枕簧智能檢測(cè)系統(tǒng)

段樂(lè)

摘 要：為提高鐵路貨車(chē)枕簧的檢修質(zhì)量和效率，研制了枕簧智能檢測(cè)系統(tǒng)，用于枕簧的半徑、高度、1/4相對(duì)高度和5/8環(huán)面檢測(cè)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)，達(dá)到預(yù)計(jì)目的、系統(tǒng)穩(wěn)定性佳。

關(guān)鍵詞：貨車(chē)；枕簧檢修；3D結(jié)構(gòu)光；3D檢測(cè)算法

中圖分類(lèi)號(hào)：TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

減震彈簧、搖枕彈簧是鐵路貨車(chē)轉(zhuǎn)向架的重要組成部分，主要用于緩和鐵路貨車(chē)在運(yùn)行中的振動(dòng)和沖擊。在高速重載運(yùn)輸環(huán)境下，鐵路貨車(chē)運(yùn)行品質(zhì)對(duì)枕簧的質(zhì)量要求越來(lái)越高，鐵路貨車(chē)枕簧需要定期檢修，按鐵道部要求，在裝車(chē)前必須對(duì)枕簧進(jìn)行檢測(cè)和分類(lèi)。定期質(zhì)量檢測(cè)過(guò)程中，需要將拆卸的枕簧運(yùn)送至指定地點(diǎn)，對(duì)枕簧的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，區(qū)別合格品與不合格品、并對(duì)枕簧進(jìn)行分類(lèi)，傳統(tǒng)的作業(yè)方式通過(guò)目測(cè)區(qū)分枕簧型號(hào)和類(lèi)型，通過(guò)枕簧高度尺測(cè)量枕簧自由高，采用彈簧直徑量規(guī)進(jìn)行圓鋼直徑檢測(cè)，由于鐵路貨車(chē)上枕簧數(shù)量多且種類(lèi)不同，該類(lèi)作業(yè)方式效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，且易受人為因素干擾，難以滿(mǎn)足當(dāng)前枕簧檢修的需求。為提高枕簧檢修的質(zhì)量和效率、解放勞動(dòng)力，通過(guò)對(duì)枕簧檢測(cè)、選配的要求以及枕簧自身的特點(diǎn)進(jìn)行分析，以3D結(jié)構(gòu)光視覺(jué)技術(shù)為基礎(chǔ)，研制了枕簧智能檢測(cè)系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)概述

枕簧智能檢測(cè)系統(tǒng)是機(jī)械、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)為一體的智能系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)枕簧的半徑、高度、1/4相對(duì)高度、5/8環(huán)面值的檢測(cè)，該系統(tǒng)以3D結(jié)構(gòu)光視覺(jué)技術(shù)為基礎(chǔ)，依據(jù)3D結(jié)構(gòu)光傳感器掃描枕簧，獲取3D圖像數(shù)據(jù)，通過(guò)系統(tǒng)模型將枕簧3D圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)3D檢測(cè)算法得出相應(yīng)的檢測(cè)值。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)枕簧的數(shù)據(jù)檢測(cè)、分類(lèi)，并通過(guò)與后續(xù)選配單元配合，實(shí)現(xiàn)枕簧的自動(dòng)選配過(guò)程，從而將作業(yè)人員從惡劣的工作環(huán)境中解放出來(lái)。

2.系統(tǒng)組成

枕簧智能檢測(cè)系統(tǒng)是以3D結(jié)構(gòu)光視覺(jué)技術(shù)為基礎(chǔ)，由機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、信息處理、軟件開(kāi)發(fā)等技術(shù)集合而成的智能系統(tǒng)，系統(tǒng)總體由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)械結(jié)構(gòu)由光電傳感器、枕簧運(yùn)輸機(jī)構(gòu)和3D結(jié)構(gòu)光成像臺(tái)組成，用于枕簧的輸送、定位、檢測(cè)等。

