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CN118311153B - 一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测设备及方法 - Google Patents

一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测设备及方法 Download PDF

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CN118311153B
CN118311153B CN202410734603.8A CN202410734603A CN118311153B CN 118311153 B CN118311153 B CN 118311153B CN 202410734603 A CN202410734603 A CN 202410734603A CN 118311153 B CN118311153 B CN 118311153B
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李天佑
梁孟婷
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Abstract

本发明属于超声无损检测领域，具体涉及一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测设备及方法，一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测设备包括机架，在所述机架的后端固定设置有安装平台，在所述安装平台上设置有直线模组，在所述直线模组上安装有悬臂探测模块和激光测距仪，所述直线模组用于带动激光测距仪和悬臂探测模块进行水平移动，所述悬臂探测模块用于对高铁轮对进行超声检测；本发明的检测设备使用超声检测技术，结合升降平台以及可多角度调节的悬臂探测模块实现高铁轮对车轮踏面、车轮端面以及车轴的多角度自动化超声检测，大大提高了检测效率。

Description

一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测设备及方法
技术领域
本发明属于超声无损检测领域，具体涉及一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测设备及方法。
背景技术
轮对作为列车行走部位的核心部件，在传递车体与轨道间载荷的同时，也需要确保列车的精确导向与运行安全。随着高速列车运行速度的不断提高、轴重的增大以及运营里程的持续增加，轮轨间的动态相互作用加剧，列车车轮踏面不圆顺日益凸显，如多边形磨耗、车轮扁疤、踏面突起等问题。
轮对踏面损伤会加剧车辆横向振动，甚至发生列车脱轨事故。轮对质量的优劣对铁路和城市轨道交通安全运行至关重要。及时对已损坏轮对进行检修，可以有效降低事故发生率、提高列车使用率。如何对轮对损伤进行实时、准确的测量，一直是轨道交通领域迫切需要解决的问题。根据现阶段公开资料，国内面向在役高铁轮对的内部缺陷检测大多是由检测人员采用传统超声检测方法执行，对于检测人员的专业知识水平要求较高，导致整体检测效率较低。除了轮对踏面的缺陷以外，轮轴以及车轮侧面的损伤，轮对形状几何参数的检测也是高铁轮对质量检测的重要一环。传统的检测方法往往只针对某一个特定的环节进行检测，一次检测花费的时间长，成本高。
发明内容
本发明针对上述问题提供了一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测设备及方法。
为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：
一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测设备，包括机架，在所述机架上开设有左右对称的两个凹槽，在所述机架的上表面固定设置有两个左右对称的导轨，所述导轨位于两个凹槽之间，在所述凹槽内安装有升降平台，用于抬升并驱动高铁轮对旋转，在所述机架的后端固定设置有安装平台，在所述安装平台上设置有直线模组，在所述直线模组上安装有悬臂探测模块和激光测距仪，所述直线模组用于带动激光测距仪和悬臂探测模块进行水平移动，所述悬臂探测模块用于对高铁轮对进行超声检测；
所述悬臂探测模块包括旋转臂，所述旋转臂的一端转动安装在轴承座上，且与前端驱动电机固定连接，所述轴承座与前端驱动电机均安装在直线模组上，在所述旋转臂的末端固定安装有末端驱动电机，所述末端驱动电机的输出轴与旋转架固定连接，在所述旋转架的一侧固定安装有侧向驱动电机，所述侧向驱动电机的输出轴与激光超声波探头连接。
进一步，所述升降平台包括固定在凹槽内的底板，在所述底板上设置有若干伸缩驱动缸，在若干伸缩驱动缸的上端共同固定连接有托盘，在所述托盘上安装有旋转驱动电机，所述旋转驱动电机的输出轴和减速器的输入轴连接，所述减速器的输出轴通过带传动的方式与主动滚轮连接，所述主动滚轮安装在一号支架上，在所述主动滚轮的上方设置有前后对称的两个从动滚轮，且所述从动滚轮与主动滚轮相切，两个所述从动滚轮轴心与主动滚轮轴心连线之间的夹角为78°，所述从动滚轮安装在二号支架上，所述一号支架和二号支架均固定安装在托盘上。
