港口起重機行走軌道咬軌程度檢測系統研制

朱 林，黃嘉銘，馮月貴，慶光蔚，胡靜波

（1.揚州大學 機械工程學院，揚州 225007；2.南京市特種設備安全監督檢驗研究院，南京 210002)

0 引言

起重機械作為貨運運輸的主要工具，在國民經濟社會發展中具有不可或缺的作用。港口起重機軌道作為支撐設備運行的重要單元，其安全性問題一直以來都是研究的重點，而咬軌現象是對軌道危害最大的一種故障形式。港口起重機軌道產生咬軌現象的原因有很多，主要包括[1]：軌道安裝誤差、車輪安裝偏差及起重機結構變形等。港機軌道咬軌[2]將降低車輪的使用壽命、增加軌道磨損、增加運行阻力、損害主梁架構，甚至直接造成港機失穩脫軌等安全事故。因此，通過相應的檢測系統來自動獲取港口起重機行走軌道的咬軌面圖像是必要的。

目前，港機行走軌道的檢測系統已成為研究的熱點問題。孫遠韜[3]等通過全站儀法對橋式港機軌道咬軌現象進行了安全性評估。余杰[4]等通過激光準直法對起重機軌道損傷評估進行了研究，并對該方法的可行性與分析準確性進行了實例分析。孔慶彬[5]等在考慮軌道實際環境的基礎上設計了一種新型起重機軌道檢測儀，并對其檢測精度進行了試驗驗證。謝海榮[6]等通過三維激光掃描技術獲取了軌道點云數據，并通過智能擬合軌道面特征來提高了檢測的速度。梁朝獻[7]等通過將準直法與軌道形狀曲線相結合提出了一種咬軌程度檢測方法。張珍[8]等通過運用激光掃描小車對軌道中心線的空間曲面進行了實時擬合，并在此基礎上開展了相關實例驗證。

綜上所述，國內外對港口起重機軌道檢測系統的研究很多，但仍存在以下幾點問題：雖然激光準直法檢測方便，但對軌道實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系數較高且實際操作不方便。

鑒于此，本論文擬研發一種新型港口起重機行走軌道咬軌程度視覺檢測系統來解決上述存在的問題，該系統主要包括主體結構模塊、圖像采集模塊、控制與信息傳輸模塊共三個部分組成。

1 檢測系統設計方案

現有港口起重機軌道檢測系統存在檢測范圍小、檢測精度不高等關鍵性問題。港口起重機行走軌道咬軌程度檢測系統是對軌道進行實時檢測的裝置，可以滿足測量范圍大、測量精度高、自動化程度高等基本要求。

基于上述要求，擬定了如圖1所示的港口起重機行走軌道咬軌程度檢測系統方案，該系統可分為以下幾個部分：主體結構模塊、圖像采集模塊、控制與信息傳輸模塊及其他。如圖1所示，檢測系統主體結構模塊主要由車體、履帶、履帶輪組成；圖像采集模塊主要由圖像采集裝置、機械臂、舵機組成；控制與信息傳輸模塊主要由工作警示系統、控制與信息傳輸板、驅動電機組成。此外，裝置還包括紅外探測系統與電源。

圖1 檢測系統模塊組成

檢測系統的信息傳遞關系如圖2所示，由計算機控制端下達指定命令經無線傳輸技術傳輸至控制與信息傳輸模塊，再經線纜傳輸技術傳輸至各個運動部件，進而完成既定動作。

圖2 檢測系統信息傳遞示意圖

2 檢測系統的主體結構模塊

如圖3所示為檢測系統的主體結構三維示意圖，采用履帶式移動裝置，移動速度可達0.4m/s。履帶式結構大大增加了移動的穩定性，可應對各種惡劣工況，從而保證檢測系統的工作效率。

