基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及鐵路車輛檢測技術領域，特別是一種基于激光位移傳感器的城軌車輪 參數測量裝置。
【背景技術】
[0002] 輪對作為車輛走行部中極為重要的部件，不僅承受著車體的全部重量，而且負責 傳遞輪對與鋼軌間的作用力。輪對需要承受較大的靜載荷和動載荷、組裝應力、閘瓦、閘片 制動時產生的熱應力以及通過曲線時的離心力等。因此，輪對是否保持良好的技術狀態關 系到行車絕對安全。鑒于輪對對于列車安全運行的重要性，準確測量車輪的輪緣厚度、輪緣 高度、垂直磨耗、踏面磨耗、車輪直徑等參數，確保列車車輪踏面形態參數及同軸左右輪徑 差符合相關的規程和標準，對于保障列車安全運行、順利完成運輸計劃是非常重要的。
[0003] 目前我國輪對踏面檢測技術比較落后，輪對的檢測裝置主要是第四種檢查器及輪 對尺，此檢測工具需要人工讀數，容易出錯，并且測量時不可避免地引入了人員誤差，直接 影響了檢測的可靠性。隨著列車速度的提高，機車車輛輪對磨損加快，檢測周期縮短，迫切 要求這一檢測作業實現自動化，在這種背景下，輪對檢測自動檢測儀應運而生。其中固定式 檢測儀必須使機車車輛經過某一固定地點才能檢測，在任意時間、任意地點、鏇修后落輪踏 面輪廓檢測中有其局限性。中國專利CN103738358 (便攜式鐵路車輪踏面參數檢測儀，申請 號201310731824. 1，申請日：2013-12-26)公開了一種車輪踏面參數檢測裝置，該裝置可以 對車輪輪緣高、輪緣厚等踏面參數進行檢測，但是該裝置不能檢測車輪直徑，無法實現車輪 參數測量一體化。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種便攜式、速度快、精度高的基于激光位移傳感器的城 軌車輪參數測量裝置及方法。
[0005] 實現本發明目的的技術解決方案是：一種基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測 量裝置，測量裝置包括輪緣踏面測量模塊、ARM嵌入式主控模塊、交互模塊、數據存儲模塊、 USB通信模塊以及電源模塊，其中輪緣踏面測量模塊通過兩個定位柱設置于車輪上，所述輪 緣踏面測量模塊、交互模塊、數據存儲模塊、USB通信模塊分別與ARM嵌入式主控模塊相連 接，電源模塊為各模塊供電；所述輪緣踏面測量模塊包括步進電機驅動器、帶直線步進電機 的直線導軌、激光位移傳感器和光電開關，其中帶直線步進電機的直線導軌平行于車輪的 軸線，步進電機驅動器的控制輸入端與ARM嵌入式主控模塊連接，步進電機驅動器的驅動 輸出端與直線步進電機相連，直線步激光位移傳感器通過滑塊設置于帶進電機的直線導軌 上，光電開關設置于車輪外側且距離車輪內端面距離為d，d>135mm，激光位移傳感器與ARM 嵌入式主控模塊相連；
[0006] 以光電開關的光束所在直線與直線導軌的交點為原點，激光位移傳感器前進方向 為X軸正方向，激光線方向為y軸正方向建立二維直角坐標系；系統初始化時，激光位移傳 感器處于初始位置；測量時，ARM嵌入式主控模塊通過步進電機驅動器控制直線步進電機 正轉，直線步進電機帶動激光位移傳感器沿著直線導軌以速度V勻速運動，光電開關檢測 到激光位移傳感器到達原點時，光電開關發送信號給ARM嵌入式主控模塊，ARM嵌入式主控 模塊發出控制信號使激光位移傳感器開始檢測車輪的輪緣踏面坐標點，并將檢測數據傳送 至ARM嵌入式主控模塊，當激光位移傳感器運動到車輪內端面時，激光位移傳感器停止檢 測，直線步進電機減速直至停止轉動，然后直線步進電機反轉并帶動激光位移傳感器回到 初始位置;ARM嵌入式主控模塊根據激光位移傳感器采集的數據處理得到輪緣踏面曲線， 進而確定車輪參數。
[0007] -種基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量方法，步驟如下：
[0008] 步驟1，建立直角坐標系：以光電開關的光束所在直線與直線導軌的交點為原點， 激光位移傳感器前進方向為X軸正方向，激光線方向為y軸正方向建立二維直角坐標系；
[0009] 步驟2,系統初始化，激光位移傳感器處于初始位置；
