CN105651168A - 一种测量车轮外形尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车轮外形尺寸测量方法，包括以下步骤：采用至少三个线光源照射车轮；拍摄每个所述线光源在车轮上形成的光截线；以至少三条沿车轮宽度方向完整的所述光截线计算所述车轮的轴心线；根据所述轴心线和所述光截线确定车轮的外形尺寸参数。由于采用至少三个线光源照射车轮，且采用至少三个完整的光截线计算车轮的轴心线，其中每个光截线均位于车轮上且相对车轮的位置关系确定，因此不会如现有技术采用两个光截线、车轮与铁轨接触的第三条线计算车轮的轴心线时引入铁轨变形和车轮沿铁轨做蛇形运动产生的系统误差，提高车轮轴心线计算的可靠性，进而提高车轮外形尺寸测量的准确性。

Description

一种测量车轮外形尺寸的方法

技术领域

本发明涉及机车车辆轮对自动检测技术领域，特别涉及一种测量车轮外形尺寸的方法。

背景技术

轮对是机车行走的关键部件，轮对外形关键尺寸直接关系到行车安全。因此如何有效快速的对轮对尺寸进行精确测量，检测轮对的磨损消耗、判定是否需要更换轮对，对保证铁路运输安全具有重要意义。

目前，对轮对外形尺寸进行检测的方法主要有接触测量法、图像测量方法。其中，图像测量法因其为非接触性检测得到广泛应用。

现有的非接触轮对检测方法采用线激光照射轮对，通过相机抓取光线在轮对上的光截线，实现轮对外形几何尺寸的测量，其测量原理如下：两个线光源从两侧分别照射车轮、并由相机获得两个光截线的坐标位置，结合车轮踏面和钢轨的接触线计算车轮的轴心线位置，继而再根据光截线和轴心线确定车轮外形尺寸。但是机车行驶过程中，钢轨会发生变形、车轮也会沿着钢轨做蛇形运动，造成实际接触线的位置不断变化，而计算时将接触线的坐标位置固定，因此给测量带来系统误差。

