一种测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法与装置的制造方法
一种测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法与装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法与装置，属于钢轨检测
技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，高速铁路都采用了无缝钢轨的轨道铺设形式，无缝钢轨的焊缝接头的平直 度将会直接影响钢轨的平直度，在铺轨作业过程中，钢轨焊缝位置的平直度不合格的钢轨 一方面增加钢轨精调的难度和周期，另一方面很难保证钢轨的长期稳定性。所以无缝钢轨 的焊接部位的平直度是确保无缝线路整体平直度的重要因素。在无缝钢轨的焊接作业中， 钢轨的外观几何尺寸，特别是钢轨的轨顶宽、轨底宽、轨高、平直度和扭曲度等参数，是影响 焊接后钢轨平直度的重要因素，其原因如下：
[0003] 1)钢轨断面尺寸（特别是轨顶宽、轨高、轨底宽等参数）；当焊接在一起的两根钢 轨端部的轨顶宽或轨底宽尺寸不一致或差别较大时，焊接后的钢轨的侧面平直度就难以保 证；当钢轨高的尺寸不一致或差别较大时，焊接后的钢轨的顶面平直度就难以保证；这样， 一方面将增加焊接后打磨的工作量，降低焊接作业的效率，提高焊接成本外，另一方面也降 低了成品钢轨的质量；
[0004] 2)钢轨端部的平直度和扭曲度：焊接在一起的两根钢轨端部的顶面平直度、侧面 平直度或扭曲度直接影响焊接后钢轨的平直度和扭曲度，这将增加焊接后打磨的工作量， 同时还对焊接后的调直工艺提出更高的要求，增加调直的周期，也将降低成品钢轨的质量。
[0005] 所以焊接前钢轨的外观几何尺寸将直接影响到焊接后钢轨的品质，继而影响到铺 设后无缝轨道的平直度，所以对焊接前钢轨外观几何尺寸的控制对提高无缝钢轨的质量至 关重要。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法与装置，以 便更好地针对钢轨外观几何尺寸和表面质量进行检查。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
[0008] -种测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法与装置，利用激光测量技术，在钢 轨运动状态下，采用三组激光器共八个二维激光传感器采集钢轨断面轮廓数据，通过计算 机软件进行数据融合，断面拼接各个，获取钢轨三维轮廓。自动分析钢轨各个断面轮廓，检 测钢轨外观几何尺寸，包括轨高、轨顶宽度、轨腰宽度、轨底宽度、轨顶平直度、轨侧平直度 和轨底扭曲度，检测钢轨表面质量，如划痕、刮伤等，上传检测结果到焊轨生产管理系统，实 现自动配轨和钢轨信息录入，检测结果实时显示，记录表面质量存在缺陷的三维轮廓图片， 实时显示检测结果，当检测结果超出标准值时，实时声光报警提醒工作人员及时处理。
[0009] 该装置包括有2个光电编码器、8个二维激光传感器、激光传感器控制器 maSter800、同步控制器、交换机、计算机和激光传感器自动吹扫装置等设备。交换机与PC 通过千兆网连接，同步器与PC通过RS-232串口连接。
[0010] 该装置包括钢轨四方向定位器、编码器B、二维激光传感器组A、二维激光传感 器组B、二维激光传感器组C、编码器A、机柜以及控制台，其中机柜中设置有同步控制器、 masterSOO、交换机，控制台设置有计算机、键盘、显示器及声光报警装置。二维激光传感器 组A、二维激光传感器组B、二维激光传感器组C分别安装在设置在承载台上的三个刚性支 架上。从钢轨进入方向，承载台上分别安装有钢轨四方向定位器、编码器A、二维激光传感器 组A、二维激光传感器组B、二维激光传感器组C、编码器B，二维激光传感器组A与二维激光 传感器组B之间、二维激光传感器组B与二维激光传感器组C之间均安装钢轨四方向定位 器，二维激光传感器组C之后也安装有钢轨四方向定位器。
[0011] 其中，二维激光传感器组A包含一个二维激光传感器A-1，安装在轨头侧上方。二 维激光传感器组B包含两个二维激光传感器B-l、B-2,二维激光传感器B-1安装在轨头侧 上方，激光二维激光传感器B-2安装在轨底侧下方。二维激光传感器组C包含五个二维激 光传感器C-1~C-5,二维激光传感器C-1和C-2分别安装在轨头上方两侧，二维激光传感 器C-3和C-4分别安装在轨底两侧，二维激光传感器C-5安装在轨底侧下方，二维激光传感 器组C能够扫描到钢轨轮廓全断面。
[0012] 钢轨断面几何尺寸，包括轨高、轨顶宽、轨底宽、轨腰厚度等，通过c-1、c-2、C-3、 C-4、C-5等5个激光传感器实现测量，5个传感器获取钢轨全断面数据；钢轨的轨顶面平直 度和作用面平直度，通过A-1、B-1、C-1等三个激光传感器实现测量；钢轨的扭曲度则有B-2 和C-2等2个激光传感器实现测量。
[0013] 钢轨进入其中，和钢轨四方向定位器中的滚轮接触，发生振动时，由钢轨四方向定 位器中的弹簧限制滚轮的振幅，从而控制钢轨在一定范围内振动，起到钢轨四方向定位作 用。
[0014] 该装置中，所用设备及其功能为：（1)二维激光传感器组A:扫描钢轨轨头和轨侧 数据，用于检测轨头平直度和轨侧平直度。（2)二维激光传感器组B:扫描钢轨轨头和轨底 数据，B-1用于检测轨头平直度和轨侧平直度，B-2用于检测轨底扭曲度。（3)二维激光传感 器组C:扫描钢轨轮廓全断面数据，C-1~C-5用于检测钢轨轨高、轨头宽度、轨腰宽度和轨 底宽度，同时，C-1也用于检测轨头平直度和轨侧平直度，C-5也用于检测轨底扭曲度。（4) 激光传感器自动吹扫装置：安装在各个激光传感器侧上方，检测装置开始工作，则启动自动 吹扫装置，向激光传感器镜头表面吹空气，清除表面灰尘，防止灰尘粘附到激光传感器镜头 表面，影响检测精度。（5)钢轨四方向定位器：用于夹持钢轨，保证钢轨位于二维激光传感 器的检测区域内。（6)编码器A、B:连接滚轮和同步控制器，用于控制钢轨外观几何尺寸自 动判定装置工作。当编码器A有信号时，以编码器A的信号触发检测装置工作；当编码器A 和编码器B均无信号时，检测装置停止工作；当编码器A无信号，编码器B有信号时，以编码 器B的信号触发检测装置工作。（7)Master800 :连接同步控制器和钢轨外观几何尺寸自动 测量判定装置中的各个二维激光传感器，用于触发二维激光传感器采集数据。（8)同步控制 器：连接计算机、masterSOO和编码器。用于接收编码器A、B的脉冲信号，发送控制信号给 masterSOO,用于控制检测装置的工作状态，发送计数脉冲给计算机。（9)交换机：连接各个 二维激光传感器和计算机，用于计算机接收二维激光传感器采集的数据。（10)计算机：连 接同步控制板和交换机，用于处理检测结果，实现系统的所有软件功能，控制声光报警等。
