DE19531336A1 - Meßsystem zur berührungslosen Messung des Vertikal- und Horizontalabstandes zwischen Fahrzeug und Schiene - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Triangulationsmeßsystem mit horizontaler Ebene zur berührungslosen Erfassung des Vertikal- und des Horizontalabstandes von einem bewegten Bezugssystem gegen ein zylindrisch geformtes Objekt.

Zur Sicherung des Eisenbahnbetriebes ist es erforderlich, Gleislage, Fahrdrahtlage, Radstellung u. a. in gewissen zeitlichen Inspektionsintervallen zu messen, um bei unzulässigen Abweichungen Korrekturen an den Gleisen, Fahrleitungen und Fahrzeugen vornehmen zu können.

Eine Teilaufgabe hiervon ist die Messung von Abständen der Schiene von einem Bezugspunkt, z. B. von einem Achslager eines Meßfahrzeuges.

Alle bekannten Meßverfahren zur Messung von Abständen an Schienen sind optische Verfahren.

Dabei wird überwiegend das Prinzip der optischen Triangulation angewendet.

Die British Railways messen den Horizontalabstand derart, daß jede Schiene von oben beleuchtet wird und eine Kamera von oben auf die betreffende Schiene gerichtet ist. Im Idealfall ist die Fahrfläche hell und die Innenflanke ist dunkel. Der Horizontalabstand wird aus der Position des Bildes des Hell- Dunkel-Überganges auf dem Kameradetektor berechnet (Lewis R. B.: Track­ recording techniques used on British Rail. IEE Proceedings, Vol. 131, Pt. B, No. 3 Mai 1984, S. 73-81).

In ZEV Glasers Annalen (1977) Heft 8/9 S. 391-394 beschreibt R. Jenzer "Eine Methode zur Erfassung der dynamischen Spurspielmeßgrößen an Schienenfahrzeugen (Radstellungsmessung)".

Bei der Meßmethode der Nederlandse Spoorwegen sind die Komponenten am Drehgestellrahmen des Meßfahrzeuges befestigt. Die zwischen Achslagern und Drehgestellrahmen vorhandene Primärfederung erzeugt aber beim Fahren eine Tauch- und Rollbewegung von einer Größenordnung, die den Antastlichtfleck ins Leere gehen ließe. Daher enthält der Projektor einen Drehspiegel, der seine Steuer-Regelgrößen über einen Rechner von einem Hilfssystem erhält, welches aus vier parallel zu den Primärfedern angebrachten Wegaufnehmern besteht (Esveld, C.: Modern railway track, MRT-Productions Duisburg (1989), S. 292-294).

Bei einem bekannten Verfahren zur automatischen Gleisvermessung ist auch die Messung im Weichenbereich möglich. Der untere Teil des Meßkopfes befindet sich dabei im Spurkranzschatten. Die optische Antastung erfolgt horizontal (Schuller, R.: Verfahren zur automatischen Gleisvermessung. ETR 29 (1980), S. 433-438).

In der Europäischen Patentanmeldung 0 461 628 wird ein Triangulationssystem beschrieben, das in einer Radscheibe integriert ist. Dabei ist der Radkranz mit entsprechenden Öffnungen zum Strahlaustritt und -eintritt versehen. Die Messung der horizontalen Abstände zur Schienenflanke erfolgt im Takt der Radumdrehung in dem Augenblick, wo sich die Öffnung in Höhe der Schienenflanke befindet.

Bei allen vorstehenden genannten Meßverfahren treten folgende Nachteile auf. Infolge des Fahrzeug-Transversalspieles tritt bei der Messung des Horizontalabstandes eine nichtvernachlässigbare vertikale Bewegung auf, die bei der normalen Triangulation eine vertikale Auslenkung des Antastpunktes gegen die Ideallinie zur Folge hat. Bei schrägen oder gewölbten Objekten führt dies zur einer Verfälschung der Abstandsmessung.

