港口起重機(jī)行走軌道咬軌程度檢測系統(tǒng)研制

朱 林，黃嘉銘，馮月貴，慶光蔚，胡靜波

（1.揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225007；2.南京市特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，南京 210002)

0 引言

起重機(jī)械作為貨運(yùn)運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?，在國民?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中具有不可或缺的作用。港口起重機(jī)軌道作為支撐設(shè)備運(yùn)行的重要單元，其安全性問題一直以來都是研究的重點(diǎn)，而咬軌現(xiàn)象是對(duì)軌道危害最大的一種故障形式。港口起重機(jī)軌道產(chǎn)生咬軌現(xiàn)象的原因有很多，主要包括[1]：軌道安裝誤差、車輪安裝偏差及起重機(jī)結(jié)構(gòu)變形等。港機(jī)軌道咬軌[2]將降低車輪的使用壽命、增加軌道磨損、增加運(yùn)行阻力、損害主梁架構(gòu)，甚至直接造成港機(jī)失穩(wěn)脫軌等安全事故。因此，通過相應(yīng)的檢測系統(tǒng)來自動(dòng)獲取港口起重機(jī)行走軌道的咬軌面圖像是必要的。

目前，港機(jī)行走軌道的檢測系統(tǒng)已成為研究的熱點(diǎn)問題。孫遠(yuǎn)韜[3]等通過全站儀法對(duì)橋式港機(jī)軌道咬軌現(xiàn)象進(jìn)行了安全性評(píng)估。余杰[4]等通過激光準(zhǔn)直法對(duì)起重機(jī)軌道損傷評(píng)估進(jìn)行了研究，并對(duì)該方法的可行性與分析準(zhǔn)確性進(jìn)行了實(shí)例分析?？讘c彬[5]等在考慮軌道實(shí)際環(huán)境的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種新型起重機(jī)軌道檢測儀，并對(duì)其檢測精度進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。謝海榮[6]等通過三維激光掃描技術(shù)獲取了軌道點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過智能擬合軌道面特征來提高了檢測的速度。梁朝獻(xiàn)[7]等通過將準(zhǔn)直法與軌道形狀曲線相結(jié)合提出了一種咬軌程度檢測方法。張珍[8]等通過運(yùn)用激光掃描小車對(duì)軌道中心線的空間曲面進(jìn)行了實(shí)時(shí)擬合，并在此基礎(chǔ)上開展了相關(guān)實(shí)例驗(yàn)證。

綜上所述，國內(nèi)外對(duì)港口起重機(jī)軌道檢測系統(tǒng)的研究很多，但仍存在以下幾點(diǎn)問題：雖然激光準(zhǔn)直法檢測方便，但對(duì)軌道實(shí)際曲線的依賴性較大；全站儀法可以獲得較高的檢測精度，但其檢測過程的危險(xiǎn)系數(shù)較高且實(shí)際操作不方便。

鑒于此，本論文擬研發(fā)一種新型港口起重機(jī)行走軌道咬軌程度視覺檢測系統(tǒng)來解決上述存在的問題，該系統(tǒng)主要包括主體結(jié)構(gòu)模塊、圖像采集模塊、控制與信息傳輸模塊共三個(gè)部分組成。

1 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)有港口起重機(jī)軌道檢測系統(tǒng)存在檢測范圍小、檢測精度不高等關(guān)鍵性問題。港口起重機(jī)行走軌道咬軌程度檢測系統(tǒng)是對(duì)軌道進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的裝置，可以滿足測量范圍大、測量精度高、自動(dòng)化程度高等基本要求。

基于上述要求，擬定了如圖1所示的港口起重機(jī)行走軌道咬軌程度檢測系統(tǒng)方案，該系統(tǒng)可分為以下幾個(gè)部分：主體結(jié)構(gòu)模塊、圖像采集模塊、控制與信息傳輸模塊及其他。如圖1所示，檢測系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)模塊主要由車體、履帶、履帶輪組成；圖像采集模塊主要由圖像采集裝置、機(jī)械臂、舵機(jī)組成；控制與信息傳輸模塊主要由工作警示系統(tǒng)、控制與信息傳輸板、驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。此外，裝置還包括紅外探測系統(tǒng)與電源。

圖1 檢測系統(tǒng)模塊組成

檢測系統(tǒng)的信息傳遞關(guān)系如圖2所示，由計(jì)算機(jī)控制端下達(dá)指定命令經(jīng)無線傳輸技術(shù)傳輸至控制與信息傳輸模塊，再經(jīng)線纜傳輸技術(shù)傳輸至各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件，進(jìn)而完成既定動(dòng)作。

圖2 檢測系統(tǒng)信息傳遞示意圖

2 檢測系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)模塊

如圖3所示為檢測系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)三維示意圖，采用履帶式移動(dòng)裝置，移動(dòng)速度可達(dá)0.4m/s。履帶式結(jié)構(gòu)大大增加了移動(dòng)的穩(wěn)定性，可應(yīng)對(duì)各種惡劣工況，從而保證檢測系統(tǒng)的工作效率。

圖3 檢測系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)三維示意圖

2.1 運(yùn)動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖4所示為檢測系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)底盤部分，由車體、履帶、行走輪組成，采用鋁合金材料，可以減少使用過程中的磨損。車體的履帶部分通過嚙合關(guān)系與履帶輪相互緊密配合，大大提高了傳動(dòng)效率。履帶輪采用金屬齒型結(jié)構(gòu)，齒輪與履帶充分嚙合，提高了裝置的行進(jìn)速度，且有效避免了惡劣工況下打滑現(xiàn)象的出現(xiàn)。

