[发明专利]基于激光位移传感器的车轮不圆度检测装置及方法

权利要求书

1.一种基于激光位移传感器的车轮不圆度检测装置，其特征在于，包括槽型钢轨、处理中心和多个激光位移传感器，其中：激光位移传感器与处理中心连接；槽型钢轨为只保留凹槽部分的钢轨；槽型钢轨外侧顺次设置多个激光位移传感器；各激光位移传感器的感测头沿槽型钢轨方向排列在车轮下方的同一水平线上，且均沿着槽型钢轨向上测量，探测光束同时入射至车轮边缘，且探测光束所形成的平面与车轮直径所在的圆周共面。

2.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的车轮不圆度检测装置，其特征在于，槽型钢轨的型号为60R，且只保留凹槽部分。

3.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的车轮不圆度检测装置，其特征在于，进行不圆度测量的车轮圆周距离车轮轮缘内侧面的距离为57mm。

4.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的车轮不圆度检测装置，其特征在于，所述的激光位移传感器为二维激光位移传感器，激光位移传感器的数量为n，且8≤n≤25；检测区间段的水平线长度为L，且1900mm≤L≤2500mm。

5.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的车轮不圆度检测装置，其特征在于，所述激光位移传感器安装在槽型钢轨外侧，并位于同一水平线上，激光位移传感器安装点距离槽型钢轨上沿平面的垂直距离为h，且160mm≤h≤290mm。

6.根据权利要求1所述的基于激光位移传感器的车轮不圆度检测装置，其特征在于，所述激光位移传感器感测头沿槽型钢轨，按相对于钢轨方向倾角为α_i安装，且能够使探测光束同时入射至车轮边缘，沿着钢轨方向i依次为1，2,3，…n，其中n为激光位移传感器的个数；发出的探测光束所形成的平面与车轮直径所在圆周，即距轮缘内测基准面57mm处踏面上的点所在的圆周共面，且所有激光位移传感器的感测头均通过激光位移传感器夹具固定在车轮下方。

7.一种基于激光位移传感器的车轮不圆度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将激光位移传感器记为Q_i，沿着钢轨方向i依次为1，2,3，…n，其中n为激光位移传感器的个数；

步骤2，在进行不圆度测量的有轨电车车轮圆周所在平面上建立二维坐标系XOY：以最外侧激光位移传感器Q₁为原点，沿钢轨方向为X轴，垂直于槽型钢轨向上为Y轴，最外侧激光位移传感器的坐标为(0，0)，其他激光位移传感器的坐标为(X_i,Y_i)，各个激光位移传感器感测头相对于X轴安装倾角为α_i；

步骤3，采集所有激光位移传感器的输出值，并选出每一时刻同时有10个及以上激光位移传感器输出值的有效数据组为时刻t第i个激光位移传感器Q_i返回的第j个的有效值在各自激光位移传感器自身坐标系x_i′o_i′y_i′下的坐标；其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m，且m≥10，t＝1,2,…ω；

步骤4，坐标变换：为每个激光位移传感器Q_i建立二维坐标系x_io_iy_i，以经过各自激光位移传感器Q_i感测头为原点，沿钢轨方向为x轴，垂直于槽型钢轨向上为y轴；根据激光位移传感器Q_i的输出值安装倾角α_i，确定车轮上对应激光位移传感器Q_i的测量点在各自二维坐标系x_io_iy_i下坐标

(xijt,yijt)=(xijt′×cosαi,yijt′×sinαi)]]> 1

其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，t＝1,2,…ω，ω为时刻总数；

步骤5，数据融合：根据激光位移传感器Q_i的测量点在各自二维坐标系x_io_iy_i下坐标激光位移传感器Q_i位置坐标值(X_i,Y_i)确定车轮上对应激光位移传感器Q_i的测量点在融合坐标系XOY下坐标

(Xijt,Yijt)=(Xi,Yi)+(xijt,yijt)]]>

其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，t＝1,2,…ω；

步骤6，将车轮上某一时刻所有有效测量点坐标在空间位置上等分为μ段区域，利用最小二乘法进行拟合圆，得到μ组某一时刻的车轮不同位置拟合直径D_tμ；

步骤7，重复步骤6得到的各个时刻车轮不同位置拟合直径D_tμ，用所有车轮拟合直径D_tμ中的最大值减去最小值，得到车轮不圆度E。

8.根据权利要求7所述的基于激光位移传感器的车轮不圆度检测方法，其特征在于，步骤6所述利用最小二乘法进行拟合圆，公式如下：

D0=a2+b2+4Σ[(Xijt)2+(Yijt)2]+aΣXijt+bΣYijtn]]>

其中，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10，t＝1,2,…ω，a为拟合后的圆心横坐标X_a的-2倍即a＝-2X_a，b为拟合后的圆心纵坐标Y_b的-2倍即b＝-2Y_b，并且

a=HD-EGCG-D2]]>

b=HC-EDD2-GC]]>

其中C、D、E、G、H为中间参数，分别如下：

C=λΣXijt2-ΣXijtΣXijt]]>

D=λΣXijtYij-ΣXijtΣYijt]]>

E=λΣXijt3+λΣXijtYijt2-Σ(Xijt2+Yijt2)ΣXijt]]>

G=λΣYijt2-ΣYijtΣYijt]]>

H=λΣXijt2Yijt+λΣYijt3-Σ(Xijt2+Yijt2)ΣYijt]]>

其中，λ为所有传感器有效测量点的个数，i＝1,2…n，j＝1,2,…m且m≥10。