CN107719412A - 一种三摆臂钢轨轮廓测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种三摆臂钢轨轮廓测量装置及测量方法；该装置包括支撑固定部设置在钢轨上；基准臂一端设置在支撑固定部上，并以固定点为基点进行旋转；连接臂一端与基准臂的另一端连接，并能够以与基准臂的连接点为圆心进行旋转；测量臂一端与连接臂的另一端连接，并能够以与连接臂的连接点为圆心进行旋转；触头设置在测量臂的另一端；该方法包括确定被检测钢轨的检测点；将支撑固定部置于该检测点，并确定基点位置；确定触头初始位置；通过对连接臂的操作使触头沿钢轨的外表面运动，并记录触头运动过程中的坐标；根据记录的坐标计算钢轨的轨头厚度；本发明提出的三摆臂钢轨轮廓测量装置及测量方法结构简单，易操作，测量精度高且价格低廉。

Description

一种三摆臂钢轨轮廓测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及测量设备领域领域，特别是指一种三摆臂钢轨轮廓测量装置及测量方法。

背景技术

钢轨是轨道交通线路的基础部件，承载着所有轨道交通机车车辆的运行。钢轨在使用过程中，由于车轮和钢轨之间的相互作用，钢轨的轮廓会产生磨损，影响车轮与钢轨之间的匹配关系，进而会影响轨道机车车辆的运行，缩短钢轨和车轮的使用寿命，因此对在役钢轨进行轮廓测量，及时发现钢轨轮廓的磨损变形，进而指导现场对变形超标的钢轨轮廓进行修补打磨，改善轮轨匹配关系，保障轨道交通运行的品质，延长车轮和钢轨的使用寿命，显得尤为重要。

现有技术中，钢轨轮廓测量方法主要有两种，一是接触式测量方法，另外一种是非接触的激光测量法:

首先采用接触式测量的现有设备均为双摆臂结构，如图1所示，两个摆臂首尾相连，与机器人手臂类似，测量时摆臂最前端的触头与钢轨轮廓接触，通过在摆臂相连位置设置的旋转编码器记录摆臂的转动角度θ，结合摆臂的长度L，可以计算得到触头的空间坐标位置，如下图1所示，触头中心的坐标可通过以下公式得到，

公式：X₁＝L₁×cosθ₁；Y₁＝L₁×sinθ₁；X_c＝X₁+L₂×cos(θ₁-θ₂)；Y_c＝Y₁+L₂×sin(θ₁-θ₂)；

当触头沿着被测钢轨的轮廓走行，就可以得到连续的触头坐标，组成了一个触头行走路线的轨迹，这个轨迹向内偏置，除去触头的尺寸，就是测量得到的钢轨轮廓。

其次，激光测量方法是采用激光轮廓传感器进行钢轨轮廓测量，根据激光测距的原理，由传感器发出激光束，照射在钢轨轮廓上，并接收反射的激光，根据反射的倾角计算反射点距激光传感器的距离。激光轮廓传感器是一种二维激光传感器，发出的激光束通常为扇束激光，照射在钢轨上是一段连续的轮廓线，而非一维激光传感器发出的线束激光，照射在钢轨上只是一个轮廓点，因此激光轮廓传感器可以一次测量钢轨轮廓上连续多个点的距离，得到的测量数据是轮廓上连续的散点相对于传感器的坐标，这就是所测的钢轨轮廓数据，如下图2所示；

然而，进行钢轨测量设备，无论是接触法，还是非接触的激光测量法，都存在如下技术问题：

1、现有设备的测量范围比较小，无法测量到轨鄂下方轮廓，如图3所示，因此也就无法得到钢轨轨头的剩余厚度，而轨头剩余厚度是计算钢轨磨耗速度，分析线路使用状态，以及预测钢轨寿命的重要参数。

其中现有技术中的接触法采用双摆臂测量，其测量最大范围只能到轨头侧面的最下方，当触头再往轨鄂方向移动时，摆臂就会碰上钢轨轮廓，如图3，无法测量；

而激光测量法中的激光轮廓传感器最多只能照射到钢轨轨头的顶面和一个侧面，测量范围更小，同样，无法测量轨鄂下方轮廓，如图2；如果需要扩大测量范围，就要使传感器能够从多个方位照射钢轨轮廓的不同部位，最后进行数据拼接，这就需要在测量时移动激光传感器或增加额外的传感器，前者由于激光传感器体积较大、接线复杂，移动需要的机械结构体积较大，也较为复杂，导致设备不够便捷，影响现场使用，后者增加激光传感器会大大增加设备成本。