[0015] 该装置的工作流程为：（1)钢轨进入检测装置，带动编码器C转动；（2)编码器A发 送脉冲给同步控制器，同步控制器发送触发信号master,master触发二维激光传感器组A、B、C采集数据；（3)二维激光传感器通过交换机发送数据给计算机；(4)计算机计算检测结 果，上传数据，实时显示并记录检测数据，当检测结果超出标准值时，控制声光报警提醒操 作人员及时处理；（5)钢轨离开编码器A，以编码器B的脉冲信号触发二维激光传感器组继 续工作；(6)钢轨离开后，编码器B停止转动，二维激光传A感器组停止工作。
[0016] 该发明的有益效果在于：该发明装置，在钢轨运动状态下，采用三个激光传感器组 共八个二维激光传感器采集钢轨全断面轮廓数据，通过计算机软件进行数据融合，断面拼 接各个，获取钢轨三维轮廓，计算钢轨外观几何尺寸，检测钢轨表面质量。实现非接触、动态 检测。采用两个光电编码器，交互触发激光传感器组工作，实现钢轨外观几何尺寸和表面 质量完整性。如果只采用一个光电编码器，无法触发激光器组扫描到钢轨头或者钢轨尾部 (> 100mm距离）的数据。而焊轨工艺所着重的正是轨头和轨尾的外观几何尺寸和整体的 表面质量。由于钢轨表面存在有灰尘，钢轨底部的激光传感器容易受到污染，钢轨底部激光 传感器均位于钢轨底部侧下方。设计使用钢轨四方向定位器，控制钢轨振动幅度，避免钢轨 振动幅度过大，保证钢轨处于激光器检测区域内。该发明装置，能够有效地针对钢轨外观几 何尺寸和表面质量进行检测，从而能够极大地提高了钢轨的利用率，降低了后续使用中的 安全隐患。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明实施例中所使用装置电气结构框图。
[0018] 图2是本发明实施例中所使用装置安装结构示意图
[00 19] 图3是本发明实施例中所使用装置安装框图。
[0020] 图4是本发明实施例中二维激光传感器组A安装示意图。
[0021] 图5是本发明实施例中二维激光传感器组B安装示意图。
[0022] 图6是本发明实施例中二维激光传感器组C安装示意图。
[0023] 图7是本发明实施例中所使用装置中的钢轨四方向定位器示意图。
[0024] 图8是本发明实施例中所使用装置数据处理流程图。
[0025] 图9是本发明中二维激光传感器标定原理示意图。
[0026] 图10是本发明中的标准件断面示意图。
[0027] 图11是本发明中的钢轨外观几何尺寸检测原理示意图。
[0028] 图12是本发明中的弦测法平直度检测原理示意图。
[0029] 图13是本发明中的轨顶面平直度检测原理示意图。
[0030] 图14是本发明中的轨侧面平直度检测原理示意图。
[0031] 图15是本发明中共面原理检测扭曲度原理示意图。
[0032] 图16是本发明中轨底扭曲度检测示意图。
[0033] 图17是本发明中钢轨表面质量检测原理示意图。
[0034] 图18是本发明中钢轨三维轮廓图。
[0035] 图中标记说明：1、承载台；2、钢轨；3、钢轨四方向定位器；4、编码器B;5、二维激 光传感器组C;6、二维激光传感器组B;7、二维激光传感器组A;8、编码器A。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】进行描述，以便更好的理解本发 明。
[0037] 实施例
[0038] 该测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法与装置，利用激光测量技术，在钢轨 运动状态下，采用三组激光器共八个二维激光传感器采集钢轨断面轮廓数据，通过计算机 软件进行数据融合，断面拼接各个，获取钢轨三维轮廓。自动分析钢轨各个断面轮廓，检测 钢轨外观几何尺寸，包括轨高、轨顶宽度、轨腰宽度、轨底宽度、轨顶平直度、轨侧平直度和 轨底扭曲度，检测钢轨表面质量，如划痕、刮伤等，上传检测结果到焊轨生产管理系统，实现 自动配轨和钢轨信息录入，检测结果实时显示，记录表面质量存在缺陷的三维轮廓图片，实 时显示检测结果，当检测结果超出标准值时，实时声光报警提醒工作人员及时处理。
[0039] 如图1所示，为钢轨外观几何尺寸自动测量判定装置电气结构框图。包括有2个 光电编码器、8个二维激光传感器、激光传感器控制器masterSOO、同步控制器、交换机、计 算机和激光传感器自动吹扫装置等设备。交换机与PC通过千兆网连接，同步器与PC通过 RS-232串口连接。
[0040] 如图2、图3所示，该装置包括钢轨四方向定位器3、编码器B4、二维激光传感器组 A7、二维激光传感器组B6、二维激光传感器组C5、编码器A8、机柜以及控制台，其中机柜中 设置有同步控制器、masterSOO、交换机，控制台设置有计算机、键盘、显示器及声光报警装 置。二维激光传感器组A7、二维激光传感器组B6、二维激光传感器组C5分别安装在设置在 承载台1上的三个刚性支架上。从钢轨2进入方向，承载台1上分别安装有钢轨四方向定 位器3、编码器A8、二维激光传感器组A7、二维激光传感器组B6、二维激光传感器组C5、编码 器B4,二维激光传感器组A7与二维激光传感器组B6之间、二维激光传感器组B6与二维激 光传感器组C5之间均安装钢轨四方向定位器，二维激光传感器组C之后也安装有钢轨四方 向定位器3。
[0041] 图4、图5、图6为二维激光传感器组A、B、C的安装示意图。其中，二维激光传感器 组A包含一个二维激光传感器A-1，安装在轨头侧上方。二维激光传感器组B包含两个二维 激光传感器B-l、B-2,二维激光传感器B-1安装在轨头侧上方，激光二维激光传感器B-2安 装在轨底侧下方。二维激光传感器组C包含五个二维激光传感器C-1~C-5,二维激光传感 器C-1和C-2分别安装在轨头上方两侧，二维激光传感器C-3和C-4分别安装在轨底两侧， 二维激光传感器C-5安装在轨底侧下方，二维激光传感器组C能够扫描到钢轨轮廓全断面。
