CN106017354A - 列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法和系统，所述方法包括以下步骤：(1)获取列车轮不同截面的踏面轮缘的离散点集；(2)将所述离散点集分别拟合成完整轮廓曲线；(3)分别求解得到各个完整轮廓曲线上特定点的踏面半径，所述特定点到轮缘端面距离相等；(4)以特定点所在滚动圆的圆心为原点建立三维坐标系，计算得到一系列踏面滚动圆周上的特定点的三维坐标数组；(5)将三维坐标数组对应的完整轮廓曲线拟合得到踏面的完整轮廓。本发明提供的列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法和系统，能够测量列车的踏面的轮廓，从而可以看出列车踏面的磨损程度，测量精度高。

Description

列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法和系统

技术领域

本发明涉及一种列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法和系统，尤其涉及一种通过选取激光信噪比最佳点来测量列车轮对直径的方法和系统。

背景技术

列车轮对圆周面由轮缘与踏面两功能曲面组成，踏面与钢轨接触实现承载运行，与轮缘共同用于导向。因此，轮对圆周面上与钢轨产生接触的表面部分都会产生磨耗，只有轮缘顶端的圆弧是不与钢轨接触的部分，不存在磨耗，而在运行中一直保持稳定的几何尺寸。轮缘的直径是列车轮很重要的尺寸，现有技术是通过人工使用列车轮径尺对列车轮对直径进行测量或通过列车轮对几何尺寸在线测量系统进行检测，轮径的测量精度都在0.5mm。

发明内容

基于以上不足，本发明要解决的技术问题是提供一种列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法和系统，能够测量列车轮对踏面的轮廓，测量精度高。

为了解决以上技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法，包括以下步骤：

(1)获取列车轮不同截面的踏面轮缘的离散点集；

(2)将所述离散点集分别拟合成完整轮廓曲线；

(3)分别求解得到各个完整轮廓曲线上特定点的踏面半径，所述特定点到轮缘端面距离相等；

(4)以特定点所在滚动圆的圆心为原点建立三维坐标系，计算得到一系列踏面滚动圆周上的特定点的三维坐标数组；

(5)将三维坐标数组对应的完整轮廓曲线拟合得到踏面的完整轮廓。

所述获取列车轮不同截面的踏面轮缘的离散点集包括：

(11)获取列车轮不同截面的踏面轮缘的坐标；

(12)将所述坐标融合成离散点集。

所述获取列车轮不同截面的踏面轮缘的坐标包括：

在轨道上靠近列车轮的踏面和轮缘的位置分别设置激光位移传感器，从列车轮进入激光位移传感器有效测量范围到离开激光位移传感器有效测量范围止，两个激光位移传感器分别同步获取列车轮不同截面的踏面轮缘的自有坐标系坐标；