枕簧運(yùn)輸機(jī)構(gòu)用于將枕簧由其他地點(diǎn)運(yùn)送至3D結(jié)構(gòu)光成像臺(tái)處；光電傳感器用于檢測(cè)枕簧的通過(guò)，并將枕簧通過(guò)的信息傳遞至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制枕簧運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的行走和停止，從而將枕簧停留在3D結(jié)構(gòu)光成像臺(tái)處指定的檢測(cè)位置上；3D結(jié)構(gòu)光成像臺(tái)用于枕簧的3D成像。3D結(jié)構(gòu)光成像臺(tái)由3D結(jié)構(gòu)光成像模組、位移電缸、安裝殼體組成。3D結(jié)構(gòu)光成像模組包含若干個(gè)3D結(jié)構(gòu)光傳感器。3D結(jié)構(gòu)光傳感器是獲得3D數(shù)據(jù)的核心傳感器，在單元中有極重要的作用，直接關(guān)系到檢測(cè)X與Z方向的分辨率、準(zhǔn)確度和效率。安裝殼體由遮光外殼、3D結(jié)構(gòu)光成像模組安裝機(jī)構(gòu)及位移電缸安裝機(jī)構(gòu)組成，3D結(jié)構(gòu)光成像模組、位移電缸通過(guò)相應(yīng)的安裝機(jī)構(gòu)安裝在遮光外殼內(nèi)部，位于待檢測(cè)枕簧的上方，位移電缸用于帶動(dòng)3D結(jié)構(gòu)光成像模組的水平移動(dòng)，是控制3D結(jié)構(gòu)光Y方向位置的單元，其位移分辨率、定位準(zhǔn)確度和運(yùn)動(dòng)速度直接關(guān)系到Y(jié)方向的成像分辨率、圖像畸變和成像效率。

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)在上位工控機(jī)和下位可編程控制器的指令下驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，由PC、運(yùn)動(dòng)伺服控制和輸出控制3部分組成。運(yùn)動(dòng)伺服控制根據(jù)光電傳感器信息進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作：（1）控制枕簧運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的行走和停止：光電傳感器檢測(cè)到待檢測(cè)枕簧通過(guò)的信息后，控制枕簧運(yùn)輸機(jī)構(gòu)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而將待檢測(cè)的枕簧停留在3D結(jié)構(gòu)光成像臺(tái)處指定的檢測(cè)位置上；枕簧檢測(cè)完畢后，控制枕簧運(yùn)輸機(jī)構(gòu)運(yùn)行，將已測(cè)的枕簧輸送出3D結(jié)構(gòu)光成像臺(tái)，待光電傳感器檢測(cè)到下一個(gè)待檢測(cè)枕簧時(shí)，再次控制枕簧運(yùn)輸機(jī)構(gòu)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，以此循環(huán)；（2）控制3D結(jié)構(gòu)光成像模組沿位移電缸移動(dòng)：光電傳感器檢測(cè)到待檢測(cè)枕簧通過(guò)的信息后，由控制系統(tǒng)控制3D結(jié)構(gòu)光成像模組沿位移電缸移動(dòng)，3D結(jié)構(gòu)光傳感器從多個(gè)角度掃描枕簧，獲取完整的3D圖像數(shù)據(jù)。

2.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)檢測(cè)過(guò)程的參數(shù)設(shè)置以及3D圖像數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、輸出等，包括通信模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析與處理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)、算法庫(kù)等模塊。通信模塊用于與3D結(jié)構(gòu)光傳感器、選配單元的通信；運(yùn)動(dòng)控制模塊設(shè)置3D圖像數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)通信模塊完成枕簧3D圖像數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)分析與處理模塊用于對(duì)3D圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)3D檢測(cè)算法計(jì)算出相應(yīng)的檢測(cè)值，包括枕簧的半徑、高度、1/4相對(duì)高度和5/8環(huán)面值的檢測(cè)，其檢測(cè)方式將在下一節(jié)進(jìn)行描述。

3.系統(tǒng)功能

3.1 半徑檢測(cè)

檢測(cè)半徑值可以為區(qū)分枕簧類(lèi)型提供依據(jù)。以轉(zhuǎn)K2型枕簧為例，包括4種不同的彈簧，分別是：減震彈簧外簧、減震彈簧內(nèi)簧、搖枕彈簧外簧、搖枕彈簧內(nèi)簧，該四類(lèi)彈簧的半徑值均不同。

3D檢測(cè)算法對(duì)枕簧半徑檢測(cè)方式如下：通過(guò)分割枕簧上端面平整圓環(huán)區(qū)域點(diǎn)云，采用圓擬合，求得枕簧圓心與半徑。并根據(jù)枕簧半徑區(qū)分枕簧類(lèi)型。

3.2 高度值檢測(cè)

高度值是枕簧的重要指標(biāo)。通過(guò)檢測(cè)高度值可以實(shí)現(xiàn)以下目的：（1）與標(biāo)準(zhǔn)彈簧的高度值比較，區(qū)分合格品與不合格品；（2）為后續(xù)選配單元的工作提供依據(jù)：選配單元根據(jù)檢測(cè)出的高度值以及預(yù)先設(shè)定的高度選配規(guī)則對(duì)枕簧進(jìn)行對(duì)應(yīng)選配。

枕簧高度值檢測(cè)方式如下：通過(guò)查找并擬合托盤(pán)平面和枕簧上端面，得到托盤(pán)和枕簧平面方程，求枕簧上端面點(diǎn)云質(zhì)心，計(jì)算質(zhì)心點(diǎn)到托盤(pán)平面距離，得到枕簧高度。

3.3 1/4相對(duì)高度檢測(cè)

