一种检测铁路扣件松紧状态的装置及方法与流程

本发明涉及检测技术领域，尤其涉及一种检测铁路扣件松紧状态的装置及方法。

背景技术：

铁路扣件是维系铁路运输安全的重要部件，它是轨道上用以联结钢轨和轨枕(或其他类型轨下基础)的零件，又称中间联结零件。其作用是将钢轨固定在轨枕上，保持轨距和阻止相对于轨枕的纵横向移动。

铁路扣件松动很有可能酿成列车脱轨等重大事故。铁路扣件松动是铁路安全隐患中经常出现的问题，需要经常检修，是铁路维护中的一个重要方面。到目前为止，我国除了自动化程度较高的轨检车等主要用来检测轨道的几何参数变化外，大部分的维护工作仍然依靠大量有一定经验的巡道工人在铁路沿线上通过用手动测量的方法来进行日常的检查，存在一定的弊端，主要表现在：

(1)受天气原因以及工人的经验水平等因素的影响，检测的结果往往会有较大差异，准确率低，并且检测效率低下，很难满足当前铁路线路繁忙的运输要求。

(2)我国铁路线路网庞大，桥梁隧道众多，很多路段地处偏远，需要大量的巡道工人常年在比较艰苦的环境下工作，成本很高且愿意从事该项工作的工人数量逐渐减少。

(3)巡检过程中经常有列车运行，工人的人身安全严重受到威胁。

由于铁轨长度很长，铁路扣件很多，人工测量费时费力，且测量的误差较大。因此，传统的人工巡检铁路扣件是否松动的方式越来越不能适应现代化的铁路发展需要。

技术实现要素：

本发明实施例通过提供一种检测铁路扣件松紧状态的装置及方法，解决了现有技术中铁路扣件检测效率较低、精度较低、人工成本高、存在安全隐患的问题。

本发明实施例提供一种检测铁路扣件松紧状态的装置，包括：

移动小车，所述移动小车包括小车主体和车轮，所述移动小车两侧车轮之间的距离与两侧钢轨之间的距离相同，所述移动小车驾于所述两侧钢轨之上；

二维激光轮廓传感器，所述二维激光轮廓传感器安装于所述小车主体上，且所述二维激光轮廓传感器位于所述铁路扣件的上方；

伺服电机，所述伺服电机与所述车轮连接；

伺服驱动器，所述伺服驱动器安装于所述小车主体上，且所述伺服驱动器与所述伺服电机连接；

计算机主机，所述计算机主机安装于所述小车主体上；

显示器，所述显示器安装于所述小车主体上，且所述显示器与所述计算机主体连接；

可编辑逻辑控制器，所述可编辑逻辑控制器安装于所述小车主体上，且所述可编辑逻辑控制器分别与所述二维激光轮廓传感器、所述伺服驱动器、所述计算机主机连接。

优选的，所述二维激光轮廓传感器有四个，分别为第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器；所述第一传感器和所述第二传感器对称设置于所述小车主体左面的内外两侧，且位于左侧铁路扣件的上方；所述第三传感器和所述第四传感器对称设置于所述小车主体右面的内外两侧，且位于右侧铁路扣件的上方。

优选的，所述检测铁路扣件松紧状态的装置还包括：

传感器安装固定架，所述二维激光轮廓传感器通过所述传感器安装固定架可调节地安装于所述小车主体上。

优选的，所述检测铁路扣件松紧状态的装置还包括：

报警装置，所述报警装置安装于所述小车主体上，所述报警装置与所述计算机主体连接。

优选的，所述检测铁路扣件松紧状态的装置还包括：

蓄电池，所述蓄电池安装于所述小车主体上，所述蓄电池为所述检测铁路扣件松紧状态的装置供电。

另一方面，提供一种检测铁路扣件松紧状态的方法，包括以下步骤：

获得移动小车的位置数据；

根据所述移动小车的位置数据对待测铁路扣件进行定位、编号；

通过二维激光轮廓传感器对所述待测铁路扣件进行扫描，并得到所述待测铁路扣件的坐标数据；

将所述待测铁路扣件与标准铁路扣件的坐标数据进行对比，分析误差，根据所述误差得到所述待测铁路扣件的松紧状态。

优选的，通过伺服电机带动所述移动小车的车轮转动，通过伺服驱动器控制所述伺服电机的转速，通过伺服驱动器获得所述移动小车的位置数据。

优选的，将沿钢轨的方向记为x轴，对于每个所述待测铁路扣件，所述二维激光轮廓传感器在x轴方向上采集n条轮廓线，每条所述轮廓线上采集m个轮廓点，每个所述轮廓点的坐标记为(y，z)。