2、现有技术中的设备完成整个钢轨轨头轮廓测量均需要多次测量，每次测量一部分轮廓，根据重叠的轮廓数据，将多次测量的数据拟合拼接成一个完成的轮廓数据。这种测量过程不仅效率低，而且还会引入多次测量的数据拼接误差，影响测量精度。

现有的接触法测量设备完成整个钢轨轨头轮廓的测量需要两次测量，如图4所示，第一次测量从钢轨左侧面的最下方开始，触头沿钢轨表面顺时针运动，到达钢轨顶面最右侧时，触头已经无法继续向下测量了，如果继续沿钢轨右侧面向下，摆臂2会碰上钢轨轮廓，产生干涉，这就是第一次测量的最大范围，包含了钢轨轨头左侧面和顶面，第二次测量从对称的轨头右侧面最下方开始，触头逆时针测量，完成轨头右侧面和顶面测量，最后将两次的测量数据，根据重复测量的钢轨顶面轮廓数据进行拟合拼接，得到完整的轮廓数据。

激光测量设备如果要得到完整的钢轨轨头轮廓，考虑到现场使用便捷，通常会设置两个激光轮廓传感器，如图5所示，从左右两个方向分别照射轨头侧面和顶面，将得到的两个测量数据进行拟合拼接得到完整的轮廓数据。这种激光测量设备的效率并不低，这是因为激光轮廓传感器的测量效率非常高，而且两个传感器可以同时工作，能够获得非常高的测量效率，但是由于激光传感器的成本昂贵，导致设备的造价很高，通常是接触法测量设备的10倍以上，而且同样有数据拼接误差。另外激光传感器容易受到外界环境光的干扰，也容易受到待测表面状态的影响。

因此，迫切需要一种结构简单，且成本低使用方便的钢轨轮廓测量装置。

发明内容

本发明提出一种结构简单，成本低，操作简单且精度高的三摆臂钢轨轮廓测量装置及测量方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种三摆臂钢轨轮廓测量装置，包括：

支撑固定部，用于与钢轨进行固定并进行支撑，设置在钢轨上；

基准臂，用于在支撑固定部上确定基点并沿基点旋转，一端设置在支撑固定部上，并以固定点为基点进行旋转；

连接臂，一端与基准臂的另一端连接，并能够以与基准臂的连接点为圆心进行旋转；

测量臂，一端与连接臂的另一端连接，并能够以与连接臂的连接点为圆心进行旋转；

触头，用于在测量臂的带动下沿钢轨的轨头的外表面运动，设置在测量臂的另一端。

优选的，触头通过编码器与测量臂连接。

优选的，触头为永磁铁触头。

本发明还公开了一种使用三摆臂钢轨轮廓测量装置的钢轨测量方法，包括如下步骤：

S1、确定被检测钢轨的检测点；

S2、将支撑固定部置于该检测点，并确定基点位置；

S3、确定触头初始位置；

S4、通过对连接臂的操作使触头沿钢轨的外表面运动，并记录触头运动过程中的坐标；

S5、根据记录的坐标计算钢轨的轨头厚度。

作为进一步的技术方案，S1步骤为：根据钢轨使用频率选取若干等间距的检测点。

作为进一步的技术方案，S2步骤为：将支撑固定部置于检测点，将基准臂与支撑固定部连接处确定基点位置。

作为进一步的技术方案，S3步骤为：将触头置于钢轨的轨鄂与轨腰的相交位置，并以该位置作为触头的初始位置。

作为进一步的技术方案，S4步骤为：通过对连接臂的操作使触头沿钢轨的外表面运动，并根据公式记录触头运动过程中的坐标。

作为进一步的技术方案，公式为：

X_c＝L₁×cosθ₁+L₂×cos(θ₁-θ₂)+L₃×cos(θ₁-θ₂-θ₃))；

Y_c＝L₁×sinθ₁+L₂×sin(θ₁-θ₂)+L₃×sin(θ₁-θ₂-θ₃)；

其中，X_c为触头中线点的横坐标，Y_c为触头中线点的纵坐标，L₁为基准臂的长度；L₂为连接臂的长度；L₃为测量臂的长度；θ₁外围水平面与基准臂的内夹角；θ₂为基准臂与连接臂的外夹角；θ₃为连接臂与测量臂的外夹角。

作为进一步的技术方案，S5步骤为：根据记录的坐标，剔除触头中线点到钢轨的规矩，进而获取钢轨的轨头厚度。

本发明技术方案通过基准臂、连接臂和测量臂的组合，增大了测量范围，特别是轨鄂部位的轮廓，对于后续的钢轨轨头剩余厚度计算、预测钢轨使用寿命等有重要的意义；且单次测量便能够完成全部钢轨轨头轮廓的测量，无需数据拟合拼接，测量精度高；

