CN110954026B - 测量钢轨几何轮廓的在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，检测平台上通过液压可升降辊道线滚轮和支撑钢轨的辊道线滚轮配合，可以实时支撑调平被测钢轨；激光轮廓传感器模块通过机械传动模块驱动在走行平台上沿着被测钢轨长度方向运动，用于对钢轨几何轮廓进行扫描，并将钢轨轮廓转换成二维坐标数据，激光轮廓传感器模块中的安装座套接在被测钢轨外，安装座上通过安装定位环连接四个激光轮廓仪，左右两侧的激光轮廓仪安装有摆动电机上，可以针对钢轨端面进行端面测量，进而实现轨端与轨底的垂直度测量；所述安装定位环连接旋转电机，在旋转电机带动下，调整四个激光轮廓仪扫描的空间圆周位置，实现实时的调整对被测钢轨无盲区扫描。

Description

测量钢轨几何轮廓的在线检测装置

技术领域

本发明涉及一种钢轨外形轮廓检测装置，尤其是一种用于焊轨基地的100m长钢轨焊前钢轨轨端平直度、扭曲度、端面垂直度、外观尺寸误差测量及钢轨全长轨身缺陷测量的钢轨三维检测装置。

背景技术

目前，钢轨轮廓检测可以分为两大类。

一类是接触式测量方法，接触式检测又称为静态检测，其原理是检测设备与钢轨保持相对静止的状态对钢轨进行检测。接触式检测可以分为两大类,①采用设备直接接触钢轨测量。②机械与电子技术相联系研发的电子检测钢轨的设备。测量钢轨时需将设备和钢轨进行接触，当前我国铁路部门大多是采取这种测量方法。

二是非接触式测量方法，例如非接触式电子测量，图像处理法测量，光学测量等，这些测量方法使用的设备并不和钢轨直接接触，而这些技术的出现依托于近年来飞速发展的工业自动化技术。而非接触式检测技术目前大多数是基于光学***的检测方法，常用于钢轨的动态检测，即钢轨和检测设备在相对运动的状态而不是静止的状态下进行检测。一般将非接触式的检测设备安装在轨检车上，随着轨检车的运动检测沿线的钢轨状态。

现有的钢轨焊前电子测量设备主要有测1米长度的电子平直度测量尺，2.5m的无源测量直线度平尺，廓形测量卡规，无扭曲度、外观尺寸、轨身缺陷测量用的电子测量设备。

发明内容

本发明是要提供一种测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，克服目前钢轨焊前检测只有单一测1米长度的电子平直度测量尺，2.5m的无源测量直线度平尺，廓形测量卡规，无扭曲度、外观尺寸、轨身缺陷测量用的电子测量设备的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，包括走行平台、机械传动模块、激光轮廓传感器模块、数据采集测量模块、存储模块，其特征在于：所述走行平台通过走行轮置于检测平台上，所述检测平台两侧上面设有被测钢轨的辊道线滚轮；所述走行平台上面两侧设有液压可升降辊道线滚轮，通过液压可升降辊道线滚轮和支撑钢轨的辊道线滚轮配合，可以实时支撑调平被测钢轨；所述走行平台上面装有机械传动模块，所述机械传动模块与激光轮廓传感器模块连接，所述激光轮廓传感器模块通过机械传动模块驱动在走行平台上沿着被测钢轨长度方向运动，用于对钢轨几何轮廓进行扫描，并将钢轨轮廓转换成二维坐标数据，所述二维坐标数据经过数据处理，可得到任何位置的完整钢轨断面，还原钢轨三维立体图像；所述激光轮廓传感器模块由安装座、安装定位环、四个激光轮廓仪、摆动电机、旋转电机组成，所述安装座套接在被测钢轨外，所述安装座上通过安装定位环连接四个激光轮廓仪，其中，左右两侧的激光轮廓仪安装有摆动电机上，可以针对钢轨端面进行端面测量，进而实现轨端与轨底的垂直度测量；所述安装定位环连接旋转电机，在旋转电机带动下，调整四个激光轮廓仪扫描的空间圆周位置，实现实时的调整对被测钢轨无盲区扫描；所述走行平台上固定连接有光栅尺位移传感器，所述光栅尺位移传感器在激光轮廓传感器模块平移时，实时记录激光轮廓传感器模块运动位移数据；所述数据采集测量存储模块利用计算机采集激光轮廓传感器、光栅位移传感器的数据，并且对被测钢轨截面尺寸、平直度、表面缺陷进行计算，并将测量结果存入数据库；所述存储模块对钢轨断面尺寸、平直度以及扭曲度数据的处理结果存入数据库，产生的轮廓曲线将以OPJ、STL格式格式保存，以便管理人员以后对数据的管理及查询。