优选的，所述分析误差包括:

将坐标数据可视化为三维图像，通过计算机处理得到所述待测铁路扣件与所述标准铁路扣件的三维图像的误差；

将坐标数据可视化为二维图像，通过计算机处理得到在x轴方向上所述待测铁路扣件与所述标准铁路扣件的所述轮廓线的误差；

将所述待测铁路扣件与所述标准铁路扣件的所述坐标数据进行对比，通过计算机处理得到所述待测铁路扣件在z轴方向的误差。

优选的，若所述z轴方向的误差大于设定范围，则发出报警信号，并记录所述待测铁路扣件的所述编号。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

在本发明实施例中，提供一种检测铁路扣件松紧状态的装置及方法，控制移动小车自动前进，将移动小车的位置数据反馈给计算机；通过二维激光轮廓传感器对待测铁路扣件进行扫描，并得到待测铁路扣件的坐标数据；将待测铁路扣件与标准铁路扣件的坐标数据进行对比，分析误差，根据误差得到待测铁路扣件的松紧状态。本发明能够自动检测铁路扣件松紧状态，因此能够有效提高检测精确度和效率、降低人工成本、消除安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例2提供的一种检测铁路扣件松紧状态的装置的结构示意图；

图2为二维激光轮廓传感器对待测铁路扣件进行扫描的示意图；

图3为一条轮廓线的曲线图。

其中，1-显示器、2-报警装置、3-计算机主机、4-二维激光轮廓传感器、5-钢轨、6-铁路扣件、7-可编程逻辑控制器、8-伺服电机、9-移动小车、10-传感器安装固定架、11-轨枕、12-伺服驱动器、13-蓄电池。

具体实施方式

本发明实施例通过提供一种检测铁路扣件松紧状态的装置及方法，解决了现有技术中铁路扣件检测效率较低、准确率较低、人工成本高、存在安全隐患的问题。

本发明实施例的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

一种检测铁路扣件松紧状态的装置，包括：

移动小车，所述移动小车包括小车主体和车轮，所述移动小车两侧车轮之间的距离与两侧钢轨之间的距离相同，所述移动小车驾于所述两侧钢轨之上；

二维激光轮廓传感器，所述二维激光轮廓传感器安装于所述小车主体上，且所述二维激光轮廓传感器位于所述铁路扣件的上方；

伺服电机，所述伺服电机与所述车轮连接；

伺服驱动器，所述伺服驱动器安装于所述小车主体上，且所述伺服驱动器与所述伺服电机连接；

计算机主机，所述计算机主机安装于所述小车主体上；

显示器，所述显示器安装于所述小车主体上，且所述显示器与所述计算机主体连接；

可编辑逻辑控制器，所述可编辑逻辑控制器安装于所述小车主体上，且所述可编辑逻辑控制器分别与所述二维激光轮廓传感器、所述伺服驱动器、所述计算机主机连接。

本发明通过伺服系统控制移动小车的前进，并对移动小车进行精确的定位；通过二维激光轮廓传感器对待测铁路扣件进行扫描，得到待测铁路扣件的坐标数据；可编程逻辑控制器与二维激光轮廓传感器、伺服驱动器、计算机主机连接，为整个系统通信，可编程逻辑控制器接收二维激光轮廓传感器和伺服驱动器发送来的数据；显示器与计算机主机连接，将数据可视化，便于分析处理。通过本发明提供的检测铁路扣件松紧状态的装置能够自动检测铁路扣件松紧状态，因此能够有效提高检测精确度和效率、降低人工成本、消除安全隐患。

另一方面，提供一种检测铁路扣件松紧状态的方法，包括以下步骤：

获得移动小车的位置数据；

根据所述移动小车的位置数据对待测铁路扣件进行定位、编号；

通过二维激光轮廓传感器对所述待测铁路扣件进行扫描，并得到所述待测铁路扣件的坐标数据；

将所述待测铁路扣件与标准铁路扣件的坐标数据进行对比，分析误差，根据所述误差得到所述待测铁路扣件的松紧状态。

本发明获得移动小车的位置数据、待测铁路扣件的坐标数据，通过将待测铁路扣件与标准铁路扣件的坐标数据进行对比，判断待测铁路扣件的松紧状态。通过本发明提供的检测铁路扣件松紧状态的方法能够自动检测铁路扣件松紧状态，因此能够有效提高检测精确度和效率、降低人工成本、消除安全隐患。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