再进一步，所述直线模组包括底座，在所述底座上安装有滑轨，在所述滑轨上滑动设置有载物台，在所述载物台上安装有模组驱动电机，在所述模组驱动电机的输出轴上安装有齿轮，所述齿轮与安装在底座上的齿条啮合，进而实现载物台在滑轨上的滑动。
一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测方法，包括以下步骤：
步骤1，将载物台移动至直线模组的最右端，并将旋转臂抬升至最大高度，将待检测的高铁轮对通过安装在机架上的导轨滚动至升降平台的上方；
步骤2，启动升降平台，将高铁轮对抬升至指定高度：
步骤3，进行轴向检测前调试，具体步骤如下：
步骤3.1，定义靠近从动轮与高铁轮对接触部分的轮轴半径为旋转半径，并对其进行测量，具体为：从直线模组右侧端点做垂直于底板所在平面的垂线，垂足为O，以O点为原点，凹槽延伸方向为x轴，直线模组移动方向为y轴，升降平台升降方向为z轴，建立三维直角坐标系，设旋转臂与直线模组的连接点为点B，高铁轮对的轴心在xz平面上的投影为点A，激光超声波探头与旋转臂的连接点为点C，激光测距仪中心点为点D；启动模组驱动电机，带动载物台移动，使右侧的从动滚轮与点D在y轴上的直线距离为M，M的取值范围为0mm＜M＜5mm，驱动激光测距仪进行旋转，在旋转的过程中进行测距，可以得到目标探测物到激光测距仪的距离为：
其中，为信号由发出到接收的时间，为激光测距仪所发出激光的传递速度，不断收集，当的值第一次突变时，则证明此时激光恰好与高铁轮对相切，记录此刻激光与轴的夹角；当第二次突变时，则证明此时激光与高铁轮对的另一侧相切，记录此刻激光与轴的夹角，由此可得旋转半径；
其中，为点A与点D在xz平面上的直线距离；已知点D在xz平面上的坐标为，设点A在xz平面上的坐标为，其中为可测量的固定值；
可表示为：
据此可计算出为：
其中，为托盘上表面至到xy平面的距离，为从动滚轮圆心到托盘上表面的距离，为从动滚轮的半径;
步骤3.2，移动载物台至初始位置，驱动末端驱动电机旋转，使；为末端驱动电机的旋转角度；调整激光测距仪发出的激光与z轴的夹角为，通过模组驱动电机驱动载物台进行步进移动，载物台的步进距离为，当激光测距仪检测到的值发生突变时，表明激光测距仪检测到高铁轮对，通过旋转激光测距仪进行测量，并求得突变后检测到的半径为；
；
其中，为点A与点D在xz平面上的直线距离；和分别为突变后激光测距仪所发出激光与高铁轮对的两侧分别相切时，激光与轴的夹角；
在载物台继续移动距离后，依据突变后检测到的、和，驱动侧向驱动电机和前端驱动电机动作，对激光超声波探头进行对焦，从而保证激光超声波探头与高铁轮对轴心的距离为，进而保证激光超声波探头对准高铁轮对的轴线，为激光超声波探头的检测焦距，为激光测距仪与激光超声波探头在y轴方向上的距离；
步骤4，启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，实现激光超声波探头对高铁轮对的检测，检测过程中旋转驱动电机的转速为：
；
其中，为旋转驱动电机的转速；为减速器的减速比；为减速器输出轴上的带轮半径；为与主动滚轮同轴的带轮半径；为主动滚轮的半径，为高铁轮对被检测位置的旋转线速度，为恒定值；
步骤5，继续通过模组驱动电机驱动载物台进行步进移动，并通过激光测距仪实时测量高铁轮对的半径；
当未检测到半径发生变化时，则重复步骤4对高铁轮对进行检测；
当检测到半径发生变化时，可以根据变化率的值进行判定，定义变化率为：
；
其中，为突变前检测到的半径；为突变后检测到的半径；
若，则继续重复步骤4对高铁轮对进行检测，在载物台继续移动距离后，依据此次突变后检测到的、和，重新对激光超声波探头进行对焦，之后重复步骤4对高铁轮对进行检测；
若，则表示在此位置由高铁轮对的车轴转变为高铁轮对的车轮，此时继续重复步骤4对高铁轮对进行检测，在载物台继续移动距离后，记录此时的状态信息G1，所述状态信息G1包括：、、以及载物台的位置信息，为与轴之间的夹角，为末端驱动电机的旋转角度，为激光超声波探头的轴线与在xz平面投影的夹角；随后开始对载物台、旋转臂、旋转架以及激光超声波探头进行调整，具体为：载物台回退的距离，同时末端驱动电机旋转，使得；
通过前段驱动电机的旋转，带动旋转臂移动至初始检测位置，此时与轴之间的夹角为：
；
其中，为旋转臂与直线模组的连接点B的z轴坐标，为点B与点C在xz平面上的直线距离，为点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为，为突变前检测到的半径，为激光超声波探头到高铁轮对表面的安全距离，的取值为10-20mm；
驱动侧向驱动电机旋转，旋转过程中，激光超声波探头发出的激光在车轮的侧面发生反射，被激光超声波探头接收到，激光超声波探头发出激发与接收接收存在时间差，取最小值，使激光超声波探头垂直于车轮的侧面，同时调节直线模组，使，为激光超声波探头到所测车轮侧面的距离；
；
其中，为激光超声波探头所发激光的传递速度；