发明内容

为解决现有技术中采用两个光截线配合车轮踏面和钢轨的接触线计算车轮的外形尺寸引入系统误差的问题，本发明提供一种新的车轮外形尺寸测量方法。

本发明提供一种车轮外形尺寸测量方法，包括以下步骤：

采用至少三个线光源照射车轮；

拍摄每个所述线光源在车轮上形成的光截线；

以至少三条沿车轮宽度方向完整的所述光截线计算所述车轮的轴心线；

根据所述轴心线和所述光截线确定车轮的外形尺寸参数。

可选的，计算所述车轮的轴心线具体为：

获取每条所述光截线与车轮的轮缘顶点相交的轮缘顶点坐标，由所述轮缘顶点坐标确定轮缘顶点平面；

以平行于所述轮缘顶点平面的截面切割车轮、得到每个所述截面与各个所述光截线的第一交点；

根据每个所述截面上的各个所述第一交点的坐标计算每个所述截面中所述第一交点所在圆周的圆心、根据所述轮缘顶点坐标计算所述轮缘顶点所在圆周的圆心；

根据每个所述截面上的各个所述第一交点所在圆周的圆心和所述轮缘顶点所在圆周的圆心确定所述轴心线。

可选的，根据每个所述截面上的各个所述第一交点所在圆周的圆心和所述轮缘顶点所在圆周的圆心和确定所述车轮的轴心线具体为：

任意连接轮缘顶点所在圆周的圆心、同一所述截面上的所述第一交点所在圆周的圆心得到连接线，获得所有所述连接线与所述轮缘顶点平面的第二交点；

以过重合度最高的所述第二交点、垂直于所述轮缘顶点平面的垂线为所述轴心线。

可选的，按照设定步距移动获得平行所述轮缘顶点平面的所述截面。

可选的，所述设定步距为0.1mm。

可选的，根据所述轴心线和所述光截线确定车轮的外形尺寸具体为：计算所述光截线的所述第二交点与所述轴心线距离、绘制车轮的外形尺寸剖面图；

根据所述外形尺寸剖面图得到所述外形尺寸参数。

可选的，平均每个所述光截线上的所述第二交点与所述轴心线的距离，绘制所述外形尺寸剖面图。

可选的，根据车轮的可能尺寸范围排除所述线光源照射到粘附在车轮上的杂物形成的所述光截线。

本发明提供的车轮外形尺寸测量方法，利用至少3个线光源照射车轮、获得至少3条沿车轮宽度方向完整的光截线，利用这些完整的光截线计算车轮的轴心线，并利用轴心线和光截线确定车轮的外形尺寸。由于采用至少三个线光源照射车轮，且采用至少三个完整的光截线计算车轮的轴心线，其中每个光截线均位于车轮上且相对车轮的位置关系确定，因此不会如现有技术采用两个光截线、车轮与铁轨接触的第三条线计算车轮的轴心线时引入铁轨变形和车轮沿铁轨做蛇形运动产生的系统误差，提高车轮轴心线计算的可靠性，进而提高车轮外形尺寸测量的准确性。

在本发明一具体实施方式中，利用轮缘顶点所在平面作为基准平面，采用平行于轮缘顶点平面的截面和光截线相交得到第一交点，并利用每个截面上的第一交点确定相应的圆心坐标，由第一交点对应的圆心坐标和轮缘顶点对应的圆心坐标进行车轮轴心线的计算，使得车轮的轴心线计算更为准确。同时，这样的计算方法可排除现有技术中计算原理对线光源和车轮的相交角度要求，降低设备的调试难度和维护工作量。

在本发明一具体实施方式中，任意连接轮缘顶点所在圆周的圆心、同一所述截面上的第一交点所在圆周的圆心得到连接线，获得所有连接线与轮缘顶点平面的第二交点；以过重合度最高的第二交点、垂直于轮缘顶点平面的垂线为所述轴心线。这样的方法，能够排除车轮上异物导致的某一光截线出现杂点的问题，减少对最终车轮外形集合尺寸的影响，提高测试的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本发明具体实施方式一中线光源照射车轮示意图；

图2为拍摄图1中的线光源在车轮上形成光截线示意图；

图3为本发明具体实施方式二中线光源照射车轮示意图；

图4为拍摄图3中的线光源在车轮上形成光截线示意图；

图5为本发明车轮外形尺寸测量方法示意图；

图6为根据光截线计算车轮轴心线的方法示意图；

图7为根据光截线与轴心线的距离绘制车轮的外形尺寸剖面图。

具体实施方式

图1为本发明具体实施方式一中线光源照射车轮示意图，图2为拍摄图1中的线光源在车轮上形成光截线示意图，图3为本发明具体实施方式二中线光源照射车轮示意图，图4为拍摄图3中的线光源在车轮上形成光截线示意图，图5为本发明车轮外形尺寸测量方法示意图，图6为根据光截线计算车轮轴心线的方法示意图，图7为根据光截线与轴心线的距离绘制车轮的外形尺寸剖面图。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种车轮外形尺寸测量方法，如图5，其包括以下步骤：

S101：采用至少三个线光源照射车轮，

S102：拍摄每个线光源在车轮上形成的光截线，

S103：以至少三条沿车轮宽度方向完整的光截线计算车轮的轴心线，

S104：根据轴心线和光截线确定车轮的外形尺寸参数。

由于采用至少三个线光源照射车轮，且采用至少三个光截线计算车轮的轴心线，其中每个光截线均位于车轮上且相对车轮的位置关系确定，不会如现有技术采用两个光截线、车轮与铁轨接触的第三条线计算车轮的轴心线时引入铁轨变形和车轮沿铁轨做蛇形运动产生的系统误差，提高车轮轴心线计算的准确性。

如图1，图1为本发明具体实施方式一中线光源照射车轮示意图，在这一具体实施方式中具有3个线光源照射车轮，且3个线光源照射在车轮上的光截线为完整的光截线并被图像采集装置完整采集，得到如图2所示的光截线示意图。

具体的，如图6，在本发明中，根据至少三条完整的光截线计算车轮的轴心线的步骤可如下：

S1031：获取每条光截线与车轮的轮缘顶点相交的轮缘顶点坐标，由轮缘顶点坐标确定轮缘顶点平面；

机车行驶过程中，由于车轴上两个车轮的轮缘限制，其不会脱离铁轨，而两个轮缘的轮缘顶点不会与铁轨发生接触而磨损，因此轮缘顶点相对确定，且轮缘顶点在车轮加工时是位于垂直于车轮轴心线的平面上，因此可以以轮缘顶点所在的平面作为后续计算轴心线的基准。