Der Vertikalabstand wird bei den bekannten Meßverfahren überhaupt nicht gemessen. Statt dessen wird als grobe Näherung für den Vertikalabstand der Wert des Radius des äquivalenten zylindrisch Rades genommen. Dabei wird außer acht gelassen, daß in Wirklichkeit immer Radprofile mit veränderlichem Radius d. h. mit Kegel- oder Verschleißprofil benutzt werden müssen, damit einseitiger Anlauf und Entgleisung durch Aufklettern unterbleiben. Ein solcher konstanter Radius kann auch nicht als Nachführsignal für die horizontale Antastung einer orthogonal nachgeführten Antastung benutzt werden. Weitere Nachteile der bekannten Meßverfahren liegen in der inhomogenen Lichtstreuung, im nicht konstanten optischen Abbildungsmaßstab und in der unvollständigen Störlichtunterdrückung. Darüber hinaus ist bei einzelnen der bekannten Meßverfahren von Nachteil, daß der Hell-Dunkel- Übergang im Übergangsbereich von Schienenkopf und Schienenflanke wegen der Krümmung des Schienenprofiles nicht scharf genug ist und zu ungenauen Messungen führt, daß in den Weichenbereichen wegen der Unterbrechungen der Strahlengänge durch Radlenker bzw. Leitschienen keine Messung möglich ist und daß wegen des geringen Signalstörverhältnisses Messungen nur bei niedrigen Geschwindigkeiten möglich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Horizontalabstand und den Vertikalabstand Transversalbewegungen - bei hohen Geschwindigkeiten mit großer Genauigkeit messen zu können.

Erfindungsgemäß wird dies mit dem kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruches 1 erreicht.

Der Vorteil liegt insbesondere in der gleichzeitigen Messung von Horizontal- und Vertikalabstand zwischen Schiene und einem Bezugssystem an einem Meßfahrzeug ohne Verfälschung durch die Transversalbewegungen des Radsatzlaufes.

Mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 12 wird eine große Meßgenauigkeit auch bei hohen Geschwindigkeiten erreicht.

Das Merkmal des Patentanspruches 13 garantiert auch bei stark verschmutzter Umgebung die Aufrechterhaltung einer große Meßgenauigkeit bei langen Meßzeiten.

Durch das Merkmal des Patentanspruches 14 wird der Einsatzbereich des Meßsystems erweitert.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Das Prinzip der Triangulation.

Fig. 2 Das Prinzip der horizontalen und der vertikalen Triangulation mit orthogonaler Nachführung.

Fig. 3 Der schematische Aufbau des Meßsystems in y-z-Ebene.

Fig. 4 Der schematische Aufbau des Meßsystems in z-x-Ebene.

Fig. 5 Der schematische Aufbau des Meßsystems in x-y-Ebene.

Fig. 6 Ein Ausführungsbeispiel eines optomechanischen Strahltranslators.

Bei der bekannten Triangulation in Fig. 1 soll die Abstandsänderung des Oberflächenelements F in z-Richtung erfaßt werden. Von der Lichtquelle Q wird unter dem Winkel α gegen die Normale ein Antastlichtfleck A gesetzt. Fest mit der Lichtquelle Q verbunden ist eine aus Linse L und Detektor D bestehende Kamera K, deren optische Achse unter dem Winkel β gegen die Normale von F gerichtet ist. Diese bildet A nach BA auf der Detektorebene DE ab. Wird nun das Oberflächenelement F in die Position F′ verschoben, so entsteht ein neuer Antastlichtfleck A′, der gegenüber dem alten in y-Richtung verschoben ist. A′ wird von der Kamera nach BA′ auf DE abgebildet. Die Differenz δ dieser beiden Positionen ist der ursprünglichen Verschiebung d des Oberflächenelements proportional, wobei der Proportionalitätsfaktor ausschließlich durch den Grundabstand g, die Winkel α und β und die optische Vergrößerung des Kamerasystems bestimmt wird.

Aus Fig. 1 werden auch die Grenzen dieses Meßprinzips deutlich. Zum einen darf das Flächenelement F in y-Richtung nicht geneigt oder gekrümmt sein, weil der Antastpunkt von A nach A′ in y-Richtung fortschreitet. Zum anderen darf die Abstandsänderung nur in z-Richtung erfolgen, wenn das Flächenelement in x-Richtung geneigt und gekrümmt ist. Dieses Triangulationsprinzip läßt sich also nicht anwenden, wenn das Flächenelement F in der x-Richtung gekrümmt ist und die Abstandsänderung eine x-Komponente hat.

Im oberen Teil von Fig. 2 ist die vertikale Triangulation TV und im unteren Teil die horizontale Triangulation TH dargestellt. Als Meßobjekt ist ein Teil eines Schienenkopfes SK in zwei verschiedenen Stellungen (Translation in x- und z-Richtung) gezeichnet, mit dem annähernd horizontalen Antastflächenstück FH, und dem annähernd vertikalen Antastflächenstück FV.

