CN102230789A - 一种高速铁路钢轨平直度测量仪及其测量面定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高速铁路钢轨平直度测量仪及测量面定位方法，包括主机架、测量系统、测量系统移动装置以及操作系统，测量系统包括主体件，在所述主体件两端至少各设一定位大板，在每一块定位大板底部开设一放置高速铁路钢轨的凹槽，在凹槽的底部和一侧面上分别设置第一定位块和第二定位块并且形成钢轨上方的测量基准面A与钢轨右侧面的测量基准面B，测量基准面A与测量基准面B相互垂直，并与三个激光位移传感器运动轨迹平行；传感器安装板位于两个定位大板之间，并且也在底部开设一放置高速铁路钢轨的凹槽，在凹槽三个安装面上分别安装右方激光位移传感器、左方激光位移传感器以及上方激光位移传感器。

Description

一种高速铁路钢轨平直度测量仪及其测量面定位方法

技术领域

本发明涉及一种测量仪器，尤其是涉及一种高速铁路钢轨平直度测量仪。

背景技术

随着我国铁路提速事业的发展，列车运行速度的提高对铺设钢轨的直线度要求也相应的有着较大的提高。而我国绝大多数铁路生产厂家无缝钢轨焊接生产线上还没有钢轨焊接后进行直线度自动测量的器具。在实际生产过程中，都是由操作工人用1m长直尺手工比对完成精磨后的钢轨进行直线度测量，手工直尺测量是用光隙法原理，通过肉眼比较缝隙的大小，来判断无缝钢轨焊接处的直线度是否合格，对于缝隙比较大的钢轨就用塞规来测定数据，以此方法测量不能反应出其真实数据，全靠人的经验去判断，人为误差比较大，而且在测量过程中一人无法完成操作，工作效率比较低，需要较长时间完成作业，人力资源也没得到充分利用。

还有少数的铁路生产厂家对无缝钢轨直线度测量采用了便携式钢轨电子直线性测量仪，此仪器测量由两人组合操作完成，而且不能一次性完成测量，每次只能完成一个钢轨工作面的测量，每次更换测量面时还需调整测量基准压块，数据的存储与导出需下载到电脑中，这样需花费一定的工作时间，所以也不是最有效的测量方法。

发明内容

本发明设计了一种高速铁路钢轨平直度测量仪及其测量面定位方法，其解决的技术问题是现有手工直尺测量和便携式钢轨电子直线性测量仪测量存在测量误差大以及测量效率低。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：

一种高速铁路钢轨平直度测量仪，包括主机架(1)、测量系统(5)、测量系统移动装置以及操作系统(7)，其特征在于：所述测量系统(5)包括主体件(51)，在所述主体件(51)两端至少各设一定位大板(511)，在每一块定位大板(511)底部开设一放置高速铁路钢轨的凹槽，在凹槽的底部和一侧面上分别设置第一定位块(59)和第二定位块(510)并且形成钢轨上方的测量基准面A与钢轨右侧面的测量基准面B，测量基准面A与测量基准面B相互垂直；传感器安装板(53)位于两个定位大板(511)之间，并且也在底部开设一放置高速铁路钢轨的凹槽，在凹槽三个安装面上分别安装右方激光位移传感器(58)、左方激光位移传感器(56)以及上方激光位移传感器(57)。

进一步，所述测量系统(5)还包括导轨(52)和伺服电机(54)，导轨(52)安装在主体件(51)上，伺服电机(54)固定在导轨(52)一端的丝杆上，传感器安装板(53)连接在导轨(52)的滑块上。

进一步，测量系统移动装置包括快速升降机构(4)，所述快速升降机构(4)下方连接测量系统(5)，所述快速升降机构(4)包括滚珠丝杆(46)、第二同步带轮(47)、皮带(48)以及电动机(49)，所述电动机(49)通过皮带(48)及第二同步带轮(47)转动，滚珠丝杆(46)将转变为垂直方向上移动，从而带动测量系统(5)升降移动。

进一步，所述快速升降机构(4)还包括导向装置，所述导向装置至少包括第一导向杆(44)和第二导向杆(45)，所述第一导向杆(44)穿过主机架(1)与所述测量系统(5)连接，所述第二导向杆(45)与所述滚珠丝杆(46)固定连接成一体件。

进一步，所述快速升降机构(4)通过平衡锤机构(3)确保测量系统(5)向下移动时的稳定性，所述平衡锤机构(3)包括平衡锤(31)、链条(34)以及链轮(37)，链条(34)的一端与平衡锤(31)固定连接，链条(34)的另一端绕过链轮(37)后与第二导向杆(45)固定连接，所述链轮(37)安装在传动轴(36)上。

