專利名稱：結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動型輪對測量方法及測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵路車輛輪對的測量方法及測量裝置；具體涉及采用結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動型輪對測量方法及測量裝置背景技術(shù)車輛輪對是鐵路機車上重要的可互換部件，其技術(shù)狀態(tài)直接影響到車輛的運行安全和速度。在輪對的檢修過程中，每天都要從機車上拆下大量的輪對，需要檢測的輪對參數(shù)多達(dá)十幾個，如輪緣厚度、輪輞寬度、輪徑和踏面磨耗等，不僅要求測量精度高，而且還需要及時對一些參數(shù)狀況進(jìn)行診斷。這些都是直接影響車輛運行的重要參數(shù)，必須及時、準(zhǔn)確地加以檢測和診斷，這些測量參數(shù)也是作為研究鐵路車輛動力學(xué)、車輛穩(wěn)定性和曲線導(dǎo)向等問題的前提。輪軌經(jīng)過一段時間磨損后，每個輪對踏面特征均會發(fā)生變化，如車輪直徑、輪緣厚度、輪輞厚度、踏面剝離及擦傷等，并且難以找到其規(guī)律，一直是鐵路系統(tǒng)要解決的測量難題。特別是由于剎車以及輪對與鋼軌面在轉(zhuǎn)彎時的相對滑動等因素造成的踏面擦傷和剝離，使得踏面滾動圓呈弦缺狀，給車輛運行中帶來額外的沖擊振動，嚴(yán)重影響列車與軌道設(shè)施的安全與使用壽命，檢測時必須指出其數(shù)量和精確位置。目前，影響我國鐵路車輛提速的重要原因之一就是車輛輪對的檢測技術(shù)落后，工作效率低，無法快速、精確地檢測出輪對狀態(tài)。
當(dāng)前，國內(nèi)對車輛輪對的檢測和診斷基本上靠人工完成，檢測過程中的車輪旋轉(zhuǎn)和輪對參數(shù)記錄也是靠手工完成。人工測量不僅煩瑣、勞動強度大(兩個人測量一組輪對需20分鐘)，而且測量工具落后(卡鉗、直尺等)。長期、大量的重復(fù)性手工作業(yè)使得工人極易產(chǎn)生疲勞，加上目測的準(zhǔn)確性和人眼調(diào)節(jié)的實時性等問題，使得測量出的數(shù)據(jù)誤差較大，檢測精度不能得到保障，工作效率低。
為了適應(yīng)車輛工業(yè)生產(chǎn)的需要，使車輛輪對參數(shù)檢測自動化，人們試圖采用機械、激光、視覺等傳感技術(shù)以及伺服控制等技術(shù)，進(jìn)行輪對檢測的研究。輪對外形的特殊性主要在于踏面平坦處與陡峭處之間的最大斜度差可達(dá)70多度，不同位置處的測量精度要求基本相同，但是若用傳統(tǒng)的平移式線性位移測量方法，由于角度方向的間隙，一般很難保證較高的精度要求。目前，國內(nèi)外對于輪對參數(shù)的檢測基本上局限于輪對外形輪廓的檢測和數(shù)據(jù)處理。如廣泛使用的滾輪爬行式測量方法，通過機械滾輪與輪對踏面接觸，測量滾輪包絡(luò)線得到踏面外形尺寸。但是由于導(dǎo)輪的磨耗、測量誤差和定位誤差等問題，使得該方法有時仍無法滿足高精度要求。雖然國內(nèi)也有一些輪對自動測量裝置，但基本上都是接觸式測量或帶有復(fù)雜機械運動機構(gòu)的非接觸式測量，測量方法存在的主要問題是產(chǎn)生的測量誤差較大，可靠性和測量精度還有待進(jìn)一步提高。
國外對于輪對的測量多采用超聲波檢測法、光柵式線性位移法或視覺傳感法，并通過數(shù)據(jù)的平滑處理得到輪對外形曲線。然而以上方法每次只能測量輪對的某一截面方向尺寸，無法在一個工位上同時完成所有參數(shù)的自動檢測，并且對于嚴(yán)重影響車輛性能的輪對踏面擦傷往往難以測量，也無法具備較強的故障診斷功能。因此，由于輪對結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及參數(shù)的多樣化、踏面擦傷和剝離的不規(guī)則性，再加上檢測工藝過程的嚴(yán)格性，使得利用常規(guī)的檢測方法在信息特征提取和分析上仍存在一些缺陷。
近年來我國工業(yè)的巨大進(jìn)步和市場的開放，給高科技在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了前所未有的機遇。國際著名公司紛紛把目光瞄向中國這個正在開發(fā)的大市場，如擁有高速列車的日本、法國、德國和美國都在我國設(shè)立了辦事機構(gòu)，以推銷他們的產(chǎn)品包括輪對檢測裝置。但是國外進(jìn)口設(shè)備不僅價格昂貴，而且多采用傳統(tǒng)視覺、位移測量或激光掃描測距方法，多數(shù)設(shè)備不具有診斷輪對踏面擦傷及剝離的功能，只局限于輪對外形尺寸的測量。另外，國外的鐵路系統(tǒng)與我國鐵路系統(tǒng)有差別，輪對所用材料、規(guī)范及輪對外形尺寸也有所不同，因此目前利用進(jìn)口設(shè)備來檢測我國的鐵路車輛輪對時機還未成熟。但是國外先進(jìn)技術(shù)的飛速進(jìn)步，對我國民族工業(yè)的發(fā)展提出了更高更嚴(yán)格的要求。
