一种列车转向架轮径约束的平行度测量装置及方法与流程

本发明涉及轨道交通安全监测及机器视觉技术领域，特别涉及一种列车转向架轮径约束的平行度测量装置及方法。

背景技术：

转向架轮对作为轨道列车的核心部件，其质量直接影响着列车的运行安全和运输能力。轮对作为直接与铁轨接触的部分之一，其承受很大的冲击和载荷，在理想状态下，同一辆列车的2个转向架应分别满足车轮外形尺寸相同，即轮径相等。

随着轨道列车的时速不断提升，针对列车转向架参数也越来越严格，但在实际中，由于生产过程中加工工艺和机械精度的限制，轮对的实际直径与标准值存在偏差，这就间接导致了转向架轮对间平行度存在偏差，从而影响列车的运行性能。传统针对转向架轮径与平行度的检测均采用二维的方法进行测量，这种测量方法虽然解决了转向架轮径与平行度测量难的问题，但这种二维投影的方法尚无法检测出由于轮径偏差，导致的列车转向架不平行问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种列车转向架轮径约束的平行度测量装置及方法，可解决目前列车转向架二维检测平行度无法检测轮径差等因素对列车转向架平行度测量全面反映的问题。

第一方面，本发明实施例提供一种列车转向架轮径约束的平行度测量装置，包括：四组测量组件，每一组测量组件包括：支撑架ⅰ、位移升降系统ⅱ和测量子系统ⅲ；

所述支撑架ⅰ包括支架和支撑板；所述支撑板固定设置在所述支架的一侧；

所述位移升降系统ⅱ上安装所述测量子系统，所述位移升降系统ⅱ与所述支撑板滑动连接。

在一个实施例中，所述位移升降系统ⅱ包括：导轨滑块、位移升降板、电推缸和位移连接块；

所述电推缸竖向设置，其推杆一端安装所述位移连接块；所述位移连接块上安装所述位移升降板；所述位移升降板的一侧面设有至少一个导轨滑块；

所述支撑板上设有与所述导轨滑块适配的滑槽；所述导轨滑块与所述支撑板通过所述滑槽滑动连接；所述测量子系统设置在所述位移升降板上。

在一个实施例中，所述测量子系统ⅲ，包括：两组测量单元；每组测量单元包括：传感器连接板和线结构光传感器；

所述线结构光传感器安装在所述传感器连接板上；

两组所述传感器连接板分别对称安装在所述位移升级板的同一侧面，随位移升降板同步运动。

第二方面，本发明还提供一种列车转向架轮径约束的平行度测量方法，包括：

步骤1，将待检测列车转向架输送至检测工位，并在检测位置停止；四组测量组件两两对称位于所述待检测列车转向架两条轮对的内侧；

步骤2，每一组测量组件的测量子系统ⅲ获取对应的列车转向架轮对两侧的踏面轮廓信息；

步骤3，测量子系统ⅲ随位移升降系统ⅱ移动d1距离，记录此时列车转向架轮对车轮两侧的踏面轮廓信息及位移d1；

步骤4，重复步骤2-3，测量子系统ⅲ随位移升降系统ⅱ移动d2距离，记录此时列车转向架轮对车轮两侧的踏面轮廓信息及位移d2；根据d1和d2计算出对应的列车转向架轮对车轮轮径值；

步骤5，通过系统标定，利用步骤4中的所述列车转向架轮对车轮轮径值作为约束条件，求解出列车转向架轮对空间点云信息，实现列车转向架轮对的三维重建；

步骤6，三维重建完成后，通过运算完成列车转向架平行度测量。

在一个实施例中，所述步骤4包括：

测量子系统ⅲ的两只线结构光传感器分别发出线结构光照射至轮对踏面，其在轮对到达检测位置时，两只线结构光传感器分别至踏面的距离为h1、h2；位于车轮两侧初始位置p1处的线结构光传感器获取此时距离轮对踏面a1、b1的距离，分别记为l1、k1；此时两只线结构光传感器位置距离轮对圆心的高度记为s，沿垂直方向平移线结构光传感器，分别在p2、p3位置获取两组对应数据返回值，其轮对踏面边缘特征点分别为a2、b2和a3、b3，对应返回距离记为l2、k2和l3、k3，两次位移为d1和d2；

