劉 暢，姜 濤

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

列車(chē)輪對(duì)踏面損傷自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 暢，姜 濤

(長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022)

提出利用激光位移傳感器對(duì)列車(chē)踏面損傷程度進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量的方法和測(cè)量系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)。在該測(cè)量系統(tǒng)中，應(yīng)用激光三角法實(shí)現(xiàn)對(duì)列車(chē)車(chē)輪踏面損傷程度測(cè)量，同時(shí)，利用光重心法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。最后，在該系統(tǒng)的Matlab仿真中，光重心法能夠有效抑制外界干擾，實(shí)現(xiàn)了比以往方法更高的測(cè)量精度。

激光位移測(cè)量;踏面檢測(cè);光重心法;電荷耦合器件(CCD)

列車(chē)輪對(duì)是列車(chē)主要的行走部件，對(duì)列車(chē)的安全運(yùn)行至關(guān)重要［1］。在列車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中輪對(duì)易發(fā)生各種磨損，磨損后每個(gè)輪對(duì)踏面特征均會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)前我國(guó)對(duì)輪對(duì)踏面的檢查多用手工完成，檢測(cè)精度不高、效率低，難以滿(mǎn)足社會(huì)需求。

目前，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)對(duì)列車(chē)車(chē)輪踏面損傷檢測(cè)投入了很多精力并取得了一定成果。一般來(lái)說(shuō)大體上分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是靜態(tài)檢測(cè)，一類(lèi)是動(dòng)態(tài)檢測(cè)。靜態(tài)檢測(cè)方法雖然精度高，但是列車(chē)需要停止運(yùn)行，效率較低。因此，動(dòng)態(tài)檢測(cè)成為人們的理想選擇。在動(dòng)態(tài)檢測(cè)方面，較為突出的幾種方法為:振動(dòng)法，超聲法，光電檢測(cè)法。光電檢測(cè)法很早就運(yùn)用到了列車(chē)踏面的檢測(cè)上，但是多是靜態(tài)檢測(cè)，近年來(lái)隨著傳感器和計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，光電檢測(cè)法開(kāi)始向動(dòng)態(tài)檢測(cè)方面轉(zhuǎn)變，本文就是利用光電檢測(cè)方法中的一種來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。

1 踏面損傷的檢測(cè)原理

1.1 踏面的檢測(cè)參數(shù)

列車(chē)輪對(duì)是由兩個(gè)相同的車(chē)輪和一根車(chē)軸組成。車(chē)輪滾壓在鋼軌上的接觸部分稱(chēng)為踏面，車(chē)輪踏面內(nèi)側(cè)有一沿圓周突起的凸緣稱(chēng)為輪緣。機(jī)車(chē)車(chē)輛部門(mén)對(duì)各型列車(chē)輪對(duì)輪緣的磨耗限度均有明確的規(guī)定［2］，主要通過(guò)測(cè)量輪緣厚度、輪緣高度來(lái)判斷踏面磨耗程度。輪輞寬A、輪輞厚B、輪緣厚C和踏面磨耗J為車(chē)輪踏面部分所要求測(cè)量的尺寸，如圖1所示為車(chē)輪踏面剖面圖，踏面磨耗J為圖1中所示的距離D再減去一個(gè)常數(shù)。它們所要求的測(cè)量精度均為0.2mm。

圖1 列車(chē)輪對(duì)外形及測(cè)量位置

圖2 測(cè)量裝置圖

1.2 踏面損傷的檢測(cè)原理

檢測(cè)系統(tǒng)主要由激光位移傳感器完成，測(cè)量時(shí)，測(cè)量裝置安放在列車(chē)輪的正上方，位置相對(duì)靜止。進(jìn)行踏面檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)單元以螺旋掃描的方式對(duì)車(chē)輪踏面進(jìn)行掃描。即，在單片機(jī)的控制下，步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)光學(xué)測(cè)量組件勻速沿車(chē)軸方向移動(dòng)。若車(chē)輪踏面某處存在損傷，則隨著車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，CCD上的反射光斑會(huì)隨之移動(dòng)，通過(guò)計(jì)算該偏移量即可得出踏面損傷的程度。如圖2所示。

1.3 激光位移傳感器的測(cè)量原理:

激光位移傳感器是一種非接觸式的精密激光測(cè)量系統(tǒng)，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、速度快、精度高等特點(diǎn)，適用于檢測(cè)回轉(zhuǎn)體的尺寸和形位誤差［3］。