启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，实现激光超声波探头对高铁轮对的检测，检测过程中旋转驱动电机的转速为：
；
其中，为旋转驱动电机的转速；为减速器的减速比；为减速器输出轴上的带轮半径；为与主动滚轮同轴的带轮半径；为主动滚轮的半径，为高铁轮对被检测位置的旋转线速度，为点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为，其中为激光超声波探头的步进次数，为激光超声波探头在车轮半径方向的步进距离；
计算激光超声波探头步进之后点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为；并依据求得的反推激光超声波探头步进之后与轴之间的夹角，依据求得的，调节前端驱动电机，带动旋转臂转动，进而完成激光超声波探头的步进，在每次步进之后，启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，对车轮的侧面进行检测；
当激光超声波探头无法检测到数据时，证明所检测的车轮侧面检测结束，随后根据所记录的状态信息G1，控制末端驱动电机、前端驱动电机、侧向驱动电机以及模组驱动电机工作，使载物台、旋转臂、旋转架以及激光超声波探头恢复至调整之前的状态，并依据调整之前检测到的、和，重新对激光超声波探头进行对焦，重复步骤4对高铁轮对进行检测；
若，则表示在此位置由高铁轮对的车轮转变为高铁轮对的车轴，此时继续重复步骤4对高铁轮对进行检测，在载物台继续移动距离后，记录此时的状态信息G2，所述状态信息G2包括：、、以及载物台的位置信息，为与轴之间的夹角，为末端驱动电机的旋转角度，为激光超声波探头的轴线与在xz平面投影的夹角；随后开始对载物台、旋转臂、旋转架以及激光超声波探头进行调整，具体为：载物台前进的距离，同时末端驱动电机旋转，使得；
通过前段驱动电机的旋转，带动旋转臂移动至初始检测位置，此时与轴之间的夹角为：
；
其中，为旋转臂与直线模组的连接点B的z轴坐标，为点B与点C在xz平面上的直线距离，为点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为，为突变前检测到的半径，为激光超声波探头到高铁轮对表面的安全距离，的取值为10-20mm；
驱动侧向驱动电机旋转，旋转过程中，激光超声波探头发出的激光在车轮的侧面发生反射，被激光超声波探头接收到，激光超声波探头发出激发与接收接收存在时间差，取最小值，使激光超声波探头垂直于车轮的侧面，同时调节直线模组，使，为激光超声波探头到所测车轮侧面的距离；
；
其中，为激光超声波探头所发激光的传递速度；
启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，实现激光超声波探头对高铁轮对的检测，检测过程中旋转驱动电机的转速为：
；
其中，为旋转驱动电机的转速；为减速器的减速比；为减速器输出轴上的带轮半径；为与主动滚轮同轴的带轮半径；为主动滚轮的半径，为高铁轮对被检测位置的旋转线速度，为点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为，其中为激光超声波探头的步进次数，为激光超声波探头在车轮半径方向的步进距离；
计算激光超声波探头步进之后点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为；并依据求得的反推激光超声波探头步进之后与轴之间的夹角，依据求得的，调节前端驱动电机，带动旋转臂转动，进而完成激光超声波探头的步进，在每次步进之后，启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，对车轮的侧面进行检测；
当激光超声波探头无法检测到数据时，证明所检测的车轮侧面检测结束，随后根据所记录的状态信息G1，控制末端驱动电机、前端驱动电机、侧向驱动电机以及模组驱动电机工作，使载物台、旋转臂、旋转架以及激光超声波探头恢复至调整之前的状态，并依据调整之前检测到的、和，重新对激光超声波探头进行对焦，重复步骤4对高铁轮对进行检测。
进一步，所述步骤3.2和步骤5中，对激光超声波探头进行对焦的具体步骤为：
驱动前端驱动电机旋转，使与轴的夹角为：
；
此时的为；
驱动侧向驱动电机旋转，使侧向驱动电机的旋转角度为：
；
为激光超声波探头轴线与AB连线之间的夹角；
。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
本发明的检测设备使用超声检测技术，结合升降平台以及可多角度调节的悬臂探测模块实现高铁轮对车轮踏面、车轮端面以及车轴的多角度自动化超声检测，大大提高了检测效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明直线模组与悬臂探测模块的安装示意图；
图3为本发明升降平台的结构示意图；
图4为本发明在xz平面的简化图；
图5为本发明在xy平面的简化图；