进一步，当测量钢轨的时候，所述钢轨的轨头端有一部分搭在左边的的液压可升降辊道线滚轮上，当钢轨的轨头端处于扫描台中间时，左边的所述激光轮廓仪由垂直钢轨轴线状态，摆动一个a角度，倾斜照射到钢轨轨头端的垂直中心线上，实现对轨头端的测量；当轨尾端测量时，所述钢轨的轨尾端有一部分搭在右边的液压可升降辊道线滚轮上，当轨尾端处于扫描台中间，右边的所述激光轮廓仪由垂直钢轨轴线状态，摆动一个-a角度，倾斜照射到钢轨轨尾端的垂直中心线上，实现对轨尾端的测量。

进一步，所述机械传动模块由机架、电机、同步带、导轨副、接近开关、光电开光组成，所述机架对激光轮廓传感器模块起支撑、保护、固定作用，所述电机通过同步带激光轮廓传感器模块在导轨副上进行平稳、匀速的往返沿钢轨长度方向运动，接近开关确保激光轮廓传感器模块的运动处于一定范围，光电开关控制被测钢轨的传送，使被测钢轨停在规定的位置等待检测。

进一步，所述走行平台由高精度的滚珠丝杆螺母副以及直线滚动导轨副作为整个扫描平台的硬件基础，可确保测量结果稳定可靠。

进一步，所述钢轨几何轮廓在线检测装置采用三维扫描技术，对100m长钢轨两端端部3m范围内进行全轮廓在线扫描和综合参数测量。

进一步，所述钢轨几何轮廓在线检测装置采用三维动态扫描技术，对100米长钢轨中间94米轨身进行高速动态表面缺陷提取及关键参数检测。

进一步，所述钢轨几何轮廓在线检测装置通过显示模块显示被测钢轨轨端三米测量区域的三维图形、显示被测钢轨水平及垂直两方向平直度、扭曲度、端面垂直度、外观尺寸误差和二维坐标曲线图以及显示钢轨全长轨身缺陷尺寸和位置。

本发明的有益效果是：

本发明的钢轨外形轮廓检测装置，用于焊轨基地的100m长钢轨焊前钢轨轨端平直度、扭曲度、端面垂直度、外观尺寸误差测量及钢轨全长轨身缺陷测量的钢轨三维检测中心。采用四套高精度三维激光轮廓仪完成上述五项检测内容，可克服目前钢轨焊前只有单一测一米长度的电子平直度测量尺，无扭曲度、外观尺寸、轨身缺陷测量的电子测量设备的问题。

附图说明

图1为本发明的在线检测装置的结构示意图；

图2为本发明的传感器布局剖面图；

图3为本发明的在线检测装置的***框图；

图4为本发明的在线检测装置的检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

本发明的测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，硬件方面采用4个激光轮廓传感器扫描大型构件的完整断面，得到大型构件的断面几何尺寸，在导轨、同步带轮的传动下动态扫描大型构件(钢轨)的端部，得到端部垂直度、表面划痕和平直度参数。

如图1，2所示，测量钢轨几何轮廓的在线检测装置由走行平台8、机械传动模块、激光轮廓传感器模块、数据采集测量模块、存储模块、光栅位移传感器等组成。走行平台8通过走行轮2置于检测平台1上，检测平台1两侧上面设有被测钢轨20的辊道线滚轮4；走行平台8上面两侧设有液压可升降辊道线滚轮7，可以实现测量时与支撑钢轨的辊道线滚轮4的实时支撑调平功能；走行平台8上面装有机械传动模块，机械传动模块与激光轮廓传感器模块连接，激光轮廓传感器模块通过机械传动模块驱动在走行平台上沿着钢轨长度方向运动，用于对钢轨几何轮廓进行扫描，并将钢轨轮廓转换成二维坐标数据，二维坐标数据经过数据处理，可得到任何位置的完整钢轨断面，还原钢轨三维立体图像；走行平台上固定连接有光栅尺位移传感器，激光轮廓传感器模块平移时，实时记录激光轮廓传感器模块运动位移数据；数据采集测量存储模块利用计算机采集激光轮廓传感器模块、光栅位移传感器、光电开关的数据，并且对钢轨截面尺寸、平直度、表面缺陷进行计算，并将测量结果存入数据库；存储模块对钢轨断面尺寸、平直度以及扭曲度数据的处理结果存入数据库，产生的轮廓曲线将以OPJ、STL格式保存，以便管理人员以后对数据的管理及查询。