而由于拍摄光截线的图像采集设备位于铁轨下侧(防止对机车正常运行造成影响)，因此相应的图像采集设备拍摄光截线中的最高点为轮缘顶点，可非常容易的确定轮缘顶点的坐标。

如图2，为方便起见，将轮缘顶点平面标记为1，在具有3个光截线的情况下，各个光截线与轮缘顶点的第一交点分别为A₁、B₁、C₁，根据三点确定一圆原理，采用A₁、B₁、C₁、确定一个平面即为轮缘顶点平面。

S1032：待确定轮缘顶点平面后，以平行于轮缘顶点平面的截面切割车轮，得到每个截面与各个光截线的第一交点；

同样，将从轮缘顶点平面到车轮踏面每个截面分别标记为2-N，第n个截面与每个光截线相交的第一交点分别为A_n、B_n、C_n，其中n为2-N中的任意数值。

S1033：根据每个截面上的各个第一交点的坐标计算每个截面中第一交点所在圆周的圆心，根据轮缘顶点坐标计算轮缘顶点所在圆周的圆心；

以第2个截面为例，其与每个光截线相交的第一交点分别为A₂、B₂、C₂，A₂、B₂、C₂位于平行于轮缘顶点平面上，且3个点理论上位于以轴心线与截面相交点为圆心的圆周上，因此，采用A₂、B₂、C₂三点可确定一个对应的圆心O(2)；同理得到的第n个截面与每个光截线相交的第一交点分别为A_n、B_n、C_n对应的圆心为O(n)。

同样的，根据各个光截线与轮缘顶点的第一交点A₁、B₁、C₁可确定轮缘顶点所在圆周的圆心O(1)。

具体实施中，可按照设定的0.1mm作为平移步距从轮缘顶点平面向车轮的踏面移动，得到编号为2-N的截面与光截线相交的第一交点坐标，当然，也可采用其他设定步距或其他方法确定每个截面相对于轮缘顶点平面的距离，确定相应的截面。

S1034：根据每个截面上的各个第一交点所在圆周的圆心和轮缘顶点所在圆周的圆心确定轴心线；

在理论情况下，轮缘顶点的圆心O(1)、各个截面上的圆心点O(2)-O(N)均在轴心线上，因此采用每个截面上的圆心点和轮缘顶点所在圆周的圆心就可确定车轮的轴心线。

具体的，根据O(1)、O(2)……O(N)确定轴心线可采用以下方法：

任意连接O(1)至O(N)中的两点获得连接线，获得所有连接线与所述轮缘顶点平面的第二交点，以过重合度最高的第二交点、垂直于轮缘顶点平面的垂线为所述轴心线。

任意连接O(1)-O(N)中的两点圆心，得到N*(N-1)/2条直线，这些直线均与轮缘顶点平面相交于对应的第二交点，且由于这些第二交点大部分均在车轮的轴心线上，因此大部分与轮缘顶点平面的交点会重合为一点O，而车轮的轴心线一定经过这一重合度最高的点O(相应的，其他没有经过O点可能是因为光截线上的干扰)，可确定O点为轮缘顶点平面和车轮的轴心线的垂直交点，过O点做垂直于轮缘顶点平面的垂线就是车轮轴心线所在的直线就是车轮的轴心线。当然，也可直接采用诸如最小二乘原理，利用O(1)、O(2)……O(N)拟合得到轴心线。采用如上方式的计算方法，能够通过多点的连接的统计尽可能排除车辆上异物造成光截线出现杂点的问题，排除杂点对车轮外形结合尺寸计算结果的影响。

经过以上方法确定车轮的轴心线后，就可根据轴心线和光截线确定车轮的外形尺寸，具体为：计算三条光截线上每个第二交点与轴心线距离，绘制如图7的车轮外形尺寸剖面图。其中X轴代表了车轮轴心线，车轮外形尺寸剖面图上各个点代表了沿车轮轴心方向各个截面的半径。从两端距离可读取车轮宽度，从车轮中间区域位置可读取车轮直径；如图7，由于车轮宽度为140mm，则在X＝70mm处的Y方向坐标代表了车轮的半径；因在X＝16mm处的Y方向坐标最高，此点代表车轮的轮缘顶点，可根据X＝16mm处曲线的点和X＝70mm处的点确定轮缘高度；从X＝70mm的点上移10mm、平行于X轴直线与车轮外形尺寸剖面图的两个交点确定轮缘厚度。

