線夾角β1、β2、β3、β4均相等，取值范圍為40～55°；第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3、第四激光位移傳感器l4與沿軌道方向水平夾角α1、α2、α3、α4均相等，取值范圍為40～55°。

步驟2，坐標(biāo)變換：把第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3和第四激光位移傳感器l4同步采集的數(shù)據(jù)所在的坐標(biāo)系xoy進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，變換到與軌道內(nèi)端面平行的uov坐標(biāo)系中，具體過程如下：

對于第一激光位移傳感器l1、第三激光位移傳感器l3輸出的二維坐標(biāo)值根據(jù)式(1)坐標(biāo)變換為坐標(biāo)值

其中，上標(biāo)i＝1,3，分別代表第一激光位移傳感器l1、第三激光位移傳感器l3；

對于第二激光位移傳感器l2、第四激光位移傳感器l4輸出的二維坐標(biāo)值根據(jù)式(2)坐標(biāo)變換為坐標(biāo)值

其中，上標(biāo)i＝2,4，分別代表第二激光位移傳感器l2、第四激光位移傳感器l4。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光位移傳感器的非接觸式輪對尺寸在線檢測方法，其特征在于，步驟3所述端面及關(guān)鍵特征點(diǎn)提取，具體如下：

根據(jù)步驟2坐標(biāo)變換后的坐標(biāo)，提取滿足式(3)的坐標(biāo)點(diǎn)：

|ui-ui-1|≤0.02(3)

將滿足條件的u軸橫坐標(biāo)值取平均值作為車輪踏面端面的橫坐標(biāo)值；設(shè)定第一激光位移傳感器l1、第三激光位移傳感器l3左端面橫坐標(biāo)值為xl1、xl3，第二激光位移傳感器l2、第四激光位移傳感器l4右端面橫坐標(biāo)值為xl2、xl4；

對第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2坐標(biāo)變換后的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行分段4階最小二乘曲線擬合，獲得踏面曲線方程；由第一激光位移傳感器l1左端面橫坐標(biāo)值xl1，第二激光位移傳感器l2右端面橫坐標(biāo)值xl2，根據(jù)式(4)獲取第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2踏面關(guān)鍵特征點(diǎn)橫坐標(biāo)x1、x2：

根據(jù)第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2踏面曲線方程以及橫坐標(biāo)值x1、x2，獲取踏面關(guān)鍵特征點(diǎn)縱坐標(biāo)值，即為第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2。第一激光位移傳感器l1左踏面以及關(guān)鍵特征點(diǎn)提取如圖4所示。

步驟4：車輪直徑計(jì)算：根據(jù)步驟3獲得的第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2，選擇車輪圓心位于第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2中心線時(shí)刻的數(shù)據(jù)，并計(jì)算車輪直徑，具體過程如下：

根據(jù)步驟3得到的第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2，求取滿足式(5)d1、d2的數(shù)值：

|d1-d2|≤0.05(5)

根據(jù)激光位移傳感器安裝參數(shù)以及第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2的數(shù)值，由式(6)求取車輪直徑d，直徑檢測原理示意圖如圖5所示：

其中，l5為第一激光位移傳感器l1和第二激光位移傳感器l2水平安裝距離，第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3、第四激光位移傳感器l4與沿軌道方向水平夾角α1、α2、α3、α4均相等為α。

步驟5：車輪輪緣參數(shù)計(jì)算：根據(jù)數(shù)據(jù)融合獲取第一激光位移傳感器l1、第四激光位移傳感器l4和第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3兩組踏面輪廓線，進(jìn)而求取輪緣厚度h1、h2，輪緣高度g1、g2，兩組數(shù)據(jù)取平均獲取輪緣厚度h'、輪緣厚度g'；根據(jù)步驟4獲取圓心位于第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2中心線時(shí)刻前后3幀數(shù)據(jù)，獲取輪緣厚度h1'、h2'、h3'和輪緣高度g1'、g2'、g3'，將三組數(shù)據(jù)取平均獲取輪緣厚度h、輪緣厚度g，具體過程如下：