在該系統(tǒng)中，采用激光位移傳感器來(lái)檢測(cè)車(chē)輪踏面的尺寸，進(jìn)而獲得踏面損傷程度。激光位移傳感器設(shè)計(jì)采用了激光三角測(cè)量原理。

圖3 激光三角測(cè)量原理

如圖3所示，激光位移傳感器工作時(shí)，激光器發(fā)出一束光，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)L1在被測(cè)物體表面上形成光斑O點(diǎn)，接收光學(xué)系統(tǒng)L2則將其成像在CCD的光敏面O’點(diǎn)處。當(dāng)被測(cè)物體的表面發(fā)生變化時(shí)，即光斑由O點(diǎn)移動(dòng)到O1時(shí)，其像點(diǎn)也必然發(fā)生變化，即光斑由O’相應(yīng)的移動(dòng)到O1’處。設(shè)CCD光敏面與成像透鏡光軸之間的夾角為φ，激光發(fā)射光束軸線與成像透鏡光軸之間的夾角為θ，則根據(jù)三角關(guān)系可得出下列等式成立:

根據(jù)三角形的相似定理可以得出下列關(guān)系式:

當(dāng)光斑由O點(diǎn)移動(dòng)到O1時(shí)

整理得:

從而得到CCD上的位移改變與實(shí)際踏面改變之間的聯(lián)系。

其中

為系統(tǒng)的光學(xué)放大率。由式(4)分母中的H可知，該光學(xué)放大率不是常數(shù)，即S與H不是線性關(guān)系，所以需要在數(shù)據(jù)處理中根據(jù)式(4)對(duì)結(jié)果進(jìn)行線性化處理。

在實(shí)際測(cè)量中，可以利用輪緣高度做參考。一般來(lái)說(shuō)，輪緣不會(huì)受到損傷，在測(cè)量時(shí)可以算出輪緣頂?shù)教っ嬷g的距離。此值若與原始設(shè)計(jì)值不同，則說(shuō)明列車(chē)踏面存在損傷。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，每一個(gè)列車(chē)輪對(duì)應(yīng)一組檢測(cè)單元，如圖4所示，各檢測(cè)單元通過(guò)CAN總線與列車(chē)中央控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，以確保在列車(chē)運(yùn)行時(shí)所處復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性。各檢測(cè)單元內(nèi)，由獨(dú)立的C8051F單片機(jī)進(jìn)行控制。每組檢測(cè)單元由獨(dú)立的光源和線陣CCD構(gòu)成。通過(guò)線陣CCD，可以獲得反射光斑的位置信息，根據(jù)激光三角測(cè)量法，即可計(jì)算出踏面切面距離檢測(cè)器的相對(duì)位移。

列車(chē)輪對(duì)踏面具有一定的寬度，而該激光三角測(cè)距機(jī)構(gòu)僅能檢測(cè)一點(diǎn)的相對(duì)位移。也就是說(shuō)，當(dāng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，該檢測(cè)單元僅能檢測(cè)車(chē)輪踏面某一圓周的損傷情況，而不是對(duì)整個(gè)圓柱面進(jìn)行檢測(cè)。為此，在該系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由步進(jìn)電機(jī)控制螺桿，帶動(dòng)激光發(fā)射器、CCD等光學(xué)測(cè)量組件沿車(chē)軸平行方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)車(chē)輪踏面的掃描。圖5為測(cè)量單元硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖5 測(cè)量單元硬件結(jié)構(gòu)圖

在本設(shè)計(jì)中，采用ILX511型線陣CCD。該CCD工作時(shí)，對(duì)應(yīng)每個(gè)感光單元，連續(xù)輸出2048個(gè)模擬信號(hào)。其信號(hào)處理電路如圖6所示。其中，電路中的運(yùn)放為T(mén)L062型雙運(yùn)放。U1A部分是調(diào)零電路，目的為了除去ILX511的偏置電壓和暗電流。由R5和C5組成的低通濾波器用于濾除信號(hào)中的高頻噪聲，提高測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性。U1B部分為放大電路，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大，以滿(mǎn)足模數(shù)轉(zhuǎn)換器的需求。系統(tǒng)中采用C8051F單片機(jī)內(nèi)部集成的12位AD，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量便于后續(xù)處理。

在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，當(dāng)該檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)并完成其硬件初始化后，各檢測(cè)單元處于待機(jī)狀態(tài)，等待列車(chē)中央控制系統(tǒng)的命令。若車(chē)中央系統(tǒng)啟動(dòng)了踏面檢測(cè)過(guò)程，則檢測(cè)單元在單片機(jī)的控制下，完成一次檢測(cè)動(dòng)作。

