自动测量钢轨轮廓的检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供一种自动测量钢轨轮廓的检测装置。所述检测装置包括电源模块、机械传动模块、数据采集存储模块和显示报警模块，机械传动模块包括机架、导轨、同步带和用于控制钢轨运动的光电开关，钢轨在检测期间设置在机架上。检测装置还包括多个可移动激光轮廓传感器和位移传感器，多个可移动激光轮廓传感器环绕钢轨设置以测量钢轨的断面二维坐标数据，位移传感器沿着平行于钢轨的长度方向的方向设置在机架上以测量可移动激光轮廓传感器的位移数据。根据本实用新型的检测装置通过结合可移动激光轮廓传感器和位移传感器能够实现钢轨的断面尺寸、平直度和扭曲度的全面测量。
【专利说明】自动测量钢轨轮廓的检测装置
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及自动化检测领域，更具体地，涉及一种自动测量钢轨轮廓的检测
>J-U ρ?α装直。
【背景技术】
[0002]随着铁路技术的发展以及无缝钢轨的普及，长钢轨的质量越来越受重视。钢轨的外形尺寸、平直度和扭曲度等是否符合标准影响到铁路运行的安全性、平稳性和速度。钢轨焊接基地在对钢轨进行焊接前需要对钢轨外形进行检测，避免不合格的钢轨投入生产，从而造成不必要的损失。
[0003]目前，钢轨焊接生产线上主要采用样板尺对钢轨的轨高、轨头宽、轨底宽、断面不对称度、轨腰厚度、轨脚高度等指标进行测量，采用塞尺、扭曲尺等对钢轨端部的平直度、扭曲度进行检测，排除不符合标准的钢轨。这种机械式手动测量存在下面几个问题:1、由于采用人工手动操作，操作人员的作业水平对测量精度影响较大，导致测量结果的精确度不易把握；2、钢轨外形检测是长钢轨焊接的第一道工序，机械测量效率低，劳动强度大，直接影响钢轨焊接生产的整体效率；3、钢轨外形检测数据采用人工方式进行录入，数据可靠性和完整性较差。因此，为了满足钢轨焊接基地的生产要求，需要研发一种自动、精准、高效且可靠的钢轨外形检测装置 。
[0004]随着钢轨检测技术的发展，利用激光测距传感器、图像处理等技术检测钢轨的方法应运而生。由于激光测距传感器不能还原整个钢轨断面，图像处理易受灯光、锈斑等环境干扰，这些测量系统在数据可靠性、测量精度上有待改进。为了适应生产效率和自动化程度日益增长的高要求，需要一种能够自动检测钢轨轮廓且同时计算断面尺寸、平直度和扭曲度等的装置和方法。
实用新型内容
[0005]为了解决上述问题，本实用新型提供一种自动测量钢轨轮廓的检测装置。该检测装置通过结合可移动激光轮廓传感器和位移传感器能够实现钢轨的断面尺寸、平直度和扭曲度的全面测量。
[0006]根据本实用新型的一个方面，一种自动测量钢轨轮廓的检测装置包括电源模块、机械传动模块、数据采集存储模块和显示报警模块，机械传动模块包括机架、导轨、同步带和用于控制钢轨运动的光电开关，钢轨在检测期间设置在机架上。检测装置还包括多个可移动激光轮廓传感器和位移传感器，多个可移动激光轮廓传感器环绕钢轨设置以测量钢轨的断面二维坐标数据，位移传感器沿着平行于钢轨的长度方向的方向设置在机架上以测量可移动激光轮廓传感器的位移数据。多个可移动激光轮廓传感器和位移传感器以通信方式与数据采集存储模块连接，从而数据采集存储模块将断面二维坐标数据和位移数据相结合以检测钢轨的轮廓。
[0007]可选地，根据本实用新型的检测装置还包括传感器安装板，所述传感器安装板连接到导轨并设有中央通孔，中央通孔被设置成使得钢轨穿过所述中央通孔，其中多个可移动激光轮廓传感器设置在传感器安装板的周边。
[0008]传感器安装板设置在连接支架上，所述连接支架的两端分别设置在导轨上，并且连接支架连接到同步带。
[0009]可选地，多个可移动激光轮廓传感器包括四个可移动激光轮廓传感器。
[0010]优选地，四个可移动激光轮廓传感器中的两个相对于钢轨对称地设置在传感器安装板的一侧，并且定位成分别相对于钢轨成30°角，而所述四个可移动激光轮廓传感器中的其余两个相对于钢轨对称地设置在传感器安装板的另一侧，并且定位成分别相对于钢轨成50。角。