[0042] 钢轨断面几何尺寸，包括轨高、轨顶宽、轨底宽、轨腰厚度等，通过C-1、C-2、C-3、 C-4、C-5等5个激光传感器实现测量，5个传感器获取钢轨全断面数据；钢轨的轨顶面平直 度和作用面平直度，通过A-1、B-1、C-1等三个激光传感器实现测量；钢轨的扭曲度则有B-2 和C-2等2个激光传感器实现测量。
[0043] 如图7所示，为钢轨四方向定位器结构图。钢轨进入其中，和钢轨四方向定位器中 的滚轮接触，发生振动时，由钢轨四方向定位器中的弹簧限制滚轮的振幅，从而控制钢轨在 一定范围内振动，起到钢轨四方向定位作用。
[0044] 该装置中，所用设备及其功能为：（1)二维激光传感器组A:扫描钢轨轨头和轨侧 数据，用于检测轨头平直度和轨侧平直度。（2)二维激光传感器组B:扫描钢轨轨头和轨底 数据，B-1用于检测轨头平直度和轨侧平直度，B-2用于检测轨底扭曲度。（3)二维激光传感 器组C:扫描钢轨轮廓全断面数据，C-1~C-5用于检测钢轨轨高、轨头宽度、轨腰宽度和轨 底宽度，同时，C-1也用于检测轨头平直度和轨侧平直度，C-5也用于检测轨底扭曲度。（4) 激光传感器自动吹扫装置：安装在各个激光传感器侧上方，检测装置开始工作，则启动自动 吹扫装置，向激光传感器镜头表面吹空气，清除表面灰尘，防止灰尘粘附到激光传感器镜头 表面，影响检测精度。（5)钢轨四方向定位器：用于夹持钢轨，保证钢轨位于二维激光传感 器的检测区域内。（6)编码器A、B:连接滚轮和同步控制器，用于控制钢轨外观几何尺寸自 动判定装置工作。当编码器A有信号时，以编码器A的信号触发检测装置工作；当编码器A 和编码器B均无信号时，检测装置停止工作；当编码器A无信号，编码器B有信号时，以编码 器B的信号触发检测装置工作。（7)Master800 :连接同步控制器和钢轨外观几何尺寸自动 测量判定装置中的各个二维激光传感器，用于触发二维激光传感器采集数据。（8)同步控制 器：连接计算机、masterSOO和编码器。用于接收编码器A、B的脉冲信号，发送控制信号给 masterSOO,用于控制检测装置的工作状态，发送计数脉冲给计算机。（9)交换机：连接各个 二维激光传感器和计算机，用于计算机接收二维激光传感器采集的数据。（10)计算机：连 接同步控制板和交换机，用于处理检测结果，实现系统的所有软件功能，控制声光报警等。
[0045] 该装置的工作流程为：（1)钢轨进入检测装置，带动编码器C转动；（2)编码器A发 送脉冲给同步控制器，同步控制器发送触发信号master,master触发二维激光传感器组A、 B、C采集数据；（3)二维激光传感器通过交换机发送数据给计算机；(4)计算机计算检测结 果，上传数据，实时显示并记录检测数据，当检测结果超出标准值时，控制声光报警提醒操 作人员及时处理；（5)钢轨离开编码器A，以编码器B的脉冲信号触发二维激光传感器组继 续工作；(6)钢轨离开后，编码器B停止转动，二维激光传A感器组停止工作。
[0046] 如图8所示为该装置数据流程图。数据处理流程分为三大模块：预处理模块、检 测算法模块和结果处理模块。（1)预处理模块：包括数据采集、数据融合和数据滤波。计算 机获取二维激光传感器采集的原始数据，对八个二维激光传感器进行数据融合，融合数据 到统一的坐标系中，然后对数据进行滤波处理，滤除干扰点和无效点等，最后把数据给检测 算法模块。（2)检测算法模块：作用在于检测钢轨外观几何尺寸和表面质量。数据分别进 入几何尺寸检测模块、平直度检测模块、扭曲度检测模块和表面质量检测模块，进行各个参 数的检测，存储表面质量存在问题的部分，存储其三维轮廓数据。（3)结果处理模块：检测 结果存储SQL数据库，上传到焊轨生产管理系统；支持检测结果报表打印和导出；检测结果 实时显示，可查看钢轨轮廓断面以及钢轨三维轮廓；当检测结果超出标准值时，实时声光报 警，提醒操作人员及时处理。
[0047] 上述装置的检测原理如下：
[0048] (1)钢轨外观几何尺寸自动测量判定装置标定：
[0049] 如图9所示，为二维激光传感器标定原理示意图。二维激光传感器组A、B、C所采 集的数据均处于各自二维激光传感器所定义的坐标系（X，Y坐标系）中，标定 需要把所有 二维激光传感器数据统一到相同的坐标系中（即统一到X'，Y'坐标系中），即每一帧数据 (一个钢轨断面）在相同的坐标系中，这样就能很好的把二维激光传感器组采集的数据融 合，获得完整的钢轨轮廓断面，准确分析钢轨外观几何尺寸和表面质量。
[0050] 通过（X，Y)坐标系平移向量（dx，dy)，然后旋转0角度，把二维激光传感器数据 转换到（X'，Y')坐标系中，实现二维激光传感器组数据融合，获得钢轨轮廓断面数据。
[0051] 标定方法为：设计锯齿形标准件，建立锯齿标准件断面模型，如图10所示；用安装 好的设备扫描标准件；通过各个二维激光传感器采集的数据与标准件模型做匹配，获得二 维激光传感器坐标与统一坐标系之间的平移量（X，Y)和旋转量（角度0 )的关系；通过记 录各个二维激光传感器的标定参数到配置文件，建立统一的坐标系。
[0052] (2)钢轨外观几何尺寸检测原理：
[0053] 如图11所示，为钢轨外观几何尺寸检测原理图。二维激光传感器组A所检测的数 据通过数据融合，统一到相同的坐标系中，获得图11中的钢轨轮廓，通过软件分析，检测出 钢轨外观几何尺寸所需的特征点P1~P8,计算出钢轨轨高H、轨头宽度W1、轨腰宽度W2以 及轨底宽度W3。轨高：H=|P1P8| ;轨头宽度W1=|P2P3| ;轨腰宽度W2=|P4P5|。
[0054] (3)平直度检测原理：
[0055] (3a)弦测法检测平直度原理：如图12所示，为弦测法平直度检测原理图。P1、P2、 P3为待检测点，P1、P2、P3的平直度用P2M描述，S(S>〇)为平直度判断阈值。如果P2M >S，即点P2位于P1和P3所在直线的上方，PI、P2、P3呈凸状；如果P2M< -S，即点P2 位于P1和P3所在直线的下方，PI、P2、P3呈凹状。
[0056] (3b)轨顶面平直度检测：如图13所示，为钢轨顶面平直度检测原理。通过二维激 光传感器组A、B、C中的激光八-13-2、8-1、(：-1扫描出的钢轨断面轮廓数据，软件分析找出 轨顶中点作为检测特征点P1、P2、P3,再通过弦测法计算P1、P2、P3的平直度，即轨顶面平直 度D。平直度D=((y_pl+y_p3)) / 2_y_p2。
