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F 10018, of of is an of of of an of of on is in h. CD to of of of 1 In to of a its to of of is of of of is by is is In 60h. of is an of of on of of Up to of to by of by of in ,2,3,4. be , on on , no of of is to of is in a of 2 of is a by an 1 is of a is is t no is is a on 0mm to . is a on of be at on is to of is on of is to of be if So of A to of in So of on of of to of on of If a at a to in be by of be It of be of of by of A to of on to of is to at So of is of in of CD in of be or CD In to CD of is by of of in by SP 1: of 70 on In to a of in CD CD to CD 024 768. of 505(1)(2)(3)(4) (5)6) h, of 2010241/10000s, 65015 5of of of by a to by be in of a on an A of at be If to be of be to of is 3 of on of of to in to of to be to In t to of 4 by as by of by so be In If 0km/h , e or of So to If of 00 be .1 of of mm of .0 5 A in of of of of 1) (2) 20040446) 3) 2005 1 et “on 40(2): 112002. 2 i, “ 40(1): 192002. 3 “on of of 31(3): 4652005. 4 “ 27(3): 298306, 2006. 5 i, “of in of of 6, 342004. 6 “on of on 6150, 615022006. 7 1998 “ 1998. I/O 轮副直径参数的联机测量办法与测量系统 州电子大学自动化学院 中国杭州 310018 键词 ： 轮辐直径，联机测量，光电测量，自动测量系统 摘要 ： 轮辐直径参数的测量是确保 车辆系 安全运行的一个重要环节。车轮的磨损程度与列车增加的速度成正比。这篇论文介绍了当列车在以 5米 /时的低速运行时，运用光电探测技术的一种对运行中的齿轮的直径参数联机测量的方法。此法利用精密激光位移传感器，高速高分解 数字图象处理技术实现轮辐参数的无接触自动测量。这些参数主要包括直径，圆度及直径偏差。测量的精确度的主要影响方面是对机械装置，震动装置和启动装置的误差的分析 。自动测量系统因此而生。此系统包含车轮探测器，激光位移传感器，半导体激光器来源， 机图象搜索器处理电路。理论与实践的结果表明，直径参数的测量精确度在 米内。此精确度与联机直径测量的要求正好符合。 1 绪论 为了确保运行中的列车的安全，自动地规律地探测轮辐的状况很重要。轮辐的磨损度是影响列车运行的安全性，稳定性的几个主要方面之一。在中国，轮辐磨损度的测量方法仍是静止的，人工的，而这限制了它的准确性与可靠性。不同的操作人员得出的结果往往大不相同，探测效率也很低。近年来，其运行速度已达到 160米 /时。但其磨损的程度与速度比以前快了很多。静止的人工的测量方法已不能适应高速列车的发展。探索自动联机的方法是运输与维修部门的紧急需要。 轮辐的磨损参数包括几何参数与表面缺陷。主要的几何参数包括边缘厚度，边缘高度，车轮直径，圆度，直径差异等等。表面缺陷包括车轮支撑面上的擦伤，发裂。这些参数是影响车辆安全性，稳定性的主要方面。这篇论文主要介绍联机直径参数的测量方法与测量系统。 至今为止，尤其在中国，大多数维修工厂仍通过手动使用专门的机械工具来测量几何参数。这些工具包括专业游标弯脚规，车轮直径尺，内边缘距离 尺，会磨损坏掉。这些工具的使用程度会影响测量效果。手动人工的工作方式带来的是高强度劳动量和低工作效率。不同操作员引起的人为因素可能会产生各种各样的不同的误差，其测量精密度，可靠性，可重复性不符合轮辐维修部门的要求。 自动测量方法与系统已被研究多年 1,2,3,4。而这些方法仅仅适合于维修工厂，而且车辆要被分解。一些国家，例如德国 5，日本，意大利和美国，已不同原则地发展了联机检测系统。这些系统非常昂贵，还没有被广泛使用。在中国，这个领域也有研究 6，但没有实际的设备发展。 正常的测量与维修不能满足维修 的要求。轮廓参数的联机测量在低速运行的列车对于区别与预测失误很重要。预防的维修会大大降低维修成本。这篇论文介绍一种新的无接触直径参数联机测量方法与系统。 2 测量方法 径参数的定义 车辆系的轮辐是通过挤压两个车轮形成一个轮轴的卷型部分。图 载物轮区域的轮廓（ 滑动面（ 指与铁轨接触的部分。右平面是指内边缘平面。平面与铁轨不接触，没有磨损。内边缘平面与滑动面（ 间的部分叫轨底。绝缘绕阻点是指在滑动面上的一个基本点，距离内边缘平面 70 毫米 7。 齿轮的滚动 圆是指过滑动面上绝缘绕阻点的一个圆圈。滚动圆的平均直径等于车轮直径。圆度得自不同位置滚动圆的直径。直径差异是指左右车轮的差异。这些参数属于几何参数。 