Zunächst wird das Flächenelement FH betrachtet. Der von der Lichtquelle QV ausgehende Beleuchtungsstrahl BV trifft dieses unter dem Winkel α gegen die Normale in der Mitte. Das Licht wird in dem Winkel β reflektiert, bildet den Strahl RV und trifft den Detektor DV im Punkt P1. Der Schienenkopf SK führt nun eine Translation durch, die zur Folge hat, daß FH in FH′ übergeht. Die Verlängerung des Strahls BV würde das Flächenelement FH′ nicht mehr mittig treffen. Deshalb muß der Antaststrahl BV um die Translationskomponente in y- Richtung parallel verschoben werden, wird zum Strahl BV′ und trifft das Flächenelement FH′ wieder in der Mitte. Der gestreute/reflektierte Strahl RV′ gelangt wiederum unter dem Winkel β gegen die Normale im Punkt P2 auf den Detektor. Das elektrische Signal des Detektors DV entspricht bis auf eine Konstante der vertikalen Position des Objekts. Daher entspricht das Differenzsignal des Detektors, der vertikalen Verschiebungskomponente.

Nun wird das zweite Flächenelement FV des Meßobjekts betrachtet. Es wird durch die Translation von SK in das Element FV′ übergeführt. Die Lichtquelle QH erzeugt mit einem Lichtstrahl BH unter dem Winkel α gegen die Normale einen Lichtfleck auf der Mitte des Flächenelements FV und dieses Licht wird als Strahl RH unter dem Winkel β gegen die Normale auf den Detektor DH in dem Punkt P3 abgebildet. Durch die Objektverschiebung wird das Flächenelement FV in das Element FV′ übergeführt. Der Strahl BH muß nun um die Translationskomponente in z-Richtung verschoben werden, wird zu Strahl BH′ und trifft das Flächenelement FV′ wieder in der Mitte. Der reflektierte Strahl RH′ erreicht den Detektor DH im Punkt P4. Das Signal des Detektors DH entspricht bis auf eine Konstante der horizontalen Position des Objekts. Daher entspricht das Differenzsignal des Detektors der horizontalen Verschiebungskomponente.

Die notwendige orthogonale Nachführung der Antastung erfolgt nun in der Weise, daß das vom Detektor DV erzeugte Abstandssignal zum Nachführen des Strahls BH dient; analog dient das Signal des Detektors DH zum Nachführen des Lichtstrahls BV. Dabei sind optische Translatoren Nachführelemente, welche einen Lichtstrahl oder einen entsprechenden Strahlengang proportional zu einem elektronischen Eingangssignal verschieben.

Eine Ausführungsform dieser Erfindung in Form eines Meßkopfes zeigen die Fig. 3 bis 5.

Der über einen Träger an zwei gegenüberliegenden Achslagern verankerte Meßkopf M enthält den Vertikalmeßkopf 1 und den Horizontalmeßkopf 2.

Der Vertikalmeßkopf 1 besteht aus der Lichtquelle 11, dem Strahltranslator 12, und der Triangulationskamera 13 mit dem Detektor 18 und dem Wandler 19. Ausgesendet wird der Antaststrahl 14, dieser trifft im Flächenelement A1 auf die Schiene S, wird reflektiert, gelangt als Strahl 15 in die Kamera 13 auf den Detektor 18, welcher über eine Wandlerschaltung 19 das Positionssignal a1 ausgibt. Bei der anderen Position der Schiene S′ verschiebt sich der Antaststrahl entsprechend der Linie 16, trifft die Schiene S′ in A1′, wird durch Reflexion in den Strahl 17 umgewandelt und erreicht den Detektor 18, wobei das Signal a2 erzeugt wird.

Der Horizontalmeßkopf 2 besteht aus der Lichtquelle 21, dem Strahltranslator 22, und der Triangulationskamera 23 mit dem Detektor 28 und dem Wandler 29. Ausgesendet wird der Antaststrahl 24, dieser trifft nach der Umlenkung durch das Umlenkelement 3 im Flächenelement A2 auf die Schiene S, wird reflektiert und gelangt als Strahl 25 in die Kamera 23 auf den Detektor 28, welcher über eine Wandlerschaltung 29 das Positionssignal a3 ausgibt. Bei der anderen Position der Schiene S′ verschiebt sich der Antaststrahl entsprechend der Linie 26, trifft die Schiene S′ in A2′, wird durch Reflexion in den Strahl 27 umgewandelt und erreicht den Detektor im Punkt 28 und erzeugt das Signal a4.