本实施例提供了一种检测铁路扣件松紧状态的装置，包括：移动小车、二维激光轮廓传感器、伺服电机、伺服驱动器、计算机主机、显示器、可编辑逻辑控制器。

所述移动小车包括小车主体和车轮，所述移动小车两侧车轮之间的距离与两侧钢轨之间的距离相同，所述移动小车驾于所述两侧钢轨之上。

所述二维激光轮廓传感器、所述伺服驱动器、所述计算机主机、所述显示器、所述可编辑逻辑控制器安装于所述小车主体上；所述二维激光轮廓传感器位于所述铁路扣件的上方。

所述伺服电机与所述车轮连接，所述伺服驱动器与所述伺服电机连接；所述显示器与所述计算机主体连接；所述可编辑逻辑控制器分别与所述二维激光轮廓传感器、所述伺服驱动器、所述计算机主机连接。

实施例1通过伺服系统控制移动小车的前进，并对移动小车进行精确的定位；通过二维激光轮廓传感器对待测铁路扣件进行扫描，得到待测铁路扣件的坐标数据；可编程逻辑控制器与二维激光轮廓传感器、伺服驱动器、计算机主机连接，为整个系统通信，可编程逻辑控制器接收二维激光轮廓传感器和伺服驱动器发送来的数据；显示器与计算机主机连接，将数据可视化，便于分析处理。实施例1提供的检测铁路扣件松紧状态的装置能够自动检测铁路扣件松紧状态，因此能够有效提高检测精确度和效率、降低人工成本、消除安全隐患。

实施例2：

本实施例提供了一种检测铁路扣件松紧状态的装置，如图1所述，包括：显示器1、报警装置2、计算机主机3、二维激光轮廓传感器4、钢轨5、铁路扣件6、可编程逻辑控制器7、伺服电机8、移动小车9、传感器安装固定架10、轨枕11、伺服驱动器12、蓄电池13。

所述铁路扣件6的作用是连接所述钢轨5与所述轨枕11，将所述钢轨5固定在所述轨枕11上，保持轨距和阻止所述钢轨5相对于所述轨枕11的纵横向移动。

所述移动小车9包括小车主体和车轮，所述移动小车9两侧车轮之间的距离与两侧钢轨5之间的距离相同，所述移动小车9驾于所述两侧钢轨5之上。

所述二维激光轮廓传感器4、所述伺服驱动器12、所述计算机主机3、所述显示器1、所述可编辑逻辑控制器7、所述报警装置2、所述蓄电池13安装于所述小车主体上；所述二维激光轮廓传感器4位于所述铁路扣件6的上方。

伺服系统由所述伺服电机8和所述伺服驱动器12组成，所述伺服电机8与所述车轮连接，所述伺服驱动器12与所述伺服电机8连接；由所述伺服驱动器12控制所述伺服电机8的转动，带动所述移动小车9以所需要的速度前进；同时所述伺服电机8自带编码器，所述伺服驱动器12通过位置控制模式对所述伺服电机8进行精确的定位，同时实现对所述移动小车9的精确定位。

所述二维激光轮廓传感器4利用激光束在被测目标表面产生的轮廓线来实现二维轮廓的非接触式测量。通过所述二维激光轮廓传感器4连续扫描所述铁路扣件6，得到所述铁路扣件6在y轴(垂直于钢轨的方向)、z轴(铁路扣件的高度方向)方向的坐标数据。

所述可编辑逻辑控制器7分别与所述二维激光轮廓传感器4、所述伺服驱动器12、所述计算机主机3连接。整个系统通过所述可编辑逻辑控制器7进行通信，所述可编辑逻辑控制器7接收所述二维激光轮廓传感器4以及所述伺服驱动器12发送来的数据，并将数据存储到存储区，然后与所述计算机主机3通讯，由所述计算机主机3将存储区的数据读取出来。同时，所述可编辑逻辑控制器7连接所述伺服驱动器12，进而对所述伺服电机8进行运动控制，收集所述移动小车9的位置数据以便于对所述铁路扣件6进行定位。通过所述可编辑逻辑控制器7将所述铁路扣件6在y轴(垂直于钢轨的方向)、z轴(铁路扣件的高度方向)方向的坐标数据传递给所述计算机主机3。整个装置的开关量控制也是通过所述可编辑逻辑控制器7实现。