量原则 直径参数的测量原则是基于由光束组成的图象设计。根据直径参数的定义，如果可以获得滚动圆，直径可以推断出来。当车辆运行时，左右机械装置不可避免的，所以滚动圆的位置是无法确定的。激光位移传感器被用来获取内边缘平面的位置，这样滚动圆的位置就可以确定了。两道来自半导体激光器的光束沿着滚动圆的滚动方向照亮滑动面表面。滚动圆在两道光束之间。两道光束间的空隙的 设计是为了确保滚动圆总在这里。外来的视觉光源平面并列滚动圆平面 ,两道亮光带在滑动面上形成。较窄的光带记录车轮的直径信息。 若 应器在与外来视觉平面相关的某一角度获取了图像带，轮廓信息图像中就可以记录轮廓信息。然后几何参数就能够通过数字图像处理方法记录下来。 边缘平面的位置 在测量直径之前绝缘绕阻点的位置应该确定下来。这表明内边缘平面的位置应该由图 确定下来。内边缘平面的位置是多种多样的，因为不同的轮辐有不同的内边距。内边缘平面的位置的精确度直接影响直径测量的效果。用三角测量原则，用精密激光 位移传感器精确获取内边缘平面的位置。感应器拥有色彩补偿功能，适应表面色彩的改变。位置的精确度是 米，反应时间低于 1 秒钟。这个特点能够满足联机测量的需要。 象的获取与处理 要获得图象，关键问题是如何获得某一位置清晰的滑动面轮廓。所以光源的相关位置， 车轮检测器都非常重要，因为列车的运动会使两个局域图象的连续交搭，能在结构方式中工作。只有单一局域的图象能被获得，而 持先进的浏览方式。为了获得清晰的图象，曝光时间一定要短， 图象获得卡必须支持异步复位方式。取得的一瞬要由车 轮探测感应器控制。用高速图象获取卡通过 式能够获得图象。图 2：轮辐 自然光对于获取的原始图象是有影响的。为了提高原始图象的质量，获得高质量的图象 们要在 镜前加上一个和激光源匹配波长的窄带视觉过滤器。除此以外， 电子曝光时间要控制住，以免图象模糊。 分辨率是 1024 768。激光光源的中央波长是 650 纳米，波宽是 15 纳米。 电子曝光时间是 1/10000 秒。 因为激光束 米宽，所以原始轮廓弯曲的图象会被扩散，轮廓弯曲中央线的宽度就能通过下列得出：（ 1）几何矫正，（ 2）观察口 交界处均匀校平（ 3）开端分割（ 4）修磨（ 5）边缘处理（ 6）曲线适合的算法 图 4表明了数字图象处理的结果（图象数据：速度： 时激光源的功率： 20辨率： 1024 768， 曝光时间： 1/10000 秒，光波长度： 15 纳米，两光束距离： 5纳米，光波宽度： 米）。 轮直径的测量 按照 图 由激光位移传感器决定的内边缘平面的位置，根据光束和基点之间的相关位置，滚动圆可以配合上见。视觉图象系统决定了目标图象放大率，而目标图象放大率会在计算处理中使用。如果知道在弧上的 3 个点的坐标，圆 的直径就能确定。不同位置的圆的直径能够在 图 基础上推断出来。当车辆滚动到不同位置，如果获得了图象知道了其它直径的数值，车轮的直径等于这些直径的平均值。根据这些直径，圆度也可以算出来。直径的差异是左右轮直径的最大不同所在。 3 测量系统 此系统由车轮探测器，精密激光移植传感器，激光光源， 及透镜，视觉窄带过滤器，信号处理，隔离扩大电路，图象获取电路，接口电路，控制电路和工业控制计算机组成。测量器的布局是匀称的。为了确保精确性与可靠性，每边两到三个测量器是必要的。 所有的原始数据和测量出的参数都会传送 到数据库，然后通过网络传到中央控制计算机上做进一步的处理与分析。 在探测处理中，激光光源， 激光移植感应器和轮辐并不接触。这种方法拥有高的位置精确度和简化的图象获取装备。 利用这种无接触测量方式，维修就变得很简单，而且它还有可靠性高，准确性高，可重复性高的特点。 4 误差分析 测量的精确度由很多方面 影响，比如透镜象差， 辨率，由车轮探测器引起的启动装置误差，机械装置误差，内边缘平面定位装置的误差，由震动引起的误差和图象获取与处理误差等。因为 测量器由铁路和车轮确定，所以震动装置的误差可以忽略。这些误差当中，机械装置和启动装置的误差是主要误差。 械装置中的误差 如果运行速度是 10 千米 /时，曝光时间在 1/10000 秒，运动误差 e 会在 米。 动装置的误差 启动的时刻可能会先于或后于设计的时间和位置，所以图象的获取与预计的时间也会不同。如果车轮探测器的反应速度是 100 动位置误差会小于 米。 见误差 激光位移传感器的位置精确度是 米。图象处理的算法误差是一个要素。机械装置和启动装置的误差是 米和 米。实验结果表明直径测量的的常见误 差是在 米内。 5 总结 这里已经介绍了一种新的测量轮辐直径的方法。这种方法结合光电测量与数字图象处理技术一起实现直径参数的无接触自动测量。人们设计了这种动态才测量系统。直径参数的测量精确度在 米以内。它的可重复性与精确度能够满足联机轮辐维修的要求。 参 考 文 献 1 于用激光传感器测量轮缘剖面的实验研究 40(2)： 112002. 2 i, 于数码相机的轮辐剖面测量 . 铁路交通 ， 40(1)：192002. 3 于运用光电子设备对轮副剖面测量的缺点研究 31(3)： 4652005. 4 副的光电子自动测量系统 27(3)： 298306, 2006. 5 i, 电磁及超声波技术在齿轮探伤中的应用与探测信号处理，车头及整车技术， 6, 342004. 6 关于运用光电子设备对运动轮副的测量缺点的理论研究， 国际光学工程学会 ， 6150, 615022006. 7 铁路交通 1998 辐与旋转轴的配合与校核，北京 ：中国铁道出版社 ， 期：测量方法流程图、 I/O 控制图像信 息获取、工业计算机图像信息获取数据库测量及单位控制数据处理 .
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