图中，机架1，凹槽2，导轨3，升降平台4，安装平台5，直线模组6，悬臂探测模块7，激光测距仪8，底板401，伸缩驱动缸402，托盘403，减速器404，主动滚轮405，一号支架406，从动滚轮407，二号支架408，底座601，载物台602，模组驱动电机603，旋转臂701，轴承座702，前端驱动电机703，末端驱动电机704，旋转架705，侧向驱动电机706，激光超声波探头707。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。
如图1至图5所示，一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测设备，包括机架1，在所述机架1上开设有左右对称的两个凹槽2，在所述机架1的上表面固定设置有两个左右对称的导轨3，所述导轨3位于两个凹槽2之间，在所述凹槽2内安装有升降平台4，用于抬升并驱动高铁轮对旋转，在所述机架1的后端固定设置有安装平台5，在所述安装平台5上设置有直线模组6，在所述直线模组6上安装有悬臂探测模块7和激光测距仪8，所述直线模组6用于带动激光测距仪8和悬臂探测模块7进行水平移动，所述悬臂探测模块7用于对高铁轮对进行超声检测；
所述升降平台4包括固定在凹槽2内的底板401，在所述底板401上设置有若干伸缩驱动缸402，在若干伸缩驱动缸402的上端共同固定连接有托盘403，在所述托盘403上安装有旋转驱动电机，所述旋转驱动电机的输出轴和减速器404的输入轴连接，所述减速器404的输出轴通过带传动的方式与主动滚轮405连接，所述主动滚轮405安装在一号支架406上，在所述主动滚轮405的上方设置有前后对称的两个从动滚轮407，且所述从动滚轮407与主动滚轮405相切，两个所述从动滚轮407轴心与主动滚轮405轴心连线之间的夹角为78°，所述从动滚轮407安装在二号支架408上，所述一号支架406和二号支架408均固定安装在托盘403上。
所述直线模组6包括底座601，在所述底座601上安装有滑轨，在所述滑轨上滑动设置有载物台602，在所述载物台602上安装有模组驱动电机603，在所述模组驱动电机603的输出轴上安装有齿轮，所述齿轮与安装在底座601上的齿条啮合，进而实现载物台602在滑轨上的滑动。
所述悬臂探测模块7包括旋转臂701，所述旋转臂701的一端转动安装在轴承座702上，且与前端驱动电机703固定连接，所述轴承座702与前端驱动电机703均安装在直线模组6上，在所述旋转臂701的末端固定安装有末端驱动电机704，所述末端驱动电机704的输出轴与旋转架705固定连接，在所述旋转架705的一侧固定安装有侧向驱动电机706，所述侧向驱动电机706的输出轴与激光超声波探头707连接。
一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测方法，包括以下步骤：
步骤1，将载物台602移动至直线模组6的最右端，并将旋转臂701抬升至最大高度，将待检测的高铁轮对通过安装在机架1上的导轨3滚动至升降平台4的上方；
步骤2，启动升降平台4，将高铁轮对抬升至指定高度：
步骤3，进行轴向检测前调试，具体步骤如下：
步骤3.1，定义靠近从动轮与高铁轮对接触部分的轮轴半径为旋转半径，并对其进行测量，具体为：从直线模组6右侧端点做垂直于底板401所在平面的垂线，垂足为O，以O点为原点，凹槽2延伸方向为x轴，直线模组6移动方向为y轴，升降平台4升降方向为z轴，建立三维直角坐标系，设旋转臂701与直线模组6的连接点为点B，高铁轮对的轴心在xz平面上的投影为点A，激光超声波探头707与旋转臂701的连接点为点C，激光测距仪8中心点为点D；启动模组驱动电机603，带动载物台602移动，使右侧的从动滚轮407与点D在y轴上的直线距离为M，M的取值范围为0mm＜M＜5mm，驱动激光测距仪8进行旋转，在旋转的过程中进行测距，可以得到目标探测物到激光测距仪8的距离为：
其中，为信号由发出到接收的时间，为激光测距仪8所发出激光的传递速度，不断收集，当的值第一次突变时，则证明此时激光恰好与高铁轮对相切，记录此刻激光与轴的夹角；当第二次突变时，则证明此时激光与高铁轮对的另一侧相切，记录此刻激光与轴的夹角，由此可得旋转半径；
其中，为点A与点D在xz平面上的直线距离；已知点D在xz平面上的坐标为，设点A在xz平面上的坐标为，其中为可测量的固定值；
可表示为：
据此可计算出为：
其中，为托盘403上表面至到xy平面的距离，为从动滚轮407圆心到托盘403上表面的距离，为从动滚轮407的半径;
步骤3.2，移动载物台602至初始位置，驱动末端驱动电机704旋转，使；为末端驱动电机704的旋转角度；调整激光测距仪8发出的激光与z轴的夹角为，通过模组驱动电机603驱动载物台602进行步进移动，载物台602的步进距离为，当激光测距仪8检测到的值发生突变时，表明激光测距仪8检测到高铁轮对，通过旋转激光测距仪8进行测量，并求得突变后检测到的半径为；
；
其中，为点A与点D在xz平面上的直线距离；和分别为突变后激光测距仪8所发出激光与高铁轮对的两侧分别相切时，激光与轴的夹角；
在载物台602继续移动距离后，依据突变后检测到的、和，驱动侧向驱动电机706和前端驱动电机703动作，对激光超声波探头707进行对焦，从而保证激光超声波探头707与高铁轮对轴心的距离为，进而保证激光超声波探头707对准高铁轮对的轴线，为激光超声波探头707的检测焦距，为激光测距仪8与激光超声波探头707在y轴方向上的距离；
