专利名称：激光轮对自动检测机及其用于轮对自动检测的方法
技术领域：
本发明涉及一种检测技术，特别是一种适用于铁路车辆检修中检测轮对踏面几何 尺寸、磨耗、内侧距、轴身中部直径、轮径、轮缘厚度、轮辋宽度、轮辋厚度、偏心等的轮对自 动检测机及其用于轮对自动检测的方法。
背景技术：
目前中国铁路安装最多的轮对自动检测机是北京某厂生产的“轮对自动检测装 置”，该轮对自动检测装置的测量系统是由一组多个面阵CCD和涡流，激光和超声测距仪组 成检测装置，以及轮对进入定位及推出机构，和轮对托起定位机构，轮对旋转机构连接而 成，各面阵CCD及测距仪的检测数据均与计算机接口相通。但是，由于设计采用的CCD影像 法测量原理，很难适用于像轮对这种轮廓边界不是很分明的工件测量，所以其测量精度很 低，示值变化很大，在全国铁路安装的几十台无一台能正常使用。专利公开号为CN101619965A的发明专利申请公开的《轮对自动测量装置》，应用 了激光三角法测距、运动控制、机器视觉等技术，具有自校准功能，用于对多种规格的火车 轮对进行尺寸参数的测量；但因该检测装置激光测距传感器安装于一个三自由度运动机构 上，在一个固定的空间坐系内进行绝对测量，测量装置在很长的导轨上运动，因此整机的加 工精度要求很高，制造成本贵；测量时工件在轮对轴向和径向定位必须准确，生产效率难以 提高。每条轮对的测量时间为5分钟，对动车组快速修理和大量铁路货运车辆检修要求是 不适应的；该专利虽然可以同时测量多种轨距的轮对，但这种功能在铁路车辆检修现场并 不重要要，因为铁路车辆都是在专门的单位检修，一个单位一个工位只检修一种轨距的车 辆，适应多种车辆的功能虽好，但由于增加活动导轨，反而使设备复杂化，增加操作工序，降 低其稳定度及速度，此外，该专利设计的轮对夹紧定位机构用顶尖夹持轮对，而铁路运营车 辆轮对都有轴端盖，无法在此机器上装夹，因此，不适用铁路运营车辆轮对的检测。

发明内容
本发明的目的是提供一种适用于铁路运营车辆轮对的检测，测量精度高、速度快 的激光轮对自动检测机及其用于轮对自动检测的方法，以解决已有技术存在的上述问题。解决上述技术问题的技术方案是一种铁路轮对激光自动检测机，包括轮对测量 机构、轮对垂直升降机构、轮对旋转机构、承正推转机构、轮对止退机构、机架、主机罩、轮轴 标识识别装置、液压系统和操作控制系统；
所述的轮对测量机构包括轴身测量机构、挡光板以及结构相同、对称地安装在轮对测 量机构座上的左轮踏面测量机构和右轮踏面测量机构；
所述的轮对垂直升降机构包括装配有圆柱导杆的底座、带V型座的升降横梁、气缸、轴 颈上测量装置和轴颈下测量装置；
所述的轮对旋转机构包括摩擦轮装置、减速电机、摆臂、压力弹簧装置和轮对旋转机构
座；所述的承正推转机构包括承正装置和推轮装置；所述的承正装置包括导正轮、承重轮 和承正装置座；所述的推轮装置包括改制钢轨、推杆、气缸和推轮装置座； 所述的轮对测量机构安装在机架上，负责对轮对的轮部参数进行测量； 所述的轮对垂直升降机构也有两个，分别安装在机架底板上； 所述的轮对旋转机构安装在一侧轮对垂直升降机构底座上，轮对旋转机构的压力弹簧 装置推动摆臂，使摩擦轮装置的摩擦轮压向被检测车轮踏面，减速电机驱动摩擦轮带动被 检轮对旋转，以协助轮对测量机构实现对被检轮对不同轴剖面的参数测量；
所述的承正推转机构有两套，分别装在轮对预检位和测量位的钢轨处，轮对预检位所 装的轮对旋转机构用异步电机驱动其中一对承重轮，当轮对由轨道输送到位时，导正轮引 导轮缘沿轨道方向进入正确位置，导正的车轮轮缘落在承重轮上，踏面与钢轨脱离；预检位 电机运转时承重轮带动轮对旋转，供检验人员观察车轮踏面状况；测量位安装的承正推转 机构起定位作用；