将所述自有坐标系坐标转换成中间坐标系坐标。

所述将所述自有坐标系坐标转换成中间坐标系坐标包括：

建立自有坐标系到中间坐标系的转换关系；

根据所述转换关系将自有坐标系坐标转换为中间坐标系坐标。

所述将所述离散点集分别拟合成完整轮廓曲线包括：

将离散点分区段拟合成分段曲线；

将所述分段曲线拟合成完整轮廓曲线。

一种列车轮对踏面三维轮廓自动化测量系统，包括：离散点集获取模块、轮廓曲线拟合模块、半径求解模块、三维坐标求解模块以及踏面轮廓拟合模块，其中，

离散点集获取模块，用于获取列车轮不同截面的踏面轮缘的离散点集；

轮廓曲线拟合模块，用于将所述离散点集分别拟合成完整轮廓曲线；

半径求解模块，用于分别求解得到各个完整轮廓曲线上特定点的踏面半径，所述特定点到轮缘端面距离相等；

三维坐标求解模块，用于以特定点所在滚动圆的圆心为原点建立三维坐标系，计算得到一系列踏面滚动圆周上的特定点的三维坐标数组；

踏面轮廓拟合模块，用于将三维坐标数组对应的完整轮廓曲线拟合得到踏面的完整轮廓。

所述离散点集获取模块包括坐标获取单元、坐标融合单元、其中，

坐标获取单元，用于获取列车轮不同截面的踏面轮缘的坐标；

坐标融合单元，将所述坐标融合成离散点集。

所述坐标获取单元包括两个激光位移传感器和坐标转换单元，

激光位移传感器，分别设置在所述列车轮的内侧和外侧，所述激光位移传感器分别同步获取列车轮不同截面的踏面轮缘的自有坐标系坐标；

坐标转换单元，将所述自有坐标系坐标转换成中间坐标系坐标。

所述坐标转换单元包括，

测量模型子单元，用于建立自有坐标系到中间坐标系的转换关系；

转换子单元，用于根据所述转换关系将自有坐标系坐标转换为中间坐标系坐标。

所述轮廓曲线拟合模块包括：

分段曲线拟合单元，用于将离散点分区段拟合成分段曲线；

轮廓曲线拟合单元，用于将所述分段曲线拟合成完整轮廓曲线。

采用以上技术方案，本发明取得了以下技术效果：

本发明提供的列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法和系统，能够测量列车的踏面的滚动圆廓形，从而可以看出列车踏面的磨损程度，其所能达到的测量精度高于现有的列车在线轮对几何尺寸测量技术及一般维护用轮径测量技术的精度，而且结构简单安装方便。

附图说明

图1为本发明列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法的流程图；

图2为本发明列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法中激光位移传感器与列车轮的相对位置俯视图；

图3为本发明列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法中激光位移传感器测量范围示意图；

图4为本发明列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法中激光位移传感器的投影示意图；

图5a和5b分别为本发明列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法的激光位移传感器A和B是坐标转换示意图；

图6为本发明列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法中融合后的踏面和轮缘的轮廓的离散点集示意图；

图7为本发明列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法中由离散点集拟合形成的完整轮廓曲线；

图8为本发明列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法中踏面半径测量几何定位模型图；

图9为本发明列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法中踏面上特定点ai点的坐标转换示意图；

图10为本发明列车轮对踏面三维轮廓自动化测量系统的组成结构示意图。

具体实施方式

如图1-图5所示，本发明列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法包括以下步骤：

S101：获取列车轮不同截面的踏面轮缘的离散点集；

具体的，如图2所示，在轨道上靠近列车轮的踏面和轮缘的位置分别设置激光位移传感器，其中，标号为A的激光位移传感器设置在轨道上靠近轮缘的位置，标号为B的激光位移传感器设置在轨道上靠近踏面的位置，激光位移传感器A和激光位移传感器B共同决定的探测面与轨道水平面的倾角为45°，也可以为其它角度。图3为激光位移传感器A和B的投影示意图，激光位移传感器A和B分别同步获取部分踏面和轮缘的自有坐标系坐标，从列车轮进入激光位移传感器A和B的有效测量范围到离开激光位移传感器A和B的有效测量范围止，两个激光位移传感器分别同步获取列车轮不同截面的踏面轮缘的自有坐标系坐标，所述截面为通过车轮中轴线的截面或平行于所述车轮中轴线的截面。

激光位移传感器基于激光三角测量原理，内部由激光二极管的光学系统和CCD线性感应元件组成，激光源发射的激光在踏面和轮缘形成一条激光带，其反射光呈一定角度反射到CCD线性感应元件，经传感器的集成电路处理光学位移数据后得到踏面轮廓坐标点。传感器测量值通过X-Y数据图展示出来，即每个测量点都会输出两个值，一个值是离测量中心线的距离X，一个值是离传感器激光源的距离Y，图3中区域C为激光位移传感器A或B的有效测量范围，其中La为横向X的最小有效量程，Le为横向X的最大有效量程，Lm为纵向Y的最小有效量程，Ln为纵向Y的最大有效量程。