[0010] 步驟3,測量時，ARM嵌入式主控模塊通過步進電機驅動器控制直線步進電機正 轉，直線步進電機帶動激光位移傳感器沿著直線導軌以速度V勻速運動，光電開關檢測到 激光位移傳感器到達原點時，光電開關發送信號給ARM嵌入式主控模塊，ARM嵌入式主控模 塊發出控制信號使激光位移傳感器開始檢測車輪的輪緣踏面坐標點，并將檢測數據傳送至 ARM嵌入式主控模塊；
[0011] 步驟4,當激光位移傳感器運動到車輪內端面時，激光位移傳感器停止檢測，直線 步進電機減速直至停止轉動，然后直線步進電機反轉并帶動激光位移傳感器回到初始位 置；
[0012] 步驟5, ARM嵌入式主控模塊根據激光位移傳感器采集的數據處理得到輪緣踏面 曲線，進而確定車輪參數。
[0013] 本發明與現有技術相比，其顯著優點為：（1)實現自動測量，一次測量不僅可以得 到車輪的輪緣高、輪緣厚，還可以得到車輪直徑；（2)采用直線步進電機和激光位移傳感 器，從而使得測量精度高；（3)采用電池供電，無需連接電源，攜帶方便；(4)設置了 USB通 信接口和MicroSD卡，能夠實現測量數據與車輪參數的存儲與傳輸。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發明基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置的硬件結構框圖。
[0015] 圖2是本發明基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置的整體結構效果圖。
[0016] 圖3是本發明緣踏面測量模塊的示意圖。
[0017] 圖4是本發明測量車輪直徑的原理圖。
[0018] 圖5是本發明基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置的硬件電路原理圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0020] 結合圖1，本發明基于激光位移傳感器的城軌車輪參數測量裝置，測量裝置包括輪 緣踏面測量模塊1、ARM嵌入式主控模塊2、交互模塊3、數據存儲模塊4、USB通信模塊5以 及電源模塊6,其中輪緣踏面測量模塊1通過兩個定位柱設置于車輪上，所述輪緣踏面測量 模塊I、交互模塊3、數據存儲模塊4、USB通信模塊5分別與ARM嵌入式主控模塊2相連接， 電源模塊6為各模塊供電；所述輪緣踏面測量模塊1包括步進電機驅動器、帶直線步進電機 的直線導軌、激光位移傳感器和光電開關，其中帶直線步進電機的直線導軌平行于車輪的 軸線，步進電機驅動器的控制輸入端與ARM嵌入式主控模塊2連接，步進電機驅動器的驅動 輸出端與直線步進電機相連，直線步激光位移傳感器通過滑塊設置于帶進電機的直線導軌 上，光電開關設置于車輪外側且距離車輪內端面距離為d，d>135mm，激光位移傳感器與ARM 嵌入式主控模塊2相連。
[0021] 以光電開關的光束所在直線與直線導軌的交點為原點，激光位移傳感器前進方向 為X軸正方向，激光線方向為y軸正方向建立二維直角坐標系；系統初始化時，激光位移傳 感器處于初始位置；測量時，ARM嵌入式主控模塊2通過步進電機驅動器控制直線步進電機 正轉，直線步進電機帶動激光位移傳感器沿著直線導軌以速度V勻速運動，光電開關檢測 到激光位移傳感器到達原點時，光電開關發送信號給ARM嵌入式主控模塊2, ARM嵌入式主 控模塊2發出控制信號使激光位移傳感器開始檢測車輪的輪緣踏面坐標點，并將檢測數據 傳送至ARM嵌入式主控模塊2,當激光位移傳感器運動到車輪內端面時，激光位移傳感器停 止檢測，直線步進電機減速直至停止轉動，然后直線步進電機反轉并帶動激光位移傳感器 回到初始位置；ARM嵌入式主控模塊2根據激光位移傳感器采集的數據處理得到輪緣踏面 曲線，進而確定車輪參數，具體來講首先采用所述裝置的輪緣踏面測量模塊得車輪輪緣踏 面坐標點之后，ARM嵌入式主控模塊2通過分段曲線擬合得到輪緣踏面的輪廓曲線，然后根 據車輪參數的幾何關系計算得到包括輪緣高、輪緣厚車輪參數。通過裝置的機械結構，使用 弦高法得到輪緣直徑值，進一步可得到車輪直徑值。最后ARM嵌入式主控模塊2將輪緣踏 面坐標點以及測量結果存儲在數據存儲模塊4,并通過交互模