列出如下方程组：

将公式(1)(2)联立，消除s后，得到ri为：

其中，l1＝h1-l3、l2＝h1-l2、l3＝h1-l1，k1＝h2-k3、k2＝h2-k2、k3＝h2-k1；联立方程(1)(2)，得到h1、h2、r1、r2、r3、r4、r5、r6；

计算r1、r2、r3、r4、r5、r6的均值，所述均值为车轮轮径值ri。

在一个实施例中，所述步骤5包括：

将转向架轮对踏面简化为由多个圆截面迭代而成；

构建圆曲线方程：

f(x,y)＝x²+y²+dx+ey+f(3)

其中，圆心坐标为半径为

当添加一个半径约束时，则表达为

f(x,y)＝x²+y²+dx+ey+f+λ(r-rk)(4)

将公式(4)进行推演计算，改写成矩阵形式：

aδb＝l+v(9)

利用svd分解公式(9)，得模型参数估值为：

求出列车轮对车轮踏面曲线上任意圆截面的直径值r及对应的空间圆心坐标(ak,bk,ck)；迭代计算，实现列车转向架轮对的三维重建。

在一个实施例中，所述步骤6包括：

1)选定被测点的初值，定义为pq(xq,yq,zq)；

2)以前轮为测量基准，利用三维重建后的转向架前侧的两个车轮的空间圆心坐标，进行最小二乘拟合，获取的空间直线作为基准轴线；转向架前侧的两个车轮的空间圆心坐标作为被测点pk(k＝1～n)；

3)计算出被测点pk(k＝1～n)至基准轴线的最大距离，作为目标轴线的初始半径值；

4)不断移动轴线，使得求出最小的包容圆柱，其直径记为f；

5)重复上述3)～4)步骤，直至获得最小的小圆柱的直径；所述最小的小圆柱的直径值为所求的平行度误差值。

本发明实施例提供的一种列车转向架轮径约束的平行度测量装置，包括：四组测量组件，每一组测量组件包括：支撑架ⅰ、位移升降系统ⅱ和测量子系统ⅲ；所述支撑架ⅰ包括支架和支撑板；所述支撑板固定设置在所述支架的一侧；所述位移升降系统ⅱ上安装所述测量子系统，所述位移升降系统ⅱ与所述支撑板滑动连接。该装置的构成部件减少，简化了测量过程，可快速准确的完成列车转向架轮径约束的平行度测量。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为待检测的列车转向架轮对结构示意图。

图2为本发明实施例提供的列车转向架轮径约束的平行度测量装置结构图。

图3为本发明实施例提供的测量装置在检测时的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的支撑架的结构示意图。

图5为本发明实施例提供的位移升降系统结构示意图。

图6为本发明实施例提供的测量子系统ⅲ的结构示意图。

图7为本发明实施例提供的轮径计算原理图。

图8为本发明实施例提供的平行度测量原理图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

参照图1所示，为待检测的列车转向架轮对；参照图2所示，本发明实施例提供的列车转向架轮径约束的平行度测量装置，包括：四组测量组件，每一组测量组件包括：支撑架ⅰ、位移升降系统ⅱ和测量子系统ⅲ；

上述四组测量组件采用对称安装方式，分别安装在列车转向架两条轮对的内侧，如图3所示。

其中，参照图4所示，支撑架ⅰ由型材支撑架1、支撑板2组成，比如型材支撑架采用标准铝型材60*60搭建而成，比如由螺栓实现可拆卸连接，负责为测量装置提供支撑及定位；支撑板2安装于型材支撑架1侧面，负责为位移升降系统ⅱ提供安装支撑。

进一步地，参照图5所示，上述位移升降系统ⅱ由导轨滑块3、位移升降板4、电推缸5、位移连接块6组成，其中电推缸5竖向设置，其推杆一端安装位移连接块6。其中，电推缸可配伺服/步进电机或驱动组件，在本实施例中可实现快速、伸缩定位，保持较高的精度和稳定性。

位移连接块6上安装位移升降板4；该位移升降板4的一侧面设有至少一个导轨滑块3；为了增强稳固性，可在设置2个导轨滑块分布于该位移升降板6的一侧面的两端。在支撑板2上设有与导轨滑块3适配的滑槽；滑槽与导轨滑块的数量相同。导轨滑块在滑槽内滑动，实现支撑架ⅰ和位移升降系统ⅱ的滑动连接，导轨滑块通过在滑槽内滑动，负责为位移升降系统提供导向。

