钢轨几何形态及磨耗对线路的行车安全有至关重要的影响。为了确保钢轨的良好几何形态,及时发现和评价钢轨磨耗量,需要定期对钢轨进行检测。高效而准确的钢轨轨廓检测系统,满足我国铁路高速化、数字化发展趋势的需要。轨廓,即铁路钢轨横断面上的外轮廓。轨廓检测技术,即利用测量工具或仪器提取钢轨横断面上外轮廓点的坐标,通过逆向工程的方法重构钢轨轨廓,从而真实地反映钢轨几何形态、廓形的技术。钢轨磨耗检测技术,即利用工具或仪器测量被测钢轨轨廓特定点处相对于钢轨设计轨廓的磨耗值的技术。轨廓测量主要关注的是轨头部分的外轮廓形态,都可以被描绘为一条复杂的平面曲线,实际轨廓、设计轨廓曲线常需进行适当的平移、旋转变换,并以其匹配后的差异特征来描述。钢轨磨耗测量可以在完成全断面轨廓测量的基础上进行,也可以仅针对轨廓特定点进行。磨耗测量与轨廓测量的最大区别在于,磨耗测量为实际轨廓、设计轨廓的匹配规定了特定的测量和计算基准。因轨头形状特殊,目前业内已有的大部分轨廓检测系统都无法实现对轨颚部的测量,故常采用轨腰或者轨底等部分作为轨廓匹配的基准。然而,钢轨磨耗测量的目的是为了评价和保证钢轨轨头部的强度和刚度,考虑到轨头与轨腰或者轨底之间的相对位置常受到加工误差或受力变形的影响,我国铁路系统的行业标准《JJG1127-2016钢轨磨耗测量器检定规程》规定钢轨磨耗以轨头的外轨颚部为测量与计算基准,其理论依据较之以轨腰或轨底为基准更加科学与合理。基于此,提出了一种双关节式钢轨轨廓检测系统,主要由双关节式轨廓仪和相应的上位机软件算法组成,可以实现对含轨头外轨颚部的钢轨轨廓的快速、精确测量并利用轨颚作为匹配基准实现被测轨廓与设计轨廓的高精度匹配,同时获取钢轨轨廓几何形态及磨耗值的大小。轨廓仪采用双关节机构接触法测量,通过高精度增量式光电编码器获得两个关节处的角度数据,结合大小测量臂臂长,建立了轨廓仪测量数学模型,经测头端点修正,将实测角度数据转化为笛卡尔坐标系中二维点坐标,实时反映测头与钢轨接触点的空间位置。为了保证轨廓仪测量范围能够覆盖轨头的外轨颚部,逆向求解测量模型,利用Matlab编写代码进行机构仿真和优化,发现臂长在130mm²00mm之间都能够满足测量范围的要求,且160mm是较理想的设计,从而确定轨廓仪采用了大小测量臂臂长160mm的等臂长设计方案。由于双关节的角度测量均采用了增量式光电编码器,关节角度测量的零点位置需在正式测量前进行标定。为了获得准确的轨廓测量数据,首先要知道轨廓仪在初始位置时的各项数据,包括轨廓仪安装在轨检仪之上,借以获得相对于线路横断面的姿态。根据测量模型,双关节的角度测量分别定义为轨廓仪两臂之间的夹角θ₂₀以及大臂与轨检仪左右两侧搭轨面连线之间的夹角θ₁₀,只要采用适当的方法赋予轨廓仪一个固定的、可测的初始位置,这些参数可以直接通过机械结构尺寸计算获得,但这会提高对安装及机械加工的精度要求。鉴于此,提出了一种简单、易行的单点标定方法,利用轨廓仪以两种不同姿态对同一点进行测量,可自动标定θ₂₀的零点。同时,提出了一种等高线标定方法,可实现θ₁₀的零点标定。通过实验验证发现,标定之后轨廓仪的测量精度为0.026mm。轨廓测量数据是轨廓拟合的依据,为了提高拟合精度,有必要对紊乱的测量数据进行有效地提取。根据中心点距离法,判断测点数据的有效性,经去噪、精简后,运用三次样条函数实现了轨廓的分段拟合。磨耗的计算是以轨廓匹配为前提的,为此提出了一种基于轨颚底部和轨头侧面两条直线为特征的匹配方法,利用Hough变换检测直线,得到直线交点,计算轨廓平移量和旋转量,根据坐标变换原理,实现实测轨廓与设计轨廓的精确匹配。实验结果表明,匹配精度可达0.04°,实验轨廓磨耗为7.11mm。