步骤4，启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，实现激光超声波探头707对高铁轮对的检测，检测过程中旋转驱动电机的转速为：
；
其中，为旋转驱动电机的转速；为减速器404的减速比；为减速器404输出轴上的带轮半径；为与主动滚轮405同轴的带轮半径；为主动滚轮405的半径，为高铁轮对被检测位置的旋转线速度，为恒定值；
步骤5，继续通过模组驱动电机603驱动载物台602进行步进移动，并通过激光测距仪8实时测量高铁轮对的半径；
当未检测到半径发生变化时，则重复步骤4对高铁轮对进行检测；
当检测到半径发生变化时，可以根据变化率的值进行判定，定义变化率为：
；
其中，为突变前检测到的半径；为突变后检测到的半径；
若，则继续重复步骤4对高铁轮对进行检测，在载物台602继续移动距离后，依据此次突变后检测到的、和，重新对激光超声波探头707进行对焦，之后重复步骤4对高铁轮对进行检测；
若，则表示在此位置由高铁轮对的车轴转变为高铁轮对的车轮，此时继续重复步骤4对高铁轮对进行检测，在载物台602继续移动距离后，记录此时的状态信息G1，所述状态信息G1包括：、、以及载物台602的位置信息，为与轴之间的夹角，为末端驱动电机704的旋转角度，为激光超声波探头707的轴线与在xz平面投影的夹角；随后开始对载物台602、旋转臂701、旋转架705以及激光超声波探头707进行调整，具体为：载物台602回退的距离，同时末端驱动电机704旋转，使得；
通过前段驱动电机的旋转，带动旋转臂701移动至初始检测位置，此时与轴之间的夹角为：
；
其中，为旋转臂701与直线模组6的连接点B的z轴坐标，为点B与点C在xz平面上的直线距离，为点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为，为突变前检测到的半径，为激光超声波探头707到高铁轮对表面的安全距离，的取值为10-20mm；
驱动侧向驱动电机706旋转，旋转过程中，激光超声波探头707发出的激光在车轮的侧面发生反射，被激光超声波探头707接收到，激光超声波探头707发出激发与接收接收存在时间差，取最小值，使激光超声波探头707垂直于车轮的侧面，同时调节直线模组6，使，为激光超声波探头707到所测车轮侧面的距离；
；
其中，为激光超声波探头707所发激光的传递速度；
启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，实现激光超声波探头707对高铁轮对的检测，检测过程中旋转驱动电机的转速为：
；
其中，为旋转驱动电机的转速；为减速器404的减速比；为减速器404输出轴上的带轮半径；为与主动滚轮405同轴的带轮半径；为主动滚轮405的半径，为高铁轮对被检测位置的旋转线速度，为点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为，其中为激光超声波探头707的步进次数，为激光超声波探头707在车轮半径方向的步进距离；
计算激光超声波探头707步进之后点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为；并依据求得的反推激光超声波探头707步进之后与轴之间的夹角，依据求得的，调节前端驱动电机703，带动旋转臂701转动，进而完成激光超声波探头707的步进，在每次步进之后，启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，对车轮的侧面进行检测；
当激光超声波探头707无法检测到数据时，证明所检测的车轮侧面检测结束，随后根据所记录的状态信息G1，控制末端驱动电机704、前端驱动电机703、侧向驱动电机706以及模组驱动电机603工作，使载物台602、旋转臂701、旋转架705以及激光超声波探头707恢复至调整之前的状态，并依据调整之前检测到的、和，重新对激光超声波探头707进行对焦，重复步骤4对高铁轮对进行检测；
若，则表示在此位置由高铁轮对的车轮转变为高铁轮对的车轴，此时继续重复步骤4对高铁轮对进行检测，在载物台602继续移动距离后，记录此时的状态信息G2，所述状态信息G2包括：、、以及载物台602的位置信息，为与轴之间的夹角，为末端驱动电机704的旋转角度，为激光超声波探头707的轴线与在xz平面投影的夹角；随后开始对载物台602、旋转臂701、旋转架705以及激光超声波探头707进行调整，具体为：载物台602前进的距离，同时末端驱动电机704旋转，使得；
通过前段驱动电机的旋转，带动旋转臂701移动至初始检测位置，此时与轴之间的夹角为：
；
其中，为旋转臂701与直线模组6的连接点B的z轴坐标，为点B与点C在xz平面上的直线距离，为点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为，为突变前检测到的半径，为激光超声波探头707到高铁轮对表面的安全距离，的取值为10-20mm；