测量机构、轮对垂直升降机构、轮对旋转机构、承正推转机构和轮对止退机构的动作接 受操作控制系统控制，液压系统对各个机构的油缸提供动力。其进一步技术方案是所述轮对测量机构的左轮踏面测量机构、右轮踏面测量机 构型式相同、结构对称，各自在轮对的轴剖面内构成左右轮踏面及轮内外端面的二维测量 系统；
所述的左轮踏面测量机构包括左测量机构座、左横向位移机构、左垂直位移机构和左 传感器转向机构；
所述的右轮踏面测量机构包括右测量机构座、右横向位移机构、右垂直位移机构和右 传感器转向机构；
左横向位移机构、右横向位移机构分别安装在左测量机构座、右测量机构座上； 左或右横向位移机构与左或右垂直位移机构分别采用精密滚珠导轨副和精密滚珠丝 杆副组成直线运动装置，激光传感器安装在一个可转向的装置上、由滚珠导轨的滑块带动； 滚珠丝杆由带圆编码器的伺服电机驱动，激光传感器转向装置则由步进电机驱动，设置有 角度转动定位件；在测量操作系统的指令下，激光传感器将在轮对轴剖面内沿被检表面作 扫瞄测量。所述的轮对测量机构的轴身测量装置包括激光传感器、安装支架，所述安装支架 由相互垂直的立柱与横杆构成L形，L形安装支架的一端固定安装在轮对测量机构座上；
所述轴身测量机构是固定的，轮对静止时轴身测量机构可以测量轴身某一方向的直 径，当轮对旋转时，测量轴身表面各点的极坐标后，可以测量轴身的实际最小二乘直径。所述的轮对垂直升降机构的升降行程是固定的，用两个V型面支撑被检轮对两端 的滚动轴承外圆面，两个V型面的对称面与测量机构的对称面重合，V型面的升程也是固定 的，从而保证轮对装夹上升到测量位后，轴对轴剖面与左右轮踏面测量机构和轴身测量机 构的测量工作面重合；
所述轮对垂直升降机构的轴颈上测量装置和轴颈下测量装置组成轮对中心高测量装 置，它们分别测量轮对两端轴承外圈直径上下两端的高度用以计算轮对轴线的中心高；轴 颈上测量装置和轴颈下测量装置都由带弹簧复位的滑动测杆和直线位移传感器组成，当轮 对垂直升降机构的V型面抬起轮对轴承时，轴颈下测量装置的测杆被压缩，推动位移传感器记录轴承直径下端的数据，当V型面升到最高位时，轴承上面压缩轴颈上测量装置测杆， 推动位移传感器记录轴承直径上端的数据，由此两数据计算轮对轴线的高度。所述的操作控制系统包括工控机、运动控制卡、数据采集卡、激光传感器、直线 位移传感器、伺服电机驱动器、步进电机驱动器、带编码器的伺服电机、步进电机、光电开 关、继电控制板、继电器和异步电机，操作控制系统由工控机控制机构动作和数据采集与处 理，最后生成测量结果打印输出轮对检修表格，并向货车检修系统-HMIS传输数据；
当操作工发出标定或测量的指令后，工控机按所设计的标定或测量程序通过运动控制 卡指挥继电器板与继电器动作，接通各个轮对运动机构的电磁阀使机构油缸动作；指挥驱 动器驱动伺服电机和步进电机转动，伺服电机通过丝杆副带动测量机构直线运动，伺服电 机的编码器输出电机转动信号；步进电机带动传感器转向机构改变激光光轴方向；工控机 通过数据采集卡采集编码器、激光传感器、直线位移传感器和光电开关信号，编码器信号处 理成测量机构的直线位移参数；激光传感器信号、直线位移传感器信号与测量机构直线位 移参数合成为轮对表面测量参数；光电开关信号则形成编码器的起点与终点信号；
各项测量参数经工控机按设计的数学模型处理成轮对检修测量参数，保存于工控机硬 盘的数据库内，并由显示器在屏幕上显示出来，可逐个或成批打印出轮对检修表格，并可实 时或定期向货车检修系统-HMIS传输。本发明的另一相关技术方案是一种轮对自动检测方法，它是采用本发明铁路轮 对激光自动检测机对被检轮对进行自动检测，其实质是进行相对测量；即各测量机构在空 间位置固定，铁路轮对激光自动检测机对标准轮对测量后建立初始值，再测量被检轮对获 得测量值，用初始值、测量值及标准轮对的标准参数运用以下数学模型计算被检轮对的各 项参数；