[0057] (3c)轨侧面平直度检测：如图14所示，为钢轨侧面平直度检测原理。通过二维激 光传感器组A、B、C中的激光八-13-2、8-1、(：-1扫描出的钢轨断面轮廓数据，软件分析找出 轨顶面以下16mm处的检测特征点PI、P2、P3,再通过弦测法计算PI、P2、P3的平直度，即轨 顶面平直度D。平直度D=((x_pl+x_p3))/2-x_p2。
[0058] (4)扭曲度检测原理：
[0059] (4a)共面原理检测扭曲度原理：采用共面原理检测钢轨底面扭曲度。三点决定一 个平面，如果第四个点不在平面上，则四个点之间存在扭曲。如图15所示，P4到平面P1P2P3 的距离P4M即为扭曲值。
[0060] (4b)轨底扭曲度检测：如图16所示，为轨底扭曲度检测原理图。通过二维激光传 感器组A、B中的二维激光传感器A-5和B-2采集的钢轨底面轮廓数据，计算机软件分析找 出特征点P1、P2、P3、P4，利用共面原理，分析特征点P1、P2、P3、P4的扭曲度，即轨底面扭曲 度T。
[0061] PI、P2、P3所在平面法向量的计算过程：
[0065] (xpl - xp2, ypl - yp2, zpl - zp2) X (x, y, z)=0
[0066] (xpl - xp3, ypl - yp3, zpl - zp3) X (x, y, z)=0
[0067] 扭曲度'
[0068] (5)钢轨表面质量检测原理：采用二维激光传感器组A采集的钢轨断面数据与标 准的钢轨断面模型匹配，找出钢轨断面缺陷。如图17所示，为钢轨表面质量检测原理图。利 用断面数据和模型数据做匹配，找出缺陷位置以及该缺陷的深度。如图18所示，为钢轨三 维轮廓视图。计算机软件分析二维激光传感器扫描的所有断面，连接连续断面的缺陷，计算 出钢轨缺陷面积和缺陷深度（取断面最大缺陷深度）。
[0069] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为 本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法，其特征在于：利用激光测量技术， 在钢轨运动状态下，采用三组激光器共八个二维激光传感器采集钢轨断面轮廓数据，通过 计算机软件进行数据融合，断面拼接各个，获取钢轨三维轮廓，自动分析钢轨各个断面轮 廓，检测钢轨外观几何尺寸，包括轨高、轨顶宽度、轨腰宽度、轨底宽度、轨顶平直度、轨侧平 直度和轨底扭曲度，检测钢轨表面质量，上传检测结果到焊轨生产管理系统，实现自动配轨 和钢轨信息录入，检测结果实时显示，记录表面质量存在缺陷的三维轮廓图片，实时显示检 测结果，当检测结果超出标准值时，实时声光报警提醒工作人员及时处理。2. 根据权利要求1所述的测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法，其特征在于：所 用装置包括有2个光电编码器、8个二维激光传感器、激光传感器控制器masterSOO、同步控 制器、交换机、计算机和激光传感器自动吹扫装置等设备；交换机与PC通过千兆网连接，同 步器与PC通过RS-232串口连接。3. 根据权利要求1或2所述的测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法，其特征在于： 所用装置包括钢轨四方向定位器、编码器B、二维激光传感器组A、二维激光传感器组B、二 维激光传感器组C、编码器A、机柜以及控制台，所述机柜中设置有同步控制器、masterSOO、 交换机，控制台设置有计算机、键盘、显示器及声光报警装置；所述二维激光传感器组A、二 维激光传感器组B、二维激光传感器组C分别安装在设置在承载台上的三个刚性支架上；从 钢轨进入方向，承载台上分别安装有钢轨四方向定位器、编码器A、二维激光传感器组A、二 维激光传感器组B、二维激光传感器组C、编码器B，所述二维激光传感器组A与二维激光传 感器组B之间、二维激光传感器组B与二维激光传感器组C之间均安装钢轨四方向定位器， 二维激光传感器组C之后也安装有钢轨四方向定位器。4. 根据权利要求3所述的测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的装置，其特征在于：所 述二维激光传感器组A包含一个二维激光传感器A-I，安装在轨头侧上方；所述二维激光传 感器组B包含两个二维激光传感器B-I、B-2,所述二维激光传感器B-I安装在轨头侧上方， 所述激光二维激光传感器B-2安装在轨底侧下方；所述二维激光传感器组C包含五个二维 激光传感器C-I~C-5,所述二维激光传感器C-I和C-2分别安装在轨头上方两侧，所述二 维激光传感器C-3和C-4分别安装在轨底两侧，所述二维激光传感器C-5安装在轨底侧下 方，所述二维激光传感器组C能够扫描到钢轨轮廓全断面。5. 根据权利要求3所述的测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的装置，其特征在于：钢 轨进入其中，和钢轨四方向定位器中的滚轮接触，发生振动时，由钢轨四方向定位器中的弹 簧限制滚轮的振幅，从而控制钢轨在一定范围内振动，起到钢轨四方向定位作用。
【专利摘要】本发明涉及一种测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法与装置，采用三组激光器共八个二维激光传感器采集钢轨断面轮廓数据，通过计算机软件进行数据融合，断面拼接各个，获取钢轨三维轮廓，自动分析钢轨各个断面轮廓，检测钢轨外观几何尺寸，检测钢轨表面质量，上传检测结果到焊轨生产管理系统，实现自动配轨和钢轨信息录入，检测结果实时显示，记录表面质量存在缺陷的三维轮廓图片，实时显示检测结果，当检测结果超出标准值时，实时声光报警。该发明能够有效地针对钢轨外观几何尺寸和表面质量进行检测，从而能够极大地提高了钢轨的利用率，降低了后续使用中的安全隐患。
【IPC分类】G01B11/30, G01N21/88, G01B11/24, G01B11/00, G01B11/02
【公开号】CN104897052
【申请号】CN201410075729
【发明人】毛庆洲, 胡庆武, 陈小宇, 翁国康, 郑继忠, 李志明, 李繁
