CN111595263A - 一种便携式车轮几何参数测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式车轮几何参数测量系统及方法，属于轨道交通技术领域。本发明的测量系统中激光控制器控制激光传感器，激光传感器发出激光对车轮轮廓数据进行采集，编码器与计米轮相连，车轮侧面设置感应块，车轮转动时，感应块触发感应开关，激光控制器开始记录车轮轮廓数据，并且按编码器的触发脉冲，每隔一定的脉冲数据采集一条车轮轮廓曲线。本发明能够一次测量获得轮缘高、轮缘厚、轮缘综合值、踏面径跳、轴心径跳、偏移径跳等几何参数，以及车轮的轴向轮廓曲线、周向轮廓曲线等直观显示车轮应用状况的二维图形，同时，本发明还提供了踏面径跳向轴心径跳的转化方法，为某些仅能测量踏面径跳的检测设备提供一种得到轴心径跳的方法。

Description

一种便携式车轮几何参数测量系统及方法

技术领域

本发明涉及轨道交通技术领域，更具体地说，涉及一种便携式车轮几何参数测量系统及 方法。

背景技术

车轮作为轨道交通车辆振动的重要振源之一，其应用状况直接影响列车的行车安全。来 自车轮的振动主要包括两个方面，一是车轮磨耗后产生的踏面形变，二是车轮加工时产生的 偏心。对于新轮或刚镟修后的车轮，其踏面圆和轮缘顶点圆可以看成是同心的标准圆，踏面 形变为0，即踏面径跳(以轮缘顶点圆心为基准的径跳)为0，但加工时的轴心与轮缘顶点圆 心并不同心，即轴缘距(轴心与轮缘顶点圆心的距离)不为0，轴心径跳(以轴心为基准的 径跳)也不为0。

随着车轮的磨耗，车轮踏面发生变形，由于轮缘顶点圆不发生磨耗，因此磨耗后的车轮 踏面圆与轮缘顶点圆不再同心，但磨耗后的车轮踏面有着自己的当量圆心，即当量圆心随着 车轮的磨耗发生了偏移，以当量圆心为基准的径跳称之为偏移径跳。当列车运行时，车轮是 以当量圆心为基准在滚动，而车轮的振动需要用轴心径跳(踏面形为和偏心)来衡量，因此 必须得到车轮的轴心径跳。

经检索，专利号为CN200720076529.7的实用新型专利，公开了一种便携式铁路车轮不圆 度及直径测量装置，该装置将列车车轮抬起，使其能够以轴心为基准自由旋转，并测量车轮 踏面一周的轮廓，得到车轮的不圆度(或径跳)，该不圆度或径跳即为轴心径跳，但该装置需 要将列车车轮一一抬起进行测量，测量效率低，测量精度也低。专利号为CN200720082608.9 的实用新型专利，公开了一种升降式车轮踏面擦伤及不圆度在线动态检测装置，该装置直接 安装在线路上，列车从设备上经过就能完成所有车轮的检测，检测效率得到提高，但该装置 的检测原理是以轮缘顶点圆心为基准得到的踏面径跳，并不是轴心径跳。

另外，专利号为CN200920266592.6的实用新型专利，公开了一种车轮圆周表面粗糙度及 非圆化磨损便携式测量设备，其激光位移传感器的激光头固定在激光头支撑座上；激光位移 传感器的串口、USB接口分别与计算机的串口和USB接口相连；小轮机构的小轮轴连接有增 量光电编码器，增量光电编码器的信号输出端与激光位移传感器的控制信号输入端相连，该 测量设备能在现场测量各种车轮圆周的表面粗糙度及非圆化磨损情况。专利号为 201320613795.4的实用新型专利，公开了一种便携式轨道车辆车轮周向不平顺和直径测量设 备，该测量设备磁性基座上表面的一侧与转臂的下端铰接，转臂上端的转轴与小轮配合，该 转轴上安装有旋转编码器；转臂的中部通过张紧弹簧与磁性基座上表面的中部连接；磁性基 座上表面另一侧固定有传感器支撑架，传感器支撑架的上端连接位移传感器固定板，位移传 感器固定板上螺纹连接有位移传感器；光电触发器与数据采集器电连接，数据采集器还与位 移传感器、旋转编码器电连接。该设备具有便于携带、易于安装拆卸的优点。但上述申请案 同样存在测量参数单一、测量效率低的问题。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明提供了一种便携式车轮几何参数测量系统及方法，使用本发明提供的参数测量系 统能够一次测量获得车轮的直径、轮缘高、轮缘厚、轮缘综合值、踏面径跳、轴心径跳、偏 移径跳、轴缘距、偏移系数等几何参数，以及车轮的轴向轮廓曲线、周向轮廓曲线等直观显 示车轮应用状况的二维图形，同时，本发明还提供了踏面径跳向轴心径跳的转化方法，为某 些仅能测量踏面径跳的检测设备提供一种得到轴心径跳的方法。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种便携式车轮几何参数测量系统，包括激光控制器、激光传感器、计米轮、 编码器和感应块，所述的激光控制器控制激光传感器，激光传感器发出激光对车轮轮廓数据 进行采集，编码器与计米轮相连，计米轮紧贴车轮踏面，车轮侧面设置感应块，车轮转动时， 感应块触发感应开关，激光控制器开始记录车轮轮廓数据，并且按编码器的触发脉冲，每隔 一定的脉冲数据采集一条车轮轮廓曲线。

