专利名称：火车轮对落轮在线自动检测设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种火车车轮轮对落轮自动检测设备。
背景技术：
近年来随着火车的多次提速，火车轮对的磨损加剧，因此，定期对轮对的各关键面尺寸、形状误差以及位置精度进行精密自动检测是确保车辆行驶安全、平稳的必要措施之一。通过准确检测到的数据用于了解轮对的履历以及指导轮对的检修，对于超过安全标准的必须进行维修或报废。
轮对的检测方式主要有接触和非接触两种。国外主要有美国、德国、俄罗斯等发达国家在轮对检测方面起步较早，相继在80年代、90年代形成自己的产品。可以在火车以5Km/h左右的速度运行时自动检测车轮断面的几何参数。我国目前尚无动态(不落轮)检测方面的成功产品投入铁路系统轮对的检测使用中。国外对轮对的检测主要有以下几种对运行中的车轮踏面进行高速CCD摄像集合相关软件处理来检测；德国、瑞典等欧洲国家主要采用车轮瞬间腾空法和轨道变形截取法；日本、俄罗斯等主要采用测量轨道冲击力产生的振动变化的方法进行测量。这些方法属于接触式测量，其结构复杂，操作烦琐，国内各车辆段还普遍采用传统的手工尺选点检测的方法，其效率低、差错率高，人工劳动强度大，数据统计工作繁琐；同时也不适应现代化车辆信息管理和维护的需要，因此全国各车务段都迫切需要尽快研制出国产的轮对外形参数的自动检测设备，要求自动化程度高、可靠性好、操作方便。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种可靠性高、操作方便，可自动检测火车轮对落轮在线自动检测设备。
本发明所采用的技术方案是火车轮对落轮在线自动检测设备，其特点在于包括测量系统、运动系统和控制系统，其中测量系统对应左右轮饼分为两套，包括左右涡流型传感器、左右PSD型传感器和左右CCD型传感器；运动系统也分为两套，由左右X向电机及驱动器、左右Y向电机及驱动器、左右X向和Y向限位开关、左右X向和Y向编码器；控制系统由用于采集测量系统测量数据的数据采集卡、用于采集CCD图像数据的图像采集卡、用于驱动控制系统运动的运动控制卡及上位工控机组成，数据采集卡、图像采集卡和运动控制卡通过I/O接口分别与上位工控机相接，测量系统、运动系统在工控机统一控制下进行工作，测量系统中各传感器输出的模拟信号经放大后，输入到数据采集系统进行A/D转换，变成相应数字信号，输入工控机；运动系统中的各编码器信号同样经放大进行A/D转换，再输入工控机，工控机将各传感器及编码器数据进行融合处理、计算，并根据各个参数的不同需要进行不同组合，然后将组合数据换算成步进电机步数，控制各电机运动(前进、后退、快、慢等)，以寻找到所须测量位置进行测量，将测量数据进行存储、显示。
本发明与现有技术相比的有益效果是本发明采用非接触式测量，在满足测量精度的前提下，使用少量的测量传感器、采用最简单的运动机构进行轮对的测量，不仅提高了设备的可靠性、降低成本提高产品的综合竞争能力。本发明检测结果如下是轮径D，重复测量平均值误差±0.06mm/20次；轮缘厚Sd，重复测量平均值误差±0.07mm/20次；轮缘高Sh，重复测量平均值误差±0.05mm/20次；轮对内距Ar，±0.04mm/20次。该设备运行正常、可靠，具有自动化程度高，操作直观简便，检测精度高等特点。
图1为本发明的组成原理框图；图2为本发明数据采集卡框图；
图3为本发明的运动控制卡框图；图4为本发明的图像采集卡框图；图5为本发明的左测量部分的总装配图(右测量部分与左测量部分相同)；图6为本发明的轮对各参数分布及测量原理示意图。