(1)机械传动模块由机架3、电机5、同步带、导轨副6、接近开关、光电开光等组成，机架3对激光轮廓传感器模块起支撑、保护、固定作用，电机5通过同步带激光轮廓传感器模块在导轨副上进行平稳、匀速的往返沿钢轨长度方向运动，接近开关确保激光轮廓传感器模块的运动处于一定范围，光电开关控制钢轨的传送，使钢轨停在规定的位置等待检测。

(2)激光轮廓传感器模块由安装座10、安装定位环11、激光轮廓仪12-1、12-2、12-3、12-4、摆动电机13、旋转电机14组成，安装座10套接在被测钢轨20外，安装座10上通过安装定位环11上固定连接激光轮廓仪12-1、12-2、12-3、12-4，其中，左右两侧的激光轮廓仪12-1、12-3安装有摆动电机13上，可以针对钢轨端面进行端面测量，进而实现轨端与轨底的垂直度测量；安装定位环11连接旋转电机14，可以在旋转电机14带动下，调整激光轮廓仪12-1、12-2、12-3、12-4扫描的空间圆周位置，实现实时的调整和特定结构件无盲区扫描的功能。

测量钢轨的时候，钢轨有一个轨头端测试状态，钢轨的轨头端有一部分搭在左边的的液压可升降辊道线滚轮7上，当钢轨的轨头端处于扫描台中间时，激光轮廓仪12-3由垂直钢轨轴线状态，摆动一个a角度，倾斜照射到钢轨轨头端的垂直中心线上，实现对轨头端的测量；轨尾端测量时，钢轨的轨尾端有一部分是搭在右边的液压可升降辊道线滚轮7上，轨尾端处于扫描台中间，激光轮廓仪12-1由垂直钢轨轴线状态，摆动一个-a角度，倾斜照射到钢轨轨尾端的垂直中心线上，实现对轨尾端的测量。

(3)数据采集测量存储模块利用计算机采集激光轮廓传感器、光栅位移传感器、光电开关的数据，并且对构件截面尺寸、平直度、表面缺陷进行计算，自动将测量结果存入数据库。

(4)存储模块对钢轨断面尺寸、平直度以及扭曲度数据的处理结果存入数据库，产生的轮廓曲线将以OPJ、STL格式保存，以便管理人员以后对数据的管理及查询。

(5)光栅尺位移传感器一端固定于行走平台上，轮廓仪模块平移时，实时记录其运动位移数据，精度可达0.03mm。

(6)走行平台。由高精度的滚珠丝杆螺母副以及直线滚动导轨副作为整个扫描平台的硬件基础，确保测量结果稳定可靠。

(7)采用检测反馈***，每根钢轨被扫描出的外廓测量数据和缺陷位置都会被记录在终端数据库中，同时可以与焊轨基地钢轨数据库协调，达到钢轨优化配选的目的，提高生产效率。

本发明的在线检测装置的检测流程，如图3，4所示，具体步骤如下：

(1)采用三维扫描技术，对100m长钢轨两端端部3m范围内进行全轮廓在线扫描和综合参数测量。

(2)采用三维动态扫描技术，对100米长钢轨中间94米轨身进行高速动态表面缺陷提取及关键参数检测。

(3)采用高精度三维激光轮廓仪获得的综合测量参数,满足国家标准TB/T2344《43kg/m～75kg/m钢轨订货技术条件》及TB/T3276《高速铁路用钢轨》的技术要求。

