段樂

摘 要：為提高鐵路貨車枕簧的檢修質量和效率，研制了枕簧智能檢測系統(tǒng)，用于枕簧的半徑、高度、1/4相對高度和5/8環(huán)面檢測。經(jīng)現(xiàn)場實際檢測，達到預計目的、系統(tǒng)穩(wěn)定性佳。

關鍵詞：貨車；枕簧檢修；3D結構光；3D檢測算法

中圖分類號：TP271 文獻標識碼：A

0.引言

減震彈簧、搖枕彈簧是鐵路貨車轉向架的重要組成部分，主要用于緩和鐵路貨車在運行中的振動和沖擊。在高速重載運輸環(huán)境下，鐵路貨車運行品質對枕簧的質量要求越來越高，鐵路貨車枕簧需要定期檢修，按鐵道部要求，在裝車前必須對枕簧進行檢測和分類。定期質量檢測過程中，需要將拆卸的枕簧運送至指定地點，對枕簧的質量進行檢測，區(qū)別合格品與不合格品、并對枕簧進行分類，傳統(tǒng)的作業(yè)方式通過目測區(qū)分枕簧型號和類型，通過枕簧高度尺測量枕簧自由高，采用彈簧直徑量規(guī)進行圓鋼直徑檢測，由于鐵路貨車上枕簧數(shù)量多且種類不同，該類作業(yè)方式效率低、勞動強度大，且易受人為因素干擾，難以滿足當前枕簧檢修的需求。為提高枕簧檢修的質量和效率、解放勞動力，通過對枕簧檢測、選配的要求以及枕簧自身的特點進行分析，以3D結構光視覺技術為基礎，研制了枕簧智能檢測系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)概述

枕簧智能檢測系統(tǒng)是機械、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)為一體的智能系統(tǒng)，可以實現(xiàn)枕簧的半徑、高度、1/4相對高度、5/8環(huán)面值的檢測，該系統(tǒng)以3D結構光視覺技術為基礎，依據(jù)3D結構光傳感器掃描枕簧，獲取3D圖像數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)模型將枕簧3D圖像數(shù)據(jù)轉化為點云數(shù)據(jù)，并對點云數(shù)據(jù)進行處理，通過3D檢測算法得出相應的檢測值。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)枕簧的數(shù)據(jù)檢測、分類，并通過與后續(xù)選配單元配合，實現(xiàn)枕簧的自動選配過程，從而將作業(yè)人員從惡劣的工作環(huán)境中解放出來。

2.系統(tǒng)組成

枕簧智能檢測系統(tǒng)是以3D結構光視覺技術為基礎，由機械設計、電氣設計、信息處理、軟件開發(fā)等技術集合而成的智能系統(tǒng)，系統(tǒng)總體由機械結構、控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。

2.1 機械結構

機械結構由光電傳感器、枕簧運輸機構和3D結構光成像臺組成，用于枕簧的輸送、定位、檢測等。

枕簧運輸機構用于將枕簧由其他地點運送至3D結構光成像臺處；光電傳感器用于檢測枕簧的通過，并將枕簧通過的信息傳遞至控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)控制枕簧運輸機構的行走和停止，從而將枕簧停留在3D結構光成像臺處指定的檢測位置上；3D結構光成像臺用于枕簧的3D成像。3D結構光成像臺由3D結構光成像模組、位移電缸、安裝殼體組成。3D結構光成像模組包含若干個3D結構光傳感器。3D結構光傳感器是獲得3D數(shù)據(jù)的核心傳感器，在單元中有極重要的作用，直接關系到檢測X與Z方向的分辨率、準確度和效率。安裝殼體由遮光外殼、3D結構光成像模組安裝機構及位移電缸安裝機構組成，3D結構光成像模組、位移電缸通過相應的安裝機構安裝在遮光外殼內部，位于待檢測枕簧的上方，位移電缸用于帶動3D結構光成像模組的水平移動，是控制3D結構光Y方向位置的單元，其位移分辨率、定位準確度和運動速度直接關系到Y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)在上位工控機和下位可編程控制器的指令下驅動執(zhí)行機構動作，由PC、運動伺服控制和輸出控制3部分組成。運動伺服控制根據(jù)光電傳感器信息進行相關動作：（1）控制枕簧運輸機構的行走和停止：光電傳感器檢測到待檢測枕簧通過的信息后，控制枕簧運輸機構停止運轉，從而將待檢測的枕簧停留在3D結構光成像臺處指定的檢測位置上；枕簧檢測完畢后，控制枕簧運輸機構運行，將已測的枕簧輸送出3D結構光成像臺，待光電傳感器檢測到下一個待檢測枕簧時，再次控制枕簧運輸機構停止運轉，以此循環(huán)；（2）控制3D結構光成像模組沿位移電缸移動：光電傳感器檢測到待檢測枕簧通過的信息后，由控制系統(tǒng)控制3D結構光成像模組沿位移電缸移動，3D結構光傳感器從多個角度掃描枕簧，獲取完整的3D圖像數(shù)據(jù)。