更进一步地，所述的测量系统包括激光调节单元，该激光调节单元包括底板、X方向滑 板和Y方向滑板，X方向滑板设置于底板上，能够沿底板在X方向移动，底板上设置了X方 向紧固旋钮，调节激光传感器至X方向需要的位置后，该X方向紧固旋钮定位X方向滑板，使其不能移动；Y方向滑板设置于X方向滑板上，能够沿X方向滑板在Y方向移动，Y方向 滑板上设置了Y方向紧固旋钮，调节激光传感器至Y方向需要的位置后，该Y方向紧固旋 钮作用于X方向滑板，将Y方向滑板锁紧。

更进一步地，所述的激光调节单元还包括一激光角度调节组件，该激光角度调节组件包 括水平角调节旋钮和激光安装板，激光安装板设置于Y方向滑板上，且激光安装板与Y方向 滑板连接的一侧设置旋转轴，水平角调节旋钮通过旋转轴带动激光安装板旋转，调节激光探 测光束的水平角；同时，激光安装板上开设有导向孔和定位孔，激光传感器上的定位销插入 所述定位孔中，导向销插入所述导向孔中，通过调节导向销，使得激光传感器以定位销为轴 旋转，调节激光探测光束的俯仰角。

更进一步地，所述的测量系统还包括计米轮调节单元，该计米轮调节单元包括活动板、 支架、支撑板和编码器，活动板能够沿底板移动，活动板上设置了活动板紧固旋钮，调节计 米轮至需要的位置后，该活动板紧固旋钮作用于底板将活动板锁紧；所述的计米轮设置于支 撑板上并连接编码器，支撑板和支架之间设置滑块，支架设置于活动板上，滑块内部设置弹 簧，滑块和弹簧的作用可将计米轮贴紧车轮踏面，当车轮转动时，带动计米轮以相同的线速 度转动，计米轮的转动带动编码器发出脉冲信号。

本发明的一种车轮几何参数测量方法，其步骤为：

步骤一、利用所述的参数测量系统采集数据，获得踏面轴向轮廓曲线；

步骤二、对步骤一获得的每一条轮廓曲线进行计算，求取轮缘高、轮缘厚、轮缘综合值 三个参数，并找到最大轮缘高、最小轮缘高、最大轮缘厚、最小轮缘厚、最大轮缘综合值、 最小轮缘综合值以及所对应的轮廓曲线；再对所得所有轮廓曲线上每一个X坐标求平均Y坐 标，输出车轮的平均轴向轮廓曲线；

步骤三、求取车轮直径，并提取周向轮廓曲线，根据提取的周向轮廓曲线，计算车轮径 向跳动；

步骤四、以轮缘顶点圆圆心为原点建立坐标系1，以轴心为原点建立坐标系2，分别对两 个坐标系中的名义滚动圆轮廓进行圆拟合，求出拟合圆的圆心，即名义滚动圆的当量圆心， 通过当量圆心相对于轮缘顶点圆圆心和轴心的偏移方向和距离，确定轴心坐标，求得轴心径 跳。

更进一步地，步骤一中，参数测量系统一次测量只能得到部分车轮踏面轴向轮廓曲线， 对于踏面轴向轮廓曲线的获得分为两种情况，第一种情况是车轮踏面类型已知，内辋面到轮 缘顶点的距离d1，以及测量点到名义滚动圆的高度h1已知，只需测量包含轮缘顶点和名义 滚动圆在内的部分轮廓，并与已知踏面类型后的内辋面到轮缘顶点部分的轮廓进行拼接即可 得到踏面轴向轮廓曲线；第二种情况是车轮踏面类型未知，需要先测量包含内辋面和轮缘顶 点在内的部分轮廓，再测量包含轮缘顶点和名义滚动圆在内的部分轮廓，再将两段轮廓进行 拼接得到踏面轴向轮廓曲线。

更进一步地，第二种情况进行拼接的具体过程为：

A.1、对所测轮廓中内辋面部分的轮廓进行直线拟合，得到拟合直线的斜率k；

A.2、将轮廓按逆时针方向进行旋转，旋转角度为A度，A＝90-arctank；旋转公式为：

X＝(x-x₀)cosA-(y-y₀)sinA+x₀

Y＝(x-x₀)sinA+(y-y₀)cosA+y₀

式中，(X,Y)为旋转后的坐标，(x,y)为旋转前的坐标，(x₀,y₀)为旋转中心的坐标；再将 旋转后得到的轮廓曲线与包含轮缘顶点和名义滚动圆在内的部分轮廓曲线进行拼接，便可得 到车轮轴向轮廓曲线。

更进一步地，步骤二的具体过程为：

B.1、提取步骤一所得每一条轮廓线中的Y坐标最大值，并保存于数组flangeY[n]中，其 平均值为V_flangeY；并找到每一条轮廓线中轮缘顶点的X坐标，并保存于数组flangeX[n] 中，同时求出平均值V_flangeX；

B.2、根据内辋面到轮缘顶点的距离d1和V_flangeX，求出名义滚动圆的X坐标为nominal_circleX＝V_flangeX+(70-d1)，直接找到每一条轮廓线中X坐标为nominal_circleX的 点，并提取该点对应的Y坐标，保存于数组nomimal_circleY[n]中，同时求出平均值 V_nominal_circleY；

B.3、求出每条轮廓线上A测量点和B测量点的Y坐标，分别为 AY[i]＝nominal_circleY[i]+h₁和BY[i]＝flangeY[i]-2，并求出对应的X坐标，分别放于数组 AX[n]和BX[n]中，计算公式为：

式中，(AX₁,AY₁)，(AX₂,AY₂)为所求A点左右两边最相近两点的坐标；

BX的求解公式与AX相同，再求出A、B两点的平均X坐标为V_AX和V_BX；

B.4、求轮缘三参数，其中，

轮缘高：Sh＝V_flangeY-V_nominal_circleY

轮缘厚：Sd＝d1+(V_AX-V_flangeY)