(4)根据现场实际工况研发适合焊轨基地使用的激光三维轮廓扫描测量软件，根据三维扫描测量结果指导现场钢轨生产和质量筛选工作根据三维扫描结果完成：1)显示被测钢轨轨端三米测量区域的三维图形；2)显示被测钢轨水平及垂直两方向平直度、扭曲度、端面垂直度、外观尺寸误差和二维坐标曲线图；3)显示钢轨全长轨身缺陷尺寸和位置。

本发明的钢轨几何轮廓数据处理：

(1)单轮廓数据：

数据处理是测量过程中的一个关键环节，数据处理的质量将直接关系到测量结果，合理有效的数据处理手段不仅可以保证测量的准确性和可靠性，还能提高测量精度。在测量过程中，由于测量机构传动间隙、传感器误差、外界随机干扰等因素影响，所获得的轮廓数据点往往散乱无序、分布不均、存在少量噪声点，无法直接拟合，必需通过适当的算法对实测的轮廓数据点进行相应的预处理。传感器采集的数据能够精确到小数点后4位，完全可以满足钢轨轮廓的测量要求。然而传感器所采集到的数据并不能直接与参考轮廓进行对比计算钢轨磨耗，必须对其进行一定的旋转变换后才能校正并进行钢轨磨耗的计算。对于外部环境因素引起的偶然误差，采用限幅滤波法，通过程序判断采集数据的变化幅度，从而消除粗大误差。对于第二种误差，采用加权递推平均滤波法对数据进行平滑处理。

通过上述算法进行去噪之后，由于粗糙毛刺和轻微抖动的影响，重建的轨头轮廓曲线还存在不平滑的现象，达不到所要求的测量精度。所以在精度要求的误差范围内，对数据点进行空间平滑滤波算法处理，是保证重建轨头实际轮廓曲线的前提。本算法的核心思想是用两次不同结构的子阵形式划分原阵列，保证第1次划分的子阵数等于第2次划分的子阵阵元数，同理，第1次划分的子阵阵元数也就等于第2次划分的子阵数。两次空间平滑子阵数和阵元数这样的取法是为了保证加权矩阵元素数目等于加权空间平滑矩阵的个数，使加权因子与被加权矩阵一一对应。对第1次划分得到的所有子阵的自相关协方差矩阵求和取平均得到加权因子，再对第2次划分得到的所有自、互相关协方差矩阵应用加权空间平滑算法实现信源波达方向估计。

(2)多轮廓数据的拼接：

激光轮廓传感器的扫描范围为一个梯形区域，可以得到部分钢轨断面轮廓，采用四个激光传感器进行巧妙组合就可以完整扫描整个钢轨断面。每个传感器拥有各自独立的图像坐标系，采集到的钢轨轮廓是分散的。四个图像坐标系可以通过两两转换的方式实现统一，四段曲线的拼接难题可以简化为两个坐标系的转换。

由于钢轨轮廓几何形状复杂及测量行程较大，测量仪不能一次完成整个表面的测量工作，需要两次分边对钢轨截面进行测量。要保证测量数据点的完整性就需要对两测量的数据点进行拼接处理，使之拼合成完整的数据点集。因此，数据拼接对完善测量数据到钢轨几何轮廓重构的后续各个环节有重要意义。

在逆向工程中，数据点集的拼接处理主要利用被测物体本身特征点或人为加上的特征标志点进行重合匹配拼接，该方法适用于被测物体的重合测量部分带有明显特征(或人为标志)。对钢轨具体测量分析可知，钢轨重合测量部分没有特征标志点，且人为标志无法应用于实际测量，故不可采用这一方法。在实际钢轨分边测量过程中，二连杆测量机构的第一关节点是固定不动的，其分边测量段的不重合是因机构误差引起的基准坐标系不重合造成的。因此，可对对测量仪器进行标定测量，通过补偿计算使两边的测量基准坐标系重合，便可实现分段测量的轮廓数据点直接拼接。

测量仪的基准坐标系匹配标定是在仪器和被测量物体相对来固定情况下，采用轮廓仪分别对形状尺寸已知的被测物同一测量段进行重复测量，对所得到的测量数据点进行分析计算，获得两边测量基准坐标系的偏离量，在实际过程中对测量数据进行补偿计算使测量基准坐标系重合，分段测量的轮廓数据点可直接拼接形成整体。

Claims (7)