【申请人】武汉汉宁科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月3日
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法与装置，属于钢轨检测
技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，高速铁路都采用了无缝钢轨的轨道铺设形式，无缝钢轨的焊缝接头的平直 度将会直接影响钢轨的平直度，在铺轨作业过程中，钢轨焊缝位置的平直度不合格的钢轨 一方面增加钢轨精调的难度和周期，另一方面很难保证钢轨的长期稳定性。所以无缝钢轨 的焊接部位的平直度是确保无缝线路整体平直度的重要因素。在无缝钢轨的焊接作业中， 钢轨的外观几何尺寸，特别是钢轨的轨顶宽、轨底宽、轨高、平直度和扭曲度等参数，是影响 焊接后钢轨平直度的重要因素，其原因如下：
[0003] 1)钢轨断面尺寸（特别是轨顶宽、轨高、轨底宽等参数）；当焊接在一起的两根钢 轨端部的轨顶宽或轨底宽尺寸不一致或差别较大时，焊接后的钢轨的侧面平直度就难以保 证；当钢轨高的尺寸不一致或差别较大时，焊接后的钢轨的顶面平直度就难以保证；这样， 一方面将增加焊接后打磨的工作量，降低焊接作业的效率，提高焊接成本外，另一方面也降 低了成品钢轨的质量；
[0004] 2)钢轨端部的平直度和扭曲度：焊接在一起的两根钢轨端部的顶面平直度、侧面 平直度或扭曲度直接影响焊接后钢轨的平直度和扭曲度，这将增加焊接后打磨的工作量， 同时还对焊接后的调直工艺提出更高的要求，增加调直的周期，也将降低成品钢轨的质量。
[0005] 所以焊接前钢轨的外观几何尺寸将直接影响到焊接后钢轨的品质，继而影响到铺 设后无缝轨道的平直度，所以对焊接前钢轨外观几何尺寸的控制对提高无缝钢轨的质量至 关重要。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法与装置，以 便更好地针对钢轨外观几何尺寸和表面质量进行检查。
[0007] 为了实现上述目的，本发明的技术方案如下。
[0008] -种测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法与装置，利用激光测量技术，在钢 轨运动状态下，采用三组激光器共八个二维激光传感器采集钢轨断面轮廓数据，通过计算 机软件进行数据融合，断面拼接各个，获取钢轨三维轮廓。自动分析钢轨各个断面轮廓，检 测钢轨外观几何尺寸，包括轨高、轨顶宽度、轨腰宽度、轨底宽度、轨顶平直度、轨侧平直度 和轨底扭曲度，检测钢轨表面质量，如划痕、刮伤等，上传检测结果到焊轨生产管理系统，实 现自动配轨和钢轨信息录入，检测结果实时显示，记录表面质量存在缺陷的三维轮廓图片， 实时显示检测结果，当检测结果超出标准值时，实时声光报警提醒工作人员及时处理。
[0009] 该装置包括有2个光电编码器、8个二维激光传感器、激光传感器控制器 maSter800、同步控制器、交换机、计算机和激光传感器自动吹扫装置等设备。交换机与PC 通过千兆网连接，同步器与PC通过RS-232串口连接。
[0010] 该装置包括钢轨四方向定位器、编码器B、二维激光传感器组A、二维激光传感 器组B、二维激光传感器组C、编码器A、机柜以及控制台，其中机柜中设置有同步控制器、 masterSOO、交换机，控制台设置有计算机、键盘、显示器及声光报警装置。二维激光传感器 组A、二维激光传感器组B、二维激光传感器组C分别安装在设置在承载台上的三个刚性支 架上。从钢轨进入方向，承载台上分别安装有钢轨四方向定位器、编码器A、二维激光传感器 组A、二维激光传感器组B、二维激光传感器组C、编码器B，二维激光传感器组A与二维激光 传感器组B之间、二维激光传感器组B与二维激光传感器组C之间均安装钢轨四方向定位 器，二维激光传感器组C之后也安装有钢轨四方向定位器。
[0011] 其中，二维激光传感器组A包含一个二维激光传感器A-1，安装在轨头侧上方。二 维激光传感器组B包含两个二维激光传感器B-l、B-2,二维激光传感器B-1安装在轨头侧 上方，激光二维激光传感器B-2安装在轨底侧下方。二维激光传感器组C包含五个二维激 光传感器C-1~C-5,二维激光传感器C-1和C-2分别安装在轨头上方两侧，二维激光传感 器C-3和C-4分别安装在轨底两侧，二维激光传感器C-5安装在轨底侧下方，二维激光传感 器组C能够扫描到钢轨轮廓全断面。
[0012] 钢轨断面几何尺寸，包括轨高、轨顶宽、轨底宽、轨腰厚度等，通过c-1、c-2、C-3、 C-4、C-5等5个激光传感器实现测量，5个传感器获取钢轨全断面数据；钢轨的轨顶面平直 度和作用面平直度，通过A-1、B-1、C-1等三个激光传感器实现测量；钢轨的扭曲度则有B-2 和C-2等2个激光传感器实现测量。
[0013] 钢轨进入其中，和钢轨四方向定位器中的滚轮接触，发生振动时，由钢轨四方向定 位器中的弹簧限制滚轮的振幅，从而控制钢轨在一定范围内振动，起到钢轨四方向定位作 用。
[0014] 该装置中，所用设备及其功能为：（1)二维激光传感器组A:扫描钢轨轨头和轨侧 数据，用于检测轨头平直度和轨侧平直度。（2)二维激光传感器组B:扫描钢轨轨头和轨底 数据，B-1用于检测轨头平直度和轨侧平直度，B-2用于检测轨底扭曲度。（3)二维激光传感 器组C:扫描钢轨轮廓全断面数据，C-1~C-5用于检测钢轨轨高、轨头宽度、轨腰宽度和轨 底宽度，同时，C-1也用于检测轨头平直度和轨侧平直度，C-5也用于检测轨底扭曲度。（4) 激光传感器自动吹扫装置：安装在各个激光传感器侧上方，检测装置开始工作，则启动自动 吹扫装置，向激光传感器镜头表面吹空气，清除表面灰尘，防止灰尘粘附到激光传感器镜头 表面，影响检测精度。（5)钢轨四方向定位器：用于夹持钢轨，保证钢轨位于二维激光传感 器的检测区域内。（6)编码器A、B:连接滚轮和同步控制器，用于控制钢轨外观几何尺寸自 动判定装置工作。当编码器A有信号时，以编码器A的信号触发检测装置工作；当编码器A 和编码器B均无信号时，检测装置停止工作；当编码器A无信号，编码器B有信号时，以编码 器B的信号触发检测装置工作。（7)Master800 :连接同步控制器和钢轨外观几何尺寸自动 测量判定装置中的各个二维激光传感器，用于触发二维激光传感器采集数据。（8)同步控制 器：连接计算机、masterSOO和编码器。用于接收编码器A、B的脉冲信号，发送控制信号给 masterSOO,用于控制检测装置的工作状态，发送计数脉冲给计算机。（9)交换机：连接各个 二维激光传感器和计算机，用于计算机接收二维激光传感器采集的数据。（10)计算机：连 接同步控制板和交换机，用于处理检测结果，实现系统的所有软件功能，控制声光报警等。
