基於雷射位移傳感器的非接觸式輪對尺寸在線檢測方法與流程
2023-04-25 09:56:06 1
本發明屬於鐵路車輪檢測技術領域，特別是一種基於雷射位移傳感器的非接觸式輪對尺寸在線檢測方法。
背景技術：
城軌交通車輛車輪是機車與軌道的耦合部位，承載著整個機車的重量並保證機車在軌道上的運行。車輪在運行過程中不斷地與軌道發生摩擦，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發生變化，影響著列車安全運行以及乘客生命財產安全。因而對車輪踏面外形變化的跟蹤監測，具有重要的意義。
輪對尺寸檢測系統是軌道交通安全運行研究的重點，國內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研製擁有成熟的技術，但是其昂貴的成本以及對軌道的特殊要求，不適合在國內廣泛應用。國內成都主導科技有限責任公司生產的ly系列輪對故障動態檢測系統採用光截圖像測量技術，能夠自動檢測車輪外形尺寸，但是該系統結構複雜、成本高、抗幹擾能力差，檢測精度低。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種結構簡易、原理簡單的基於雷射位移傳感器的非接觸式輪對尺寸在線檢測方法，能夠實現輪對尺寸動態非接觸高精度測量。
實現本發明目的的技術解決方案是：一種基於雷射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：沿列車前進方向軌道內側順次設置第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2，在第一雷射位移傳感器l1關於同側軌道對稱的軌道外側設置第四雷射位移傳感器l4，在第二雷射位移傳感器l2關於同側軌道對稱的軌道外側設置第三雷射位移傳感器l3；第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2的雷射源均與軌道上表面處於同一平面；
步驟2，坐標變換：把第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3和第四雷射位移傳感器l4同步採集的數據所在的坐標系xoy進行坐標旋轉，變換到與軌道內端面平行的uov坐標系中；
步驟3，端面及關鍵特徵點提取：根據步驟2坐標變換後的數據，提取第一雷射位移傳感器l1、第三雷射位移傳感器l3左端面和第二雷射位移傳感器l2、第四雷射位移傳感器l4右端面；對第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2採集的數據進行分段擬合，並根據第一雷射位移傳感器l1左端面、第二雷射位移傳感器l2右端面提取第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2；
步驟4，車輪直徑計算：根據步驟3獲得的第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2，選擇車輪圓心位於第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2中心線時刻的數據，並計算車輪直徑；
步驟5，車輪輪緣參數計算：根據數據融合獲取第一雷射位移傳感器l1、第四雷射位移傳感器l4和第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3兩組踏面輪廓線，進而求取輪緣厚度h1、h2，輪緣高度g1、g2，兩組數據取平均獲取輪緣厚度h'、輪緣厚度g'；根據步驟4獲取圓心位於第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2中心線時刻前後3幀數據，獲取輪緣厚度h1'、h2'、h3'和輪緣高度g1'、g2'、g3'，將三組數據取平均獲取輪緣厚度h、輪緣厚度g。
本發明與現有技術相比，其顯著優點在於：(1)採用非接觸式檢測方式，檢測原理簡單、成本低，能夠在列車運行時實現列車輪徑、輪緣厚度、輪緣高度等輪對尺寸參數動態在線高精度測量；(2)輪緣參數使用多組和多幀檢測方法，提高了檢測精度。
附圖說明
圖1是本發明基於雷射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是本發明的檢測裝置結構示意圖。
圖3是第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3與車輪之間的安裝示意圖。
圖4是第一雷射位移傳感器l1左踏面以及關鍵特徵點提取示意圖。
圖5是本發明的直徑檢測原理示意圖。
圖6是第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3數據融合後車輪踏面輪廓線示意圖。
具體實施方式
本發明是基於雷射位移傳感器的非接觸式輪對尺寸在線檢測方法，首先將雷射位移傳感器輸出的數據點坐標變換，端面及關鍵特徵點提取，找到車輪圓心位於第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2中心線時傳感器到車輪踏面距離，根據幾何關係得到車輪直徑。通過數據融合獲取兩組車輪踏面輪廓線，進而求取兩組輪緣參數均值。同時，取車輪圓心位於第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2中心線前後三幀輪緣參數取均值，以提高系統檢測精度。