其步骤包括
A、标定，制备标准轮对用准确度满足要求的通用和专用量具——内径千分尺、工作用 量块测量轮对内距，用专用的千分尺测量轮缘厚度，用专用的外径千分尺测量车轮踏面直 径等方法准确地测量标准轮对各项参数并输入检测机的计算机系统；检测机运行专门的标 定程序，对标准轮对进行测量，以确定测量机构的标定初始值；
B、运行测量程序，对待测轮对进行测量，求出待测轮对在测量坐标系中的各项参数，运 用以下五个测量数学模型计算待测参数；
①滚动圆半径R的数学模型是
权利要求
1.一种铁路轮对激光自动检测机，包括轮对测量机构(I )、轮对垂直升降机构(II)、轮 对旋转机构(III)、承正推转机构(IV)、轮对止退机构(V)、机架(VI)、主机罩(νπ)、轮轴标识 识别装置(通)、液压系统(IX)和操作控制系统(X)，其特征在于所述的轮对测量机构(I)包括轴身测量机构(I 03)、挡光板(I 05)以及结构相同、对 称地安装在轮对测量机构座(I 04)上的左轮踏面测量机构(I 01)和右轮踏面测量机构 (I 02)；所述的轮对垂直升降机构(II)包括装配有圆柱导杆的底座(II 01)、带V型座的升降横 梁(II 02)、气缸(II 03)、轴颈上测量装置(II 04)和轴颈下测量装置(II 05)；所述的轮对旋转机构(III)包括摩擦轮装置(III 01)、减速电机(III 02)、摆臂(III 03)、压 力弹簧装置(III 04)和轮对旋转机构座(III 05)；所述的承正推转机构(IV)包括承正装置(IV 01)和推轮装置(IV 02);所述的承正装置包 括导正轮(411)、承重轮(412)和承正装置座(413)；所述的推轮装置包括改制钢轨(421 )、 推杆(422)、气缸(423)和推轮装置座(似4)；所述的轮对测量机构(I )安装在机架(VI)上，负责对轮对的轮部参数进行测量； 所述的轮对垂直升降机构(II)也有两个，分别安装在机架底板上； 所述的轮对旋转机构(III)安装在一侧轮对垂直升降机构底座上，轮对旋转机构(III)的 压力弹簧装置(III 04)推动摆臂(III 03)，使摩擦轮装置(III 01)的摩擦轮压向被检测车轮踏 面，减速电机(III 02)驱动摩擦轮带动被检轮对旋转，以协助轮对测量机构(I )实现对被检 轮对不同轴剖面的参数测量；所述的承正推转机构(IV)有两套，分别装在轮对预检位和测量位的钢轨处，轮对预检 位所装的轮对旋转机构用异步电机驱动其中一对承重轮，当轮对由轨道输送到位时，导正 轮引导轮缘沿轨道方向进入正确位置，导正的车轮轮缘落在承重轮上，踏面与钢轨脱离；预 检位电机运转时承重轮带动轮对旋转，供检验人员观察车轮踏面状况；测量位安装的承正 推转机构起定位作用；测量机构(I )、轮对垂直升降机构(II )、轮对旋转机构(III)、承正推转机构(IV)和轮对 止退机构(V)的动作接受操作控制系统(X)控制，液压系统(IX)对各个机构的油缸提供动 力。
2.根据权利要求1所述的铁路轮对激光自动检测机，其特征在于所述轮对测量机构 (I)的左轮踏面测量机构(I 01)、右轮踏面测量机构(I 02)型式相同、结构对称，各自在轮对的轴剖面内构成左右轮踏面及轮内外端面的二维测量系统；所述的左轮踏面测量机构(I 01)包括左测量机构座(11)、左横向位移机构(12)、左垂 直位移机构(13)和左传感器转向机构(14)；所述的右轮踏面测量机构(I 02)包括右测量机构座(21)、右横向位移机构(22)、右垂 直位移机构(23)和右传感器转向机构；左横向位移机构(12)、右横向位移机构(22)分别安装在左测量机构座(11)、右测量机 构座(21)上；左或右横向位移机构与左或右垂直位移机构分别采用精密滚珠导轨副和精密滚珠丝 杆副组成直线运动装置，激光传感器安装在一个可转向的装置上、由滚珠导轨的滑块带动； 滚珠丝杆由带圆编码器的伺服电机驱动，激光传感器转向装置则由步进电机驱动，设置有角度转动定位件；在测量操作系统的指令下，激光传感器将在轮对轴剖面内沿被检表面作 扫瞄测量。