[0015] 该装置的工作流程为：（1)钢轨进入检测装置，带动编码器C转动；（2)编码器A发 送脉冲给同步控制器，同步控制器发送触发信号master,master触发二维激光传感器组A、B、C采集数据；（3)二维激光传感器通过交换机发送数据给计算机；(4)计算机计算检测结 果，上传数据，实时显示并记录检测数据，当检测结果超出标准值时，控制声光报警提醒操 作人员及时处理；（5)钢轨离开编码器A，以编码器B的脉冲信号触发二维激光传感器组继 续工作；(6)钢轨离开后，编码器B停止转动，二维激光传A感器组停止工作。
[0016] 该发明的有益效果在于：该发明装置，在钢轨运动状态下，采用三个激光传感器组 共八个二维激光传感器采集钢轨全断面轮廓数据，通过计算机软件进行数据融合，断面拼 接各个，获取钢轨三维轮廓，计算钢轨外观几何尺寸，检测钢轨表面质量。实现非接触、动态 检测。采用两个光电编码器，交互触发激光传感器组工作，实现钢轨外观几何尺寸和表面 质量完整性。如果只采用一个光电编码器，无法触发激光器组扫描到钢轨头或者钢轨尾部 (> 100mm距离）的数据。而焊轨工艺所着重的正是轨头和轨尾的外观几何尺寸和整体的 表面质量。由于钢轨表面存在有灰尘，钢轨底部的激光传感器容易受到污染，钢轨底部激光 传感器均位于钢轨底部侧下方。设计使用钢轨四方向定位器，控制钢轨振动幅度，避免钢轨 振动幅度过大，保证钢轨处于激光器检测区域内。该发明装置，能够有效地针对钢轨外观几 何尺寸和表面质量进行检测，从而能够极大地提高了钢轨的利用率，降低了后续使用中的 安全隐患。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明实施例中所使用装置电气结构框图。
[0018] 图2是本发明实施例中所使用装置安装结构示意图
[00 19] 图3是本发明实施例中所使用装置安装框图。
[0020] 图4是本发明实施例中二维激光传感器组A安装示意图。
[0021] 图5是本发明实施例中二维激光传感器组B安装示意图。
[0022] 图6是本发明实施例中二维激光传感器组C安装示意图。
[0023] 图7是本发明实施例中所使用装置中的钢轨四方向定位器示意图。
[0024] 图8是本发明实施例中所使用装置数据处理流程图。
[0025] 图9是本发明中二维激光传感器标定原理示意图。
[0026] 图10是本发明中的标准件断面示意图。
[0027] 图11是本发明中的钢轨外观几何尺寸检测原理示意图。
[0028] 图12是本发明中的弦测法平直度检测原理示意图。
[0029] 图13是本发明中的轨顶面平直度检测原理示意图。
[0030] 图14是本发明中的轨侧面平直度检测原理示意图。
[0031] 图15是本发明中共面原理检测扭曲度原理示意图。
[0032] 图16是本发明中轨底扭曲度检测示意图。
[0033] 图17是本发明中钢轨表面质量检测原理示意图。
[0034] 图18是本发明中钢轨三维轮廓图。
[0035] 图中标记说明：1、承载台；2、钢轨；3、钢轨四方向定位器；4、编码器B;5、二维激 光传感器组C;6、二维激光传感器组B;7、二维激光传感器组A;8、编码器A。
【具体实施方式】
[0036] 下面结合附图和实施例对本发明的【具体实施方式】进行描述，以便更好的理解本发 明。
[0037] 实施例
[0038] 该测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法与装置，利用激光测量技术，在钢轨 运动状态下，采用三组激光器共八个二维激光传感器采集钢轨断面轮廓数据，通过计算机 软件进行数据融合，断面拼接各个，获取钢轨三维轮廓。自动分析钢轨各个断面轮廓，检测 钢轨外观几何尺寸，包括轨高、轨顶宽度、轨腰宽度、轨底宽度、轨顶平直度、轨侧平直度和 轨底扭曲度，检测钢轨表面质量，如划痕、刮伤等，上传检测结果到焊轨生产管理系统，实现 自动配轨和钢轨信息录入，检测结果实时显示，记录表面质量存在缺陷的三维轮廓图片，实 时显示检测结果，当检测结果超出标准值时，实时声光报警提醒工作人员及时处理。
[0039] 如图1所示，为钢轨外观几何尺寸自动测量判定装置电气结构框图。包括有2个 光电编码器、8个二维激光传感器、激光传感器控制器masterSOO、同步控制器、交换机、计 算机和激光传感器自动吹扫装置等设备。交换机与PC通过千兆网连接，同步器与PC通过 RS-232串口连接。
[0040] 如图2、图3所示，该装置包括钢轨四方向定位器3、编码器B4、二维激光传感器组 A7、二维激光传感器组B6、二维激光传感器组C5、编码器A8、机柜以及控制台，其中机柜中 设置有同步控制器、masterSOO、交换机，控制台设置有计算机、键盘、显示器及声光报警装 置。二维激光传感器组A7、二维激光传感器组B6、二维激光传感器组C5分别安装在设置在 承载台1上的三个刚性支架上。从钢轨2进入方向，承载台1上分别安装有钢轨四方向定 位器3、编码器A8、二维激光传感器组A7、二维激光传感器组B6、二维激光传感器组C5、编码 器B4,二维激光传感器组A7与二维激光传感器组B6之间、二维激光传感器组B6与二维激 光传感器组C5之间均安装钢轨四方向定位器，二维激光传感器组C之后也安装有钢轨四方 向定位器3。
[0041] 图4、图5、图6为二维激光传感器组A、B、C的安装示意图。其中，二维激光传感器 组A包含一个二维激光传感器A-1，安装在轨头侧上方。二维激光传感器组B包含两个二维 激光传感器B-l、B-2,二维激光传感器B-1安装在轨头侧上方，激光二维激光传感器B-2安 装在轨底侧下方。二维激光传感器组C包含五个二维激光传感器C-1~C-5,二维激光传感 器C-1和C-2分别安装在轨头上方两侧，二维激光传感器C-3和C-4分别安装在轨底两侧， 二维激光传感器C-5安装在轨底侧下方，二维激光传感器组C能够扫描到钢轨轮廓全断面。