该测量子系统ⅲ设置在位移升降板6上，电推缸5通过位移连接块6与位移升降板4连接，其中，电推缸5负责为位移升降系统ⅱ提供升降动力，位移连接块6负责连接电推缸5与位移升降板4。

进一步地，参照图6所示，上述测量子系统ⅲ由传感器连接板7、2只线结构光传感器8组成。传感器连接板7安装在位移升降系统ⅱ上的位移升降板4上，负责为线结构光传感器提供支撑，并保证随位移升降系统ⅱ同步运动；线结构光传感器采用对称结构安装在位移升降板4的两侧，负责系统测量。

本实施例中，列车转向架轮径约束的平行度测量装置，通过测量子系统ⅲ的线结构光传感器在位移升降系统ⅱ电推缸5的带动下进行多次运动不同的位移距离，分别获取该运动位置对应的列车转向架轮对踏面轮廓信息；然后，利用多次列车转向架轮对踏面轮廓信息之间的位移关系，计算出列车转向架轮对轮径值；接着，通过系统标定，利用计算出的轮径值作为约束条件，求解出列车转向架轮对空间点云信息，实现列车转向架轮对的三维重建；最后，对三维重建后的列车转向架轮对进行轴线求解，从而实现对列车转向架相关参数的测量工作。另外，该装置的构成部件减少，简化了测量过程，可快速准确的完成列车转向架轮径约束的平行度测量。

在测量过程中，不需要对被测的列车转向架进行反复位移，只需要被测的列车转向架在检测位置停止，测量子系统ⅲ在控制下仅需进行多次位移，即可实现针对列车转向架轮径与平行度测量；使用该装置可简化测量时由于重构信息数据多，导致后续运算困难的问题，仅需通过平移3次或3次以上，即可实现列车转向架轮径及平行度的测量，获取信息数据量较少，但用约束的方式增加运算结果的准确性，解决了重构时运算量大的问题，同时，能够满足企业对列车转向架轮径与平行度测量的目的。

基于上述列车转向架轮径约束的平行度测量装置，本发明还提供了一种列车转向架轮径约束的平行度测量方法，参照图7所示，包括：

步骤1，将待检测列车转向架输送至检测工位，并在检测位置停止；四组测量组件两两对称位于所述待检测列车转向架两条轮对的内侧；在具体执行时，比如可由操作者在上位机下发开始检测指令，将被检测列车转向架输送至检测工位。

步骤2，每一组测量组件的测量子系统ⅲ获取对应的列车转向架轮对两侧的踏面轮廓信息；

步骤3，测量子系统ⅲ随位移升降系统ⅱ移动d1距离，记录此时列车转向架轮对车轮两侧的踏面轮廓信息及位移d1。即：测量子系统ⅲ在位移升降系统ⅱ的电推缸作用下，进行运动d1距离；

步骤4，重复步骤2-3，测量子系统ⅲ随位移升降系统ⅱ移动d2距离，记录此时列车转向架轮对车轮两侧的踏面轮廓信息及位移d2；根据d1和d2计算出对应的列车转向架轮对车轮轮径值；

步骤5，通过系统标定，利用步骤4中的所述列车转向架轮对车轮轮径值作为约束条件，求解出列车转向架轮对空间点云信息，实现列车转向架轮对的三维重建；

步骤6，三维重建完成后，通过运算完成列车转向架平行度测量。

本实施例中，不需要对列车转向架进行反复位移，只需要列车转向架在待检测位置停止，测量子系统在系统的控制下仅需进行多次位移，即可实现针对列车转向架轮径与平行度测量；本方法简化了测量时由于重构信息数据多，导致后续运算困难的问题，仅需通过平移3次或3次以上，即可实现列车转向架轮径及平行度的测量。