由于传感器安装于轨道两侧，加之轮轨间的游间造成的横向位移，实时完整轮廓曲线无法与静态标准轮廓自然重合。再有，由于两个激光位移传感器的安装位置与水平面以及轨道均成一定的角度，测得的自有坐标系坐标形成的曲线必然会产生畸变，故需对原始的自有坐标系坐标予以矫正。如图5a和5b所示，对自有坐标系坐标的矫正通过坐标旋转实现，通过坐标旋转将所述自有坐标系坐标转换成中间坐标系坐标。具体主要通过两个步骤完成，首先，建立自有坐标系到中间坐标系的转换关系模型；再根据所述转换关系将自有坐标系坐标转换为中间坐标系坐标。

转换关系模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u_n}^{\left(3\right)}=\sqrt{{x_n}^{{\left(3\right)}^2}+{y_n}^{{\left(3\right)}^2}}\sin (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\β}}_3)={x_n}^{\left(3\right)}{\mathrm{cos\β}}_3+{y_n}^{\left(3\right)}{\mathrm{sin\β}}_3\\ {v_n}^{\left(3\right)}=\sqrt{{x_n}^{{\left(3\right)}^2}+{y_n}^{{\left(3\right)}^2}}\cos (\mathrm{\θ}+{\mathrm{\β}}_3)={y_n}^{\left(3\right)}{\mathrm{cos\β}}_3-{x_n}^{\left(3\right)}{\mathrm{sin\β}}_3\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{u_n}^{\left(4\right)}=\sqrt{{x_n}^{{\left(4\right)}^2}+{y_n}^{{\left(4\right)}^2}}\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-{\mathrm{\β}}_4)={x_n}^{\left(4\right)}{\mathrm{cos\β}}_2-{y_n}^{\left(4\right)}{\mathrm{sin\β}}_2\\ {v_n}^{\left(4\right)}=\sqrt{{x_n}^{{\left(4\right)}^2}+{y_n}^{{\left(4\right)}^2}}\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}-{\mathrm{\β}}_4)={y_n}^{\left(4\right)}{\mathrm{cos\β}}_2+{x_n}^{\left(4\right)}{\mathrm{sin\β}}_2\end{array}\right.$

式中，(x_n ⁽³⁾,y_n ⁽³⁾)为探测点在传感器A的自有坐标系x⁽³⁾o⁽³⁾y⁽³⁾上的坐标，(x_n ⁽⁴⁾,y_n ⁽⁴⁾)为探测点在传感器B的自有坐标系x⁽⁴⁾o⁽⁴⁾y⁽⁴⁾上的坐标，θ为传感器A的探测点与y⁽³⁾轴的夹角，θ＇为传感器4的探测点与y⁽⁴⁾轴的夹角，(u_n ⁽³⁾,v_n ⁽³⁾)为传感器3的探测点在中间坐标系u⁽³⁾o⁽³⁾v⁽³⁾内的坐标值，(u_n ⁽⁴⁾,v_n ⁽⁴⁾)为传感器4的探测点在中间坐标系u⁽⁴⁾o⁽⁴⁾v⁽⁴⁾内的坐标值。将激光位移传感器A和B探测的探测点在自有坐标系的坐标按照上述模型转换后得到探测点在中间坐标系的坐标。

由于传感器A和B均只能探测到部分踏面和轮缘的轮廓的坐标，故需要进一步将激光位移传感器A和B的探测点在中间坐标系的坐标进行融合，以得到整个踏面和轮缘的轮廓的离散点集。也就是将激光位移传感器A和B的探测点在中间坐标系的坐标均转换到基准坐标系中。坐标的融合通过坐标融合模型实现。