驱动侧向驱动电机706旋转，旋转过程中，激光超声波探头707发出的激光在车轮的侧面发生反射，被激光超声波探头707接收到，激光超声波探头707发出激发与接收接收存在时间差，取最小值，使激光超声波探头707垂直于车轮的侧面，同时调节直线模组6，使，为激光超声波探头707到所测车轮侧面的距离；
；
其中，为激光超声波探头707所发激光的传递速度；
启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，实现激光超声波探头707对高铁轮对的检测，检测过程中旋转驱动电机的转速为：
；
其中，为旋转驱动电机的转速；为减速器404的减速比；为减速器404输出轴上的带轮半径；为与主动滚轮405同轴的带轮半径；为主动滚轮405的半径，为高铁轮对被检测位置的旋转线速度，为点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为，其中为激光超声波探头707的步进次数，为激光超声波探头707在车轮半径方向的步进距离；
计算激光超声波探头707步进之后点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为；并依据求得的反推激光超声波探头707步进之后与轴之间的夹角，依据求得的，调节前端驱动电机703，带动旋转臂701转动，进而完成激光超声波探头707的步进，在每次步进之后，启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，对车轮的侧面进行检测；
当激光超声波探头707无法检测到数据时，证明所检测的车轮侧面检测结束，随后根据所记录的状态信息G1，控制末端驱动电机704、前端驱动电机703、侧向驱动电机706以及模组驱动电机603工作，使载物台602、旋转臂701、旋转架705以及激光超声波探头707恢复至调整之前的状态，并依据调整之前检测到的、和，重新对激光超声波探头707进行对焦，重复步骤4对高铁轮对进行检测。
所述步骤3.2和步骤5中，对激光超声波探头707进行对焦的具体步骤为：
驱动前端驱动电机703旋转，使与轴的夹角为：
；
此时的为；
驱动侧向驱动电机706旋转，使侧向驱动电机706的旋转角度为：
；
为激光超声波探头707轴线与AB连线之间的夹角；
。
以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测方法，其特征在于：
应用一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测设备，包括机架（1），在所述机架（1）上开设有左右对称的两个凹槽（2），在所述机架（1）的上表面固定设置有两个左右对称的导轨（3），所述导轨（3）位于两个凹槽（2）之间，在所述凹槽（2）内安装有升降平台（4），用于抬升并驱动高铁轮对旋转，在所述机架（1）的后端固定设置有安装平台（5），在所述安装平台（5）上设置有直线模组（6），在所述直线模组（6）上安装有悬臂探测模块（7）和激光测距仪（8），所述直线模组（6）用于带动激光测距仪（8）和悬臂探测模块（7）进行水平移动，所述悬臂探测模块（7）用于对高铁轮对进行超声检测；
所述悬臂探测模块（7）包括旋转臂（701），所述旋转臂（701）的一端转动安装在轴承座（702）上，且与前端驱动电机（703）固定连接，所述轴承座（702）与前端驱动电机（703）均安装在直线模组（6）上，在所述旋转臂（701）的末端固定安装有末端驱动电机（704），所述末端驱动电机（704）的输出轴与旋转架（705）固定连接，在所述旋转架（705）的一侧固定安装有侧向驱动电机（706），所述侧向驱动电机（706）的输出轴与激光超声波探头（707）连接；
所述升降平台（4）包括固定在凹槽（2）内的底板（401），在所述底板（401）上设置有若干伸缩驱动缸（402），在若干伸缩驱动缸（402）的上端共同固定连接有托盘（403），在所述托盘（403）上安装有旋转驱动电机，所述旋转驱动电机的输出轴和减速器（404）的输入轴连接，所述减速器（404）的输出轴通过带传动的方式与主动滚轮（405）连接，所述主动滚轮（405）安装在一号支架（406）上，在所述主动滚轮（405）的上方设置有前后对称的两个从动滚轮（407），且所述从动滚轮（407）与主动滚轮（405）相切，两个所述从动滚轮（407）轴心与主动滚轮（405）轴心连线之间的夹角为78°，所述从动滚轮（407）安装在二号支架（408）上，所述一号支架（406）和二号支架（408）均固定安装在托盘（403）上；
所述直线模组（6）包括底座（601），在所述底座（601）上安装有滑轨，在所述滑轨上滑动设置有载物台（602），在所述载物台（602）上安装有模组驱动电机（603），在所述模组驱动电机（603）的输出轴上安装有齿轮，所述齿轮与安装在底座（601）上的齿条啮合，进而实现载物台（602）在滑轨上的滑动；
包括以下步骤：
步骤1，将载物台（602）移动至直线模组（6）的最右端，并将旋转臂（701）抬升至最大高度，将待检测的高铁轮对通过安装在机架（1）上的导轨（3）滚动至升降平台（4）的上方；
步骤2，启动升降平台（4），将高铁轮对抬升至指定高度：
步骤3，进行轴向检测前调试，具体步骤如下：