轮缘综合值：Qr＝V_AX-V_BX

B.5、找到最大轮缘高、最小轮缘高、最大轮缘厚、最小轮缘厚、最大轮缘综合值、最小 轮缘综合值以及所对应的轮廓曲线，提取这六条轴向轮廓曲线，再对所有轮缘线上每一个X 坐标求平均Y坐标，输出车轮的平均轴向轮廓曲线。

更进一步地，步骤三的具体过程为：

B.6、求取车轮直径D：

式中，N为采集车轮一周编码器发出的总脉冲数量，K为计米轮转动一周编码器发出的 脉冲数量，C为计米轮周长；

B.7、提取以轴心为基准的轮缘顶点圆的轮廓曲线，即flangeY[n]；以轴心为基准名义滚 动圆的轮廓曲线，即nominal_circleY[n]；将上述提取的两个轮廓相差，即得到第三条以轮缘 顶点圆圆心为基准的名义滚动圆轮廓曲线，即flange_nominal_circleY[n]，其值为 flange_nominal_circleY[i]＝flangeY[i]-nominal_circleY[i]；

B.8、计算提取的三个周向轮廓曲线中，每个轮廓曲线中的Y坐标最大值与Y坐标最小 值的差值，也就是flangeY[n]、nomimal_circleY[n]、flange_nominal_circleY[n]三个数据中 分别的最大值和最小值的差值，即分别为轴心基准轮缘顶点圆的径向跳动，轴心基准名义滚 动圆径向跳动，以及轮缘顶点圆圆心基准名义滚动圆径向跳动。

更进一步地，步骤四的具体过程为：

C.1、在坐标系1中对以轮缘顶点圆圆心为基准的名义滚动圆轮廓进行圆拟合，得到拟合 圆圆心坐标(X₁，Y₁)，并以该圆心坐标求得轮廓上各点的半径，其中最大半径与最小半径的 差即为相对于轮缘顶点圆圆心的偏移径跳G1，而

为当量圆心相对于轮缘顶点 圆圆心的偏心量；

C.2、在坐标系2中对以轴心为基准的名义滚动圆轮廓进行圆拟合，得到拟合圆圆心坐标 (X₂，Y₂)，并以该圆心坐标求得轮廓上各点的半径，其中最大半径与最小半径的差即为相对 于轴心的偏移径跳G2，而

为当量圆心相对于轴心的偏心量；

C.3、求轴心在坐标系1中的坐标(X₃，Y₃)，其中X₃＝X₁-X₂，Y₃＝Y₁-Y₂，并且

即为轴心与轮缘顶点圆圆心的距离，即轴缘距；同时，

和(X₃，Y₃)所在坐标系1中的限象位置，可以得到轴心与原点的连线与X轴方向的夹角；

C.4、如只有以轮缘顶点圆圆心为基准的名义滚动圆轮廓，在计算轴心径跳时需要将P₃和cosα作为已知条件，因此可以通过方程组：

求出(X₃，Y₃)的坐标，其中Y₃可求得两个解，根据轴心所在象限可以排除其中一个，得到唯一的轴心坐标(X₃,Y₃)，从而可以求得轴心径跳。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的测量系统，结构设计简单易操作，利用该系统进行测量并对数据进行处理 之后，能够得到车轮的踏面径跳、轴心径跳、偏移径跳、轴缘距、偏心量等，还可以得到车 轮直径、轮缘高、轮缘厚、轮缘综合值等几何参数，得到的几何参数较全面，且能够获得车 轮全周长范围内的几何参数，通过测量车轮全周长范围内的几何参数作平均值，比其他在线 设备和便携设备只测车轮局部而获得的几何参数精度高出许多；

(2)本发明还可以提取出车轮踏面任一位置的周向轮廓曲线，以及各种轴向轮廓曲线， 包括最大轮缘高轴向轮廓曲线、最小轮缘高轴向轮廓曲线、最大轮缘厚轴向轮廓曲线、最小 轮缘厚轴向轮廓曲线、最大轮缘综合值轴向轮廓曲线、最小轮缘综合值、平均轴向轮廓曲线； 这些轮廓曲线都能较直观显示车轮应用状，为研究车轮振动提供参考；

(3)本发明解析出将踏面径跳转化为轴心径跳的方法，结合在线测量设备测得的车轮周 向轮廓，能够快速给出列车所有车轮轴心径跳，为某些仅能测量踏面径跳的检测设备提供了 一种得到轴心径跳的方法。

附图说明

图1为本发明中固定单元的使用状态图；

图2为本发明中激光调节单元的结构示意图；

图3为本发明中激光调节单元的侧视结构示意图；

图4为本发明中激光角度调节组件的结构示意图；

图5为本发明中激光角度调节组件的侧视结构示意图；

图6中的(a)-(c)为本发明中计米轮调节单元的三视图；

图7中的(a)-(c)为本发明中激光角度调节块的三视图；

图8为本发明的测量模块的使用状态图；

图9中的(a)和(b)为本发明车轮踏面轴向轮廓曲线图；

图10中的(a)为原始数据中包含轮缘顶点和名义滚动圆在内的轮廓曲线图；图10中的 (b)-(c)为测量轮缘顶点到内辋面距离时的数据旋转前后曲线图；

图11为车轮踏面轴向轮廓曲线图；

图12为实施例2所得六条轴向轮廓曲线图。

示意图中的标号说明：

1、轨道；

2、固定单元；21、固定座；22、吸座；

3、激光调节单元；31、底板；311、X方向滑轨；312、活动板滑轨；32、X方向滑板；321、X方向滑槽；322、X方向驱动条；323、Y方向滑轨；33、X方向调节旋钮；34、X方 向紧固旋钮；35、Y方向滑板；351、Y方向滑槽；352、Y方向驱动条；36、Y方向调节旋 钮；37、Y方向紧固旋钮；38、水平角调节旋钮；39、激光安装板；391、导向孔；392、旋 转轴；310、激光传感器；3101、定位销；3102、导向销；