相比于现有技术中的接触式双摆臂测量设备，具有较高的测量效率，测量一次完成，无需多次测量；而相比于现有技术中的的激光测量设备，成本低廉，使用便捷，抗干扰能力强。

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为现有技术中两摆臂测量装置的结构示意图；

图2为现有技术中激光测量装置的结构示意图；

图3为现有技术中两摆臂测量装置测量过程中存在一缺陷的示意图；

图4为现有技术中两摆臂测量装置测量过程中存在另一缺陷的示意图；

图5为现有技术中激光测量装置测量过程中存在缺陷的示意图；

图6为本发明中一种三摆臂钢轨轮廓测量装置的结构示意图；

图7为本发明中一种三摆臂钢轨轮廓测量装置运动状态的示意图；

图8为一种使用三摆臂钢轨轮廓测量装置的钢轨测量方法的流程图。

图中：

1、基准臂；2、连接臂；3、测量臂；4、触头；5、轨头；6、轨鄂；7、轨腰。

具体实施方式

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作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。

如图6-7所示，本发明提出的一种三摆臂钢轨轮廓测量装置，包括：

支撑固定部设置在钢轨上，通过支撑固定部与钢轨进行固定并进行支撑，在本发明中，支撑固定部包括架体，该架体固定在钢轨上，且在架体上设置有用于获取触头4坐便的收集器，该收集器内设置有处理器，收集触头4坐标信号，并与外部的笔记本电脑或PAD等进行连接，后进行数据传输；

基准臂1一端设置在支撑固定部上，并以固定点为基点进行旋转，通过基准臂1在支撑固定部上确定基点并沿基点旋转，在实际的使用过程中，一般情况下基准臂1与支撑固定部上垂直与钢轨的位置连接，并以连接位置作为基准点；以保证基准臂1、连接臂2和测量臂3能够最大限度的进行旋转；

连接臂2一端与基准臂1的另一端连接，并能够以与基准臂1的连接点为圆心进行旋转；测量臂3一端与连接臂2的另一端连接，并能够以与连接臂2的连接点为圆心进行旋转；触头4设置在测量臂3的另一端，在测量臂3的带动下触头4沿钢轨的轨头5的外表面运动；在本发明中，优选的触头4通过编码器与测量臂3连接；且，触头4为永磁铁触头4；当然，为更好的获取基准臂1、连接臂2和测量臂3之间的角度，本发明中三者彼此的连接处均设置有编码器；这样能够更好的确定三者之间存在的角度；

使用阶段，触头4处于左侧轨鄂6下方，该位置为测量的起始点，且由于触头4为永磁铁触头4，这样在测量的过程中，触头4始终与钢轨接触；通过对连接臂2或测量臂3的操作，带动基准臂1延顺时针方向摆动，当触头4到达轨顶面最右侧时，如图7所示，虚线部分为触头4置于右侧时基准臂1、连接臂2和测量臂3的状态，此时基准臂1、连接臂2和测量臂3离钢轨轮廓都很远，当触头4继续向右下方测量，就会与左侧情况相同了，整个测量过程一次完成，基准臂1、连接臂2和测量臂3均不会与钢轨干涉。

如图8所示，本发明还公开了一种使用三摆臂钢轨轮廓测量装置的钢轨测量方法，包括如下步骤：

确定被检测钢轨的检测点；具体的，根据钢轨使用频率选取若干等间距的检测点；如钢轨运行车次较多或测量周期间隔较长，则测量点的距离为较短的距离，如50米；而当运行车次不多或测量周期间隔较短，则测量点的距离为较长的距离，如100米；

根据实际情况确定好测量点后，将支撑固定部置于该检测点，并确定基点位置；具体的，将支撑固定部置于检测点，将基准臂1与支撑固定部连接处确定基点位置；在本发明中，优选的基点的位置为垂直于钢轨中心线的上方，这样能够保证在旋转的过程中，是基准臂1旋转的范围最大化；以保证在旋转的过程不会出现钢轨的轨头5限制基准臂1、连接臂2和测量臂3的情况；当基点确定完成后，需要确定的触头4初始位置；具体的，将触头4置于钢轨的轨鄂6与轨腰7的相交位置，并以该位置作为触头4的初始位置；这样，将触头4置于该位置，在测量的过程中，是先对轨鄂6进行测量，再进行轨头5的测量，最后进行另一侧轨鄂6的测量，这样获取的测量结果中能够得知轨头5的厚度，使测量后的数据更为准确；

确定起始位置后，通过对连接臂2的操作使触头4沿钢轨的外表面运动，并记录触头4运动过程中的坐标；具体的，通过对连接臂2的操作使触头4沿钢轨的外表面运动，并根据公式记录触头4运动过程中的坐标，而公式为：