[0011]数据采集存储模块可以包括多个数据采集卡和计算机，数据采集卡分别设置在多个可移动激光轮廓传感器和位移传感器上，并且多个数据采集卡以通信方式与计算机连接。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]本实用新型的上述及其它方面和特征将从以下结合附图对实施例的说明清楚呈现，其中:
[0013]图1是显示根据本实用新型的自动测量钢轨轮廓的检测装置的组成模块的示意图；
[0014]图2是显示根据本实用新型的第一实施例的检测装置的立体图，其中方框C部分以放大形式显示安装有可移动激光轮廓传感器的传感器安装板；
[0015]图3是示意性地显示可移动激光轮廓传感器和位移传感器相对于钢轨的位置的视图；
[0016]图4是图2中的C部分的传感器安装板的正视图，所述传感器安装板上安装有四个可移动激光轮廓传感器；
[0017]图5是根据本实用新型的自动测量钢轨轮廓的检测方法的流程图；
[0018]图6是示意性地显示根据本实用新型的第二实施例的自动测量钢轨轮廓的检测方法的流程图；
[0019]图7是钢轨曲线拼接前的图像视图；
[0020]图8是钢轨曲线拼接后的图像视图，显示了钢轨断面的完整轮廓；
[0021]图9是采用弦测法计算平直度的曲线图；以及
[0022]图10是采用共面法计算扭曲度的曲线图。
【具体实施方式】
[0023]下面参照附图详细描述本实用新型的说明性、非限制性实施例，对根据本实用新型的钢轨检测装置和检测方法进行进一步说明。
[0024]具体地，参照图1-3说明根据本实用新型的自动测量钢轨轮廓的检测装置，该检测装置是一种能够实现钢轨的断面尺寸、平直度和扭曲度的全面测量的自动检测装置。根据本实用新型的检测装置包括电源模块1、机械传动模块2、数据采集存储模块3和显示报警模块4。电源模块为检测装置提供稳定可靠的电能，以供测量、控制和记录操作过程使用。机械传动模块2包括机架10、导轨11、同步带12和光电开关，待检测钢轨5在检测期间设置在机架10上。所述检测装置还包括多个可移动激光轮廓传感器6和位移传感器7。参见图3，可移动激光轮廓传感器6环绕钢轨5设置以测量钢轨的断面二维坐标数据，并且通过机械传动模块I可沿着平行于钢轨长度方向的方向移动。位移传感器7沿着平行于钢轨5的长度方向的方向设置在机架上以测量可移动激光轮廓传感器的位移数据。可移动激光轮廓传感器6和位移传感器7以通信方式与数据采集存储模块3连接，以将可移动激光轮廓传感器检测到的断面二维坐标数据和位移传感器检测到的位移数据传输给数据采集存储模块。数据采集存储模块3进而将断面二维坐标数据和位移数据相结合，以检测钢轨的轮廓。可移动激光轮廓传感器和位移传感器可以以本领域公知的任何无线或有限通信方式与数据采集存储模块连接。
[0025]图3示意性地显示可移动激光轮廓传感器和位移传感器相对于钢轨的位置。多个可移动激光轮廓传感器6环绕待测钢轨5设置，例如，检测装置可以包括四个可移动激光轮廓传感器，其中两个传感器位于钢轨的一侧，而其余两个传感器位于钢轨的另一侧。位移传感器7沿着平行于钢轨长度方向的方向设置以检测可移动激光轮廓传感器的位移数据。要注意的是，虽然在此仅示例性地说明具有四个可移动激光轮廓传感器的检测装置，但本领域的技术人员能够想到，可移动激光轮廓传感器不限于四个，而可以采用任何数量的激光轮廓传感器，只要能够检测钢轨断面二维坐标数据即可。在机械传动模块中，机架对可移动激光轮廓传感器和位移传感器起到支撑、保护和固定作用，导轨和同步带用于平稳且匀速地传送钢轨和可移动激光轮廓传感器。光电开关用于控制钢轨的运动，使得钢轨在运动到轨端测量范围时停止运动以等待测量。所述轨端测量范围是指钢轨的断面落入多个可移动激光轮廓传感器的测量范围内。
[0026]根据本实用新型的第一实施例，多个可移动激光轮廓传感器安装在传感器安装板上。具体地，参见图3和图4，传感器安装板20连接到导轨11且设有中央通孔21。中央通孔21被设置成使得待测钢轨穿过该中央通孔。可移动激光轮廓传感器6设置在传感器安装板20的周边。根据本实用新型的一个示例，传感器安装板设置在连接支架22上。连接支架22的两端分别设置在导轨11上，并且连接支架22连接到同步带12。在检测期间，连接支架22在同步带12的带动下能够沿着导轨11移动，从而带动可移动激光轮廓传感器沿着钢轨的长度方向移动。
