枕簧智能檢測系統

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，用于枕簧的半徑、高度、1/4相對高度和5/8環面檢測。經現場實際檢測，達到預計目的、系統穩定性佳。

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，區別合格品與不合格品、并對枕簧進行分類，傳統的作業方式通過目測區分枕簧型號和類型，通過枕簧高度尺測量枕簧自由高，采用彈簧直徑量規進行圓鋼直徑檢測，由于鐵路貨車上枕簧數量多且種類不同，該類作業方式效率低、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。

1.系統概述

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

2.系統組成

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

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，由控制系統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數據的核心傳感器，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

控制系統在上位工控機和下位可編程控制器的指令下驅動執行機構動作，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；（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圖像數據。

2.3 軟件系統

軟件系統負責檢測過程的參數設置以及3D圖像數據的采集、處理、分析、輸出等，包括通信模塊、運動控制模塊、數據采集模塊、數據分析與處理模塊、數據庫、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圖像數據采集過程中的相關運動參數，數據采集模塊通過通信模塊完成枕簧3D圖像數據的采集；數據分析與處理模塊用于對3D圖像數據進行處理，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環面值的檢測，其檢測方式將在下一節進行描述。

3.系統功能

3.1 半徑檢測

檢測半徑值可以為區分枕簧類型提供依據。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區域點云，采用圓擬合，求得枕簧圓心與半徑。并根據枕簧半徑區分枕簧類型。

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以下目的：（1）與標準彈簧的高度值比較，區分合格品與不合格品；（2）為后續選配單元的工作提供依據：選配單元根據檢測出的高度值以及預先設定的高度選配規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，取得圓柱環內的點云；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環面檢測

檢測方式如下：求枕簧上端面C字圓環區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

能夠將數據分析與處理模塊計算出的檢測值發送至選配單元，選配單元接收數據，根據設定的選配規則對枕簧進行選配。

4.系統工作流程

4.1 系統精度校準

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圖像數據，數據分析與處理模塊根據3D圖像數據計算出標準量塊的三維尺寸信息，并與數據庫的標準數據比對，自動矯正系統精度。

4.2 枕簧3D圖像數據采集

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圖像數據。數據采集模塊將采集到的3D圖像數據發送至數據分析與處理模塊。

4.3 枕簧數據分析

數據分析與處理模塊對接收到的3D圖像數據進行處理，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），根據半徑檢測值判定枕簧類型，根據高度檢測值、1/4相對高度和5/8角值區分合格品與不合格品，并根據高度檢測值為后續的選配提供依據。

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中為系統連續一周（168小時）穩定性測試結果，對象為轉K2型減震彈簧外簧，168小時連續測試標準誤差0.10mm，穩定性良好。

結語

目前，已經完成枕簧智能檢測系統的樣機制作、性能測試和現場運行，實現預期功能，且系統穩定性良好。

參考文獻

[1]鐵路貨車段修規程[S].endprint