[0042] 钢轨断面几何尺寸，包括轨高、轨顶宽、轨底宽、轨腰厚度等，通过C-1、C-2、C-3、 C-4、C-5等5个激光传感器实现测量，5个传感器获取钢轨全断面数据；钢轨的轨顶面平直 度和作用面平直度，通过A-1、B-1、C-1等三个激光传感器实现测量；钢轨的扭曲度则有B-2 和C-2等2个激光传感器实现测量。
[0043] 如图7所示，为钢轨四方向定位器结构图。钢轨进入其中，和钢轨四方向定位器中 的滚轮接触，发生振动时，由钢轨四方向定位器中的弹簧限制滚轮的振幅，从而控制钢轨在 一定范围内振动，起到钢轨四方向定位作用。
[0044] 该装置中，所用设备及其功能为：（1)二维激光传感器组A:扫描钢轨轨头和轨侧 数据，用于检测轨头平直度和轨侧平直度。（2)二维激光传感器组B:扫描钢轨轨头和轨底 数据，B-1用于检测轨头平直度和轨侧平直度，B-2用于检测轨底扭曲度。（3)二维激光传感 器组C:扫描钢轨轮廓全断面数据，C-1~C-5用于检测钢轨轨高、轨头宽度、轨腰宽度和轨 底宽度，同时，C-1也用于检测轨头平直度和轨侧平直度，C-5也用于检测轨底扭曲度。（4) 激光传感器自动吹扫装置：安装在各个激光传感器侧上方，检测装置开始工作，则启动自动 吹扫装置，向激光传感器镜头表面吹空气，清除表面灰尘，防止灰尘粘附到激光传感器镜头 表面，影响检测精度。（5)钢轨四方向定位器：用于夹持钢轨，保证钢轨位于二维激光传感 器的检测区域内。（6)编码器A、B:连接滚轮和同步控制器，用于控制钢轨外观几何尺寸自 动判定装置工作。当编码器A有信号时，以编码器A的信号触发检测装置工作；当编码器A 和编码器B均无信号时，检测装置停止工作；当编码器A无信号，编码器B有信号时，以编码 器B的信号触发检测装置工作。（7)Master800 :连接同步控制器和钢轨外观几何尺寸自动 测量判定装置中的各个二维激光传感器，用于触发二维激光传感器采集数据。（8)同步控制 器：连接计算机、masterSOO和编码器。用于接收编码器A、B的脉冲信号，发送控制信号给 masterSOO,用于控制检测装置的工作状态，发送计数脉冲给计算机。（9)交换机：连接各个 二维激光传感器和计算机，用于计算机接收二维激光传感器采集的数据。（10)计算机：连 接同步控制板和交换机，用于处理检测结果，实现系统的所有软件功能，控制声光报警等。
[0045] 该装置的工作流程为：（1)钢轨进入检测装置，带动编码器C转动；（2)编码器A发 送脉冲给同步控制器，同步控制器发送触发信号master,master触发二维激光传感器组A、 B、C采集数据；（3)二维激光传感器通过交换机发送数据给计算机；(4)计算机计算检测结 果，上传数据，实时显示并记录检测数据，当检测结果超出标准值时，控制声光报警提醒操 作人员及时处理；（5)钢轨离开编码器A，以编码器B的脉冲信号触发二维激光传感器组继 续工作；(6)钢轨离开后，编码器B停止转动，二维激光传A感器组停止工作。
[0046] 如图8所示为该装置数据流程图。数据处理流程分为三大模块：预处理模块、检 测算法模块和结果处理模块。（1)预处理模块：包括数据采集、数据融合和数据滤波。计算 机获取二维激光传感器采集的原始数据，对八个二维激光传感器进行数据融合，融合数据 到统一的坐标系中，然后对数据进行滤波处理，滤除干扰点和无效点等，最后把数据给检测 算法模块。（2)检测算法模块：作用在于检测钢轨外观几何尺寸和表面质量。数据分别进 入几何尺寸检测模块、平直度检测模块、扭曲度检测模块和表面质量检测模块，进行各个参 数的检测，存储表面质量存在问题的部分，存储其三维轮廓数据。（3)结果处理模块：检测 结果存储SQL数据库，上传到焊轨生产管理系统；支持检测结果报表打印和导出；检测结果 实时显示，可查看钢轨轮廓断面以及钢轨三维轮廓；当检测结果超出标准值时，实时声光报 警，提醒操作人员及时处理。
[0047] 上述装置的检测原理如下：
[0048] (1)钢轨外观几何尺寸自动测量判定装置标定：
[0049] 如图9所示，为二维激光传感器标定原理示意图。二维激光传感器组A、B、C所采 集的数据均处于各自二维激光传感器所定义的坐标系（X，Y坐标系）中，标定 需要把所有 二维激光传感器数据统一到相同的坐标系中（即统一到X'，Y'坐标系中），即每一帧数据 (一个钢轨断面）在相同的坐标系中，这样就能很好的把二维激光传感器组采集的数据融 合，获得完整的钢轨轮廓断面，准确分析钢轨外观几何尺寸和表面质量。
[0050] 通过（X，Y)坐标系平移向量（dx，dy)，然后旋转0角度，把二维激光传感器数据 转换到（X'，Y')坐标系中，实现二维激光传感器组数据融合，获得钢轨轮廓断面数据。
[0051] 标定方法为：设计锯齿形标准件，建立锯齿标准件断面模型，如图10所示；用安装 好的设备扫描标准件；通过各个二维激光传感器采集的数据与标准件模型做匹配，获得二 维激光传感器坐标与统一坐标系之间的平移量（X，Y)和旋转量（角度0 )的关系；通过记 录各个二维激光传感器的标定参数到配置文件，建立统一的坐标系。
[0052] (2)钢轨外观几何尺寸检测原理：
[0053] 如图11所示，为钢轨外观几何尺寸检测原理图。二维激光传感器组A所检测的数 据通过数据融合，统一到相同的坐标系中，获得图11中的钢轨轮廓，通过软件分析，检测出 钢轨外观几何尺寸所需的特征点P1~P8,计算出钢轨轨高H、轨头宽度W1、轨腰宽度W2以 及轨底宽度W3。轨高：H=|P1P8| ;轨头宽度W1=|P2P3| ;轨腰宽度W2=|P4P5|。
[0054] (3)平直度检测原理：
[0055] (3a)弦测法检测平直度原理：如图12所示，为弦测法平直度检测原理图。P1、P2、 P3为待检测点，P1、P2、P3的平直度用P2M描述，S(S>〇)为平直度判断阈值。如果P2M >S，即点P2位于P1和P3所在直线的上方，PI、P2、P3呈凸状；如果P2M< -S，即点P2 位于P1和P3所在直线的下方，PI、P2、P3呈凹状。
[0056] (3b)轨顶面平直度检测：如图13所示，为钢轨顶面平直度检测原理。通过二维激 光传感器组A、B、C中的激光八-13-2、8-1、(：-1扫描出的钢轨断面轮廓数据，软件分析找出 轨顶中点作为检测特征点P1、P2、P3,再通过弦测法计算P1、P2、P3的平直度，即轨顶面平直 度D。平直度D=((y_pl+y_p3)) / 2_y_p2。