所述计算机主机3主要用于连接所述可编程逻辑控制器7，运用编程软件对收集到的数据进行处理和分析，判断所述铁路扣件6是否存在松动的状态。

所述二维激光轮廓传感器4通过所述传感器安装固定架10可调节地安装于所述小车主体上。所述传感器安装固定架10可上下调节，通过对所述二维激光轮廓传感器4的安装位置进行调整，能够实现对不同型号所述钢轨5、不同型号所述铁路扣件6进行不同精度的检测，使检测更精确。

所述二维激光轮廓传感器4有四个，分别为第一传感器、第二传感器、第三传感器、第四传感器；所述第一传感器和所述第二传感器对称设置于所述小车主体左面的内外两侧，且位于左侧铁路扣件的上方；所述第三传感器和所述第四传感器对称设置于所述小车主体右面的内外两侧，且位于右侧铁路扣件的上方。选取四个所述二维激光轮廓传感器4是因为一条所述轨枕11左右两端一共有四个所述铁路扣件6。

所述显示器1与所述计算机主体3连接，用于将数据可视化，便于分析处理。

所述报警装置2与所述计算机主体3连接，在实时监测的过程中，一旦发现所述铁路扣件6松动，立马发出报警信号，以便于技术人员及时修理所述铁路扣件6。

所述蓄电池13与整个装置的各个硬件相连，为所述检测铁路扣件松紧状态的装置供电。

实施例2通过二维激光轮廓传感器对铁路扣件进行连续扫描，通过伺服系统带动移动小车自动匀速前进，通过可编辑逻辑控制器的通信和数据传递处理功能以及计算机软件的分析，可以实现对铁路扣件是否安全压紧的实时自动连续检测，省时省力，并且能够提高检测的精确度。此外，采用可上下调节的传感器安装固定架，能够实现对多型号的铁路扣件进行检测，通过调节安装位置找到最佳的检测高度，能够进一步地提高检测精度。

利用实施例1或实施例2提供的装置，提出一种检测铁路扣件松紧状态的方法。

实施例3：

一种检测铁路扣件松紧状态的方法，包括以下步骤：

步骤一：获得移动小车的位置数据。

将所述移动小车驾于两侧钢轨之上，通过计算机软件启动系统，移动小车开始以c毫米/秒的速度匀速前进。

通过伺服电机带动所述移动小车的车轮转动，通过伺服驱动器控制所述伺服电机的转速，通过所述伺服驱动器获得所述移动小车的位置数据。

步骤二：根据所述移动小车的位置数据对待测铁路扣件进行定位、编号。

所述伺服驱动器将所述移动小车的位置数据传递给可编辑逻辑控制器plc，计算机通过软件编程利用所述移动小车的位置数据对铁路扣件进行定位，并编号。

步骤三：通过二维激光轮廓传感器对所述待测铁路扣件进行扫描，并得到所述待测铁路扣件的坐标数据。

将沿钢轨的方向记为x轴，对于每个所述待测铁路扣件，所述二维激光轮廓传感器在x轴方向上采集n条轮廓线，每条所述轮廓线上采集m个轮廓点，每个所述轮廓点的坐标记为(y，z)，如图2所示。图3为其中一条轮廓线的曲线图。

具体的，系统启动后，四个所述二维激光轮廓传感器同时开始连续扫描，所述二维激光轮廓传感器的扫描速度为每秒扫描b个轮廓。所述移动小车的前进速度为c毫米/秒(前进速度由伺服电机转速决定)，因此，在x轴方向(沿钢轨的方向)，所述二维激光轮廓传感器每隔c/b毫米，采集一条轮廓线。

通过计算机软件编程来判断识别采集到的所述待测铁路扣件的第一条轮廓线，在x轴方向，每个铁路扣件的检测范围内一共采集n条轮廓线(n由二维激光轮廓传感器检测范围决定)。

按照所述二维激光轮廓传感器在y轴方向的检测范围，在y轴方向每隔h(单位一般为微米)个距离，取一个轮廓点，共取m个点(m取的数值越大，检测精度越高)，坐标记为(y，z)。