进一步，所述测量系统移动装置还包括慢速下降机构(6)，所述慢速下降机构(6)连接在所述快速升降机构(4)和所述测量系统(5)之间，所述慢速下降机构主要包括气缸(65)，所述气缸(65)上端与所述第二导向杆(45)和所述滚珠丝杆(46)固定连接，所述气缸(65)下端与所述测量系统(5)固定。

进一步，所述测量系统移动装置还包括左右平移机构(2)，所述左右平移机构(2)安装在移动大板(42)上并且驱动所述测量系统(5)在水平方向上移动，所述左右平移机构(2)包括电机(25)、同步皮带(24)、第一同步带轮(23)、梯形丝杆(22)、梯形螺母(27)以及连杆(26)，所述电机(25)通过同步皮带(24)驱动第一同步带轮(23)和梯形丝杆(22)转动，梯形螺母(27)沿着所述梯形丝杆(22)轴向左右移动；梯形螺母(27)通过连杆(26)与移动大板(42)连接，所述快速升降机构(4)和所述平衡锤机构(3)固定在所述移动大板(42)上。

进一步，所述移动大板(42)通过第二直线导轨(43)在所述固定大板(41)上移动。

进一步，所述操作系统(7)包括操作架(71)、电控部分(72)、显示器(73)、人机界面(74)以及操作按扭(75)。

一种高速铁路钢轨平直度测量仪的测量面定位方法，包括以下步骤：

步骤一：确立测量基准面A；

上方的测量基准面A是通过慢速下降机构(6)下压，将测量系统(6)中定位大板(511)顶部的两第一定位块(59)压在钢轨上，第一定位块(59)与钢轨定位后形成一条直线，与上方激光位移传感器(57)运动轨迹保证平行；

步骤二：确立测量基准面B；

测量基准面B通过横向夹紧定位机构(55)中的汽缸动作来完成，当两汽缸同时动作推动测量系统(5)直至两第二定位块(510)紧压钢轨轨头的右侧面，此两第二定位块(510)压紧后也形成一条直线，并与右方激光位移传感器(58)和左方激光位移传感器(56)运动轨迹保持平行；

第三步：定位导轨；

使用高标准测量尺紧贴测量基准面A与测量基准面B，滑动导轨中的滑块行走，直至测数与标准测量尺误差在±0.025mm以内就紧固导轨，这样就成型整个测量系统的测量尺。

该高速铁路钢轨平直度测量仪及其测量面定位方法与传统的现有手工直尺测量和便携式钢轨电子直线性测量仪测相比，具有以下有益效果：

(1)本发明与手工直尺相测量相比，在测量数值精确上得到很大提高，减少了人为误差，操作更加方便，数据的显示、记忆与存储更科学和准确，测量数据结果可直接存储在电脑中并可打印输出。

(2)本发明与便携式钢轨电子直线性测量仪相比，在测量效率上会更占优越。使用携式钢轨电子直线性测量仪时所需人员操作就要两人组合完成，而且每次只能测量一个轨面，测量轨头需分三次测，更换测量面时需调整定位夹具的方向，相对比较麻烦，而本发明测量仪器只需一人操作，在整个测量工作中只需按一下开关按扭就可测量。在数据传输与打印上更加方便，只需与本机电脑连接上对应设施就可完成相应工作，而使用携式钢轨电子直线性测量仪需下载到电脑中去才能完成此操作。