4、计米轮调节单元；41、活动板；411、活动板滑槽；412、活动板驱动条；42、活动板调节旋钮；43、活动板紧固旋钮；44、支架；45、支撑板；46、滑块；47、计米轮；48、编 码器；

5、激光角度调节块；51、调节块本体；511、第一调节缝；52、角度调节柱；53、侧耳；531、第二调节缝；

6、软管；

7、车轮。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合附图，本实施例的一种便携式车轮几何参数测量系统，由机械、电气和软件三部分 组成，从结构上说，有控制模块、测量模块和数据处理模块，控制模块主要实现各电气元件 的控制和数据的采集，测量模块完成设备的安装固定、传感器的调节等，数据处理模块主要 实现数据的处理和结果显示。

其中，控制模块的硬件有电源、PLC控制板、2D激光控制器、编码器、感应开关等。PLC 控制板负责整个测量过程的逻辑控制。2D激光控制器用来控制2D激光对车轮轮廓数据的采 集。编码器与计米轮相连，在测量过程中，计米轮紧贴着车轮踏面，当车轮转动时，计米轮 随着车轮一起转动，并且转动的线速度相同。车轮的侧面用磁铁固定一感应块，当车轮转动 时，感应块将感应开关触发，PLC控制板接收到触发信号，并控制2D激光控制器开始记录 车轮轮廓数据，并且按编码器的触发脉冲，每隔一定的脉冲数据就采集一条车轮轮廓曲线， 当车轮转动一周，感应块再次触发感应开关时，采集结束。

结合图8，测量模块主要是机械结构，其包括固定单元和调节单元，固定单元(参看图1) 包括固定座21和吸座22，所述的吸座22为磁吸座，吸座22设置在固定座21上，固定座21 紧靠轨道1的侧面，此时吸座22位于轨顶的中央，用于将整个机构固定在轨道1顶面。

所述的调节单元主要包括激光调节单元3和计米轮调节单元4，参看图2和图3，为了使 2D激光位移传感器与车轮的距离能够保持在测量范围内，需要对2D激光位移传感器相对于 车轮的前后距离进行调节。同时，为了保证2D激光位移传感器测量的轮廓曲线包含轮缘顶 点和名义滚动圆，需要对其进行左右位置调节。

图2和图3所示激光调节单元3包括底板31、X方向滑板32、Y方向滑板35；X方向 滑板32设置于底板31上，在X方向滑板32下表面设置X方向滑槽321，该X方向滑槽321 与设置于底板31上的X方向滑轨311相配合，X方向滑板32下表面还设置有X方向驱动条 322，X方向驱动条322上设置有齿状结构，X方向调节旋钮33带动一齿轮与X方向驱动条 322相配合，驱动X方向滑板32沿X方向滑轨311移动，底板31上设置了X方向紧固旋钮 34，调节激光传感器310至X方向需要的位置后，该X方向紧固旋钮34定位X方向滑板32， 使其不能移动。

同样地，Y方向滑板35下表面设置Y方向滑槽351，该Y方向滑槽351与设置于X方 向滑板32上的Y方向滑轨323相配合，Y方向滑轨323与X方向滑轨311相垂直。Y方向 滑板35下表面还设置有Y方向驱动条352，Y方向驱动条352上设置有齿状结构，Y方向调 节旋钮36带动一齿轮与Y方向驱动条352相配合，驱动Y方向滑板35沿Y方向滑轨323 移动，Y方向滑板35上设置了Y方向紧固旋钮37，调节激光传感器310至Y方向需要的位 置后，该Y方向紧固旋钮37作用于X方向滑板32，将Y方向滑板35锁紧。

激光传感器310在测量时相对于车轮7有三个角度，一是俯仰角，二是水平角，三是重 向角。其中，垂向角可由激光本身的矫正功能自行调节，而俯仰角和垂向角需在测量前调节 好。俯仰的调节标准为使2D激光探测光束所在平面经过经过车轮7法线，垂向角的调节标 准为2D激光光线的方向与车轮7轴线垂直。

参看图4和图5，激光调节单元3还包括一激光角度调节组件，该激光角度调节组件包 括水平角调节旋钮38和激光安装板39，该激光安装板39设置于Y方向滑板35上，且激光安装板39与Y方向滑板35连接的一侧设置旋转轴392，水平角调节旋钮38通过旋转轴392 带动激光安装板39旋转，调节2D激光探测光束的水平角。同时，激光安装板39上开设有 导向孔391和定位孔，激光传感器310上的定位销3101插入所述定位孔中，导向销3102插 入所述导向孔391中，通过调节导向销3102，可以使得激光传感器310以定位销3101为轴 旋转，调节2D激光探测光束的俯仰角。

结合图6中的(a)-(c)，本实施例还设置了计米轮调节单元4，该计米轮调节单元4包 括活动板41、支架44、支撑板45和编码器48，活动板41底部设置了活动板滑槽411，该活动板滑槽411与设置于底板31上的活动板滑轨312相配合，活动板41底部还设置了活动板驱动条412，活动板驱动条412上设置有齿状结构，活动板调节旋钮42带动一齿轮与活动板驱动条412相配合，驱动活动板41沿活动板滑轨312移动，活动板41上设置了活动板紧固 旋钮43，调节计米轮至需要的位置后，该活动板紧固旋钮43作用于底板31将活动板41锁 紧。所述的计米轮47设置于支撑板45上并连接编码器48，支撑板45和支架44之间设置滑 块46，支架44设置于活动板41上，滑块46内部设置弹簧，滑块46和弹簧的作用可将计米 轮47贴紧车轮7踏面，当车轮7转动时，带动计米轮47以相同的线速度转动，计米轮47的 转动带动编码器48发出脉冲信号。