圖4 檢測系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)械臂裝置設(shè)計(jì)

如圖5所示為檢測裝置的機(jī)械臂，共由5個(gè)型號(hào)為ZX361D的高精度舵機(jī)控制。舵機(jī)之間通過線纜相連，機(jī)械臂頂部與圖像采集設(shè)備底部相連，滿足多方位自由移動(dòng)的需要，實(shí)現(xiàn)軌道的全方位檢測。同時(shí)，為保證機(jī)械臂360度旋轉(zhuǎn)時(shí)盡可能減少摩擦，機(jī)械臂與車身之間通過軸承聯(lián)接。在實(shí)際操作過程中，通過無線傳輸將計(jì)算機(jī)端的編程指令傳輸給控制與信息傳輸模塊[9]，并進(jìn)一步通過線纜傳輸給舵機(jī)，從而控制圖像采集設(shè)備獲取軌道的損傷全貌。

圖5 檢測系統(tǒng)機(jī)械臂裝置

3 檢測系統(tǒng)的圖像采集模塊

3.1 圖像采集裝置參數(shù)

本系統(tǒng)選用型號(hào)為DS-IPC-T12-I/POE的圖像采集設(shè)備，其具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。如表1所示，該裝置可在-30至60攝氏度環(huán)境下進(jìn)行工作，且?guī)蔬_(dá)到50Hz，能夠清晰采集軌道的咬軌圖像。

表1 DS-IPC-T12-I/POE圖像采集設(shè)備參數(shù)

3.2 圖像傳輸形式

如圖6所示，檢測裝置采集到咬軌圖像后，將圖像信號(hào)傳輸至控制與信息傳輸模塊，并經(jīng)無線傳輸技術(shù)最終傳輸至電腦控制端，以便技術(shù)人員進(jìn)一步對(duì)咬軌現(xiàn)象進(jìn)行圖像處理，從而定量評(píng)價(jià)咬軌的實(shí)際損傷程度。

圖6 圖像信號(hào)傳輸流程

4 檢測系統(tǒng)的控制與信息傳輸模塊

4.1 檢測系統(tǒng)控制主板

如圖7所示為本檢測系統(tǒng)的控制主板，采用開源Arduino編程。系統(tǒng)通過無線傳輸技術(shù)接收控制端指令，再經(jīng)線纜將相關(guān)指令傳輸至指定部件。

圖7 檢測系統(tǒng)控制主板

4.2 檢測系統(tǒng)信號(hào)分類

本裝置采用Arduino編碼控制，檢測裝置的控制信號(hào)包括移動(dòng)控制信號(hào)、機(jī)械臂控制信號(hào)、圖像采集信號(hào)、工作警示信號(hào)共四個(gè)部分。

在裝置移動(dòng)控制方面，控制端下達(dá)指令后，經(jīng)無線傳輸技術(shù)至控制與信息傳輸模塊，再經(jīng)線纜傳輸技術(shù)至電機(jī)，控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

在機(jī)械臂控制方面，控制端下達(dá)旋轉(zhuǎn)指令后，經(jīng)無線傳輸至信息控制與傳輸模塊，再通過線纜傳輸至機(jī)械臂舵機(jī)處，將圖像采集設(shè)備傳送至指定的軌道檢測點(diǎn)。

在圖像采集方面，系統(tǒng)將圖像采集設(shè)備置于合適位置，采集高清圖像，后將采集到的圖像信號(hào)傳輸至控制與信息傳輸模塊，并經(jīng)無線傳輸至電腦控制端，以便技術(shù)人員進(jìn)一步進(jìn)行圖像處理，定量分析咬軌程度。

在工作警示信號(hào)方面，若圖像采集過程中發(fā)現(xiàn)異常，遠(yuǎn)程圖像處理的檢測人員下達(dá)警示信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)無線傳輸至控制與信息傳輸模塊后，再經(jīng)線纜傳輸至工作警示系統(tǒng)，從而通過發(fā)出警報(bào)聲來提醒附近維修人員盡快到達(dá)維修地點(diǎn)。

5 結(jié)語

本文研制了一種港口起重機(jī)行走軌道咬軌檢測裝置，主要包括以下幾個(gè)部分：主體結(jié)構(gòu)模塊、圖像采集模塊、控制與信息傳輸模塊。

1）在主體結(jié)構(gòu)模塊中，車體采用鋁合金材料的履帶式移動(dòng)車，并在其上部安裝5個(gè)高精度舵機(jī)控制的機(jī)械臂裝置。

2）在圖像采集模塊中，裝置采用HIKVISION的DSIPC-T12-I/POE的圖像采集設(shè)備，可在-30至60℃的環(huán)境下進(jìn)行連續(xù)工作。采集的圖像經(jīng)過一系列信號(hào)轉(zhuǎn)化，呈現(xiàn)于PC端，以便技術(shù)人員進(jìn)一步對(duì)咬軌現(xiàn)象進(jìn)行圖像處理，從而定量評(píng)價(jià)咬軌的實(shí)際損傷程度。

3）在控制與信息傳輸模塊中，裝置采用開源Arduino編程主板，通過移動(dòng)控制信號(hào)、機(jī)械臂控制信號(hào)、圖像采集信號(hào)及工作警示信號(hào)的組合實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的移動(dòng)、圖像采集及警示等動(dòng)作。