附图说明

图1：本发明高速铁路钢轨平直度测量仪的立体图；

图2：本发明高速铁路钢轨平直度测量仪的主视图；

图3：本发明高速铁路钢轨直线平直度测量仪的俯视图；

图4：本发明中的左右平移机构结构示意图；

图5：图4的俯视图；

图6：本发明中的平衡锤机构结构示意图；

图7：图6的左视图；

图8：本发明中快速升降机构的结构示意图；

图9：图8的俯视图；

图10：本发明中测量系统的仰视图；

图11：本发明中测量系统的主视图；

图12：本发明中测量系统的左视图；

图13：本发明高速铁路钢轨平直度测量仪的慢速下降机构结构图；

图14：本发明高速铁路钢轨平直度测量仪的操作系统示意图I；

图15：本发明高速铁路钢轨平直度测量仪的操作系统示意图II；

图16：激光位移感应器原理图；

附图标记说明：

1-主机架；11-主机架横梁；2-左右平移机构；21-固定大板；22-梯形丝杆；23-第一同步带轮；24-同步皮带；25-电机；26-连杆；27-梯形螺母；3-平衡锤机构；31-平衡锤；32-固定托架；33-第一直线导轨；34-链条；35-链条连接板；36-传动轴；37-链轮；4-快速升降机构；41-固定大板；42-移动大板；43-第二直线导轨；44-第一导向杆；45-第二导向杆；46-滚珠丝杆；47-第二同步带轮；48-皮带；49-电动机；410-电机安装架；411-防震橡胶架；5-测量系统；51-主体件；52-导轨；53-传感器安装板；54-伺服电机；55-横向夹紧定位机构；56-左方激光位移传感器；57-上方激光位移传感器；58-右方激光位移传感器；59-第一定位块；510-第二定位块；511-定位大板；6-慢速下降机构；61-连接板；62-轴；63-气缸耳环；64-气缸尾部连接板；65-气缸；66-关节轴承；67-气缸前端连接板；7-操作系统；71-操作架；72-电控部分；73-显示器；74-人机界面；75-操作按扭；8-防护拦；9-激光位移传感器；91-半导体激光器；92-镜片；93-镜片；94-线性CCD阵列；95-信号处理器；96-被测物体a；97-被测物体b。

具体实施方式

下面结合图1至图15，对本发明做进一步说明：

如图1、图2、图3所示，本测量仪器主要由以下几大部件组装而成；主机架1、左右平移机构2、平衡锤机构3、快速升降机构4、测量系统5、慢速下降机构6、操作系统7、以及防护拦部分8。

本测量仪器的安装连接主要用螺钉及定位销紧固方式

本测量仪器需连接外部三相电源380V，及提供气压源0.6Mpa。

图4和图5所示，左右平移机构2主要组成部分包括：固定大板21、梯形丝杆22、第一同步带轮23、同步皮带24、电机25、连杆26、梯形螺母27等组成。其中固定大板21与主机架横梁11相连作为基体，其余相应工件安装在固定大板21上，第一同步带轮23、同步皮带24在电机25的驱动下实现梯形丝杆22的转动，梯形丝杆22转动实现梯形螺母27直线运动，连杆26一端连接梯形螺母27，另一端与快速升降机构4中的移动大板42相连，移动大板42带动整个测量系统5的平移，从而实现测量系统5与钢轨焊缝的对中。

左右平移机构2可使测量系统5左右平移400mm，使得测量系统5中心(测量500mm处)近可能处在钢轨焊缝正上方，操作人机界上的开关按扭即可。

如图6和图7所示，为了使得整体测量平稳，机构中设计有平衡锤机构3，与整个测量系统机构重力均称，使得测量系统下降时安全、平稳。

具体来说，平衡锤机构3的主要组成部分及安装实施：平衡锤31、固定托架32、第一直线导轨33、链条34、链条连接板35、36传动轴、37链轮等组成。31平衡锤通过34链条、36传动轴、链轮37传动与链条连接板35相连，链条连接板35与第二导向杆45相连，第二导向杆的另一端与连接板61相连，通过慢速下降机构6与测量系统5相连，并且通过定滑轮的原理实现平衡锤31与测量系统5的重力平衡。

如图8和图9所示，快速升降机构4的主要组成部分及安装实施：固定大板41、移动大板42、第二直线导轨43、第一导向杆44、第二导向杆45、滚珠丝杆46、第二同步带轮47、皮带48、电动机49、电机安装架410以及防震橡胶座411等组成。固定大板41与主机架横梁11固定相连，上面安装两件第二直线轨导43，第二直线导轨43上安装移动大板42，其余相应的零件与移动大板42相关连，移动大板42在左右平移机构2的驱动下可带动整个测量系统5左右平移，从而实现测量系统5与钢轨焊缝的对中；电动机49的转运带动第二同步带轮47的转运，第二同步带轮47与皮带48的传动从而驱动滚珠丝杆46中的螺母转运，螺母的转动转变为滚珠丝杆46的直线升降运动，慢速下降机构6与滚珠丝杆46及4件第二导向杆45相连，从而实现测量系统的快速升降，第一导向杆44尾端与测量系统5两端连接，而导向部分的直线轴承安装在防震橡胶座411上面，所以在下降过程中施加一定的外力可使测量系统5有一定的角度偏摆。

如图10、图11和图12所示，测量系统5主要组成部分及安装实施：主体件51、导轨52、传感器安装板53、伺服电机54、横向夹紧定位机构55、左方激光位移传感器56、上方激光位移传感器57、右方激光位移传感器58、第一定位压块59、第二定位压块510、定位大板511等组成。