進(jìn)行踏面檢測(cè)時(shí)，在單片機(jī)的控制下，步進(jìn)電機(jī)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)光學(xué)測(cè)量組件勻速沿車(chē)軸方向移動(dòng)，由于踏面處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，檢測(cè)點(diǎn)的軌跡實(shí)際是以螺旋的形式掃描整個(gè)車(chē)輪踏面。若車(chē)輪踏面沒(méi)有損傷，則反射光斑在CCD上的位置保持靜止。若車(chē)輪踏面某處存在損傷，則隨著車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，CCD上的反射光斑會(huì)隨之移動(dòng)，通過(guò)計(jì)算該偏移量即可得出踏面損傷的程度。若得出的踏面損傷的程度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，則檢測(cè)單元通過(guò)CAN總線將警告信息發(fā)送至列車(chē)中央控制系統(tǒng)?？傮w工作流程見(jiàn)圖7。

圖6 信號(hào)處理電路

圖7 總體工作流程圖

3 討論

3.1 提高測(cè)量精度

根據(jù)激光三角法測(cè)距原理，在該設(shè)計(jì)中，需要準(zhǔn)確測(cè)量CCD上反射光斑的位置。該位置數(shù)據(jù)的測(cè)量精度及分辨率將決定整體踏面損傷程度測(cè)量結(jié)果的精度及分辨率。

理論上，反射光斑在線陣CCD上的光強(qiáng)近似為高斯分布，如圖8(a)所示。但在實(shí)際測(cè)量中，由于受到光源質(zhì)量、被測(cè)面表面粗糙度、光學(xué)成像質(zhì)量以及隨機(jī)噪聲的影響，CCD上的光強(qiáng)分布往往不是平滑的曲線，如圖8(b)所示。

圖8 CCD上的光強(qiáng)分布示意圖

目前，獲得光斑中心點(diǎn)在CCD上的位置的常用方法有最大值法，擬合法和重心法等。其中最大值法的采用光強(qiáng)最強(qiáng)的一點(diǎn)作為光斑在CCD上的位置，計(jì)算方法最簡(jiǎn)單，但其分辨率低，只能得到象素級(jí)的分辨率，且易受到光斑成像質(zhì)量的干擾。擬合法和重心法都利用目標(biāo)光斑內(nèi)各像素的灰度值的關(guān)系，對(duì)光斑的中心位置進(jìn)行推測(cè)，能夠獲得亞象素級(jí)的分辨率，且不易受到隨機(jī)噪聲的影響［4］。在實(shí)際應(yīng)用中，重心法不但能獲得亞象素級(jí)的分辨率，且相對(duì)于擬合法計(jì)算量小，便于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。所以在該設(shè)計(jì)中，采用重心法對(duì)反射光斑的位置進(jìn)行定位。

圖9 重心法實(shí)現(xiàn)過(guò)程

數(shù)字化求重心法是基于平面幾何中積分求重心的原理。CCD上像點(diǎn)位置的確定過(guò)程如圖9所示。圖9(a)中的曲線e(x)是CCD上的光強(qiáng)分布，CCD像素響應(yīng)函數(shù)為p(x);e(x)與p(x)卷積得到CCD的輸出信號(hào)f(x)=e(x)·p(x)，經(jīng)采樣函數(shù)s(x)采樣后得到空間離散的信號(hào)g(x)。實(shí)際應(yīng)用中，g(x)為每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的輸出電壓值。根據(jù)這一系列電壓之，按式(5)即可求出光斑的重心位置

式中:xc為所求的目標(biāo)重心的位置;vi為轉(zhuǎn)化后的電壓值;d為CCD的尺寸大?。?］。

在獲得了光斑的重心位置后，根據(jù)成像光學(xué)系統(tǒng)的焦距，CCD像素間距等參數(shù)，根據(jù)式(2)即可推斷出車(chē)輪踏面切面距離測(cè)量單元的相對(duì)距離。即:

3.2 仿真及結(jié)果分析

為了定量評(píng)估該測(cè)量方法的技術(shù)指標(biāo)，本課題中利用Matlab軟件對(duì)上述方法進(jìn)行仿真。踏面測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際工作時(shí)，由于機(jī)械震動(dòng)、踏面表面粗糙度、電路性能等多方面因素，CCD的光斑信號(hào)中存在著噪聲。由于這些隨機(jī)噪聲的存在，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果存在一定范圍內(nèi)的波動(dòng)。為此，我們需要定量分析該系統(tǒng)多次測(cè)量結(jié)果的一致性，進(jìn)而可推斷測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度和分辨率。在該課題中，我們采用相同條件下多次測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)衡量測(cè)量結(jié)果的一致性。