X_c＝L₁×cosθ₁+L₂×cos(θ₁-θ₂)+L₃×cos(θ₁-θ₂-θ₃))；

Y_c＝L₁×sinθ₁+L₂×sin(θ₁-θ₂)+L₃×sin(θ₁-θ₂-θ₃)；

其中，X_c为触头4中线点的横坐标，Y_c为触头4中线点的纵坐标，L₁为基准臂1的长度；L₂为连接臂2的长度；L₃为测量臂3的长度；θ₁外围水平面与基准臂1的内夹角；θ₂为基准臂1与连接臂2的外夹角；θ₃为连接臂2与测量臂3的外夹角；

举例说明：

L₁＝20cm；L₂＝35cm；L₃＝20cm；θ₁＝120°；θ₂＝20°；θ₃＝95°；由此公式为：

X_C＝20×cos120°+35×cos(120°-20°)+20×cos(120°-20°-95°)≈16；

Y_C＝20×sin120°+35×sin(120°-20°)+20×sin(120°-20°-95°)≈60；

由此可知，触头4的起始坐标为(16,60)；而随着基准臂1、连接臂2和测量臂3的位置发生变化，L₁、L₂、L₃、θ₁、θ₂和θ₃的值也发生变化，进而使得X_c和Y_c的数值同样发生变化，而每次的变化均通过编码器记录，并将记录的只反馈到支撑固定部；

根据记录的坐标计算钢轨的轨头5厚度，具体的，将记录的坐标传递至支撑固定部，并传送至电脑等外设，根据记录的坐标，剔除触头4中线点到钢轨的规矩，进而获取钢轨的轨头5厚度。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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)

1.一种三摆臂钢轨轮廓测量装置，其特征在于，包括：

支撑固定部，用于与钢轨进行固定并进行支撑，设置在钢轨上；

基准臂(1)，用于在所述支撑固定部上确定基点并沿基点旋转，一端设置在所述支撑固定部上，并以固定点为基点进行旋转；

连接臂(2)，一端与所述基准臂(1)的另一端连接，并能够以与所述基准臂(1)的连接点为圆心进行旋转；

测量臂(3)，一端与所述连接臂(2)的另一端连接，并能够以与所述连接臂(2)的连接点为圆心进行旋转；

触头(4)，用于在所述测量臂(3)的带动下沿所述钢轨的轨头(5)的外表面运动，设置在所述测量臂(3)的另一端。

2.如权利要求1所述的三摆臂钢轨轮廓测量装置，其特征在于，所述触头(4)通过编码器与所述测量臂(3)连接。

3.如权利要求2所述的三摆臂钢轨轮廓测量装置，其特征在于，所述触头(4)为永磁铁触头(4)。

4.一种使用如权利要求1-3任一项所述的三摆臂钢轨轮廓测量装置的钢轨测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、确定被检测钢轨的检测点；

S2、将支撑固定部置于该检测点，并确定基点位置；

S3、确定触头初始位置；

S4、通过对连接臂的操作使触头沿钢轨的外表面运动，并记录触头运动过程中的坐标；

S5、根据记录的坐标计算钢轨的轨头厚度。

5.如权利要求4所述的钢轨测量方法，其特征在于，所述S1步骤为：根据钢轨使用频率选取若干等间距的检测点。

6.如权利要求4所述的钢轨测量方法，其特征在于，所述S2步骤为：将支撑固定部置于检测点，将基准臂与支撑固定部连接处确定基点位置。

7.如权利要求4所述的钢轨测量方法，其特征在于，所述S3步骤为：将触头置于钢轨的轨鄂与轨腰的相交位置，并以该位置作为触头的初始位置。

8.如权利要求4所述的钢轨测量方法，其特征在于，所述S4步骤为：通过对连接臂的操作使触头沿钢轨的外表面运动，并根据公式记录触头运动过程中的坐标。

9.如权利要求8所述的钢轨测量方法，其特征在于，所述公式为：

X_c＝L₁×cosθ₁+L₂×cos(θ₁-θ₂)+L₃×cos(θ₁-θ₂-θ₃)；

Y_c＝L₁×sinθ₁+L₂×sin(θ₁-θ₂)+L₃×sin(θ₁-θ₂-θ₃)；

其中，X_c为触头中线点的横坐标，Y_c为触头中线点的纵坐标，L₁为基准臂的长度；L₂为连接臂的长度；L₃为测量臂的长度；θ₁外围水平面与基准臂的内夹角；θ₂为基准臂与连接臂的外夹角；θ₃为连接臂与测量臂的外夹角。

10.如权利要求4所述的钢轨测量方法，其特征在于，所述S5步骤为：根据记录的坐标，剔除触头中线点到钢轨的规矩，进而获取钢轨的轨头厚度。