3.根据权利要求1所述的铁路轮对激光自动检测机，其特征在于所述的轮对测量机 构的轴身测量装置(I 03)包括激光传感器(31)、安装支架(32)，所述安装支架(32)由相互 垂直的立柱与横杆构成L形，L形安装支架的一端固定安装在轮对测量机构座(I 04)上；所述轴身测量机构是固定的，轮对静止时轴身测量机构可以测量轴身某一方向的直 径，当轮对旋转时，测量轴身表面各点的极坐标后，可以测量轴身的实际最小二乘直径。
4.根据权利要求1所述的铁路轮对激光自动检测机，其特征在于所述的轮对垂直升 降机构(II)的升降行程是固定的，用两个V型面支撑被检轮对两端的滚动轴承外圆面，两个 V型面的对称面与测量机构的对称面重合，V型面的升程也是固定的，从而保证轮对装夹上 升到测量位后，轴对轴剖面与左右轮踏面测量机构和轴身测量机构的测量工作面重合；所述轮对垂直升降机构(II)的轴颈上测量装置(II 04)和轴颈下测量装置(II 05)组成 轮对中心高测量装置，它们分别测量轮对两端轴承外圈直径上下两端的高度用以计算轮对 轴线的中心高；轴颈上测量装置(II 04)和轴颈下测量装置(II 05)都由带弹簧复位的滑动 测杆和直线位移传感器组成，当轮对垂直升降机构(II)的V型面抬起轮对轴承时，轴颈下测 量装置的测杆被压缩，推动位移传感器记录轴承直径下端的数据，当V型面升到最高位时， 轴承上面压缩轴颈上测量装置测杆，推动位移传感器记录轴承直径上端的数据，由此两数 据计算轮对轴线的高度。
5.根据权利要求1所述的铁路轮对激光自动检测机，其特征在于所述的操作控制系 统(X)包括工控机、运动控制卡、数据采集卡、激光传感器、直线位移传感器、伺服电机驱动 器、步进电机驱动器、带编码器的伺服电机、步进电机、光电开关、继电控制板、继电器和异 步电机；操作控制系统由工控机控制机构动作和数据采集与处理，最后生成测量结果打印 输出轮对检修表格，并向货车检修系统-HMis传输数据；当操作工发出标定或测量的指令后，工控机按所设计的标定或测量程序通过运动控制 卡指挥继电器板与继电器动作，接通各个轮对运动机构的电磁阀使机构油缸动作；指挥驱 动器驱动伺服电机和步进电机转动，伺服电机通过丝杆副带动测量机构直线运动，伺服电 机的编码器输出电机转动信号；步进电机带动传感器转向机构改变激光光轴方向；工控机 通过数据采集卡采集编码器、激光传感器、直线位移传感器和光电开关信号，编码器信号处 理成测量机构的直线位移参数；激光传感器信号、直线位移传感器信号与测量机构直线位 移参数合成为轮对表面测量参数；光电开关信号则形成编码器的起点与终点信号；各项测量参数经工控机按设计的数学模型处理成轮对检修测量参数，保存于工控机硬 盘的数据库内，并由显示器在屏幕上显示出来，可逐个或成批打印出轮对检修表格，并可实 时或定期向货车检修系统-HMIS传输。
6.一种轮对自动检测方法，其特征在于它是采用权利要求1所述铁路轮对激光自动 检测机对被检轮对进行自动检测，其实质是进行相对测量；即各测量机构在空间位置固定， 铁路轮对激光自动检测机对标准轮对测量后建立初始值，再测量被检轮对获得测量值，用 初始值、测量值及标准轮对的标准参数运用以下数学模型计算被检轮对的各项参数；其步骤包括A、标定，制备标准轮对用准确度满足要求的通用和专用量具——内径千分尺、工作用量块测量轮对内距，用专用的千分尺测量轮缘厚度，用专用的外径千分尺测量车轮踏面直 径等方法准确地测量标准轮对各项参数并输入检测机的计算机系统；检测机运行专门的标 定程序，对标准轮对进行测量，以确定测量机构的标定初始值；B、运行测量程序，对待测轮对进行测量，求出待测轮对在测量坐标系中的各项参数，运 用以下六个测量数学模型计算待测参数； ①滚动圆半径R的数学模型是