[0027]根据本实用新型的一个可选实施例，检测装置可以包括四个可移动激光轮廓传感器。优选地，四个可移动激光轮廓传感器中的两个相对于钢轨对称地设置在传感器安装板20的一侧，并且定位成分别相对于钢轨成30°角。其余两个激光轮廓传感器相对于钢轨对称地设置在传感器安装板20的另一侧，并且定位成分别相对于钢轨成50°角，如图4所示。如上所述布置的可移动激光轮廓传感器能够通过检测钢轨的外形形成一个完整的测量断面。
[0028]下面，将参照图5-8说明采用上述检测装置自动测量钢轨轮廓的检测方法。
[0029]图5是根据本实用新型的自动测量钢轨轮廓的检测方法的流程图。根据本实用新型的检测方法包括:
[0030]步骤AOl:通过机械传动模块2将待检测钢轨5传送到轨端检测范围内并停止以
等待测量；[0031]步骤A02:通过环绕钢轨5设置的多个可移动激光轮廓传感器6测量钢轨的断面二维坐标数据，并且通过沿着平行于钢轨的长度方向的方向设置的位移传感器7测量可移动激光轮廓传感器6的位移数据；
[0032]步骤A03:以通信方式将断面二维坐标数据和位移数据传输到数据采集存储模块3 ；
[0033]步骤A04:数据采集存储模块3对断面二维坐标数据和位移数据进行数据处理以获得钢轨的完整断面，并且显示钢轨的断面图像；
[0034]步骤A05:数据采集存储模块3根据断面二维坐标数据和位移数据计算钢轨的断面尺寸、平直度和扭曲度；和
[0035]步骤A06:通过显示报警模块4显示钢轨检测结果并对不合格钢轨进行报警提醒。
[0036]根据本实用新型的检测方法通过机械传动模块自动地将待检测钢轨传送到轨端检测范围内并停止，以等待检测。可移动激光轮廓传感器对钢轨进行扫描，投射的激光组成了一个完整的钢轨断面，利用本领域常用的光学三角法将钢轨轮廓转换成二维坐标数据，精度能够达到0.019_。由此，可移动激光轮廓传感器可以直接获得钢轨完整断面的二维坐标数据，从而根据该二维坐标数据计算断面尺寸。位移传感器实时地记录激光轮廓传感器的运动位移数据，从而获得钢轨长度方向的坐标数据。激光轮廓传感器检测到的二维坐标数据和位移传感器检测到的位移数据相结合，计算出平直度和扭曲度。因此，根据本实用新型的钢轨轮廓检测方法与现有的检测方法相比，可以同时实现断面尺寸、平直度和扭曲度的全面测量，进而显著提高钢轨质量的检测效率。
[0037]接下来，参照图6进一步详细说明根据本实用新型的第二实施例的钢轨轮廓检测方法。
[0038]进一步地，数据采集存储模块在启动后将激光轮廓传感器采集的钢轨轮廓数据拼接成一个完整的断面，并在界面上显示图像。在完成对钢轨断面的角度矫正后就可以实行钢轨断面的尺寸计算、平直度计算和扭曲度计算。同时，在界面显示计算结果，绘制平直度曲线并自动将测量结果存入数据库，以备操作人员查询和管理历史数据。例如，数据采集存储模块可以包括分别设置在激光轮廓传感器和位移传感器上的数据采集卡以及与数据采集卡通信连接的计算机。激光轮廓传感器和位移传感器通过各自设有的数据采集卡将断面二维坐标数据和位移数据传输给计算机。例如，整个控制可以由两台计算机实行，一台作为客户端，连接一部分激光轮廓传感器；另一台计算机连接其余激光轮廓传感器和位移传感器，并且作为服务器进行结果计算、存储等操作。
[0039]具体地，步骤A04中的数据处理包括:对断面二维坐标数据进行摄像坐标系与世界坐标系的转换，以将零散的钢轨曲线拼接成完整的断面轮廓；接着，对断面轮廓进行角度矫正。图7和图8分别显示了钢轨曲线拼接前和拼接后的图像，其中图8显示了检测到的钢轨断面的完整轮廓。数据采集存储模块在获得完整断面轮廓后，可以计算钢轨的断面尺寸。
[0040]根据本实用新型，数据采集存储模块除了计算钢轨的断面尺寸之外还可以计算钢轨的平直度和扭曲度。钢轨平直度的计算包括:通过可移动激光轮廓传感器获取轨头的最高点或轨头侧面点；采集平直度计算所需的钢轨测量长度；采用弦测法进行平直度计算；形成并显示平直度曲线；计算钢轨的垂直平直度和水平平直度；和显示平直度计算结果。在计算平直度时所选取的钢轨测量长度根据不同轨型而不同，并且采用本领域常用的弦测法进行平直度计算。图9是采用弦测法计算平直度的曲线图。曲线P1P2为被测钢轨长度方向的表面轮廓，将首尾测量点用直线连接作为基准平面，其余测量点到该曲线的最大距离为获得的平直度。
[0041]钢轨扭曲度的计算包括:根据钢轨的断面轮廓获取轨底面的四个点；采用共面法计算钢轨的扭曲度；和显示扭曲度计算结果。