本發(fā)明針對鐵路部門的迫切需求，有效利用先進(jìn)的結(jié)構(gòu)光視覺傳感技術(shù)，并融合步進(jìn)電動機驅(qū)動技術(shù)，在國內(nèi)外率先提出結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動型輪對測量法并成功研制出基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動輪技術(shù)的鐵路貨車輪對測量裝置，該裝置可在一個工位上同時完成輪對所有幾何參數(shù)的非接觸全自動測量，不僅測量精度高，而且運行可靠。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)測量方法所存在的技術(shù)問題，提供一種基于結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動技術(shù)的輪對測量方法，采用激光器發(fā)射出的結(jié)構(gòu)光作為輔助光源對輪對測量位置進(jìn)行掃描，根據(jù)CCD攝像機的光電特性及光譜響應(yīng)特性，并充分利用結(jié)構(gòu)光的光束強度，以CCD攝像機作為視覺傳感器，將輪對外形特征信號變成在CCD的圖像位置電信號，再經(jīng)圖像處理處理，轉(zhuǎn)換為與輪對外形特征有關(guān)的電壓輸出信號。此信號在計算機中經(jīng)過數(shù)值分析轉(zhuǎn)換為輪對外形特征信號。結(jié)構(gòu)光視覺傳感系統(tǒng)所獲取的信息量大，精度高，可獲得輪對精確的外形信息，測量方法具有智能化特點，可完成輪對所有幾何參數(shù)的非接觸自動檢測，檢測實時性能好、精度高。在測量輪對的過程中，采用步進(jìn)電動機通過精密機械傳動裝置驅(qū)動輪對旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機由工業(yè)計算機控制，從而可精確控制輪對的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)量。在旋轉(zhuǎn)過程中，結(jié)構(gòu)光視覺傳感系統(tǒng)與步進(jìn)電機協(xié)調(diào)同步工作，從而完成在輪對旋轉(zhuǎn)過程中連續(xù)多幀圖像的拍攝，動態(tài)實時地測出輪對圓周上各點的外形特征數(shù)據(jù)，提高了測量效率本發(fā)明的目的還在于提供結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動型方法使用的輪對測量裝置。
本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動型輪對測量方法，包括以下步驟(1)先檢測標(biāo)準(zhǔn)輪對，然后使用進(jìn)出輪裝置將輪對平穩(wěn)送入檢測裝置；(2)采用步進(jìn)電動機驅(qū)動輪系統(tǒng)驅(qū)動輪對旋轉(zhuǎn)；(3)在旋轉(zhuǎn)過程中，結(jié)構(gòu)光視覺傳感器與步進(jìn)電機驅(qū)動輪系統(tǒng)協(xié)調(diào)同步工作，完成在輪對旋轉(zhuǎn)過程中連續(xù)多幀圖像的拍攝，動態(tài)實時地測出輪對圓周上各點的外形特征數(shù)據(jù)；(4)以非接觸式視覺傳感器CCD攝像機作為視覺傳感器，將輪對外形特征信號變成在CCD的圖像位置電信號，經(jīng)圖像處理，轉(zhuǎn)換為與輪對外形特征有關(guān)的電壓輸出信號，此信號在計算機中經(jīng)過數(shù)值分析轉(zhuǎn)換為輪對外形特征信號；(5)輸出測量結(jié)果；(6)使用進(jìn)出輪裝置將輪對平穩(wěn)送出檢測裝置。
上述結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的激光器產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光并作為測量輪對的輔助光源，對工件進(jìn)行掃描。