[0057] (3c)轨侧面平直度检测：如图14所示，为钢轨侧面平直度检测原理。通过二维激 光传感器组A、B、C中的激光八-13-2、8-1、(：-1扫描出的钢轨断面轮廓数据，软件分析找出 轨顶面以下16mm处的检测特征点PI、P2、P3,再通过弦测法计算PI、P2、P3的平直度，即轨 顶面平直度D。平直度D=((x_pl+x_p3))/2-x_p2。
[0058] (4)扭曲度检测原理：
[0059] (4a)共面原理检测扭曲度原理：采用共面原理检测钢轨底面扭曲度。三点决定一 个平面，如果第四个点不在平面上，则四个点之间存在扭曲。如图15所示，P4到平面P1P2P3 的距离P4M即为扭曲值。
[0060] (4b)轨底扭曲度检测：如图16所示，为轨底扭曲度检测原理图。通过二维激光传 感器组A、B中的二维激光传感器A-5和B-2采集的钢轨底面轮廓数据，计算机软件分析找 出特征点P1、P2、P3、P4，利用共面原理，分析特征点P1、P2、P3、P4的扭曲度，即轨底面扭曲 度T。
[0061] PI、P2、P3所在平面法向量的计算过程：
[0065] (xpl - xp2, ypl - yp2, zpl - zp2) X (x, y, z)=0
[0066] (xpl - xp3, ypl - yp3, zpl - zp3) X (x, y, z)=0
[0067] 扭曲度'
[0068] (5)钢轨表面质量检测原理：采用二维激光传感器组A采集的钢轨断面数据与标 准的钢轨断面模型匹配，找出钢轨断面缺陷。如图17所示，为钢轨表面质量检测原理图。利 用断面数据和模型数据做匹配，找出缺陷位置以及该缺陷的深度。如图18所示，为钢轨三 维轮廓视图。计算机软件分析二维激光传感器扫描的所有断面，连接连续断面的缺陷，计算 出钢轨缺陷面积和缺陷深度（取断面最大缺陷深度）。
[0069] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为 本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法，其特征在于：利用激光测量技术， 在钢轨运动状态下，采用三组激光器共八个二维激光传感器采集钢轨断面轮廓数据，通过 计算机软件进行数据融合，断面拼接各个，获取钢轨三维轮廓，自动分析钢轨各个断面轮 廓，检测钢轨外观几何尺寸，包括轨高、轨顶宽度、轨腰宽度、轨底宽度、轨顶平直度、轨侧平 直度和轨底扭曲度，检测钢轨表面质量，上传检测结果到焊轨生产管理系统，实现自动配轨 和钢轨信息录入，检测结果实时显示，记录表面质量存在缺陷的三维轮廓图片，实时显示检 测结果，当检测结果超出标准值时，实时声光报警提醒工作人员及时处理。2. 根据权利要求1所述的测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法，其特征在于：所 用装置包括有2个光电编码器、8个二维激光传感器、激光传感器控制器masterSOO、同步控 制器、交换机、计算机和激光传感器自动吹扫装置等设备；交换机与PC通过千兆网连接，同 步器与PC通过RS-232串口连接。3. 根据权利要求1或2所述的测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法，其特征在于： 所用装置包括钢轨四方向定位器、编码器B、二维激光传感器组A、二维激光传感器组B、二 维激光传感器组C、编码器A、机柜以及控制台，所述机柜中设置有同步控制器、masterSOO、 交换机，控制台设置有计算机、键盘、显示器及声光报警装置；所述二维激光传感器组A、二 维激光传感器组B、二维激光传感器组C分别安装在设置在承载台上的三个刚性支架上；从 钢轨进入方向，承载台上分别安装有钢轨四方向定位器、编码器A、二维激光传感器组A、二 维激光传感器组B、二维激光传感器组C、编码器B，所述二维激光传感器组A与二维激光传 感器组B之间、二维激光传感器组B与二维激光传感器组C之间均安装钢轨四方向定位器， 二维激光传感器组C之后也安装有钢轨四方向定位器。4. 根据权利要求3所述的测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的装置，其特征在于：所 述二维激光传感器组A包含一个二维激光传感器A-I，安装在轨头侧上方；所述二维激光传 感器组B包含两个二维激光传感器B-I、B-2,所述二维激光传感器B-I安装在轨头侧上方， 所述激光二维激光传感器B-2安装在轨底侧下方；所述二维激光传感器组C包含五个二维 激光传感器C-I~C-5,所述二维激光传感器C-I和C-2分别安装在轨头上方两侧，所述二 维激光传感器C-3和C-4分别安装在轨底两侧，所述二维激光传感器C-5安装在轨底侧下 方，所述二维激光传感器组C能够扫描到钢轨轮廓全断面。5. 根据权利要求3所述的测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的装置，其特征在于：钢 轨进入其中，和钢轨四方向定位器中的滚轮接触，发生振动时，由钢轨四方向定位器中的弹 簧限制滚轮的振幅，从而控制钢轨在一定范围内振动，起到钢轨四方向定位作用。
【专利摘要】本发明涉及一种测量钢轨外观几何尺寸和表面质量的方法与装置，采用三组激光器共八个二维激光传感器采集钢轨断面轮廓数据，通过计算机软件进行数据融合，断面拼接各个，获取钢轨三维轮廓，自动分析钢轨各个断面轮廓，检测钢轨外观几何尺寸，检测钢轨表面质量，上传检测结果到焊轨生产管理系统，实现自动配轨和钢轨信息录入，检测结果实时显示，记录表面质量存在缺陷的三维轮廓图片，实时显示检测结果，当检测结果超出标准值时，实时声光报警。该发明能够有效地针对钢轨外观几何尺寸和表面质量进行检测，从而能够极大地提高了钢轨的利用率，降低了后续使用中的安全隐患。
【IPC分类】G01B11/30, G01N21/88, G01B11/24, G01B11/00, G01B11/02
【公开号】CN104897052
【申请号】CN201410075729
【发明人】毛庆洲, 胡庆武, 陈小宇, 翁国康, 郑继忠, 李志明, 李繁
【申请人】武汉汉宁科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月3日
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