图5、图6中的标号意义如下1为PSD型激光传感器，2为X向运动电机，3为X向运动工件台，4为X向限位开关，5为Y向限位开关，6为Y向运动电机，7为Y向轴角编码器，8为Y向运动工件台，9为X向轴角编码器，10为CCD型激光传感器，11为电磁式涡流传感器，12为被测参数轮辋宽，13为被测参数轮对内距，14为被测参数轮缘厚，15为被测参数轮缘高。
具体实施例方式
如图1所示，本发明由测量系统、运动系统和控制系统组成，其中测量系统对应左右轮饼分为两套，包括左右涡流型传感器、左右PSD型传感器和左右CCD型传感器，其测量的数据输出至控制系统的数据采集卡；运动系统也分为两套，由左右X向电机及驱动器、左右Y向电机及驱动器、左右X向和Y向限位开关、左右X向和Y向编码器，左右X向和Y向电机驱动上述测量系统中的左右涡流型传感器、左右PSD型传感器和左右CCD型传感器沿X方向和沿Y方向运动，以采集测量数据；控制系统由用于采集测量系统测量数据的数据采集卡、用于采集CCD图像数据的图像采集卡、用于驱动控制系统运动的运动控制卡及起控制作用的上位工控机组成，数据采集卡、图像采集卡和运动控制卡通过I/O接口分别与上位工控机相接，测量系统、运动系统在工控机统一控制下进行工作，测量系统中各传感器输出的模拟信号经放大后，输入到数据采集系统进行A/D转换，变成相应数字信号，输入工控机；运动系统中的各编码器信号同样经放大进行A/D转换，再输入工控机，工控机将各传感器及编码器数据进行融合处理、计算，并根据各个参数的不同需要进行不同组合，然后将组合数据换算成步进电机步数，控制各电机运动(前进、后退、快、慢等)，以寻找到所须测量位置进行测量，将测量数据进行存储、显示。
如图2所示，上述的数据采集卡的型号是PCI-9114，它是一款具有16位A/D和1K FIFO的高精度，高性能的数据采集卡。模拟信号经过16路差分或者32单端的多路器进入可编程增益放大器PGA，产生1、10、100、1000倍的增益进入16位的A/D，产生16位精度的数字信号经由FIFO、PCI控制器、PCI总线进入工控计算机，并且工控计算机可以发送指令通过PCI总线到达PCI控制器，经过时间器8254到达A/D控制器，调节放大增益和选择数据通道。此外PCI-9114还具有两个独立的16路数字I/O口，可以通过工控计算机产生或接收16路数字信号。
如图3所示，运动控制卡主要由主控DSP芯片，逻辑控制芯片和电机控制芯片，I/O控制芯片等四部分组成，与主控计算机通过PCI总线相连，进行数据交换。
运动控制卡的工作过程工控机输出的运动控制指令通过运动控制函数库转化为机器码通过PCI总线发送到运动控制卡，然后运动控制卡向各电机驱动器发送脉冲和方向信号。外部的报警、行程、编码器和通用I/O信号通过光点隔离进入运动控制卡，并由运动控制卡将位置，状态等信息经过PCI总线发送给主控计算机。
如图4所示，图像采集卡由主控芯片，AD，FIFO，和PCI桥控制电路组成。
图像采集卡工作原理PAL制与NTSC制一般都是模拟信号，图像采集卡可完成对它的A/D转换。图象采集卡先对输入视频信号以4:2:2格式进行采样，然后进行量化，一般对YUV(也即对RGB)各8bit量化，经由FIFO，并通过PCI桥经过PCI总线实时传到内存和显存。在采集过程中，由于采集卡传送数据采用PCI Master Burst方式，图象传送速度高达33MB/S，可实现摄像机图像到计算机内存的可靠实时传送，并且几乎不占用CPU时间，留给CPU更多的时间去做图像的运算与处理。