1.一种测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，包括走行平台、机械传动模块、激光轮廓传感器模块、数据采集测量模块、存储模块，其特征在于：所述走行平台通过走行轮置于检测平台上，所述检测平台上面两侧分别设有被测钢轨的辊道线滚轮；所述走行平台上面两侧分别设有液压可升降辊道线滚轮，通过液压可升降辊道线滚轮和支撑钢轨的辊道线滚轮配合，能够实时支撑调平被测钢轨；所述走行平台上面装有机械传动模块，所述机械传动模块与激光轮廓传感器模块连接，所述激光轮廓传感器模块通过机械传动模块驱动在走行平台上沿着被测钢轨长度方向运动，用于对钢轨几何轮廓进行扫描，并将钢轨轮廓转换成二维坐标数据，所述二维坐标数据经过数据处理，可得到任何位置的完整钢轨断面，还原钢轨三维立体图像；所述激光轮廓传感器模块由安装座、安装定位环、四个激光轮廓仪、摆动电机、旋转电机组成，所述安装座套接在被测钢轨外，所述安装座上通过安装定位环连接四个激光轮廓仪，其中，左右两侧的激光轮廓仪安装有摆动电机，能够针对钢轨端面进行端面测量，进而实现轨端与轨底的垂直度测量；所述安装定位环连接旋转电机，在旋转电机带动下，调整四个激光轮廓仪扫描的空间圆周位置，实现实时的调整对被测钢轨无盲区扫描；所述走行平台上固定连接有光栅尺位移传感器，所述光栅尺位移传感器在激光轮廓传感器模块平移时，实时记录激光轮廓传感器模块运动位移数据；所述数据采集测量存储模块利用计算机采集激光轮廓传感器、光栅位移传感器的数据，并且对被测钢轨截面尺寸、平直度、表面缺陷进行计算，并将测量结果存入数据库；所述存储模块对钢轨断面尺寸、平直度以及扭曲度数据的处理结果存入数据库，产生的轮廓曲线将以OPJ、STL格式保存，以便管理人员以后对数据的管理及查询。

2.根据权利要求1所述的测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，其特征在于：当测量钢轨的时候，所述钢轨的轨头端有一部分搭在左边的液压可升降辊道线滚轮上，当钢轨的轨头端处于扫描台中间时，左边的所述激光轮廓仪由垂直钢轨轴线状态，摆动一个a角度，倾斜照射到钢轨轨头端的垂直中心线上，实现对轨头端的测量；当轨尾端测量时，所述钢轨的轨尾端有一部分搭在右边的液压可升降辊道线滚轮上，当轨尾端处于扫描台中间，右边的所述激光轮廓仪由垂直钢轨轴线状态，摆动一个-a角度，倾斜照射到钢轨轨尾端的垂直中心线上，实现对轨尾端的测量。

3.根据权利要求1所述的测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，其特征在于：所述机械传动模块由机架、电机、同步带、导轨副、接近开关、光电开光组成，所述机架对激光轮廓传感器模块起支撑、保护、固定作用，所述电机通过同步带带动激光轮廓传感器模块在导轨副上进行平稳、匀速的往返沿钢轨长度方向运动，接近开关确保激光轮廓传感器模块的运动处于设定的范围，光电开关控制被测钢轨的传送，使被测钢轨停在规定的位置等待检测。

4.根据权利要求1所述的测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，其特征在于：所述走行平台由高精度的滚珠丝杆螺母副以及直线滚动导轨副作为整个扫描平台的硬件基础，可确保测量结果稳定可靠。

5.根据权利要求1所述的测量钢轨几何轮廓的在线检测装置,其特征在于：所述测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，采用三维扫描技术，对100m长钢轨两端端部3m范围内进行全轮廓在线扫描和综合参数测量。

6.根据权利要求1所述的测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，其特征在于：所述测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，采用三维动态扫描技术，对100米长钢轨中间94米轨身进行高速动态表面缺陷提取及关键参数检测。

7.根据权利要求1所述的测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，其特征在于：所述测量钢轨几何轮廓的在线检测装置，通过显示模块显示被测钢轨轨端三米测量区域的三维图形、显示被测钢轨水平及垂直两方向平直度、扭曲度、端面垂直度、外观尺寸误差和二维坐标曲线图以及显示钢轨全长轨身缺陷尺寸和位置。

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