7.根据权利要求6所述的轮对自动检测方法，其特征在于所述初始参数标定流程如下
8.根据权利要求6所述的轮对自动检测方法，其特征在于所述Α、标定，制备标准轮对 的具体流程是 aSl 标定开始；aS2 横向位移机构向轮外侧到起始位；aS3 传感器转向，激光光轴对向轮外侧面，测量系统监测激光传感器读数； aS4 垂直位移机构向下到预定位，此位置激光束将投射到轮外侧面测量位置； aS5 标准轮对上升到测量位置，测量系统记录轴颈上测量装置和轴颈下测量装置的测 量数据，记录初始值h6、h7、hl4 ；aS6 横向位移机构向轮外侧面运动进到传感器读数预定值，并记录存储初始值11 ；aS7 垂直位移机构向上扫瞄至激光传感器超载；aS8 激光传感器调整方向，光轴对向轮缘面；aS9 横向位移机构向轮缘方向运动至激光传感器读数预定值；aS10 激光传感器沿轮缘面扫瞄至超载；aSll 记录数据列xl、17、h8aS12 激光传器转向，光轴射向车轮踏面，垂直位移机构运动使激光传感器读数至预定
9.根据权利要求6所述的轮对自动检测方法，其特征在于所述B、运行测量程序，对待 测轮对进行测量的具体流程是 bSl:测量开始；bS2:横向位移机构向轮外侧到起始位；bS3:传感器转向，激光光轴对向轮外侧面，测量系统监测激光传感器读数； bS4:垂直位移机构向下到预定位，此位置激光束将能投射到轮外侧面测量位置； bS5:被测轮对上升到测量位置，测量系统记录轴颈上测量装置和轴颈下测量装置的 测量数据，记录初始值hl、h2、hl5 ；bS6:横向位移机构向轮外侧面运动进到传感器读数预定值，并记录存储初始值13 ；bS7 垂直位移机构向上扫瞄至激光传感器超载；bS8 激光传感器调整方向，光轴对向轮缘面；bS9 横向位移机构向轮缘方向运动至激光传感器读数预定值；bS10 激光传感器沿轮缘面扫瞄至超载；bSll 记录数据列x2、16、h9 ；bS12 激光传器转向，光轴射向车轮踏面，垂直位移机构运动使激光传感器读数至预定值；bS13 横向位移机构向轮外侧面运动至超载； bS14:记录数据列h4、lll ；bS15 激光传器转向，光轴向轮内侧面，横向位移机构运动到起始位置； bS16 垂直位移机构向下运动到预定值，横向位移机构向轮外侧面运动到激光传感器
全文摘要
一种铁路轮对激光自动检测机及其用于轮对自动检测的方法，检测机包括轮对测量机构、垂直升降机构、旋转机构、承正推转机构和轮对止退机构，轮对测量机构包括轴身测量机构、挡光板以及左轮踏面测量机构和右轮踏面测量机构；轮对垂直升降机构包括底座、带V型座的升降横梁、气缸、轴颈上测量装置和轴颈下测量装置；轮对旋转机构包括摩擦轮装置、减速电机、摆臂、压力弹簧装置和轮对旋转机构座；承正推转机构包括承正装置和推轮装置；轮对测量机构安装在机架上，负责对轮对的轮部参数进行测量；测量机构、轮对垂直升降机构、轮对旋转机构、承正推转机构和轮对止退机构的动作接受操作控制系统控制。该检测机及其用于轮对自动检测的方法测量精度高、速度快。
文档编号G01B11/00GK102062577SQ201010574550
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者于中南, 刘显扬, 古小灵 申请人:柳州科路测量仪器有限责任公司