基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及铁路车辆检测技术领域，特别是一种基于激光位移传感器的城轨车轮 参数测量装置。
【背景技术】
[0002] 轮对作为车辆走行部中极为重要的部件，不仅承受着车体的全部重量，而且负责 传递轮对与钢轨间的作用力。轮对需要承受较大的静载荷和动载荷、组装应力、闸瓦、闸片 制动时产生的热应力以及通过曲线时的离心力等。因此，轮对是否保持良好的技术状态关 系到行车绝对安全。鉴于轮对对于列车安全运行的重要性，准确测量车轮的轮缘厚度、轮缘 高度、垂直磨耗、踏面磨耗、车轮直径等参数，确保列车车轮踏面形态参数及同轴左右轮径 差符合相关的规程和标准，对于保障列车安全运行、顺利完成运输计划是非常重要的。
[0003] 目前我国轮对踏面检测技术比较落后，轮对的检测装置主要是第四种检查器及轮 对尺，此检测工具需要人工读数，容易出错，并且测量时不可避免地引入了人员误差，直接 影响了检测的可靠性。随着列车速度的提高，机车车辆轮对磨损加快，检测周期缩短，迫切 要求这一检测作业实现自动化，在这种背景下，轮对检测自动检测仪应运而生。其中固定式 检测仪必须使机车车辆经过某一固定地点才能检测，在任意时间、任意地点、镟修后落轮踏 面轮廓检测中有其局限性。中国专利CN103738358 (便携式铁路车轮踏面参数检测仪，申请 号201310731824. 1，申请日：2013-12-26)公开了一种车轮踏面参数检测装置，该装置可以 对车轮轮缘高、轮缘厚等踏面参数进行检测，但是该装置不能检测车轮直径，无法实现车轮 参数测量一体化。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种便携式、速度快、精度高的基于激光位移传感器的城 轨车轮参数测量装置及方法。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案是：一种基于激光位移传感器的城轨车轮参数测 量装置，测量装置包括轮缘踏面测量模块、ARM嵌入式主控模块、交互模块、数据存储模块、 USB通信模块以及电源模块，其中轮缘踏面测量模块通过两个定位柱设置于车轮上，所述轮 缘踏面测量模块、交互模块、数据存储模块、USB通信模块分别与ARM嵌入式主控模块相连 接，电源模块为各模块供电；所述轮缘踏面测量模块包括步进电机驱动器、带直线步进电机 的直线导轨、激光位移传感器和光电开关，其中带直线步进电机的直线导轨平行于车轮的 轴线，步进电机驱动器的控制输入端与ARM嵌入式主控模块连接，步进电机驱动器的驱动 输出端与直线步进电机相连，直线步激光位移传感器通过滑块设置于带进电机的直线导轨 上，光电开关设置于车轮外侧且距离车轮内端面距离为d，d>135mm，激光位移传感器与ARM 嵌入式主控模块相连；
[0006] 以光电开关的光束所在直线与直线导轨的交点为原点，激光位移传感器前进方向 为X轴正方向，激光线方向为y轴正方向建立二维直角坐标系；系统初始化时，激光位移传 感器处于初始位置；测量时，ARM嵌入式主控模块通过步进电机驱动器控制直线步进电机 正转，直线步进电机带动激光位移传感器沿着直线导轨以速度V匀速运动，光电开关检测 到激光位移传感器到达原点时，光电开关发送信号给ARM嵌入式主控模块，ARM嵌入式主控 模块发出控制信号使激光位移传感器开始检测车轮的轮缘踏面坐标点，并将检测数据传送 至ARM嵌入式主控模块，当激光位移传感器运动到车轮内端面时，激光位移传感器停止检 测，直线步进电机减速直至停止转动，然后直线步进电机反转并带动激光位移传感器回到 初始位置;ARM嵌入式主控模块根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮缘踏面曲线， 进而确定车轮参数。
[0007] -种基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量方法，步骤如下：
[0008] 步骤1，建立直角坐标系：以光电开关的光束所在直线与直线导轨的交点为原点， 激光位移传感器前进方向为X轴正方向，激光线方向为y轴正方向建立二维直角坐标系；
[0009] 步骤2,系统初始化，激光位移传感器处于初始位置；