上述結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的非接觸式視覺傳感器CCD攝像機，從不同方位對輪對進(jìn)行立體視覺檢測，對輪對的幾何尺寸、踏面擦傷和剝離進(jìn)行非接觸自動測量。
上述步進(jìn)電機驅(qū)動輪系統(tǒng)由工業(yè)計算機控制，并通過精密機械傳動副驅(qū)動輪對平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，精確地控制輪對的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)量。
上述的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器由激光器和非接觸式視覺傳感器CCD攝像機組成，與步進(jìn)電機驅(qū)動輪系統(tǒng)相結(jié)合，在精確控制輪對轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動量的情況下，結(jié)合結(jié)構(gòu)光視覺傳感器對輪對實現(xiàn)在線測量。
本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動型輪對測量裝置，由基座和安裝于其上的龍門架結(jié)構(gòu)、立臂支撐結(jié)構(gòu)組成，上述的基座上安裝有步進(jìn)電機驅(qū)動輪系統(tǒng)和進(jìn)出輪裝置；龍門架上安裝有結(jié)構(gòu)光視覺傳感器。
上述結(jié)構(gòu)光視覺傳感器安裝有激光器和非接觸式視覺傳感器CCD攝像機。
上述非接觸式視覺傳感器CCD攝像機中安裝有與結(jié)構(gòu)光波長相同的濾光系統(tǒng)。
上述步進(jìn)電機驅(qū)動輪系統(tǒng)由步進(jìn)電動機通過聯(lián)軸器、連接桿、減速機帶動驅(qū)動輪，驅(qū)動輪作為測量輪對的基準(zhǔn)。
上述的進(jìn)出輪裝置包括頂塊和液壓缸，其中頂塊安裝在液壓缸上部。
本發(fā)明能夠完成測量的輪對參數(shù)及達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)(包括左輪和右輪)如下表所示。

本發(fā)明所用方法是融合結(jié)構(gòu)光、視覺傳感和步進(jìn)驅(qū)動技術(shù)，實現(xiàn)輪對幾何參數(shù)的三維測量。結(jié)構(gòu)光-視覺傳感技術(shù)與三維視覺圖像信息處理技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，實現(xiàn)了輪對所有幾何參數(shù)的非接觸測量，降低了測量過程中的信號干擾，提高了測量精度與系統(tǒng)可靠性。采用由工業(yè)計算機控制的步進(jìn)電動機驅(qū)動輪技術(shù)，通過精密傳動裝置帶動輪對旋轉(zhuǎn)，測量輪對圓周方向的參數(shù)信息，同時實現(xiàn)了輪對在機構(gòu)中的精確定位。在一個工位完成輪對圓周上所有參數(shù)的測量，提高了工作實時性和工作效率。
綜合光、機、電一體化技術(shù)，將結(jié)構(gòu)光視覺傳感與步進(jìn)驅(qū)動輪技術(shù)綜合應(yīng)用到鐵路車輛輪對的檢測中。根據(jù)發(fā)明方法研制出的由工業(yè)計算機控制的結(jié)構(gòu)光視覺傳感驅(qū)動型輪對測量裝置，將結(jié)構(gòu)光視覺傳感器測量到的輪對外彀特征的視覺信息通過圖像信息處理和應(yīng)用模式識別等控制算法和定位補償技術(shù)，計算出輪對踏面擦傷等狀態(tài)信息。保證了檢測設(shè)備整體的檢測精度和速度，實現(xiàn)了輪對多參數(shù)的圓周上動態(tài)在線自動測量。
研制出基于液壓控制技術(shù)的進(jìn)出輪裝置，解決了實際操作中的進(jìn)輪、出輪、安全作業(yè)等一系列配套問題，提高了測量的可靠性。