步骤3.1，定义靠近从动轮与高铁轮对接触部分的轮轴半径为旋转半径，并对其进行测量，具体为：从直线模组（6）右侧端点做垂直于底板（401）所在平面的垂线，垂足为O，以O点为原点，凹槽（2）延伸方向为x轴，直线模组（6）移动方向为y轴，升降平台（4）升降方向为z轴，建立三维直角坐标系，设旋转臂（701）与直线模组（6）的连接点为点B，高铁轮对的轴心在xz平面上的投影为点A，激光超声波探头（707）与旋转臂（701）的连接点为点C，激光测距仪（8）中心点为点D；启动模组驱动电机（603），带动载物台（602）移动，使右侧的从动滚轮（407）与点D在y轴上的直线距离为M，M的取值范围为0mm＜M＜5mm，驱动激光测距仪（8）进行旋转，在旋转的过程中进行测距，可以得到目标探测物到激光测距仪（8）的距离为：
其中，为信号由发出到接收的时间，为激光测距仪（8）所发出激光的传递速度，不断收集，当的值第一次突变时，则证明此时激光恰好与高铁轮对相切，记录此刻激光与轴的夹角；当第二次突变时，则证明此时激光与高铁轮对的另一侧相切，记录此刻激光与轴的夹角，由此可得旋转半径；
其中，为点A与点D在xz平面上的直线距离；已知点D在xz平面上的坐标为，设点A在xz平面上的坐标为，其中为可测量的固定值；
可表示为：
据此可计算出为：
其中，为托盘（403）上表面至到xy平面的距离，为从动滚轮（407）圆心到托盘（403）上表面的距离，为从动滚轮（407）的半径;
步骤3.2，移动载物台（602）至初始位置，驱动末端驱动电机（704）旋转，使；为末端驱动电机（704）的旋转角度；调整激光测距仪（8）发出的激光与z轴的夹角为，通过模组驱动电机（603）驱动载物台（602）进行步进移动，载物台（602）的步进距离为，当激光测距仪（8）检测到的值发生突变时，表明激光测距仪（8）检测到高铁轮对，通过旋转激光测距仪（8）进行测量，并求得突变后检测到的半径为；
；
其中，为点A与点D在xz平面上的直线距离；和分别为突变后激光测距仪（8）所发出激光与高铁轮对的两侧分别相切时，激光与轴的夹角；
在载物台（602）继续移动距离后，依据突变后检测到的、和，驱动侧向驱动电机（706）和前端驱动电机（703）动作，对激光超声波探头（707）进行对焦，从而保证激光超声波探头（707）与高铁轮对轴心的距离为，进而保证激光超声波探头（707）对准高铁轮对的轴线，为激光超声波探头（707）的检测焦距，为激光测距仪（8）与激光超声波探头（707）在y轴方向上的距离；
步骤4，启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，实现激光超声波探头（707）对高铁轮对的检测，检测过程中旋转驱动电机的转速为：
；
其中，为旋转驱动电机的转速；为减速器（404）的减速比；为减速器（404）输出轴上的带轮半径；为与主动滚轮（405）同轴的带轮半径；为主动滚轮（405）的半径，为高铁轮对被检测位置的旋转线速度，为恒定值；
步骤5，继续通过模组驱动电机（603）驱动载物台（602）进行步进移动，并通过激光测距仪（8）实时测量高铁轮对的半径；
当未检测到半径发生变化时，则重复步骤4对高铁轮对进行检测；
当检测到半径发生变化时，根据变化率的值进行判定，定义变化率为：
；
其中，为突变前检测到的半径；为突变后检测到的半径；
若，则继续重复步骤4对高铁轮对进行检测，在载物台（602）继续移动距离后，依据此次突变后检测到的、和，重新对激光超声波探头（707）进行对焦，之后重复步骤4对高铁轮对进行检测；
若，则表示在此位置由高铁轮对的车轴转变为高铁轮对的车轮，此时继续重复步骤4对高铁轮对进行检测，在载物台（602）继续移动距离后，记录此时的状态信息G1，所述状态信息G1包括：、、以及载物台（602）的位置信息，为与轴之间的夹角，为末端驱动电机（704）的旋转角度，为激光超声波探头（707）的轴线与在xz平面投影的夹角；随后开始对载物台（602）、旋转臂（701）、旋转架（705）以及激光超声波探头（707）进行调整，具体为：载物台（602）回退的距离，同时末端驱动电机（704）旋转，使得；
通过前段驱动电机的旋转，带动旋转臂（701）移动至初始检测位置，此时与轴之间的夹角为：
；
其中，为旋转臂（701）与直线模组（6）的连接点B的z轴坐标，为点B与点C在xz平面上的直线距离，为点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为，为突变前检测到的半径，为激光超声波探头（707）到高铁轮对表面的安全距离，的取值为10-20mm；
驱动侧向驱动电机（706）旋转，旋转过程中，激光超声波探头（707）发出的激光在车轮的侧面发生反射，被激光超声波探头（707）接收到，激光超声波探头（707）发出激发与接收接收存在时间差，取最小值，使激光超声波探头（707）垂直于车轮的侧面，同时调节直线模组（6），使，为激光超声波探头（707）到所测车轮侧面的距离；
；
其中，为激光超声波探头（707）所发激光的传递速度；
启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，实现激光超声波探头（707）对高铁轮对的检测，检测过程中旋转驱动电机的转速为：
