菅文靜

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

關(guān)鍵詞：承載鞍;智能識別;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，安裝在貨車輪對滾動軸承和轉(zhuǎn)向架側(cè)架導(dǎo)框之間，承擔(dān)貨車輪對軸承座的作用。承載鞍的工作面在車輛運行中承受軸重、牽引和制動載荷，及轉(zhuǎn)向架蛇形運動和曲線離心力產(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，將嚴重影響貨車速度、載重量和安全性，因而，承載鞍磨耗檢測歷來是鐵路檢修部門的一項重要檢測工作。本文擬進行承載鞍3D檢測的機器人系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)的分析[1-3]。對承載鞍各個關(guān)鍵部位進行拍照和智能識別，并通過智能分類設(shè)備對合格與不合格產(chǎn)品進行智能分類。

1? 智能系統(tǒng)組成

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

2? 機器人系統(tǒng)

機器人采用德國KUKA的高精度KR10R1100型機器人，可適應(yīng)天花板、地板、墻壁夾角等多種形式的安裝，其末端標準負載為10kg，末端執(zhí)行器定位高精度±0.02mm，防護等級IP65，其詳細參數(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相機和后端3D相機。其中2D相機主要實現(xiàn)追蹤輸送線上承載鞍停止位置和承載鞍尺寸，輔助模組對承載鞍的抓取動作;其中3D相機主要實現(xiàn)對承載鞍的測量拍照功能，3D相機相關(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，兩種型號之間尺寸差異比較大，而且即便是同一型號之間尺寸也有差異，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相機對承載鞍停止位置和大小尺寸進行識別，然后模組根據(jù)2D相機反饋信號進行調(diào)整，保證抓取位置為承載鞍正中位置。

4.2 模組運動定位

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

4.3 暫存臺運動機構(gòu)具有兼容性

暫存臺機構(gòu)主要作用有兩個：①對承載鞍進行緩存，機械模組從輸送線上抓取的承載鞍先放置到暫存臺上;②當承載鞍檢測完畢，檢測臺上無承載鞍的時候，將承載鞍從暫存臺輸送至檢測臺上。由于K2/K6兩種型號的承載鞍都會放置在暫存臺上緩存，并且兩種型號以及同種型號之間尺寸差異較大，因此我們設(shè)計了一套兼容性強的機構(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)的從暫存臺輸送到檢測臺上[8-9]。

4.4 機器人協(xié)調(diào)運動

在系統(tǒng)中，通過以太網(wǎng)建立機器人和控制系統(tǒng)之間的信號傳輸，實現(xiàn)機器人與模組，相機三者之間協(xié)調(diào)配合運動。

4.5 3D相機檢測及算法分析

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)運至檢測工位后，六軸機器人帶著3D相機對頂面進行掃描拍照，構(gòu)建頂面3D點云圖，以基準平面為XY平面，高度數(shù)據(jù)為Z軸，對兩側(cè)區(qū)域頂面進行擬合，分別得到兩個擬合平面，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平面的平行度、距離，從而得出頂面的偏磨、平磨的實際磨耗量。

因為相機拍照區(qū)域有限，且需要從不同角度對承載鞍進行拍照，要構(gòu)建完整的點云圖，需要將各次所拍照的點云圖進行空間拼接，而相機所產(chǎn)生的點云圖是以相機坐標系來生成的，每次相機拍照時機器人坐標是不同的，要實現(xiàn)拼圖，需要將相機坐標系下坐標點轉(zhuǎn)換到機器人坐標系下坐標，將各個分離的相機點云圖統(tǒng)一到機器人坐標系下，然后將所有轉(zhuǎn)換后的坐標點進行組合重構(gòu)，就形成了基于機器人坐標系的承載鞍點云圖，在這個點云圖再進行對應(yīng)的特征輪廓提取，從而計算出各檢測位置的磨耗，機器人、3D相機坐標系關(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，對承載鞍各個關(guān)鍵部位進行拍照，并進行自動測量，并將合格品送至輸送線，不合格品送至廢料臺。其優(yōu)點在于：①測量過程中完全自動化，不需要人為干預(yù);②用工業(yè)相機等手段實現(xiàn)了高精度的檢測，檢測精度達到了0.1mm;③系統(tǒng)軟件對測量數(shù)據(jù)進行自動分析，并輸出分析結(jié)果，并根據(jù)測量結(jié)果將合格品送至輸送線，對不合格品進行剔除;④視覺測量屬于非接觸式測量，可以實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場承載鞍的在線監(jiān)測，同以往手工檢測和機械接觸式檢測等檢測手段相比，檢測速度快，可靠性高，不對承載鞍造成二次磨損等獨特的優(yōu)點和優(yōu)勢。同時，該智能系統(tǒng)可以適應(yīng)不同汽車產(chǎn)品的改進需求，具有良好的汽車市場應(yīng)用前景。

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