下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
結合圖1，本發明是一種基於雷射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：圖2為本發明的檢測裝置結構示意圖。沿列車前進方向軌道內側順次設置第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2，在第一雷射位移傳感器l1關於同側軌道對稱的軌道外側設置第四雷射位移傳感器l4，在第二雷射位移傳感器l2關於同側軌道對稱的軌道外側設置第三雷射位移傳感器l3；第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2的雷射源均與軌道上表面處於同一平面；
如圖2、圖3所示，第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3、第四雷射位移傳感器l4離軌道垂直安裝距離l1、l2、l3、l4均相等，取值範圍為300～400mm；第一雷射位移傳感器l1和第二雷射位移傳感器l2水平安裝距離l5與第三雷射位移傳感器l3和第四雷射位移傳感器l4水平安裝距離l6相等，取值範圍為800～1000mm；第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3、第四雷射位移傳感器l4與鉛垂線夾角β1、β2、β3、β4均相等，取值範圍為40～55°；第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3、第四雷射位移傳感器l4與沿軌道方向水平夾角α1、α2、α3、α4均相等，取值範圍為40～55°。
步驟2，坐標變換：把第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3和第四雷射位移傳感器l4同步採集的數據所在的坐標系xoy進行坐標旋轉，變換到與軌道內端面平行的uov坐標系中，具體過程如下：
對於第一雷射位移傳感器l1、第三雷射位移傳感器l3輸出的二維坐標值根據式(1)坐標變換為坐標值
其中，上標i＝1,3，分別代表第一雷射位移傳感器l1、第三雷射位移傳感器l3；
對於第二雷射位移傳感器l2、第四雷射位移傳感器l4輸出的二維坐標值根據式(2)坐標變換為坐標值
其中，上標i＝2,4，分別代表第二雷射位移傳感器l2、第四雷射位移傳感器l4。
4.根據權利要求1所述的基於雷射位移傳感器的非接觸式輪對尺寸在線檢測方法，其特徵在於，步驟3所述端面及關鍵特徵點提取，具體如下：
根據步驟2坐標變換後的坐標，提取滿足式(3)的坐標點：
|ui-ui-1|≤0.02(3)
將滿足條件的u軸橫坐標值取平均值作為車輪踏面端面的橫坐標值；設定第一雷射位移傳感器l1、第三雷射位移傳感器l3左端面橫坐標值為xl1、xl3，第二雷射位移傳感器l2、第四雷射位移傳感器l4右端面橫坐標值為xl2、xl4；
對第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2坐標變換後的數據點進行分段4階最小二乘曲線擬合，獲得踏面曲線方程；由第一雷射位移傳感器l1左端面橫坐標值xl1，第二雷射位移傳感器l2右端面橫坐標值xl2，根據式(4)獲取第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2踏面關鍵特徵點橫坐標x1、x2：
根據第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2踏面曲線方程以及橫坐標值x1、x2，獲取踏面關鍵特徵點縱坐標值，即為第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2。第一雷射位移傳感器l1左踏面以及關鍵特徵點提取如圖4所示。
步驟4：車輪直徑計算：根據步驟3獲得的第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2，選擇車輪圓心位於第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2中心線時刻的數據，並計算車輪直徑，具體過程如下：
根據步驟3得到的第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2，求取滿足式(5)d1、d2的數值：
|d1-d2|≤0.05(5)
根據雷射位移傳感器安裝參數以及第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2的數值，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為第一雷射位移傳感器l1和第二雷射位移傳感器l2水平安裝距離，第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3、第四雷射位移傳感器l4與沿軌道方向水平夾角α1、α2、α3、α4均相等為α。