在仿真過(guò)程中，我們對(duì)比了光重心法和最大值法在測(cè)定光斑位置時(shí)測(cè)量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)量，并找出測(cè)量結(jié)果一致性和噪聲強(qiáng)度之間的關(guān)系，如圖10(a)所示。從圖10(a)我們可以看出，隨著噪聲的增強(qiáng)，測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差變大，即說(shuō)明測(cè)量結(jié)果的一致性變差，測(cè)量精度變低。但我們可以看出，相對(duì)最大值法，采用重心法能夠更加有效抑制由于噪聲帶來(lái)的精度下降。

圖10 不同噪聲強(qiáng)度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

為了更加清晰地描述測(cè)量結(jié)果的分布情況，我們采用箱型圖來(lái)描述噪聲強(qiáng)度在0至10范圍時(shí)測(cè)量結(jié)果與準(zhǔn)確值之間誤差的分布情況，如圖10(b)所示。在這里，我們可以看出，當(dāng)噪聲強(qiáng)度較小時(shí)，測(cè)量誤差可保持在正負(fù)半個(gè)像素長(zhǎng)度范圍內(nèi)。此時(shí)，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確且分辨出光斑在單位像素長(zhǎng)度距離的位移，即測(cè)量分辨率至少可達(dá)到:?！?4μm≈44μm。

由于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)在列車(chē)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)自動(dòng)測(cè)量，所以系統(tǒng)的采樣率是另一關(guān)鍵參數(shù)。該系統(tǒng)中使用的ILX511型線陣CCD最高采樣率約為950Hz，為了檢測(cè)出至少10mm的損傷區(qū)域，則要求列車(chē)行進(jìn)速度小于34.2Km/h。所以該系統(tǒng)適合于在列車(chē)進(jìn)出站時(shí)啟動(dòng)，對(duì)車(chē)輪進(jìn)行例行檢測(cè)。

4 結(jié)語(yǔ)

列車(chē)輪對(duì)是列車(chē)的關(guān)鍵部件，準(zhǔn)確地對(duì)于列車(chē)輪踏面損傷程度進(jìn)行檢測(cè)事關(guān)鐵道運(yùn)輸安全。本文介紹的是一種基于激光位移傳感的自動(dòng)的測(cè)量輪對(duì)踏面損傷的方法，并提出利用CCD重心法來(lái)提高測(cè)量的精度進(jìn)而提高車(chē)輪踏面損傷檢測(cè)的靈敏度。該系統(tǒng)造價(jià)低、自動(dòng)化程度高，能夠減輕鐵路維護(hù)人員的工作量，并能有效預(yù)防由踏面損傷引起的鐵路安全事故，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

［2］中華人民共和國(guó)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB/T 499-2003中華人民共和國(guó)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［S］.機(jī)車(chē)車(chē)輛車(chē)輪輪緣踏面外形，2003.

［3］盧鳳凰.激光三角測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及性能分析［D］.西南交通大學(xué)，2008.

［4］尚學(xué)軍，何明一，王俊良.基于線陣CCD的光斑定位算法研究［J］.激光與紅外，2008(38):739-741.

［5］聞路紅，童衛(wèi)旗，陳桂林.重心算法確定CCD像點(diǎn)位置的硬件實(shí)現(xiàn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2004(5):42-43.

Design for Automatic Detection System of Train Wheels Tread Damage

LIU Chang，JIANG Tao
(School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

This paper introduces a method of making automatic detection on the degree of tread damage by laser displacement sensor and gives a general design of the measurement system.In this system，laser triangulation method is used to measure the degree of tread damage on train wheels，and at the same time，the data processing is optimized by centroid method to improve the accuracy of the measurement.Finally，in the Matlab simulation of the system，centroid method can effectively restrain the influence from the environment to achieve a higher accuracy than previous designs.

laser displacement measurement;tread defection;centroid method;CCD

TH865

A

1009-3907(2013)10-1215-06

2013-09-08

劉暢(1986-)，女，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生，主要從事在線檢測(cè)理論與技術(shù)方面研究。

姜濤(1969-)，男，山西大同人，研究員，博士，主要從事光電在線檢測(cè)技術(shù)方面的研究工作。

責(zé)任編輯:

吳旭云