各传感器的连接安装关系如图5所示左右测量系统由6个(左右各3个)传感器组成，首先图中的三个传感器1、10、11均可在Y向电机6的带动上下运动以实现对不同大小轮对参数的测量，其运动距离由编码器7测量参与轮径D的计算；另外主测量传感器10又可在X向电机2带动下水平运动以实现轮对不同参数的测量，因为不同参数对应截面在轮对轴向不同位置，其运动距离由另一编码器9测量以反馈控制电机2带动主测量传感器10运动到轮径D的截面位置以及参与轮缘厚Sd的计算。在机械设计方面主要考虑以下三点一是传感器1和11要保证中心在同一高度；另外要保证传感器1和11处于轮对测量位置时，主测量传感器与轮对表面的距离要在其测量范围以内；三是在机械装配方面在保证X方向、Y方向导轨运动直线性及相互正交性均在10角秒以内才能确保测量参数的准确性。
如图6所示，本发明被测主要参数及其分布，轮径D(725-855mm)，轮缘高度Sh(26-36mm)，轮缘厚Sd(12-35mm)，轮辋宽W(127-145mm)，轮对内距Ar(1345-1365mm)。要求重复测量的平均值误差小于±0.1mm；根据以上示意图列出各参数的计算公式D＝(B1-by1-C11cosθz)(2Sh＝by2+by3+(C13(C11)cos(z；
Sd＝B3+bx1(W1(bx2(C12sin(z；W＝B2(P1(W1Ar＝B4+w1+w2其中B1为轮对中心轴到左CCD初始位置的Y向距离；B2为PSD传感器与涡流传感器之间X向的安装距离；B3为CCD传感器初始位置与涡流传感器之间的水平距离；B4、B5、B6分别与B1、B2、B3对应一致；B4为两个涡流传感器之间的距离。bx1、bx2、bx3分别为X轴编码器。测量工件台的各位移量；by1、by2、by3分别为Y轴编码器测量工件台的各位移量；C11、C12、C13分别为CCD传感器测量轮对表面的距离值；P1为PSD传感器测量到轮对外边缘的距离；W1为涡流传感器测量到轮对内边的距离；(z为CCD传感器出射光与Y轴的夹角。
测量部分为左右两套，分别固定于龙门架横梁两侧，对应左右轮饼。各测量传感器运动到相应位置实现对各项参数的测量，其中利用左右涡流传感器W的组合测量Ar；利用CCD传感器、涡流传感器与X、Y轴编码器组合测量D和Sd；利用PSD传感器与W传感器组合测量W；利用CCD传感器与X、Y轴编码器组合测量Sh。
上述各传感器的组合测量是一在找轮径D的测量截面位置必须先知道图5中11涡流传感器的测量值，再根据B3值算出图5中2(X向运动电机)该运动的距离，由9(X向轴角编码器)计量；二轮缘高的测量也是通过组合CCD型激光传感器在轮径D截面位置及最高点处测量值综合在此过程中6(Y向电机)的运动距离；三是轮缘厚的测量也必须通过图5中11涡流传感器的测量值以及找到轮缘厚所在截面时图5中2(X向运动电机)在X方向运动的距离。
具体测量过程如下测量开始前，各测量传感器停在各起始位置，启动测量后，全部测量传感器在Y向电机带动下往下运动by1，停在针对不同大小轮对合适的测量位置，图5中的1和11分别测出各自到轮对边缘的距离P1和w1，进而算出图6中的12轮辋宽W及13轮对内距Ar，系统再以w1为基准，X向电机(图5中的2)往轮对外边缘运动寻找轮径D的测量点，当满足70-B3+w1-bx1+C11sinθz＝0时，此点即轮径所在点，电机停止下来测量，计算式为D＝(B1(by1(C11cos(z)(2，其中B1为轮对中心轴到左CCD初始位置的Y向距离。测量完轮径D后，CCD激光器往回走寻找轮缘厚所在点，此点满足的关系式为(C12-C11)cos(z+12-by2＝0。最后再测量Sh，此测量点的寻找主要靠主激光CCD传感器在扫描过程中，当出现一最小值时即为最高点所在处。在寻找上述三点的过程中，图5中的9和7(X、Y向编码器)分别记下此时的坐标值，以便参与最后参数的计算。最高点测量完后，Sh＝by2+by3+(C13(C11)cos(z系统计算出轮缘高。待测量完以上各参数后，数据自动存储在相应的目录下。各系统自动复位到测量前的状态，等待下一轮对的测量。