上述步骤4中轮径计算方法如下：

当列车转向架轮对到达检测位置时，测量子系统ⅲ上的两只线结构光传感器分别发出线结构光照射至轮对踏面，比如选取距轮对内侧面70mm处的直径测量位置进行说明，其在轮对到达检测位置时，两只线结构光传感器分别至踏面的距离为h1、h2，位于车轮两侧初始位置p1处的线结构光传感器获取此时距离轮对踏面a1、b1的距离，分别记为l1、k1，此时两只线结构光传感器位置距离轮对圆心的高度记为s，沿垂直方向平移线结构光传感器，分别在p2、p3位置获取两组对应数据返回值，其轮对踏面边缘特征点分别为a2、b2和a3、b3，对应返回距离记为l2、k2和l3、k3，两次平移距离为d1和d2。

参照图7所示，可列出如下方程组：

将方程组(1)(2)联立，消除s后，可得到ri为：

其中，l1＝h1-l3、l2＝h1-l2、l3＝h1-l1，k1＝h2-k3、k2＝h2-k2、k3＝h2-k1；联立方程(1)(2)，得到h1、h2、r1、r2、r3、r4、r5、r6；

为使计算结果更接近真实值，计算r1、r2、r3、r4、r5、r6的均值，该均值为车轮轮径值ri。

上述步骤s5中，三维重建过程如下：

通过分析转向架轮对踏面特性，其采用车床加工而成，因此可以将其看做由多个圆截面迭代而成，因此，通过计算转向架轮对踏面对应位置圆截面直径，即可计算出相关数据。

圆作为二次曲线的一种特殊形式，其表达形式为：

f(x,y)＝x²+y²+dx+ey+f(3)

其中，圆心坐标为半径为

当添加一个半径约束时，则表达为

f(x,y)＝x²+y²+dx+ey+f+λ(r-rk)(4)

其中，λ为约束系数，rk为约束半径。

将上式(4)改写为

x²+y²＝-dx-ey-f-λ(r-rk)(5)

令-d＝m，-e＝n，-f＝t，-λ＝p，-λrk＝q

x²+y²＝mx+ny+t+pr+q(6)

设数据点坐标为(xi,yi),i＝1,2,…,n，设参数近似值为m0、n0、t0、p0、q0，x,y的误差改正数分别为vxi,vyi,参数误差分别为δm、δn、δt、δp、δq。

(xi+vxi)²-(yi+vyi)²＝(m0+δm)(xi+vxi)+(n0+δn)(yi+vyi)+(t0+δt)+(p0+δp)r+(q0+δq)

(7)

将上式(7)展开并舍去二次项，表达为矩阵形式如下：

(2xi-m0-δm)vxi+(2yi-n0-δn)vyi＝xiδm+yiδn+δq-li

(8)

(8)式中，li＝xi²+yi²-m0xi-n0yi-q

将上式(8)改写成矩阵形式：

aδb＝l+v(9)

式中，

vi＝(2xi-m0-δm)vxi+(2yi-n0-δn)vyi

由上可得：

(10)式中，

qv＝diag((2x1-m0-δm)²+(2y1-n0-δn)²)+…+((2xn-m0-δm)²+(2yn-n0-δn)²))

利用svd分解法对式(9)进行求解

由此，可得模型参数估值为

至此，可以求出列车轮对车轮踏面曲线上任意圆截面的直径值r及对应的空间圆心坐(ak,bk,ck)，重复上述步骤完成整改车轮的三维重建，建立完成的转向架车轮模型。

上述步骤6中，平行度计算具体过程如下：

1)参照图8所示，选定被测点的初值，定义为pq(xq,yq,zq)；

2)构建基准轴线。以前轮为测量基准，因此利用三维重建后的转向架前侧的两个车轮的空间圆心坐标，进行最小二乘拟合，获取的空间直线作为基准轴线；转向架前侧的两个车轮的空间圆心坐标作为被测点pk(k＝1～n)；

3)计算出被测点pk(k＝1～n)至基准轴线的最大距离，作为目标轴线的初始半径值；其中，(a0,b0,c0)为基准轴线的方向矢量，(xq,yq,zq)为定义的被测点初值；

4)不断移动轴线，使得求出最小的包容圆柱，其直径记为f；

5)重复上述3)～4)步骤，直至获得最小的小圆柱的直径；该最小的小圆柱的直径直径值为所求的平行度误差值。

本发明提供的列车转向架轮径约束的平行度测量方法，在测量过程中，获取信息数据量较少，可用约束的方式增加运算结果的准确性，解决了重构时运算量大的问题，同时，能够满足企业对列车转向架轮径与平行度测量的目的。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。