可编辑逻辑控制器plc存储这些数据并传递给计算机，计算机软件处理采集到的数据，并且可以将数据可视化为铁路扣件的二维或三维图像，在显示器上可以实时看到铁路扣件的图像变化。

系统中存储了标准铁路扣件的坐标数据，所述标准铁路扣件指按照要求安装并安全压紧的铁路扣件。

采用与扫描待测铁路扣件同样的方式对所述标准铁路扣件进行扫描，采集所述标准铁路扣件在x轴方向上扫描得到的共n条轮廓线上的m×n个点，对这些点的坐标数据进行标定。可以进行多次标定，提高精确度，同时所述标准铁路扣件的坐标数据也可以可视化为二维或三维图像。

步骤四：将所述待测铁路扣件与标准铁路扣件的坐标数据进行对比，分析误差，根据所述误差得到所述待测铁路扣件的松紧状态。

所述分析误差包括:

(1)将坐标数据可视化为三维图像，通过计算机处理得到所述待测铁路扣件与所述标准铁路扣件的三维图像的误差；

(2)将坐标数据可视化为二维图像，通过计算机处理得到在x轴方向上所述待测铁路扣件与所述标准铁路扣件的所述轮廓线的误差；

(3)将所述待测铁路扣件与所述标准铁路扣件的所述坐标数据进行对比，通过计算机处理得到所述待测铁路扣件在z轴方向的误差。

若所述z轴方向的误差大于设定范围，则发出报警信号，并记录所述待测铁路扣件的所述编号。

计算机通过分析误差的上述三步来分析所述待测铁路扣件和所述标准铁路扣件之间的误差，即图像处理初步分析三维图像误差、图像分析n条轮廓曲线误差、判断铁路扣件在z轴方向的高度变化是否合理。

通过待测铁路扣件目前固定的高度位置与标准铁路扣件固定的高度之间的差距是否大于设定精度来判断待测铁路扣件在z轴方向的高度变化是否合理。

如果不合理，便触发报警装置，提醒检测人员所检测的铁路扣件发生松动。同时通过伺服驱动器的定位模式，对于检测到发生松动的铁路扣件按照编号记录在计算机中，以便于技术人员后期对铁路扣件进行修复处理，保证铁路的正常运行。

从整个操作流程来看，主要操作流程包括：

(1)参数设置

对移动小车以及其上的各种部件的工作参数如工作频率、工作电压、二维激光轮廓传感器精度、铁路扣件型号、标准铁路扣件属性、报警声音等进行设置。

(2)检测

点击计算机软件的开始运行，各个硬件部分开始工作，移动小车前进，计算机开始采集数据，并进行数据处理，将所检测铁路扣件与标准铁路扣件进行对比，分析误差，误差过大设定范围，则说明铁路扣件发生松动，每检测完一个铁路扣件，系统会自动保存所检测到的数据，如发生铁路扣件松动，发出报警信号并将不合格的铁路扣件的编号信息存储在计算机内，便于技术人员处理。

(3)检测结果查询

检测完以后将检测结果存入数据库,技术人员可以通过系统菜单中的数据查询模块对检测信息进行查询。

实施例3提供的一种检测铁路扣件松紧状态的方法，控制移动小车自动前进，并将移动小车的位置数据反馈给计算机；通过二维激光轮廓传感器对待测铁路扣件进行扫描，并得到待测铁路扣件的坐标数据；将待测铁路扣件与标准铁路扣件的坐标数据进行对比，分析误差，根据误差得到待测铁路扣件的松紧状态。本发明能够自动检测铁路扣件松紧状态，因此能够有效提高检测精确度和效率、降低人工成本、消除安全隐患。

本发明实施例提供的一种检测铁路扣件松紧状态的装置及方法至少包括如下技术效果：

在本发明实施例中，提供一种检测铁路扣件松紧状态的装置及方法，控制移动小车自动前进，并将移动小车的位置数据反馈给计算机；通过二维激光轮廓传感器对待测铁路扣件进行扫描，并得到待测铁路扣件的坐标数据；将待测铁路扣件与标准铁路扣件的坐标数据进行对比，分析误差，根据误差得到待测铁路扣件的松紧状态。本发明能够自动检测铁路扣件松紧状态，因此能够有效提高检测精确度和效率、降低人工成本、消除安全隐患。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。