此外，本发明还针对轮对复杂表面状况，主要采取了以下措施一是对缺陷点的剔除(整个一圈采多点求出平均值，去除比此值差一定值的数据，再将剩下数再平均处理得出最后值以保证更接近于轮对真值)二是轮对轮缘厚截面的找寻(激光在扫描轮缘厚截面前后过程中出现的一系列点从中找出最满足所寻点条件的点，再于此点基础上找出比此最满足点大一定范围的数据，将各数据对应的激光器所处X方向坐标值进行平均，即为真正的轮缘厚截面处对应的测量坐标)。
而且，根据轮对的情况以及轮对旋转检测的特点，选择以轮对轴承外圈为检测定位的基准通过轮对半径角方向扫描测量方式，用半径数据(闭合圆周)进行处理，从而得到被测轮对直径较高的重复测量精度。
权利要求
1.火车轮对落轮在线自动检测设备，其特征在于包括测量系统、运动系统和控制系统，其中测量系统对应左右轮饼分为两套，左测量系统和右测量系统，包括左右涡流型传感器、左右PSD型传感器和左右CCD型传感器；运动系统也分为两套，由左右X向电机及驱动器、左右Y向电机及驱动器、左右X向和Y向限位开关、左右X向和Y向编码器；控制系统由用于采集测量系统测量数据的数据采集卡、用于采集CCD图像数据的图像采集卡、用于驱动控制系统运动的运动控制卡及上位工控机组成，数据采集卡、图像采集卡和运动控制卡通过I/O接口分别与上位工控机相接，测量系统、运动系统在工控机统一控制下进行工作，测量系统中各传感器输出的模拟信号经放大后，输入到数据采集卡进行A/D转换，变成相应数字信号，输入工控机；运动系统中的各编码器信号同样经放大进行A/D转换，再输入工控机，工控机将各传感器及编码器数据进行融合处理、计算，并根据测量参数的需要进行组合，然后将组合及计算数据换算成步进电机步数，控制各电机运动，以寻找到所须测量位置进行测量，将测量数据进行存储、显示。
2.根据权利要求1所述的火车轮对落轮在线自动检测设备，其特征在于所述的左右涡流传感器的组合测量轮对内距Ar；利用CCD传感器、涡流传感器与X、Y轴编码器组合测量轮径D和轮缘厚Sd；利用PSD传感器与涡流传感器组合测量轮辋宽W；利用CCD传感器与X、Y轴编码器组合测量轮缘高度Sh。
全文摘要
火车轮对落轮在线自动检测设备，包括测量系统、运动系统和控制系统，其中测量系统对应左右轮饼分为两套，包括左右涡流型传感器、左右PSD型传感器和左右CCD型传感器；运动系统也分为两套，由左右X向电机及驱动器、左右Y向电机及驱动器、左右X向和Y向限位开关、左右X向和Y向编码器；控制系统由数据采集卡、图像采集卡、运动控制卡及上位工控机组成，测量系统中各传感器输出的模拟信号经放大后，输入到数据采集卡进行A/D转换，变成相应数字信号，输入工控机；运动系统中的各编码器信号同样经放大进行A/D转换，再输入工控机，工控机将各传感器及编码器数据进行融合处理、计算，控制各电机运动。本发明具有自动化程度高、检测精度高、可靠性高、操作直观简便等优点。
文档编号G01B21/10GK1730336SQ20041000940
公开日2006年2月8日 申请日期2004年8月5日 优先权日2004年8月5日
发明者李声, 冯常, 廖礼斌, 游志宇, 仁宏伟 申请人:中国科学院光电技术研究所