Zur Nachsteuerung der Antaststrahlen erhält der Steuereingang des vertikalen Translators 12 das Positionssignal des horizontalen Ausgangs a4 bzw. a3 und umgekehrt erhält der Steuereingang des horizontalen Translators 22 das Positionssignal des vertikalen Ausgangs a2 bzw. a1.

In Fig. 6. ist eine Ausführungsform eines optomechanischen Strahltranslators dargestellt. Der von der Lichtquelle 11, 21 erzeugte Strahl fällt auf die Mittelachse eines Spiegels 30, welche mit der Achse eines Galvanometerwerks 31 zusammenfällt. Diese Achse liegt in der Brennebene einer Linse 32. Durch Ansteuern des Galvanometereingangs 33 mit einem entsprechenden Positionssignal wird der Spiegel in eine bestimmte Winkelstellung gedreht, und der Lichtstrahl erreicht stets parallel zur optischen Achse die Antastoberfläche S. Dabei ist die Verschiebung des Strahls der Differenz zweier Ansteuersignale 33 proportional.

Claims (14)

1. Triangulationsmeßsystem mit horizontaler Ebene zur berührungslosen Erfassung des Vertikal- und des Horizontalabstandes von einem bewegten Bezugssystem gegen ein zylindrisch geformtes Objekt, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Triangulationssystem mit vertikaler Ebene (TV) hinzugefügt ist, daß jede Antaststrahlerzeugungsoptik (QH, QV) mit einer Vorrichtung zur Parallelverschiebung des Strahlenganges (SH, SV) ausgestattet ist und daß das Ausgangssignal (h) des Horizontalsystems (TH) zur Ansteuerung des Vertikalsystems (TV) und das Ausgangssignal (v) des Vertikalsystems (TV) zur Ansteuerung des Horizontalsystems (TH) verwendbar sind.

2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antaststrahlen (BH, BV) und die reflektierten Strahlen (RH, RV) die gleichen Winkel (α = β) gegen die jeweilige Normale der Flächenelemente (FH, FV) haben.

3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß jede Kamera ein telezentrisches Abbildunssystem enthält.

4. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kamera und die ihr zugeordnete Elektronik mit einem dreistufigen System zur Störlichtunterdrückung ausgestattet sind, bestehend aus einem vor dem Objektiv angeordneten und an die objektseitige Bündelöffnung angepaßten Interferenzfilter, einer periodische Tastung der Lichtquelle und Synchrodemodulation des Empfängersignals und einer Messung des verbleibenden Störlichts in den Tastpausen und Differenzbildung während der Tastung.

5. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Regler vorhanden ist, der - entsprechend den lokalen Reflexionsverhältnissen des Objekts - die Helligkeit der Lichtquelle so nachführt, daß sich ein konstanter Signalpegel am Detektor ergibt, wobei das Intensitätssignal des Detektors die Regelgröße ist.

6. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektronischer Linearisierer vorhanden ist, der die bei einer Kalibrierung ermittelten Positions-Nichtlinearitäten von Empfängerstrahlengang und Detektor zusammengenommen in abgespeicherter Form enthält, eine Korrektur der Meßwerte vornimmt.

7. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteschaltung vorhanden ist, die als Lageinformation den Helligkeitsschwerpunkt berechnet.

8. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kameras mit analogen Positionsdetektoren ausgerüstet sind.

9. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Überwachungselektronik vorhanden ist, die die Sender- Lichtleistung und den Pegel am Detektor ständig mit Bezugswerten vergleichen, wobei bei unzulässigen Abweichungen Fehlermeldungen erzeugt werden.

10. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Strahltranslator durch zusätzlich zum Nachführsignal aufgeprägte oszillatorische Ansteuerung einen Teil der Objekt-Querschnittskurve antastet und jeder Empfänger mit einem zusätzlichen elektronischen Auswertesystem eine Forminformation berechnet.

11. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieses ohne Federelemente über eine Trägerkonstruktion direkt mit den Achslagern eines Schienenfahrzeuges verbunden ist.

12. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung des horizontalen Antaststrahles durch das Vertikalsignal entfällt.

13. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zur Reinhaltung von optischen Fenstern vorhanden ist, wobei die Einfassungen der optischen Ein- und Austrittsfenster mit tangential zur Oberfläche gerichteten Mikrodüsen ausgestattet sind, die über untereinander verbundenen Kanäle mit Gas und Flüssigkeit versorgt werden, und die während des Betriebs einen laminaren und parallel zu den Fensteroberflächen gerichteten Aerosolstrom erzeugen.

14. Meßsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem ortsfest ist und das Meßobjekt an diesem vorbeibewegt wird.