基于機(jī)器視覺的承載鞍3D檢測(cè)分析

菅文靜

摘要：承載鞍是承擔(dān)貨車輪對(duì)軸承座的重要組件，對(duì)車輛的行駛安全有著至關(guān)重要的作用。本文在機(jī)械與電氣結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過機(jī)器人系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)的建立構(gòu)建了承載鞍智能3D檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車輛維修廠承載鞍檢修作業(yè)規(guī)程，對(duì)承載鞍各個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行拍照和智能識(shí)別，并通過智能分類設(shè)備對(duì)合格與不合格產(chǎn)品進(jìn)行智能分類。本技術(shù)將可以適應(yīng)不同類型的車輛配件監(jiān)測(cè)，為提高車輛的運(yùn)行安全提供保障。

關(guān)鍵詞：承載鞍;智能識(shí)別;3D分析;設(shè)備可靠性

0? 引言

承載鞍是鐵路貨車轉(zhuǎn)向架的重要部件，安裝在貨車輪對(duì)滾動(dòng)軸承和轉(zhuǎn)向架側(cè)架導(dǎo)框之間，承擔(dān)貨車輪對(duì)軸承座的作用。承載鞍的工作面在車輛運(yùn)行中承受軸重、牽引和制動(dòng)載荷，及轉(zhuǎn)向架蛇形運(yùn)動(dòng)和曲線離心力產(chǎn)生的橫向載荷作用，車輛的沖擊載荷作用等。列車行駛過程中，承載鞍與轉(zhuǎn)向架側(cè)架及軸承接觸產(chǎn)生磨損即磨耗，若承載鞍磨耗過限，將嚴(yán)重影響貨車速度、載重量和安全性，因而，承載鞍磨耗檢測(cè)歷來是鐵路檢修部門的一項(xiàng)重要檢測(cè)工作。本文擬進(jìn)行承載鞍3D檢測(cè)的機(jī)器人系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)的分析[1-3]。對(duì)承載鞍各個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行拍照和智能識(shí)別，并通過智能分類設(shè)備對(duì)合格與不合格產(chǎn)品進(jìn)行智能分類。

1? 智能系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)主要由機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)組成。其中機(jī)械系統(tǒng)包括傳輸線、機(jī)械模組、暫存臺(tái)、檢測(cè)臺(tái)、備件臺(tái)和廢料臺(tái)等。其中電氣系統(tǒng)主要包括PLC控制系統(tǒng)、各種傳感器、各種檢測(cè)開關(guān)、伺服運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、HMI等。其中機(jī)器人系統(tǒng)主要包括六軸機(jī)器人本體和機(jī)器人控制系統(tǒng)。其中視覺系統(tǒng)主要包括工業(yè)2D相機(jī)、工業(yè)3D相機(jī)和圖像分析處理系統(tǒng)[4-5]。

2? 機(jī)器人系統(tǒng)

機(jī)器人采用德國KUKA的高精度KR10R1100型機(jī)器人，可適應(yīng)天花板、地板、墻壁夾角等多種形式的安裝，其末端標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載為10kg，末端執(zhí)行器定位高精度±0.02mm，防護(hù)等級(jí)IP65，其詳細(xì)參數(shù)如圖1所示[6-7]。

3? 視覺系統(tǒng)

視覺系統(tǒng)主要包括前端2D相機(jī)和后端3D相機(jī)。其中2D相機(jī)主要實(shí)現(xiàn)追蹤輸送線上承載鞍停止位置和承載鞍尺寸，輔助模組對(duì)承載鞍的抓取動(dòng)作;其中3D相機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)承載鞍的測(cè)量拍照功能，3D相機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

4? 智能系統(tǒng)關(guān)鍵功能

4.1 承載鞍抓取定位

承載鞍有K2和K6兩種型號(hào)，兩種型號(hào)之間尺寸差異比較大，而且即便是同一型號(hào)之間尺寸也有差異，而模組在從甲方輸送線抓取承載鞍的時(shí)候，必須保證抓取位置為承載鞍正中位置，因此通過工業(yè)2D相機(jī)對(duì)承載鞍停止位置和大小尺寸進(jìn)行識(shí)別，然后模組根據(jù)2D相機(jī)反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，保證抓取位置為承載鞍正中位置。

4.2 模組運(yùn)動(dòng)定位

模組的精確移動(dòng)和定位，將承載鞍精確放置在暫存臺(tái)上，是保證承載鞍檢測(cè)精度的前提條件。通過采用專門的伺服運(yùn)動(dòng)模組，位置精度可控制在0.1mm范圍內(nèi)。

4.3 暫存臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有兼容性

暫存臺(tái)機(jī)構(gòu)主要作用有兩個(gè)：①對(duì)承載鞍進(jìn)行緩存，機(jī)械模組從輸送線上抓取的承載鞍先放置到暫存臺(tái)上;②當(dāng)承載鞍檢測(cè)完畢，檢測(cè)臺(tái)上無承載鞍的時(shí)候，將承載鞍從暫存臺(tái)輸送至檢測(cè)臺(tái)上。由于K2/K6兩種型號(hào)的承載鞍都會(huì)放置在暫存臺(tái)上緩存，并且兩種型號(hào)以及同種型號(hào)之間尺寸差異較大，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一套兼容性強(qiáng)的機(jī)構(gòu)，在頂升裝置上部設(shè)有平衡彈簧，可以保證將承載鞍平穩(wěn)的從暫存臺(tái)輸送到檢測(cè)臺(tái)上[8-9]。