；
其中，为旋转驱动电机的转速；为减速器（404）的减速比；为减速器（404）输出轴上的带轮半径；为与主动滚轮（405）同轴的带轮半径；为主动滚轮（405）的半径，为高铁轮对被检测位置的旋转线速度，为点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为，其中为激光超声波探头（707）的步进次数，为激光超声波探头（707）在车轮半径方向的步进距离；
计算激光超声波探头（707）步进之后点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为；并依据求得的反推激光超声波探头（707）步进之后与轴之间的夹角，依据求得的，调节前端驱动电机（703），带动旋转臂（701）转动，进而完成激光超声波探头（707）的步进，在每次步进之后，启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，对车轮的侧面进行检测；
当激光超声波探头（707）无法检测到数据时，证明所检测的车轮侧面检测结束，随后根据所记录的状态信息G1，控制末端驱动电机（704）、前端驱动电机（703）、侧向驱动电机（706）以及模组驱动电机（603）工作，使载物台（602）、旋转臂（701）、旋转架（705）以及激光超声波探头（707）恢复至调整之前的状态，并依据调整之前检测到的、和，重新对激光超声波探头（707）进行对焦，重复步骤4对高铁轮对进行检测；
若，则表示在此位置由高铁轮对的车轮转变为高铁轮对的车轴，此时继续重复步骤4对高铁轮对进行检测，在载物台（602）继续移动距离后，记录此时的状态信息G2，所述状态信息G2包括：、、以及载物台（602）的位置信息，为与轴之间的夹角，为末端驱动电机（704）的旋转角度，为激光超声波探头（707）的轴线与在xz平面投影的夹角；随后开始对载物台（602）、旋转臂（701）、旋转架（705）以及激光超声波探头（707）进行调整，具体为：载物台（602）前进的距离，同时末端驱动电机（704）旋转，使得；
通过前段驱动电机的旋转，带动旋转臂（701）移动至初始检测位置，此时与轴之间的夹角为：
；
其中，为旋转臂（701）与直线模组（6）的连接点B的z轴坐标，为点B与点C在xz平面上的直线距离，为点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为，为突变前检测到的半径，为激光超声波探头（707）到高铁轮对表面的安全距离，的取值为10-20mm；
驱动侧向驱动电机（706）旋转，旋转过程中，激光超声波探头（707）发出的激光在车轮的侧面发生反射，被激光超声波探头（707）接收到，激光超声波探头（707）发出激发与接收接收存在时间差，取最小值，使激光超声波探头（707）垂直于车轮的侧面，同时调节直线模组（6），使，为激光超声波探头（707）到所测车轮侧面的距离；
；
其中，为激光超声波探头（707）所发激光的传递速度；
启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，实现激光超声波探头（707）对高铁轮对的检测，检测过程中旋转驱动电机的转速为：
；
其中，为旋转驱动电机的转速；为减速器（404）的减速比；为减速器（404）输出轴上的带轮半径；为与主动滚轮（405）同轴的带轮半径；为主动滚轮（405）的半径，为高铁轮对被检测位置的旋转线速度，为点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为，其中为激光超声波探头（707）的步进次数，为激光超声波探头（707）在车轮半径方向的步进距离；
计算激光超声波探头（707）步进之后点C与点A在xz平面上的直线距离，此时的为；并依据求得的反推激光超声波探头（707）步进之后与轴之间的夹角，依据求得的，调节前端驱动电机（703），带动旋转臂（701）转动，进而完成激光超声波探头（707）的步进，在每次步进之后，启动旋转驱动电机，带动高铁轮对旋转，对车轮的侧面进行检测；
当激光超声波探头（707）无法检测到数据时，证明所检测的车轮侧面检测结束，随后根据所记录的状态信息G1，控制末端驱动电机（704）、前端驱动电机（703）、侧向驱动电机（706）以及模组驱动电机（603）工作，使载物台（602）、旋转臂（701）、旋转架（705）以及激光超声波探头（707）恢复至调整之前的状态，并依据调整之前检测到的、和，重新对激光超声波探头（707）进行对焦，重复步骤4对高铁轮对进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种高铁轮对缺陷多角度自动化超声检测方法，其特征在于：所述步骤3.2和步骤5中，对激光超声波探头（707）进行对焦的具体步骤为：
驱动前端驱动电机（703）旋转，使与轴的夹角为：
；
此时的为；
驱动侧向驱动电机（706）旋转，使侧向驱动电机（706）的旋转角度为：
；
为激光超声波探头（707）轴线与AB连线之间的夹角；
。
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