图7中的(a)-(c)为激光角度调节块5，其中，调节块本体51呈L型，调节块本体 51的一侧设置侧耳53，在调节块本体51上开设了第一调节缝511，侧耳53上开设了第二调 节缝531，第一调节缝511和第二调节缝531保持平齐，且在调节块本体51背离侧耳53的 一侧设置了2个角度调节柱52，两角度调节柱52以第一调节缝511为轴对称设置。激光角 度调节块5与激光传感器310配合使用，调节2D激光角度时，调节块本体51贴车轮7内辋 面，两个角度调节柱52紧压在轮缘顶点上，使2D激光探测光束与第一调节缝511、第二调 节缝531平齐，激光光束同时通过第一调节缝511、第二调节缝531(参看图8)，这样既保 证了水平角，又保证了俯仰角，此时2D激光探测光束正好经过车轮法线，且垂直于车轮轴 线。

此外，本实施例还在底板31上安装了软管6，软管6中设置了感应开关，车轮7侧面贴 有感应块，当车轮7旋转使感应块触发感应开关时开始测量，当车轮旋转一周，感应块再次 触发感应开关时测量结束，刚好采集车轮踏面一周的轮廓数据。底板31上还安装有把手，用 于移动测量设备。

本实施例的一种便携式车轮几何参数测量系统，结构设计简单易操作，一次能够测得的 几何参数较全面，且能够测量车轮全周长范围内的几何参数，比其他在线设备和便携设备只 测车轮局部而获得的几何参数精度高出许多。

实施例2

基于实施例1所述的便携式车轮几何参数测量系统，本实施例提供了一种车轮踏面径跳 向轴心径跳的转化方法，具体如下：

本实施例测量的原始数据为车轮踏面轴向轮廓曲线数据，完整的车轮轴向踏面轮廓曲线 如图9所示。

结合图9中的(a)和(b)，车轮轴向踏面轮廓曲线中突起的部分为轮缘II，轮缘的最高 点叫轮缘顶点，轮缘顶点到内辋面I的距离为d1。距离内辋面L1(L1一般为70mm)处踏面III上一点，绕着车轮踏面一周所形成的圆叫名义滚动圆V，高出名义滚动圆h1距离(h1一般为10mm或12mm，具体参考TBT449-2003)与轮缘喉部的交点为轮缘厚和QR的测量点， 踏面III远离轮缘II一侧所示曲线部分为外辋面IV。

由于受到2D激光位移传感器测量范围的限制，一次测量只能得到部分车轮踏面轴向轮 廓曲线。图9所示车轮轴向踏面轮廓曲线的获得可分为两种情况，第一种情况是车轮踏面类 型已知的情况，可以提前知道内辋面到轮缘顶点的距离d1，以及A测量点到名义滚动圆的高 度h1(h1一般为10mm或12mm)，只需测量包含轮缘顶点和名义滚动圆在内的部分轮廓， 并与已知踏面类型后的内辋面到轮缘顶点部分的轮廓进行拼接得到。第二种情况是当车轮踏 面类型未知时，因为同一列车上车轮踏面类型相同，需要先测量包含内辋面和轮缘顶点在内 的部分轮廓，再测量包含轮缘顶点和名义滚动圆在内的部分轮廓，再将两段轮廓进行拼接得 到。

第一种情况下，2D激光位移传感器所测得的轮廓如图10中的(a)所示，该轮廓中只有 包含轮缘顶点和名义滚动圆在内的部分轮廓，由于车轮踏面类型已知，且内辋面到轮缘顶点 部分的轮廓不会发生磨损，因此可把这部分轮廓直接与所测量的轮廓进行拼接。

第二种情况下，除了要测得图10中的(a)所示的轮廓，还需测量包含内辋面到轮廓顶 点部分的轮廓，如图10中的(b)所示。由于需要测量到内辋面的轮廓，所以2D激光位移传感器必须与车轮内辋面之间存在一定的角度，因此测得的图10中的(a)所示轮廓需要进行旋转，将内辋面的轮廓旋转至竖直，具体方法为：

A.1、对所测轮廓中内辋面部分的轮廓进行直线拟合，得到拟合直线的斜率k；

A.2、将轮廓按逆时针方向进行旋转，旋转角度为(A＝90-arctank)度，旋转公式为：

X＝(x-x₀)cosA-(y-y₀)sinA+x₀

Y＝(x-x₀)sinA+(y-y₀)cosA+y₀

式中，(X,Y)为旋转后的坐标，(x,y)为旋转前的坐标，(x₀,y₀)为旋转中心的坐标。旋转 后得到的轮廓曲线如图10中的(c)所示。再将图10中的(c)所示曲线与图10中的(a)所示曲线进行拼接，便可得到车轮轴向轮廓曲线。

当d1为已知量时，可省略A步骤，此时计算过程为：

B.1、提取每一条轮廓线中的Y坐标最大值，该最大值即为轮缘顶点的位移值，并保存于 flangeY[n]数组中，其平均值为V_flangeY并找到每一条轮廓线中轮缘顶点的X坐标，并保 存于数组flangeX[n]中，同时求出平均值V_flangeX。

B.2、根据d1和V_flangeX，求出名义滚动圆的X坐标为 nominal_circleX＝V_flangeX+(70-d1)，直接找到每一条轮廓线中X坐标为nominal_circleX的 点，并提取该点对应的Y坐标，即为名义滚动圆的Y坐标，保存数组nomimal_circleY[n]中， 同时求出平均值V_nominal_circleY。