2.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)負責檢測過程的參數(shù)設置以及3D圖像數(shù)據(jù)的采集、處理、分析、輸出等，包括通信模塊、運動控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析與處理模塊、數(shù)據(jù)庫、算法庫等模塊。通信模塊用于與3D結構光傳感器、選配單元的通信；運動控制模塊設置3D圖像數(shù)據(jù)采集過程中的相關運動參數(shù)，數(shù)據(jù)采集模塊通過通信模塊完成枕簧3D圖像數(shù)據(jù)的采集；數(shù)據(jù)分析與處理模塊用于對3D圖像數(shù)據(jù)進行處理，通過3D檢測算法計算出相應的檢測值，包括枕簧的半徑、高度、1/4相對高度和5/8環(huán)面值的檢測，其檢測方式將在下一節(jié)進行描述。

3.系統(tǒng)功能

3.1 半徑檢測

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

3D檢測算法對枕簧半徑檢測方式如下：通過分割枕簧上端面平整圓環(huán)區(qū)域點云，采用圓擬合，求得枕簧圓心與半徑。并根據(jù)枕簧半徑區(qū)分枕簧類型。

3.2 高度值檢測

高度值是枕簧的重要指標。通過檢測高度值可以實現(xiàn)以下目的：（1）與標準彈簧的高度值比較，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)檢測出的高度值以及預先設定的高度選配規(guī)則對枕簧進行對應選配。

枕簧高度值檢測方式如下：通過查找并擬合托盤平面和枕簧上端面，得到托盤和枕簧平面方程，求枕簧上端面點云質心，計算質心點到托盤平面距離，得到枕簧高度。

3.3 1/4相對高度檢測

檢測方式如下：以中徑值為半徑，設一個圓柱環(huán)，取得圓柱環(huán)內的點云；求該點云內的最低點到枕簧上端面的距離，即為1/4絕對高度。截取枕簧中部點云，將每一段螺牙進行分割，舍棄可能不完整的最高和最低螺牙，對保留的螺牙求質心，相鄰兩個螺牙的質心距離即為螺距，1/4絕對高度與螺距的比值，即求得1/4相對高度值。endprint

3.4 5/8環(huán)面檢測

檢測方式如下：求枕簧上端面C字圓環(huán)區(qū)域的每一個點與圓心連線角度，計算得到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

能夠將數(shù)據(jù)分析與處理模塊計算出的檢測值發(fā)送至選配單元，選配單元接收數(shù)據(jù)，根據(jù)設定的選配規(guī)則對枕簧進行選配。

4.系統(tǒng)工作流程

4.1 系統(tǒng)精度校準

在3D結構光成像臺內部指定的檢測位置上放置經(jīng)過計量局計量的標準量塊，控制3D結構光傳感器拍攝該標準量塊的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)計算出標準量塊的三維尺寸信息，并與數(shù)據(jù)庫的標準數(shù)據(jù)比對，自動矯正系統(tǒng)精度。

4.2 枕簧3D圖像數(shù)據(jù)采集

枕簧達到3D結構光成像臺內部指定的檢測位置時，光電傳感器將采集到枕簧通過的信號后發(fā)送至運動伺服控制模塊，運動伺服控制模塊控制3D結構光成像模組沿位移電缸移動，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)分析與處理模塊對接收到的3D圖像數(shù)據(jù)進行處理，通過算法庫內的3D檢測算法，分析得出枕簧的各檢測值（半徑、高度、1/4相對高度和5/8角值），根據(jù)半徑檢測值判定枕簧類型，根據(jù)高度檢測值、1/4相對高度和5/8角值區(qū)分合格品與不合格品，并根據(jù)高度檢測值為后續(xù)的選配提供依據(jù)。

4.4 結果與討論

以轉K2型搖枕彈簧內簧為例，通過檢測算法計算的檢測值結果如圖1所示。圖1顯示各子算法檢測結果（單位為m），藍色為識別出的枕簧上表面及托盤平面，綠色為螺牙。

以轉K2型搖枕彈簧外簧及內簧高度檢測為例。通過對同一搖枕彈簧外簧進行多次檢測，得出結果：該搖枕彈簧外簧高度的平均檢測值232.57mm，標準誤差0.067mm；通過對同一搖枕彈簧內簧進行多次檢測，得出結果：該搖枕彈簧內簧高度的平均檢測值210.6mm，標準誤差0.1mm。檢測結果如圖2所示，其中，橫坐標為測量次序，縱坐標為高度檢測值（單位為m）。

圖3中為系統(tǒng)連續(xù)一周（168小時）穩(wěn)定性測試結果，對象為轉K2型減震彈簧外簧，168小時連續(xù)測試標準誤差0.10mm，穩(wěn)定性良好。

結語

目前，已經(jīng)完成枕簧智能檢測系統(tǒng)的樣機制作、性能測試和現(xiàn)場運行，實現(xiàn)預期功能，且系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

參考文獻

[1]鐵路貨車段修規(guī)程[S].endprint