本發(fā)明的作用原理是采用結(jié)構(gòu)光掃描輪對，通過CCD攝像機采集由結(jié)構(gòu)光形成的輪對外形特征信息，這些信息在CCD的光敏面上形成光學(xué)圖像，CCD器件把光敏面上的光信息轉(zhuǎn)換成比例的電荷量。用一定頻率的時鐘脈沖對CCD進(jìn)行驅(qū)動，在CCD輸出端得到被測輪對的視頻信號。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)著該光敏元所接收的光強強弱，而信號輸出序列則對應(yīng)著CCD光敏元位置的順序。采用幀存貯方式實現(xiàn)CCD視頻信號的高速采集。采集到模擬圖像經(jīng)CCD利用其空間分布的像元和自掃描功能完成抽樣和圖樣采集線路的量化后，送入計算機圖像處理系統(tǒng)分析處理并得到輪對尺寸狀態(tài)信息。多對結(jié)構(gòu)光、CCD攝像機及圖像處理系統(tǒng)同時工作，圖像采集卡采用多路輸入形式，從而得到關(guān)于輪對在一個圓周方向上的所有外形尺寸信息。步進(jìn)電動機驅(qū)動托輪機構(gòu)持續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動輪對持續(xù)穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)光、CCD攝像機及圖像處理系統(tǒng)連續(xù)測量輪對周向的外形信息并轉(zhuǎn)換后輸入至計算機內(nèi)分析處理，從而實時地完成輪對多個參數(shù)的在線檢測。處理結(jié)果可經(jīng)顯示器輸出或打印輸出。
本發(fā)明與現(xiàn)有輪對測量技術(shù)有著根本不同點，主要表現(xiàn)在(1)光源采用由激光器產(chǎn)生的高強度結(jié)構(gòu)光，而不是自然光或燈光，因而具有較強的抗雜光干擾能力；(2)采用基座和龍門架通過式結(jié)構(gòu)，并配置多對結(jié)構(gòu)光視覺傳感系統(tǒng)、圖像卡處理系統(tǒng)、工業(yè)計算機控制系統(tǒng)、輪對自動導(dǎo)入裝置、輪對自動導(dǎo)出裝置、步進(jìn)電機通過精密機械裝置驅(qū)動系統(tǒng)等一整套自動測量系統(tǒng)，而不是靠特制工具的手工測量方法；(3)采用結(jié)構(gòu)光視覺傳感技術(shù)，是一種非接觸式測量方式，而不是直接接觸輪對表面進(jìn)行測量，所以系統(tǒng)的可靠性高。(4)測量數(shù)據(jù)經(jīng)控制計算機顯示輸出或打印輸出并可保存在計算機數(shù)據(jù)內(nèi)，通過建立輪對數(shù)據(jù)庫來提高輪對質(zhì)量的管理水平。(5)采用自動控制裝置在線連續(xù)檢測輪對多個參數(shù)的測量，而不是斷續(xù)地測量輪對周邊上某一點，或某一個參數(shù)。(6)通過工業(yè)計算機控制步進(jìn)電動機及其精密傳動副，從而精確控制輪對的轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動量，可以準(zhǔn)確實現(xiàn)輪對在一個圓周上的定位，獲得輪對不同部位的幾何參數(shù)，準(zhǔn)確測量踏面擦傷剝離的尺寸和位置。(7)綜合應(yīng)用了結(jié)構(gòu)光視覺傳感技術(shù)、計算機控制的自動測量方法及裝置，產(chǎn)生誤差小，測量精度高。
本發(fā)明的有益效果(1)由步進(jìn)電機通過精密傳動副驅(qū)動輪對旋轉(zhuǎn)，輪對轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向等都能得到精確控制，與CCD攝入輪對的外形形狀和測量部位存在精確的對應(yīng)關(guān)系，便于實現(xiàn)輪對周向上各參數(shù)的在線檢測；(2)采用結(jié)構(gòu)光視覺傳感系統(tǒng)，信息采集量大，測量精度高；(3)針對輪對外形尺寸大、形狀復(fù)、測量參數(shù)多的要求，綜合多種先進(jìn)測試技術(shù)的應(yīng)用，信息全面，準(zhǔn)確度高，實現(xiàn)了輪對測量的自動化；(4)采用工業(yè)控制計算機系統(tǒng)，使各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，自動化程度高，測量速度快。采用圖像處理技術(shù)進(jìn)行誤差自動補償，測量精度高，可達(dá)±0.2mm；(5)建立輪對狀態(tài)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)了輪對的自動化管理；(6)所測量的輪對各項參數(shù)為鐵路車輛運動的動力學(xué)、車輛穩(wěn)定性和曲線導(dǎo)向等理論方面的研究的提供了依據(jù)。


圖1是輪對外形及測量參數(shù)示意圖；圖2是本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)光視覺傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明步進(jìn)電動機驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明液壓驅(qū)動頂桿機構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動型輪對測量系統(tǒng)工作示意圖。