两件定位大板511与主体件51安装后组成整个测量的基体，再将2件第一定位压块59与2件第二定位压块510分别安装在定位大板511上，这样就形成了轨头上方的测量基准面A与轨头右侧面的测量基准面B，再装配导轨52，使用一高标准测量尺紧贴基准面A与基准面B，滑动导轨52中的滑块行走，直至测数与标准测量尺误差在±0.025mm以内就紧固导轨52，这样就成型整个测量系统的测量尺，紧固传感器安装板53与三件激光位移传感器56、57、58，连接伺服电机54与导轨52中的丝杆，这样组合就形成了高精度的激光位移传感器可自动走行的测量仪器，在运行测量时靠横向定位夹紧压机构55与慢速下降机构6中的汽缸动作，使整个测量系统紧压钢轨的上轨面与轨头右侧面，从而形成在钢轨上的测量基准。

如图13所示，慢速下降机构6主要组成部分安装实施：连接板61、轴62、汽缸耳环63、汽缸尾部连接板64、汽缸65、关节轴承66、汽缸前端连接板67等组成。连接板61与第二导向杆45连接，作为与快速升降机构连接桥梁，连接板61底部与汽缸尾部连接板64、轴62、汽缸耳环63连接作为汽缸65动作时的摇臂，汽缸前端连接关节轴承66及汽缸前端连接板67，汽缸前端连接板67与整个测量系统5相连接，从而实现汽缸65缓慢下降时对整个测量系统5的慢速下降。

由此可见，为了提高工作效率，整个测量系统5的下降分为两个阶段，大行程由快速升降机构4完成，行走到快速行程末端时由慢速下降机构6完成下压钢轨，以保证测量时平稳；而整个上升过程均为快速上升。

如图14和图15所示，操作系统主要组成部分：操作架71、电控部分72、显示器73、人机界面74、操作按扭75等组成。操作架71为主体框架，内部放置电控部分72，其中电控部分由测量系统软件软件、电气控件部分、电脑主机等组成。显示器73安装在45度斜坡面上，人机界面74放置操作架的平台上，所有的操作功能均可在上面完成，75操作按扭分别为开始、急停、复位、手动、自动、故障解除。

由此可见，操作系统7采用人机界面，只需一人操作即可；数据的显示、记忆、存储，使用测量仪器配置的电脑即可完成，数据的传输与打印只需与本测量仪器的电脑对应连接即可，操作非常方便简单。

此外，为了安全起见，本测量仪器在工作区域内设有安全光栅，只要人员进入机器的工作区域内，机器会立即停止动作；平衡锤下部有一层防丝网，以防平衡锤掉落。

本发明的工作原理：测量系统为测量一米钢轨为标准，以钢轨轨头的三个面为基准，把三个激光位移传感器固定在导轨滑块上的传感器安装板上方、左方、右方，从而建立三个位置的测量座标轨迹，通过PLC控制，三个激光位移传感器在电机的驱动下，沿着导轨行走1m，在此行程中传感器发出5000个脉冲对所测的点进行平均值处理，连成一条线与测量基准线进行对比，对比的数据差就为钢轨实际平直度值。

导轨：重复定位精度±0.005mm

测量原理：光学三角法；

如图16所示，半导体激光器91、被镜片92、聚焦到被测物体96、97后反射光被镜片93收集，投射到线性CCD阵列94上；信号处理器95通过三角函数计算线性CCD阵列94上的光点位置得到距物体的距离。

选用激光位移传感器的参数：

量程：10mm

线性度：±0.1％FS

分辨率：0.03％FS

仪器测量精度：±0.025mm

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高速铁路钢轨平直度测量仪，包括主机架(1)、测量系统(5)、测量系统移动装置以及操作系统(7)，其特征在于：所述测量系统(5)包括主体件(51)，在所述主体件(51)两端至少各设一定位大板(511)，在每一块定位大板(511)底部开设一放置高速铁路钢轨的凹槽，在凹槽的底部和一侧面上分别设置第一定位块(59)和第二定位块(510)并且形成钢轨上方的测量基准面A与钢轨右侧面的测量基准面B，传感器安装板(53)位于两个定位大板(511)之间，并且也在底部开设一放置高速铁路钢轨的凹槽，在凹槽三个安装面上分别安装右方激光位移传感器(58)、左方激光位移传感器(56)以及上方激光位移传感器(57)，测量基准面A与测量基准面B相互垂直，并与三个激光位移传感器运动轨迹平行。