步驟5：車輪輪緣參數計算：根據數據融合獲取第一雷射位移傳感器l1、第四雷射位移傳感器l4和第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3兩組踏面輪廓線，進而求取輪緣厚度h1、h2，輪緣高度g1、g2，兩組數據取平均獲取輪緣厚度h'、輪緣厚度g'；根據步驟4獲取圓心位於第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2中心線時刻前後3幀數據，獲取輪緣厚度h1'、h2'、h3'和輪緣高度g1'、g2'、g3'，將三組數據取平均獲取輪緣厚度h、輪緣厚度g，具體過程如下：
根據數據融合方法獲取第一雷射位移傳感器l1、第四雷射位移傳感器l4以及第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3車輪完整踏面輪廓曲線，根據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；根據式(7)獲得此次單幀車輪輪緣厚度h'、輪緣高度g'；第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3數據融合後車輪踏面輪廓線如圖6所示。
根據步驟4獲得的車輪圓心位於雷射位移傳感器第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2中心線時，取此幀以及前後兩幀輪緣厚度h1'、h2'、h3'以及輪緣高度g1'、g2'、g3'數值，按照式(8)求得車輪輪緣厚度h、輪緣高度g：
實施例1
沿列車前進方向軌道內側依次安裝第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2，軌道外側依次安裝第三雷射位移傳感器l3、第四雷射位移傳感器l4。第一雷射位移傳感器l1和第四雷射位移傳感器l4關於軌道對稱布置，第二雷射位移傳感器l2和第三雷射位移傳感器l3關於軌道對稱布置。第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3、第四雷射位移傳感器l4離軌道垂直安裝距離l1、l2、l3、l4均為350mm，第一雷射位移傳感器l1和第二雷射位移傳感器l2水平安裝距離l5與第三雷射位移傳感器l3和第四雷射位移傳感器l4水平安裝距離l6均為950mm，第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3、第四雷射位移傳感器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°。
首先對第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3、第四雷射位移傳感器l4輸出的坐標值按下式進行坐標變換：
對第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3、第四雷射位移傳感器l4坐標變化後的數據點，提取滿足|ui-ui-1|≤0.02的點，並對這些點橫坐標值取均值，獲得第一雷射位移傳感器l1、第三雷射位移傳感器l3左端面和第二雷射位移傳感器l2、第四雷射位移傳感器l4右端面橫坐標值。
對第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2坐標變換後的數據點進行4階最小二乘曲線擬合，獲得踏面曲線方程。由第一雷射位移傳感器l1左端面橫坐標值xl1，第二雷射位移傳感器l2右端面橫坐標值xl2，根據下式獲取第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2踏面關鍵特徵點橫坐標x1、x2，並將x1、x2帶入踏面曲線方程獲得第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2到車輪踏面距離d1、d2。
根據獲得的d1、d2，提取滿足|d1-d2|≤0.05的數據點，此時d1＝222.20，d2＝222.23，根據下式計算d＝800.1748mm。
根據人工檢測車輪直徑為800.0mm，可見輪徑檢測方法滿足現場檢修需求。
當車輪圓心位於第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2中心線，獲得此幀第一雷射位移傳感器l1、第四雷射位移傳感器l4以及第二雷射位移傳感器l2、第三雷射位移傳感器l3數據融合後獲得輪緣厚度h1＝28.96，h2＝28.86，輪緣高度g1＝29.20，g2＝29.30。兩組數據取均值得到輪緣厚度h1'＝28.91，輪緣高度g1'＝29.25。
同理，獲得車輪圓心位於第一雷射位移傳感器l1、第二雷射位移傳感器l2中心線前後兩幀車輪輪緣厚度h2'＝28.95、h3'＝28.85以及輪緣高度g2'＝29.18、g3'＝29.27。三幀數據取均值得到輪緣厚度h＝28.90，輪緣高度g＝29.23。
根據人工測量車輪輪緣參數為28.8mm，輪緣厚度29.2mm，可見輪緣檢測方法滿足現場檢修需求。