坐标融合模型如下：

u_n=u_n ⁽³⁾ u_n=u_n ⁽⁴⁾+△_u

v_n=v_n ⁽⁴⁾ v_n＝v_n ⁽⁴⁾+△v

式中(u_n,v_n)为激光位移传感器A和B的探测点在中间坐标系的坐标融合到在基准坐标系后的坐标，uΔ为激光位移传感器B的中间坐标系的原点相对于基准坐标系的原点在U轴方向的偏移，vΔ为激光位移传感器B的中间坐标系的原点相对于基准坐标系的原点在V轴方向的偏移。基准坐标系原点与传感器A的中间坐标系原点重合，故传感器A的中间坐标系的原点相对于基准坐标系的原点的偏移量为0。融合后的踏面和轮缘的轮廓的离散点集如图6所示。

S102：将所述离散点集分别拟合成完整轮廓曲线；

具体为，先将离散点分区段拟合成分段曲线；再将所述分段曲线拟合成完整轮廓曲线。

图7所示曲线为由离散点集拟合形成的完整轮廓曲线，由于轮轨接触时，列车轮靠近轨道一侧端面与轨面没有发生磨损和变形，故测得的完整轮廓曲线上对应列车轮靠近轨道一侧端面位置的直线特征最为明显，将该端面直线设为车轮的第一基准线l，离轮缘端面70mm的点定为踏面点a，a点到轮缘端面的距离也可以为其它值，在此仅举例说明，轮径定义为点a所在圆的半径r，轮缘的顶点定为n点，n点所在圆的半径为R，a点与n点的高度差h即为轮缘高度。由于踏面外形轮廓的复杂性，难以用一条确定的曲线拟合整个踏面轮廓，故先对一定范围内的离散点进行分段拟合成分段曲线；再将所述分段曲线拟合成完整轮廓曲线，从而提高基准点坐标值提取的精确度。

S103：分别求解得到各个完整轮廓曲线上特定点的踏面半径，所述特定点到轮缘端面距离相等；

图8为踏面半径测量几何定位模型图，根据拟合得到的完整轮廓曲线求出点a、n在坐标系uov中的精确坐标值，从而可以得出相应的n点L1值，即n点的v坐标，及a点的L2值，即a点的v坐标，所述特定点为a点。

定义轮缘顶端n点圆周的精确半径R，精度0.01mm，由于该圆周直径在运行过程中不会发生磨耗变化，因此可作为稳定的高精度基准，即R为已知，利用数据主机数据库储存对应轮对镟修加工的尺寸数据。轮对通过测量区域时，使轮对轮缘爬上轮缘测量支撑轨道，令轮对轮缘圆周底部位置与传感器测量坐标原点同高度，形成如图8的几何定位模型，通过R、L1、L2，从而可以推算出a点的半径r的值。计算推导如下：

$H1=\frac{\sqrt{2}}{2}L1$

$H2=\frac{\sqrt{2}}{2}L2$

r²＝(R-H2)²+S2²

$S2=S1-\frac{\sqrt{2}}{2}(L1-L2)$

S1²＝R²-(R-H1)²

$S{1}^2=R^2-{(R-\frac{\sqrt{2}}{2}L1)}^2$

$r^2={(R-\frac{\sqrt{2}}{2}L2)}^2+{(S1-\frac{\sqrt{2}}{2}(L1-L2\left)\right)}^2$

$r^2={(R-\frac{\sqrt{2}}{2}L2)}^2+{(\sqrt{R^2-{\left(R-\frac{\sqrt{2}}{2}L1\right)}^2}-\frac{\sqrt{2}}{2}(L1-L2\left)\right)}^2.$

S104：以特定点所在滚动圆的圆心为原点建立三维坐标系，计算得到一系列踏面滚动圆周上的特定点的三维坐标数组；

如图9所示，以传感器的位置为坐标原点建立Ys-Xs坐标系，通过R、L1、L2的值及ai点在该坐标系中的函数关系Y_s-ai＝-X_s-ai和ni点在该坐标系中的函数关系Y_s-ni＝-X_s-ni，计算出轮对圆心O、ai、ni点在Ys-Xs坐标系中的坐标。