实际中，可采用三条光截线中的一条制作相应的车轮外形尺寸剖面图，也可利用三条光截线到轴心线的距离平均值制作车轮外形尺寸剖面图。

可以想到，由于采用以上方法，只要确定了轮缘顶点坐标，相应的确定轮缘的外缘尺寸坐标即可，因此各个光截线的姿态要求并没有要求，相对于现有的采用两个光截线计算轮缘外形尺寸的方法减少了线光源与车轮的相交度要求，减少了设备调试难度和维护工作量，提高了测试的方便性。

图3为本发明具体实施方式二中线光源照射车轮示意图，在这一具体实施方式中采用了4条线光源照射车轮，但是由于车轮旁侧撒砂管、齿轮箱的限制，中间两个线光源并没有车轮宽度方向完全照射，使得形成的中间两条光截线并不完整，如图4。但是，因其中3条光截线与轮缘顶点有交点(分别为A₁、B₁、D₁)，因此仍然可以确定轮缘顶点平面，也就是确定垂直于车轮轴心线的基准平面。且由于中间两条光截线在车轮宽度方向仍然拼合成为沿车轮宽度方向完整的光截线，仍然可采用以上方法进行轴心线的计算得到车轮外形尺寸参数(由A₂、B₂、C₂、D₂求取O(2)，由A_n、C_n、D_n求取O(n))。可以想到，这样的方法也可排除线光源上部分点处光源失效的问题，减少对光源的要求。

此外，在实际测试中，由于车轮中可能有粘附的杂物，而且车轮的可能尺寸范围是确定的，因此根据车轮的可能尺寸范围排除线光源照射在粘附在车轮上杂物形成的光截线。

以上对本发明实施例中的测量车轮外形尺寸的方法进行了详细介绍。本文应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，在不脱离本发明原理的情况下，还可对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种车轮外形尺寸测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

采用至少三个线光源照射车轮；

拍摄每个所述线光源在车轮上形成的光截线；

以至少三条沿车轮宽度方向完整的所述光截线计算所述车轮的轴心线；

根据所述轴心线和所述光截线确定车轮的外形尺寸参数。

2.根据权利要求1所述的车轮外形尺寸测量方法，其特征在于，计算所述车轮的轴心线具体为：

获取所述光截线中的轮缘顶点坐标，由所述轮缘顶点坐标确定轮缘顶点平面；

以平行于所述轮缘顶点平面的截面切割车轮、得到每个所述截面与各个所述光截线的第一交点；

根据每个所述截面上的各个所述第一交点的坐标计算每个所述截面中所述第一交点所在圆周的圆心、根据所述轮缘顶点坐标计算所述轮缘顶点所在圆周的圆心；

根据每个所述截面上的各个所述第一交点所在圆周的圆心和所述轮缘顶点所在圆周的圆心确定所述轴心线。

3.根据权利要求2所述的车轮外形尺寸测量方法，其特征在于，根据每个所述截面上的各个所述第一交点所在圆周的圆心和所述轮缘顶点所在圆周的圆心和确定所述车轮的轴心线具体为：

任意连接轮缘顶点所在圆周的圆心、同一所述截面上的所述第一交点所在圆周的圆心得到连接线，获得所有所述连接线与所述轮缘顶点平面的第二交点；

以过重合度最高的所述第二交点、垂直于所述轮缘顶点平面的垂线为所述轴心线。

4.根据权利要求3所述的车轮外形尺寸测量方法，其特征在于：按照设定步距移动获得平行所述轮缘顶点平面的所述截面。

5.根据权利要求4所述的车轮外形尺寸测量方法，其特征在于：所述设定步距为0.1mm。

6.根据权利要求5所述的车轮外形尺寸测量方法，其特征在于，根据所述轴心线和所述光截线确定车轮的外形尺寸具体为：计算所述光截线的所述第二交点与所述轴心线距离、绘制车轮的外形尺寸剖面图；

根据所述外形尺寸剖面图得到所述外形尺寸参数。

7.根据权利要求6所述的车轮外形尺寸测量方法，其特征在于：平均每个所述光截线上的所述第二交点与所述轴心线的距离，绘制所述外形尺寸剖面图。

8.根据权利要求1-7任一项所述的车轮外形尺寸测量方法，其特征在于：根据车轮的可能尺寸范围排除所述线光源照射到粘附在车轮上的杂物形成的所述光截线。

9.根据权利要求1所述的车轮外形尺寸测量方法，其特征在于：具有4个所述线光源。