B.3、求出每条轮廓线上A点和B点的Y坐标，分别为AY[i]＝nominal_circleY[i]+h₁和 BY[i]＝flangeY[i]-2，并求出它们对应的X坐标，分别放于数组AX[n]和BX[n]中，计算公 式为：

(BX的求解公式与AX相同)，式中(AX1,AY1)，(AX2,AY2)为所求A(或B)点左右两边最相近(因2D激光位移传感器采集的点是离散 的，故能够获得最相近点)两点的坐标。再求出A、B两点的平均X坐标为V_AX和V_BX。

B.4、求轮缘三参数，其中轮缘高Sh＝V_flangeY-V_nominal_circleY，轮缘厚为Sd＝d1+(V_AX-V_flangeY)，轮缘综合值为Qr＝V_AX-V_BX

B.5、提取车轮轴向轮廓曲线。从以上计算中，可以找到最大轮缘高、最小轮缘高、最大 轮缘厚、最小轮缘厚、最大轮缘综合值、最小轮缘综合值以及它们所对应的轮廓曲线，可以 把这六条轴向轮廓曲线提取出来，如图12所示，可以看到六条轮廓曲线几近重合。另外，还 可以对步骤B.1、B.2、B.3中获得的所有轮廓线上每一个X坐标求平均Y坐标，输出车轮的 平均轴向轮廓曲线。

B.6、求车轮直径。

式中N为采集车轮一周编码器发出的总脉冲数量，K为计 米轮转动一周编码器发出的脉冲数量，C为计米轮周长。

B.7、提取周向轮廓曲线。本实施例测得了车轮踏面上任意一个位置的周向轮廓曲线，具 有价值的为三条，一是以轴心为基准的轮缘顶点圆的轮廓曲线，即flangeY[n]；二是以轴心为 基准名义滚动圆的轮廓曲线，即nominal_circleY[n]；将上述提取的两个轮廓相差，即得到第 三条以轮缘顶点圆圆心为基准的名义滚动圆轮廓曲线，即flange_nominal_circleY[n]，其值 为flange_nominal_circleY[i]＝flangeY[i]-nominal_circleY[i]。

B.8、计算径向跳动。提取的三个周向轮廓曲线中，X坐标为车轮的周长，Y坐标为2D激光位移传感器所测量的距离值，每个轮廓曲线中的Y坐标最大值与Y坐标最小值的差值即为各自的径向跳动，也就是flangeY[n]、nomimal_circleY[n]、flange_nominal_circleY[n]三 个数据中分别的最大值和最小值。它们分别为轴心基准轮缘顶点圆的径向跳动，轴心基准名 义滚动圆径向跳动，即前述的轴心径跳；以及轮缘顶点圆圆心基准名义滚动圆径向跳动，即 前述踏面径跳。

由于轮缘顶点圆不被磨耗，它始终为一标准圆，因此，以轮缘顶点圆圆心为基准的名义 滚动圆轮廓，与以轴心为基准的名义滚动圆轮廓，两个轮廓的形状完全相同，仅仅是圆心坐 标不同引起的两个轮廓的偏心，即将其中一个轮廓沿某个方向(圆心偏移方向)平移一段距 离(轴缘距)后，两个轮廓能够完全重合。因此，将踏面径跳向轴心径跳的转化中，需要解 决的关键问题是，在以轮缘顶点圆圆心为基准的名义滚动圆轮廓中找到轴心坐标，再经轴心 坐标重新计算最大半径和最小半径，即可得到轴心径跳。

在以轮缘顶点圆圆心为基准的名义滚动圆轮廓中，该轮廓的坐标原点即为轮缘顶点圆圆 心，要想在这个坐标系中得到轴心坐标，仅知道轴缘距是不够的，还需要知道轴心相对于轮 缘顶点圆圆心(即原点)的偏移方向，因此本实施例提出一个能够将两个圆心联系起来的中 间量，即名义滚动圆的当量圆心。为了便于描述，本实施例把以轮缘顶点圆圆心为原点建立 的坐标系称为坐标系1，那么以轮缘顶点圆圆心为基准的名义滚动圆轮廓就在坐标系1中； 把以轴心为原点建立的坐标系称为坐标系2，那么以轴心为基准的名义滚动圆轮廓就在坐标 系2中，如前所述，两个轮廓形状相同，仅仅存在偏心引起的位置偏移。如果分别对两个坐 标系中的名义滚动圆轮廓进行圆拟合，求出拟合圆的圆心，即名义滚动圆的当量圆心，可以 通过当量圆心相对于轮缘顶点圆圆心和轴心的偏移方向和距离，将二者的偏移方向确定。步 骤如下：

C.1、在坐标系1中对以轮缘顶点圆圆心为基准的名义滚动圆轮廓进行圆拟合，得到拟合 圆圆心坐标(X₁，Y₁)，并以该圆心坐标求得轮廓上各点的半径，其中最大半径与最小半径的 差即为相对于轮缘顶点圆圆心的偏移径跳G1，而

为当量圆心相对于轮缘顶点 圆圆心的偏心量。

C.2、在坐标系2中对以轴心为基准的名义滚动圆轮廓进行圆拟合，得到拟合圆圆心坐标 (X₂，Y₂)，并以该圆心坐标求得轮廓上各点的半径，其中最大半径与最小半径的差即为相对 于轴心的偏移径跳G2，而

为当量圆心相对于轴心的偏心量。

C.3、求轴心在坐标系1中的坐标(X₃，Y₃)，其中X₃＝X₁-X₂，Y₃＝Y₁-Y₂，并且

即为轴心与轮缘顶点圆圆心的距离，即轴缘距。同时，

和(X₃，Y₃)所在坐标系1中的限象位置，可以得到轴心与原点的连线与X轴方向的夹角。

C.4如果只有以轮缘顶点圆圆心为基准的名义滚动圆轮廓(即只有在线动态检测设备测 量的轮廓)，在计算轴心径跳时需要将P₃和cosα作为已知条件，将这两个量作为已知条件是 合理的，因为当车轮一旦加工或镟修完成，轮缘顶点不发生磨耗，轮缘顶点圆圆心相对于轴 心的位置是固定的，不会发生变化。因此可以通过方程组：