[0010] 步骤3,测量时，ARM嵌入式主控模块通过步进电机驱动器控制直线步进电机正 转，直线步进电机带动激光位移传感器沿着直线导轨以速度V匀速运动，光电开关检测到 激光位移传感器到达原点时，光电开关发送信号给ARM嵌入式主控模块，ARM嵌入式主控模 块发出控制信号使激光位移传感器开始检测车轮的轮缘踏面坐标点，并将检测数据传送至 ARM嵌入式主控模块；
[0011] 步骤4,当激光位移传感器运动到车轮内端面时，激光位移传感器停止检测，直线 步进电机减速直至停止转动，然后直线步进电机反转并带动激光位移传感器回到初始位 置；
[0012] 步骤5, ARM嵌入式主控模块根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮缘踏面 曲线，进而确定车轮参数。
[0013] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1)实现自动测量，一次测量不仅可以得 到车轮的轮缘高、轮缘厚，还可以得到车轮直径；（2)采用直线步进电机和激光位移传感 器，从而使得测量精度高；（3)采用电池供电，无需连接电源，携带方便；(4)设置了 USB通 信接口和MicroSD卡，能够实现测量数据与车轮参数的存储与传输。
【附图说明】
[0014] 图1是本发明基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置的硬件结构框图。
[0015] 图2是本发明基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置的整体结构效果图。
[0016] 图3是本发明缘踏面测量模块的示意图。
[0017] 图4是本发明测量车轮直径的原理图。
[0018] 图5是本发明基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置的硬件电路原理图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0020] 结合图1，本发明基于激光位移传感器的城轨车轮参数测量装置，测量装置包括轮 缘踏面测量模块1、ARM嵌入式主控模块2、交互模块3、数据存储模块4、USB通信模块5以 及电源模块6,其中轮缘踏面测量模块1通过两个定位柱设置于车轮上，所述轮缘踏面测量 模块I、交互模块3、数据存储模块4、USB通信模块5分别与ARM嵌入式主控模块2相连接， 电源模块6为各模块供电；所述轮缘踏面测量模块1包括步进电机驱动器、带直线步进电机 的直线导轨、激光位移传感器和光电开关，其中带直线步进电机的直线导轨平行于车轮的 轴线，步进电机驱动器的控制输入端与ARM嵌入式主控模块2连接，步进电机驱动器的驱动 输出端与直线步进电机相连，直线步激光位移传感器通过滑块设置于带进电机的直线导轨 上，光电开关设置于车轮外侧且距离车轮内端面距离为d，d>135mm，激光位移传感器与ARM 嵌入式主控模块2相连。
[0021] 以光电开关的光束所在直线与直线导轨的交点为原点，激光位移传感器前进方向 为X轴正方向，激光线方向为y轴正方向建立二维直角坐标系；系统初始化时，激光位移传 感器处于初始位置；测量时，ARM嵌入式主控模块2通过步进电机驱动器控制直线步进电机 正转，直线步进电机带动激光位移传感器沿着直线导轨以速度V匀速运动，光电开关检测 到激光位移传感器到达原点时，光电开关发送信号给ARM嵌入式主控模块2, ARM嵌入式主 控模块2发出控制信号使激光位移传感器开始检测车轮的轮缘踏面坐标点，并将检测数据 传送至ARM嵌入式主控模块2,当激光位移传感器运动到车轮内端面时，激光位移传感器停 止检测，直线步进电机减速直至停止转动，然后直线步进电机反转并带动激光位移传感器 回到初始位置；ARM嵌入式主控模块2根据激光位移传感器采集的数据处理得到轮缘踏面 曲线，进而确定车轮参数，具体来讲首先采用所述装置的轮缘踏面测量模块得车轮轮缘踏 面坐标点之后，ARM嵌入式主控模块2通过分段曲线拟合得到轮缘踏面的轮廓曲线，然后根 据车轮参数的几何关系计算得到包括轮缘高、轮缘厚车轮参数。通过装置的机械结构，使用 弦高法得到轮缘直径值，进一步可得到车轮直径值。最后ARM嵌入式主控模块2将轮缘踏 面坐标点以及测量结果存储在数据存储模块4,并通过交互模