2.根据权利要求1所述高速铁路钢轨平直度测量仪，其特征在于：所述测量系统(5)包括导轨(52)和伺服电机(54)，导轨(52)安装在主体件(51)上，伺服电机(54)固定在导轨(52)一端的丝杆上，传感器安装板(53)连接在导轨(52)的滑块上。

3.根据权利要求1或2所述高速铁路钢轨平直度测量仪，其特征在于：测量系统移动装置包括快速升降机构(4)，所述快速升降机构(4)下方连接测量系统(5)，所述快速升降机构(4)包括滚珠丝杆(46)、第二同步带轮(47)、皮带(48)以及电动机(49)，所述电动机(49)通过皮带(48)驱动第二同步带轮(47)转动，滚珠丝杆(46)将会转变为在垂直方向上移动，从而带动测量系统(5)升降移动。

4.根据权利要求3所述高速铁路钢轨平直度测量仪，其特征在于：所述快速升降机构(4)还包括导向装置，所述导向装置至少包括第一导向杆(44)和第二导向杆(45)，所述第一导向杆(44)穿过主机架(1)与所述测量系统(5)连接，所述第二导向杆(45)与所述滚珠丝杆(46)固定连接成一体件。

5.根据权利要求3或4所述高速铁路钢轨平直度测量仪，其特征在于：所述快速升降机构(4)通过平衡锤机构(3)确保测量系统(5)向下移动时的稳定性，所述平衡锤机构(3)包括平衡锤(31)、链条(34)以及链轮(37)，链条(34)的一端与平衡锤(31)固定连接，链条(34)的另一端绕过链轮(37)后与第二导向杆(45)固定连接，所述链轮(37)安装在传动轴(36)上。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述高速铁路钢轨平直度测量仪，其特征在于：所述测量系统移动装置还包括慢速下降机构(6)，所述慢速下降机构(6)连接在所述快速升降机构(4)和所述测量系统(5)之间，所述慢速下降机构主要包括气缸(65)，所述气缸(65)上端与所述第二导向杆(45)和所述滚珠丝杆(46)固定连接，所述气缸(65)下端与所述测量系统(5)固定。

7.根据权利要求1至6中任何一项所述高速铁路钢轨平直度测量仪，其特征在于：所述测量系统移动装置还包括左右平移机构(2)，所述左右平移机构(2)安装在移动大板(42)上并且驱动所述测量系统(5)在水平方向上移动，所述左右平移机构(2)包括电机(25)、同步皮带(24)、第一同步带轮(23)、梯形丝杆(22)、梯形螺母(27)以及连杆(26)，所述电机(25)通过同步皮带(24)驱动第一同步带轮(23)和梯形丝杆(22)转动，梯形螺母(27)沿着所述梯形丝杆(22)轴向左右移动；梯形螺母(27)通过连杆(26)与移动大板(42)连接，所述快速升降机构(4)和所述平衡锤机构(3)固定在所述移动大板(42)上。

8.根据权利要求7所述高速铁路钢轨平直度测量仪，其特征在于：所述移动大板(42)通过第二直线导轨(43)在所述固定大板(41)上移动。

9.根据权利要求1至8中任何一项所述高速铁路钢轨平直度测量仪，其特征在于：所述操作系统(7)包括操作架(71)、电控部分(72)、显示器(73)、人机界面(74)以及操作按扭(75)。

10.一种高速铁路钢轨平直度测量仪的测量面定位方法，包括以下步骤：

步骤一：确立测量基准面A；

上方的测量基准面A是通过慢速下降机构(6)下压，将测量系统(6)中定位大板(511)顶部的两第一定位块(59)压在钢轨上，第一定位块(59)与钢轨定位后形成一条直线，与上方激光位移传感器(57)运动轨迹保证平行；

步骤二：确立测量基准面B；

测量基准面B通过横向夹紧定位机构(55)中的汽缸动作来完成，当两汽缸同时动作推动测量系统(5)直至两第二定位块(510)紧压钢轨轨头的右侧面，此两个第二定位块(510)压紧后也形成一条直线，并与右方激光位移传感器(58)和左方激光位移传感器(56)运动轨迹保持平行；

第三步：定位导轨(52)；

使用高标准测量尺紧贴测量基准面A与测量基准面B，滑动导轨(52)中的滑块行走，直至测数与标准测量尺误差在±0.025mm以内就紧固导轨(52)，这样就成型整个测量系统的测量尺。

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