求出(X₃，Y₃)的坐标，其中Y₃可求得两个解，根据轴心所在象限可以排除其中一个，得到唯一的轴心坐标(X₃，Y₃)，轮廓上任意一点i的坐标为(x_i，y_i)，则该点的半径

再从R_i找到最大值和最小值的差，即可以求得轴心径跳。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也 只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员 受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结 构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种便携式车轮几何参数测量系统，其特征在于：包括激光控制器、激光传感器(310)、计米轮(47)、编码器(48)和感应块，所述的激光控制器控制激光传感器(310)，激光传感器(310)发出激光对车轮轮廓数据进行采集，编码器(48)与计米轮(47)相连，计米轮(47)紧贴车轮(7)踏面，车轮(7)侧面设置感应块，车轮转动时，感应块触发感应开关，激光控制器开始记录车轮轮廓数据，并且按编码器(48)的触发脉冲，每隔一定的脉冲数据采集一条车轮轮廓曲线。

2.根据权利要求1所述的一种便携式车轮几何参数测量系统，其特征在于：所述的测量系统包括激光调节单元(3)，该激光调节单元(3)包括底板(31)、X方向滑板(32)和Y方向滑板(35)，X方向滑板(32)设置于底板(31)上，能够沿底板(31)在X方向移动，底板(31)上设置了X方向紧固旋钮(34)，调节激光传感器(310)至X方向需要的位置后，该X方向紧固旋钮(34)定位X方向滑板(32)，使其不能移动；Y方向滑板(35)设置于X方向滑板(32)上，能够沿X方向滑板(32)在Y方向移动，Y方向滑板(35)上设置了Y方向紧固旋钮(37)，调节激光传感器(310)至Y方向需要的位置后，该Y方向紧固旋钮(37)作用于X方向滑板(32)，将Y方向滑板(35)锁紧。

3.根据权利要求2所述的一种便携式车轮几何参数测量系统，其特征在于：所述的激光调节单元(3)还包括一激光角度调节组件，该激光角度调节组件包括水平角调节旋钮(38)和激光安装板(39)，激光安装板(39)设置于Y方向滑板(35)上，且激光安装板(39)与Y方向滑板(35)连接的一侧设置旋转轴(392)，水平角调节旋钮(38)通过旋转轴(392)带动激光安装板(39)旋转，调节激光探测光束的水平角；同时，激光安装板(39)上开设有导向孔(391)和定位孔，激光传感器(310)上的定位销(3101)插入所述定位孔中，导向销(3102)插入所述导向孔(391)中，通过调节导向销(3102)，使得激光传感器(310)以定位销(3101)为轴旋转，调节激光探测光束的俯仰角。

4.根据权利要求2或3所述的一种便携式车轮几何参数测量系统，其特征在于：所述的测量系统还包括计米轮调节单元(4)，该计米轮调节单元(4)包括活动板(41)、支架(44)、支撑板(45)和编码器(48)，活动板(41)能够沿底板(31)移动，活动板(41)上设置了活动板紧固旋钮(43)，调节计米轮(47)至需要的位置后，该活动板紧固旋钮(43)作用于底板(31)将活动板(41)锁紧；所述的计米轮(47)设置于支撑板(45)上并连接编码器(48)，支撑板(45)和支架(44)之间设置滑块(46)，支架(44)设置于活动板(41)上，滑块(46)内部设置弹簧，滑块(46)和弹簧的作用可将计米轮(47)贴紧车轮(7)踏面，当车轮(7)转动时，带动计米轮(47)以相同的线速度转动，计米轮(47)的转动带动编码器(48)发出脉冲信号。

5.一种车轮几何参数测量方法，其特征在于，其步骤为：

步骤一、利用权利要求1-4任一项所述的参数测量系统采集数据，获得踏面轴向轮廓曲线；

步骤二、对步骤一获得的每一条轮廓曲线进行计算，求取轮缘高、轮缘厚、轮缘综合值三个参数，并找到最大轮缘高、最小轮缘高、最大轮缘厚、最小轮缘厚、最大轮缘综合值、最小轮缘综合值以及所对应的轮廓曲线；再对所得所有轮廓曲线上每一个X坐标求平均Y坐标，输出车轮的平均轴向轮廓曲线；

步骤三、求取车轮直径，并提取周向轮廓曲线，根据提取的周向轮廓曲线，计算车轮径向跳动；

步骤四、以轮缘顶点圆圆心为原点建立坐标系1，以轴心为原点建立坐标系2，分别对两个坐标系中的名义滚动圆轮廓进行圆拟合，求出拟合圆的圆心，即名义滚动圆的当量圆心，通过当量圆心相对于轮缘顶点圆圆心和轴心的偏移方向和距离，确定轴心坐标，求得轴心径跳。

6.根据权利要求5所述的一种车轮几何参数测量方法，其特征在于：步骤一中，参数测量系统一次测量只能得到部分车轮踏面轴向轮廓曲线，对于踏面轴向轮廓曲线的获得分为两种情况，第一种情况是车轮踏面类型已知，内辋面到轮缘顶点的距离d1，以及测量点到名义滚动圆的高度h1已知，只需测量包含轮缘顶点和名义滚动圆在内的部分轮廓，并与已知踏面类型后的内辋面到轮缘顶点部分的轮廓进行拼接即可得到踏面轴向轮廓曲线；第二种情况是车轮踏面类型未知，需要先测量包含内辋面和轮缘顶点在内的部分轮廓，再测量包含轮缘顶点和名义滚动圆在内的部分轮廓，再将两段轮廓进行拼接得到踏面轴向轮廓曲线。