$X_{s-ai}=-\frac{\sqrt{2}}{2}L2$

$Y_{s-ai}=\frac{\sqrt{2}}{2}L2$

$X_{s-ni}=-\frac{\sqrt{2}}{2}L1$

$Y_{s-ni}=\frac{\sqrt{2}}{2}L1$

$X_{s-o}=-\frac{\sqrt{2}}{2}L1-\sqrt{R^2-{(R-\frac{\sqrt{2}}{2}L1)}^2}$

Y_s-o＝R。

以特定点ai点所在滚动圆的圆心为原点，建立坐标系X_o-Y_o-Z_o，X轴平行于轨道平面，Z轴为轮对中心轴，Y轴垂直于轨道平面，计算ai点相对于轮对圆心的坐标X_O-ai、Y_O-ai、Z_O-ai。

$X_{O-ai}=-\frac{\sqrt{2}}{2}L1+\sqrt{R^2-{(R-\frac{\sqrt{2}}{2}L1)}^2};$

$Y_{O-ai}=\frac{\sqrt{2}}{2}L2-R;$

Z_O-ai＝u_ni-u_ai。

S105：将三维坐标数组对应的完整轮廓曲线拟合得到踏面的完整轮廓。

从轮对前进进入激光扫描覆盖区域一直到轮对与轨道的啮合点到达传感器位置止，传感器将得到一系列的滚动圆周上a_i的三维坐标值，通过对连续的ai点对应的完整轮廓曲线拟合即可得出激光传感器所扫描的局部轮对踏面的三维轮廓。

图10提供了一种列车轮对踏面三维轮廓自动化测量系统，包括：离散点集获取模块201、轮廓曲线拟合模块202、半径求解模块203、三维坐标求解模块204以及踏面轮廓拟合模块205，其中，

离散点集获取模块201，用于获取列车轮不同截面的踏面轮缘的离散点集；

轮廓曲线拟合模块202，用于将所述离散点集分别拟合成完整轮廓曲线；

半径求解模块203，用于分别求解得到各个完整轮廓曲线上特定点的踏面半径，所述特定点到轮缘端面距离相等；

三维坐标求解模块204，用于以特定点所在滚动圆的圆心为原点建立三维坐标系，计算得到一系列踏面滚动圆周上的特定点的三维坐标数组；

踏面轮廓拟合模块205，用于将三维坐标数组对应的完整轮廓曲线拟合得到踏面的完整轮廓。

进一步的，离散点集获取模块201包括坐标获取单元、坐标融合单元、其中，

坐标获取单元，用于获取列车轮不同截面的踏面轮缘的坐标；

坐标融合单元，将所述坐标融合成离散点集。

进一步的，坐标获取单元包括两个激光位移传感器和坐标转换单元，

激光位移传感器，分别设置在所述列车轮的内侧和外侧，所述激光位移传感器分别同步获取列车轮不同截面的踏面轮缘的自有坐标系坐标；

坐标转换单元，将所述自有坐标系坐标转换成中间坐标系坐标。

进一步的，坐标转换单元包括，

测量模型子单元，用于建立自有坐标系到中间坐标系的转换关系；

转换子单元，用于根据所述转换关系将自有坐标系坐标转换为中间坐标系坐标。

进一步的，轮廓曲线拟合模块202包括：

分段曲线拟合单元，用于将离散点分区段拟合成分段曲线；

轮廓曲线拟合单元，用于将所述分段曲线拟合成完整轮廓曲线。

本发明提供的列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法和系统，能够测量列车的踏面的轮廓，从而可以看出列车踏面的磨损程度，其所能达到的测量精度高于现有的列车在线轮对几何尺寸测量技术及一般维护用轮径测量技术的精度，而且结构简单安装方便。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)获取列车轮不同截面的踏面轮缘的离散点集；