圖3 檢測系統主體結構三維示意圖

2.1 運動底盤結構設計

如圖4所示為檢測系統的運動底盤部分，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系與履帶輪相互緊密配合，大大提高了傳動效率。履帶輪采用金屬齒型結構，齒輪與履帶充分嚙合，提高了裝置的行進速度，且有效避免了惡劣工況下打滑現象的出現。

圖4 檢測系統的運動底盤結構

2.2 機械臂裝置設計

如圖5所示為檢測裝置的機械臂，共由5個型號為ZX361D的高精度舵機控制。舵機之間通過線纜相連，機械臂頂部與圖像采集設備底部相連，滿足多方位自由移動的需要，實現軌道的全方位檢測。同時，為保證機械臂360度旋轉時盡可能減少摩擦，機械臂與車身之間通過軸承聯接。在實際操作過程中，通過無線傳輸將計算機端的編程指令傳輸給控制與信息傳輸模塊[9]，并進一步通過線纜傳輸給舵機，從而控制圖像采集設備獲取軌道的損傷全貌。

圖5 檢測系統機械臂裝置

3 檢測系統的圖像采集模塊

3.1 圖像采集裝置參數

本系統選用型號為DS-IPC-T12-I/POE的圖像采集設備，其具體技術參數如表1所示。如表1所示，該裝置可在-30至60攝氏度環境下進行工作，且幀率達到50Hz，能夠清晰采集軌道的咬軌圖像。

表1 DS-IPC-T12-I/POE圖像采集設備參數

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，將圖像信號傳輸至控制與信息傳輸模塊，并經無線傳輸技術最終傳輸至電腦控制端，以便技術人員進一步對咬軌現象進行圖像處理，從而定量評價咬軌的實際損傷程度。

圖6 圖像信號傳輸流程

4 檢測系統的控制與信息傳輸模塊

4.1 檢測系統控制主板

如圖7所示為本檢測系統的控制主板，采用開源Arduino編程。系統通過無線傳輸技術接收控制端指令，再經線纜將相關指令傳輸至指定部件。

圖7 檢測系統控制主板

4.2 檢測系統信號分類

本裝置采用Arduino編碼控制，檢測裝置的控制信號包括移動控制信號、機械臂控制信號、圖像采集信號、工作警示信號共四個部分。

在裝置移動控制方面，控制端下達指令后，經無線傳輸技術至控制與信息傳輸模塊，再經線纜傳輸技術至電機，控制驅動電機的轉向。

在機械臂控制方面，控制端下達旋轉指令后，經無線傳輸至信息控制與傳輸模塊，再通過線纜傳輸至機械臂舵機處，將圖像采集設備傳送至指定的軌道檢測點。

在圖像采集方面，系統將圖像采集設備置于合適位置，采集高清圖像，后將采集到的圖像信號傳輸至控制與信息傳輸模塊，并經無線傳輸至電腦控制端，以便技術人員進一步進行圖像處理，定量分析咬軌程度。

在工作警示信號方面，若圖像采集過程中發現異常，遠程圖像處理的檢測人員下達警示信號，該信號經無線傳輸至控制與信息傳輸模塊后，再經線纜傳輸至工作警示系統，從而通過發出警報聲來提醒附近維修人員盡快到達維修地點。

5 結語

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

1）在主體結構模塊中，車體采用鋁合金材料的履帶式移動車，并在其上部安裝5個高精度舵機控制的機械臂裝置。

2）在圖像采集模塊中，裝置采用HIKVISION的DSIPC-T12-I/POE的圖像采集設備，可在-30至60℃的環境下進行連續工作。采集的圖像經過一系列信號轉化，呈現于PC端，以便技術人員進一步對咬軌現象進行圖像處理，從而定量評價咬軌的實際損傷程度。

3）在控制與信息傳輸模塊中，裝置采用開源Arduino編程主板，通過移動控制信號、機械臂控制信號、圖像采集信號及工作警示信號的組合實現檢測系統的移動、圖像采集及警示等動作。