根據(jù)數(shù)據(jù)融合方法獲取第一激光位移傳感器l1、第四激光位移傳感器l4以及第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3車輪完整踏面輪廓曲線，根據(jù)輪緣厚度和輪緣高度定義求取車輪輪緣厚度h1、h2，輪緣高度g1、g2；根據(jù)式(7)獲得此次單幀車輪輪緣厚度h'、輪緣高度g'；第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3數(shù)據(jù)融合后車輪踏面輪廓線如圖6所示。

根據(jù)步驟4獲得的車輪圓心位于激光位移傳感器第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2中心線時(shí)，取此幀以及前后兩幀輪緣厚度h1'、h2'、h3'以及輪緣高度g1'、g2'、g3'數(shù)值，按照式(8)求得車輪輪緣厚度h、輪緣高度g：

實(shí)施例1

沿列車前進(jìn)方向軌道內(nèi)側(cè)依次安裝第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2，軌道外側(cè)依次安裝第三激光位移傳感器l3、第四激光位移傳感器l4。第一激光位移傳感器l1和第四激光位移傳感器l4關(guān)于軌道對稱布置，第二激光位移傳感器l2和第三激光位移傳感器l3關(guān)于軌道對稱布置。第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3、第四激光位移傳感器l4離軌道垂直安裝距離l1、l2、l3、l4均為350mm，第一激光位移傳感器l1和第二激光位移傳感器l2水平安裝距離l5與第三激光位移傳感器l3和第四激光位移傳感器l4水平安裝距離l6均為950mm，第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3、第四激光位移傳感器l4與鉛垂線夾角β1、β2、β3、β4均為45°，與沿軌道方向水平夾角α1、α2、α3、α4均為45°。

首先對第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3、第四激光位移傳感器l4輸出的坐標(biāo)值按下式進(jìn)行坐標(biāo)變換：

對第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3、第四激光位移傳感器l4坐標(biāo)變化后的數(shù)據(jù)點(diǎn)，提取滿足|ui-ui-1|≤0.02的點(diǎn)，并對這些點(diǎn)橫坐標(biāo)值取均值，獲得第一激光位移傳感器l1、第三激光位移傳感器l3左端面和第二激光位移傳感器l2、第四激光位移傳感器l4右端面橫坐標(biāo)值。

對第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2坐標(biāo)變換后的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行4階最小二乘曲線擬合，獲得踏面曲線方程。由第一激光位移傳感器l1左端面橫坐標(biāo)值xl1，第二激光位移傳感器l2右端面橫坐標(biāo)值xl2，根據(jù)下式獲取第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2踏面關(guān)鍵特征點(diǎn)橫坐標(biāo)x1、x2，并將x1、x2帶入踏面曲線方程獲得第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2。

根據(jù)獲得的d1、d2，提取滿足|d1-d2|≤0.05的數(shù)據(jù)點(diǎn)，此時(shí)d1＝222.20，d2＝222.23，根據(jù)下式計(jì)算d＝800.1748mm。

根據(jù)人工檢測車輪直徑為800.0mm，可見輪徑檢測方法滿足現(xiàn)場檢修需求。

當(dāng)車輪圓心位于第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2中心線，獲得此幀第一激光位移傳感器l1、第四激光位移傳感器l4以及第二激光位移傳感器l2、第三激光位移傳感器l3數(shù)據(jù)融合后獲得輪緣厚度h1＝28.96，h2＝28.86，輪緣高度g1＝29.20，g2＝29.30。兩組數(shù)據(jù)取均值得到輪緣厚度h1'＝28.91，輪緣高度g1'＝29.25。

同理，獲得車輪圓心位于第一激光位移傳感器l1、第二激光位移傳感器l2中心線前后兩幀車輪輪緣厚度h2'＝28.95、h3'＝28.85以及輪緣高度g2'＝29.18、g3'＝29.27。三幀數(shù)據(jù)取均值得到輪緣厚度h＝28.90，輪緣高度g＝29.23。

根據(jù)人工測量車輪輪緣參數(shù)為28.8mm，輪緣厚度29.2mm，可見輪緣檢測方法滿足現(xiàn)場檢修需求。