[0042]接下来，将参照图10说明采用共面法计算扭曲度。钢轨扭曲度是指钢轨纵向的扭曲程度。首先，获取轨底面的四个点中的任意三点所位于的平面。然后，计算四个点中剩余一个点至所述平面的距离，该距离即为钢轨的扭曲度。根据一个实施例，如图10所示，在钢轨端部断面的下表面上取两个点Q1Q2，在距离钢轨端部断面Im以内的范围内在轨底下表面上取另外的两个点Q3Q4。采用共面法计算钢轨扭曲度时，先求出Q1Q2Q3所位于的平面M，Q4到平面M的距离即为钢轨的扭曲度。轨底面的四个点中的每一个点的中心与轨底边缘之间的距离为10mm，并且每一个点的表面积在150mm2?250mm2的范围内。如果计算所得的扭曲度不超过0.45mm，则表示待测钢轨的扭曲度符合要求。
[0043]由以上所述可知，根据本实用新型的自动测量钢轨轮廓的检测装置和检测方法通过两种传感器的结合可以实现整根钢轨的断面尺寸、平直度和扭曲度的全面测量，并且对不合格钢轨进行报警提示，操作方便且自动化程度高。在本实用新型的检测过程中，无需人工干预，对钢轨轮廓自动采集、测量和存储，因此提高了工作效率。此外，测量过程操作简单，对不合格钢轨进行报警提示，有效地降低了劳动强度，并且可自动记录钢轨轮廓数据，以为管理人员提供真实、可靠、可追溯性强的数据记录。同时，根据本实用新型的检测装置和检测方法采用激光轮传感器进行测量，测量精度高，解决了人工测量精度不易把握的问题。
[0044]尽管对本实用新型的典型实施例进行了说明，但是显然本领域技术人员可以理解，在不背离本实用新型的精神和原理的情况下可以进行改变，其范围在权利要求书以及其等同物中进行了限定。
【权利要求】
1.一种自动测量钢轨轮廓的检测装置，包括电源模块、机械传动模块、数据采集存储模块和显示报警模块，所述机械传动模块包括机架、导轨、同步带和用于控制钢轨运动的光电开关，钢轨在检测期间设置在所述机架上，其特征在于: 所述检测装置还包括多个可移动激光轮廓传感器和位移传感器，所述多个可移动激光轮廓传感器环绕所述钢轨设置以测量所述钢轨的断面二维坐标数据，所述位移传感器沿着平行于所述钢轨的长度方向的方向设置在所述机架上以测量所述可移动激光轮廓传感器的位移数据；以及 所述多个可移动激光轮廓传感器和所述位移传感器以通信方式与所述数据采集存储模块连接，从而所述数据采集存储模块将所述断面二维坐标数据和所述位移数据相结合以检测所述钢轨的轮廓。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括: 传感器安装板，所述传感器安装板连接到所述导轨并设有中央通孔，所述中央通孔被设置成使得所述钢轨穿过所述中央通孔， 其中，所述多个可移动激光轮廓传感器设置在所述传感器安装板的周边。
3.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述传感器安装板设置在连接支架上，所述连接支架的两端分别设置在所述导轨上，并且所述连接支架连接到所述同步带。
4.根据权利要求2所述的检测装置，其特征在于，所述多个可移动激光轮廓传感器包括四个可移动激光轮廓传感器。
5.根据权利要求4所述的检测装置，其特征在于: 所述四个可移动激光轮廓传感器中的两个相对于所述钢轨对称地设置在所述传感器安装板的一侧，并且定位成分别相对于所述钢轨成30°角；以及 所述四个可移动激光轮廓传感器中的其余两个相对于所述钢轨对称地设置在所述传感器安装板的另一侧，并且定位成分别相对于所述钢轨成50°角。
6.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于，所述数据采集存储模块包括多个数据采集卡和计算机，所述数据采集卡分别设置在所述多个可移动激光轮廓传感器和所述位移传感器上，并且所述多个数据采集卡以通信方式与所述计算机连接。
【文档编号】G01B21/20GK203687917SQ201320878785
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年12月27日 优先权日:2013年12月27日
【发明者】李力, 丁韦, 高振坤, 宋宏图, 李雯, 彭鹏 申请人:中国铁道科学研究院金属及化学研究所