7.根据权利要求6所述的一种车轮几何参数测量方法，其特征在于：第二种情况进行拼接的具体过程为：

A.1、对所测轮廓中内辋面部分的轮廓进行直线拟合，得到拟合直线的斜率k；

A.2、将轮廓按逆时针方向进行旋转，旋转角度为A度，A＝90-arctank；旋转公式为：

X＝(x-x₀)cosA-(y-y₀)sinA+x₀

Y＝(x-x₀)sinA+(y-y₀)cosA+y₀

式中，(X,Y)为旋转后的坐标，(x,y)为旋转前的坐标，(x₀,y₀)为旋转中心的坐标；再将旋转后得到的轮廓曲线与包含轮缘顶点和名义滚动圆在内的部分轮廓曲线进行拼接，便可得到车轮轴向轮廓曲线。

8.根据权利要求7所述的一种车轮几何参数测量方法，其特征在于：步骤二的具体过程为：

B.1、提取步骤一所得每一条轮廓线中的Y坐标最大值，并保存于数组flangeY[n]中，其平均值为V_flangeY；并找到每一条轮廓线中轮缘顶点的X坐标，并保存于数组flangeX[n]中，同时求出平均值V_flangeX；

B.2、根据内辋面到轮缘顶点的距离d1和V_flangeX，求出名义滚动圆的X坐标为nominal_circleX＝V_flangeX+(70-d1)，直接找到每一条轮廓线中X坐标为nominal_circleX的点，并提取该点对应的Y坐标，保存于数组nomimal_circleY[n]中，同时求出平均值V_nominal_circleY；

B.3、求出每条轮廓线上A测量点和B测量点的Y坐标，分别为AY[i]＝nominal_circleY[i]+h₁和BY[i]＝flangeY[i]-2，并求出对应的X坐标，分别放于数组AX[n]和BX[n]中，计算公式为：

式中，(AX₁,AY₁)，(AX₂,AY₂)为所求A点左右两边最相近两点的坐标；

BX的求解公式与AX相同，再求出A、B两点的平均X坐标为V_AX和V_BX；

B.4、求轮缘三参数，其中，

轮缘高：Sh＝V_flangeY-V_nominal_circleY

轮缘厚：Sd＝d1+(V_AX-V_flangeY)

轮缘综合值：Qr＝V_AX-V_BX

B.5、找到最大轮缘高、最小轮缘高、最大轮缘厚、最小轮缘厚、最大轮缘综合值、最小轮缘综合值以及所对应的轮廓曲线，提取这六条轴向轮廓曲线，再对所有轮缘线上每一个X坐标求平均Y坐标，输出车轮的平均轴向轮廓曲线。

9.根据权利要求8所述的一种车轮几何参数测量方法，其特征在于：步骤三的具体过程为：

B.6、求取车轮直径D：

式中，N为采集车轮一周编码器发出的总脉冲数量，K为计米轮转动一周编码器发出的脉冲数量，C为计米轮周长；

B.7、提取以轴心为基准的轮缘顶点圆的轮廓曲线，即flangeY[n]；以轴心为基准名义滚动圆的轮廓曲线，即nominal_circleY[n]；将上述提取的两个轮廓相差，即得到第三条以轮缘顶点圆圆心为基准的名义滚动圆轮廓曲线，即flange_nominal_circleY[n]，其值为flange_nominal_circleY[i]＝flangeY[i]-nominal_circleY[i]；

B.8、计算提取的三个周向轮廓曲线中，每个轮廓曲线中的Y坐标最大值与Y坐标最小值的差值，也就是flangeY[n]、nomimal_circleY[n]、flange_nominal_circleY[n]三个数据中分别的最大值和最小值的差值，即分别为轴心基准轮缘顶点圆的径向跳动，轴心基准名义滚动圆径向跳动，以及轮缘顶点圆圆心基准名义滚动圆径向跳动。

10.根据权利要求9所述的一种车轮几何参数测量方法，其特征在于：步骤四的具体过程为：

C.1、在坐标系1中对以轮缘顶点圆圆心为基准的名义滚动圆轮廓进行圆拟合，得到拟合圆圆心坐标(X₁，Y₁)，并以该圆心坐标求得轮廓上各点的半径，其中最大半径与最小半径的差即为相对于轮缘顶点圆圆心的偏移径跳G1，而

为当量圆心相对于轮缘顶点圆圆心的偏心量；

C.2、在坐标系2中对以轴心为基准的名义滚动圆轮廓进行圆拟合，得到拟合圆圆心坐标(X₂，Y₂)，并以该圆心坐标求得轮廓上各点的半径，其中最大半径与最小半径的差即为相对于轴心的偏移径跳G2，而

为当量圆心相对于轴心的偏心量；

C.3、求轴心在坐标系1中的坐标(X₃，Y₃)，其中X₃＝X₁-X₂，Y₃＝Y₁-Y₂，并且

即为轴心与轮缘顶点圆圆心的距离，即轴缘距；同时，

和(X₃，Y₃)所在坐标系1中的限象位置，可以得到轴心与原点的连线与X轴方向的夹角；

C.4、如只有以轮缘顶点圆圆心为基准的名义滚动圆轮廓，在计算轴心径跳时需要将P3和cosα作为已知条件，因此可以通过方程组：

求出(X₃，Y₃)的坐标，其中Y₃可求得两个解，根据轴心所在象限可以排除其中一个，得到唯一的轴心坐标(X₃,Y₃)，从而可以求得轴心径跳。

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