4.4 機(jī)器人協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)

在系統(tǒng)中，通過以太網(wǎng)建立機(jī)器人和控制系統(tǒng)之間的信號(hào)傳輸，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與模組，相機(jī)三者之間協(xié)調(diào)配合運(yùn)動(dòng)。

4.5 3D相機(jī)檢測(cè)及算法分析

模組將承載鞍從上料傳輸線送到暫存工位，再由換料裝置、直線模組轉(zhuǎn)運(yùn)至檢測(cè)工位后，六軸機(jī)器人帶著3D相機(jī)對(duì)頂面進(jìn)行掃描拍照，構(gòu)建頂面3D點(diǎn)云圖，以基準(zhǔn)平面為XY平面，高度數(shù)據(jù)為Z軸，對(duì)兩側(cè)區(qū)域頂面進(jìn)行擬合，分別得到兩個(gè)擬合平面，擬合平面在XY平面上約束在掃描區(qū)域邊界范圍內(nèi)，求得擬合平面與基準(zhǔn)平面的平行度、距離，從而得出頂面的偏磨、平磨的實(shí)際磨耗量。

因?yàn)橄鄼C(jī)拍照區(qū)域有限，且需要從不同角度對(duì)承載鞍進(jìn)行拍照，要構(gòu)建完整的點(diǎn)云圖，需要將各次所拍照的點(diǎn)云圖進(jìn)行空間拼接，而相機(jī)所產(chǎn)生的點(diǎn)云圖是以相機(jī)坐標(biāo)系來生成的，每次相機(jī)拍照時(shí)機(jī)器人坐標(biāo)是不同的，要實(shí)現(xiàn)拼圖，需要將相機(jī)坐標(biāo)系下坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人坐標(biāo)系下坐標(biāo)，將各個(gè)分離的相機(jī)點(diǎn)云圖統(tǒng)一到機(jī)器人坐標(biāo)系下，然后將所有轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行組合重構(gòu)，就形成了基于機(jī)器人坐標(biāo)系的承載鞍點(diǎn)云圖，在這個(gè)點(diǎn)云圖再進(jìn)行對(duì)應(yīng)的特征輪廓提取，從而計(jì)算出各檢測(cè)位置的磨耗，機(jī)器人、3D相機(jī)坐標(biāo)系關(guān)系示意如圖2所示。

5? 結(jié)論

本系統(tǒng)根據(jù)車輛維修廠承載鞍檢修作業(yè)規(guī)程，對(duì)承載鞍各個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行拍照，并進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并將合格品送至輸送線，不合格品送至廢料臺(tái)。其優(yōu)點(diǎn)在于：①測(cè)量過程中完全自動(dòng)化，不需要人為干預(yù);②用工業(yè)相機(jī)等手段實(shí)現(xiàn)了高精度的檢測(cè)，檢測(cè)精度達(dá)到了0.1mm;③系統(tǒng)軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，并輸出分析結(jié)果，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果將合格品送至輸送線，對(duì)不合格品進(jìn)行剔除;④視覺測(cè)量屬于非接觸式測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)承載鞍的在線監(jiān)測(cè)，同以往手工檢測(cè)和機(jī)械接觸式檢測(cè)等檢測(cè)手段相比，檢測(cè)速度快，可靠性高，不對(duì)承載鞍造成二次磨損等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，該智能系統(tǒng)可以適應(yīng)不同汽車產(chǎn)品的改進(jìn)需求，具有良好的汽車市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳石，陽智鋼.對(duì)鐵路貨車承載鞍加鑄限度標(biāo)記的建議[J].鐵道車輛，2004（11）.

[2]趙允志.鐵路貨車承載鞍檢修樣板的研制[J].鐵道車輛， 2003（06）.

[3]孟科.承載鞍檢修中的問題及對(duì)策[J].鐵道車輛，1994（09）.

[4]田建忠.鐵道車輛用承載鞍超大圓弧面加工[J].金屬加工（冷加工），2017（04）.

[5]王玉東.貨車轉(zhuǎn)向架承載鞍碰傷軸承密封罩的原因分析[J].鐵道車輛，2004（06）.

[6]夏靖.鐵路車輛承載鞍鞍面內(nèi)弧半徑測(cè)量系統(tǒng)的研究[J].艦船電子工程，2008（12）.

[7]劉麗華.轉(zhuǎn)8A轉(zhuǎn)向架承載鞍擋邊折斷原因分析及預(yù)防措施[J].鐵道車輛，2002（01）.

[8]高新翼，傅茂海，趙衛(wèi)，吳克明.基于承載鞍加速度的貨車穩(wěn)定性判斷方法探討[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2014（06）.

[9]吳光勇，孫麟生，呂健波.鐵路貨車橡膠承載鞍的試驗(yàn)研究[J].鐵道車輛，1991（01）.