檢測(cè)方式如下：以中徑值為半徑，設(shè)一個(gè)圓柱環(huán)，取得圓柱環(huán)內(nèi)的點(diǎn)云；求該點(diǎn)云內(nèi)的最低點(diǎn)到枕簧上端面的距離，即為1/4絕對(duì)高度。截取枕簧中部點(diǎn)云，將每一段螺牙進(jìn)行分割，舍棄可能不完整的最高和最低螺牙，對(duì)保留的螺牙求質(zhì)心，相鄰兩個(gè)螺牙的質(zhì)心距離即為螺距，1/4絕對(duì)高度與螺距的比值，即求得1/4相對(duì)高度值。endprint

3.4 5/8環(huán)面檢測(cè)

檢測(cè)方式如下：求枕簧上端面C字圓環(huán)區(qū)域的每一個(gè)點(diǎn)與圓心連線(xiàn)角度，計(jì)算得到5/8角的值，5/8角的值為最大角與最小角的差值。

3.5 與選配單元通信

能夠?qū)?shù)據(jù)分析與處理模塊計(jì)算出的檢測(cè)值發(fā)送至選配單元，選配單元接收數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定的選配規(guī)則對(duì)枕簧進(jìn)行選配。

4.系統(tǒng)工作流程

4.1 系統(tǒng)精度校準(zhǔn)

在3D結(jié)構(gòu)光成像臺(tái)內(nèi)部指定的檢測(cè)位置上放置經(jīng)過(guò)計(jì)量局計(jì)量的標(biāo)準(zhǔn)量塊，控制3D結(jié)構(gòu)光傳感器拍攝該標(biāo)準(zhǔn)量塊的3D圖像數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析與處理模塊根據(jù)3D圖像數(shù)據(jù)計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)量塊的三維尺寸信息，并與數(shù)據(jù)庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對(duì)，自動(dòng)矯正系統(tǒng)精度。

4.2 枕簧3D圖像數(shù)據(jù)采集

枕簧達(dá)到3D結(jié)構(gòu)光成像臺(tái)內(nèi)部指定的檢測(cè)位置時(shí)，光電傳感器將采集到枕簧通過(guò)的信號(hào)后發(fā)送至運(yùn)動(dòng)伺服控制模塊，運(yùn)動(dòng)伺服控制模塊控制3D結(jié)構(gòu)光成像模組沿位移電缸移動(dòng)，多角度采集枕簧信息，得到完整的3D圖像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊將采集到的3D圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)分析與處理模塊。

4.3 枕簧數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析與處理模塊對(duì)接收到的3D圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)算法庫(kù)內(nèi)的3D檢測(cè)算法，分析得出枕簧的各檢測(cè)值（半徑、高度、1/4相對(duì)高度和5/8角值），根據(jù)半徑檢測(cè)值判定枕簧類(lèi)型，根據(jù)高度檢測(cè)值、1/4相對(duì)高度和5/8角值區(qū)分合格品與不合格品，并根據(jù)高度檢測(cè)值為后續(xù)的選配提供依據(jù)。

4.4 結(jié)果與討論

以轉(zhuǎn)K2型搖枕彈簧內(nèi)簧為例，通過(guò)檢測(cè)算法計(jì)算的檢測(cè)值結(jié)果如圖1所示。圖1顯示各子算法檢測(cè)結(jié)果（單位為m），藍(lán)色為識(shí)別出的枕簧上表面及托盤(pán)平面，綠色為螺牙。

以轉(zhuǎn)K2型搖枕彈簧外簧及內(nèi)簧高度檢測(cè)為例。通過(guò)對(duì)同一搖枕彈簧外簧進(jìn)行多次檢測(cè)，得出結(jié)果：該搖枕彈簧外簧高度的平均檢測(cè)值232.57mm，標(biāo)準(zhǔn)誤差0.067mm；通過(guò)對(duì)同一搖枕彈簧內(nèi)簧進(jìn)行多次檢測(cè)，得出結(jié)果：該搖枕彈簧內(nèi)簧高度的平均檢測(cè)值210.6mm，標(biāo)準(zhǔn)誤差0.1mm。檢測(cè)結(jié)果如圖2所示，其中，橫坐標(biāo)為測(cè)量次序，縱坐標(biāo)為高度檢測(cè)值（單位為m）。

圖3中為系統(tǒng)連續(xù)一周（168小時(shí)）穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，對(duì)象為轉(zhuǎn)K2型減震彈簧外簧，168小時(shí)連續(xù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)誤差0.10mm，穩(wěn)定性良好。

結(jié)語(yǔ)

目前，已經(jīng)完成枕簧智能檢測(cè)系統(tǒng)的樣機(jī)制作、性能測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，且系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵路貨車(chē)段修規(guī)程[S].endprint