(2)将所述离散点集分别拟合成完整轮廓曲线；

(3)分别求解得到各个完整轮廓曲线上特定点的踏面半径，所述特定点到轮缘端面距离相等；

(4)以特定点所在滚动圆的圆心为原点建立三维坐标系，计算得到一系列踏面滚动圆周上的特定点的三维坐标数组；

(5)将三维坐标数组对应的完整轮廓曲线拟合得到踏面的完整轮廓。

2.根据权利要求1所述的列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法，其特征在于，所述获取列车轮不同截面的踏面轮缘的离散点集包括：

(11)获取列车轮不同截面的踏面轮缘的坐标；

(12)将所述坐标融合成离散点集。

3.根据权利要求2所述的列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法，其特征在于，

所述获取列车轮不同截面的踏面轮缘的坐标包括：

在轨道上靠近列车轮的踏面和轮缘的位置分别设置激光位移传感器，从列车轮进入激光位移传感器有效测量范围到离开激光位移传感器有效测量范围止，两个激光位移传感器分别同步获取列车轮不同截面的踏面轮缘的自有坐标系坐标；

将所述自有坐标系坐标转换成中间坐标系坐标。

4.根据权利要求3所述的列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法，其特征在于，所述将所述自有坐标系坐标转换成中间坐标系坐标包括：

建立自有坐标系到中间坐标系的转换关系；

根据所述转换关系将自有坐标系坐标转换为中间坐标系坐标。

5.根据权利要求1所述的列车轮对踏面三维轮廓自动化测量方法，其特征在于，所述将所述离散点集分别拟合成完整轮廓曲线包括：

将离散点分区段拟合成分段曲线；

将所述分段曲线拟合成完整轮廓曲线。

6.一种列车轮对踏面三维轮廓自动化测量系统，其特征在于，包括：离散点集获取模块、轮廓曲线拟合模块、半径求解模块、三维坐标求解模块以及踏面轮廓拟合模块，其中，

离散点集获取模块，用于获取列车轮不同截面的踏面轮缘的离散点集；

轮廓曲线拟合模块，用于将所述离散点集分别拟合成完整轮廓曲线；

半径求解模块，用于分别求解得到各个完整轮廓曲线上特定点的踏面半径，所述特定点到轮缘端面距离相等；

三维坐标求解模块，用于以特定点所在滚动圆的圆心为原点建立三维坐标系，计算得到一系列踏面滚动圆周上的特定点的三维坐标数组；

踏面轮廓拟合模块，用于将三维坐标数组对应的完整轮廓曲线拟合得到踏面的完整轮廓。

7.根据权利要求6所述的列车轮对踏面三维轮廓自动化测量系统，其特征在于，所述离散点集获取模块包括坐标获取单元、坐标融合单元、其中，

坐标获取单元，用于获取列车轮不同截面的踏面轮缘的坐标；

坐标融合单元，将所述坐标融合成离散点集。

8.根据权利要求7所述的列车轮对踏面三维轮廓自动化测量系统，其特征在于，

所述坐标获取单元包括两个激光位移传感器和坐标转换单元，

激光位移传感器，分别设置在所述列车轮的内侧和外侧，所述激光位移传感器分别同步获取列车轮不同截面的踏面轮缘的自有坐标系坐标；

坐标转换单元，将所述自有坐标系坐标转换成中间坐标系坐标。

9.根据权利要求8所述的列车轮对踏面三维轮廓自动化测量系统，其特征在于，所述坐标转换单元包括，

测量模型子单元，用于建立自有坐标系到中间坐标系的转换关系；

转换子单元，用于根据所述转换关系将自有坐标系坐标转换为中间坐标系坐标。

10.根据权利要求6所述的列车轮对踏面三维轮廓自动化测量系统，其特征在于，所述轮廓曲线拟合模块包括：

分段曲线拟合单元，用于将离散点分区段拟合成分段曲线；

轮廓曲线拟合单元，用于将所述分段曲线拟合成完整轮廓曲线。