圖中各編號含義1-結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，2-立臂支撐結(jié)構(gòu)，3-基座，4-驅(qū)動輪，5-輪對，6-步進(jìn)電動機，7-連接桿，8-龍門架結(jié)構(gòu)，9-進(jìn)出輪裝置，10-激光器，11-結(jié)構(gòu)光，12-CCD，13-聯(lián)軸器，14-減速機，15-頂塊，16-液壓缸。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步具體的說明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。
圖1為輪對外形及需要測量的參數(shù)示意圖，本發(fā)明可以測量的輪對幾何參數(shù)包括輪對踏面磨耗(T1-27)，車軸中央直徑d，輪座直徑d1，車輪輪緣厚度T，車輪直徑D，車輪輪輞寬度H，輪輞內(nèi)側(cè)內(nèi)徑D1，同一輪對最大輪徑差，輪對內(nèi)側(cè)距離L，輪對內(nèi)側(cè)距離三處最大差，輪對踏面擦傷剝離，車輪輪輞厚度(D-D1)/2。除了車軸中央直徑d、同一輪對最大輪徑差、輪對內(nèi)側(cè)距離L和輪對內(nèi)側(cè)距離三處最大差這些參數(shù)外，其它參數(shù)均包括左輪和右輪的測量值。每個測量參數(shù)的測量范圍與測量精度見第4頁和第5頁列表所示。
圖2為本發(fā)明使用的裝置結(jié)構(gòu)圖，主要部分包括結(jié)構(gòu)光視覺傳感器1、立臂支撐結(jié)構(gòu)2、基座3、驅(qū)動輪4、輪對5、步進(jìn)電動機6、連接桿7、龍門架結(jié)構(gòu)8和進(jìn)出輪裝置9。輪對沿軌道由進(jìn)出輪裝置9被送入測量工位后，工業(yè)計算機控制安裝于基座上的步進(jìn)電動機及傳動機構(gòu)，使輪對按一定速度轉(zhuǎn)動。安裝在龍門架結(jié)構(gòu)8上的七個結(jié)構(gòu)光視覺傳感器1采集輪對參數(shù)信息，一個結(jié)構(gòu)光視覺傳感器用于測量輪對軸中央直徑d；二個分別完成左、右輪直徑D及輪輞內(nèi)側(cè)直徑D1的測量，以及完成左、右輪對踏面剝離長度、輪對踏面擦傷及局部凹下深度的測量；還有二個分別完成左、右輪座直徑d1的測量。用七個結(jié)構(gòu)光視覺傳感器采集輪對信息，經(jīng)過計算機信號分析和圖像處理得到所有輪對幾何參數(shù)測量值，這些測量值可經(jīng)過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行處理，并可由打印機按照輪對卡片格式打印輸出。
本發(fā)明使用的輪對測量裝置，其上部的龍門架機構(gòu)安裝有結(jié)構(gòu)光視覺傳感器。結(jié)構(gòu)光視覺傳感器由產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光的激光器和CCD視覺傳感器組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。結(jié)構(gòu)光作為測量輪對的輔助光源具有單色性好、相干性好、光束準(zhǔn)直和精度高等優(yōu)點，在結(jié)構(gòu)光掃描輪對時，可通過CCD采集到輪對外形特征參數(shù)。根據(jù)CCD光電特性，輸出信號電壓與入射光照度呈線性關(guān)系，具在靈敏度高、光譜響應(yīng)寬、動態(tài)范圍大、成本低等優(yōu)點，利于采集到實時、真實的輪對外形尺寸信息。由于CCD攝像機的光選擇性，且通過窄帶濾光，則激光器產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光掃描輪對時，可提高CCD工作信噪比，去除噪聲和雜散光，真實性好，使得圖像低層處理穩(wěn)定，簡單，實時性好。結(jié)構(gòu)光視覺傳感系統(tǒng)所獲取的信息量大，精度高，可獲得輪對精確的外形信息。
CCD視覺傳感器作為非接觸式攝像裝置，不與工件接觸，屬于非接觸測量方式，可靠性好，測量精度高。CCD視覺傳感器是一種光電探測器件，以電荷包的形式存儲和傳送信息。它集攝像器件、器件驅(qū)動電路、圖像處理電路、電源電路于一體，直接輸出全視頻信號。本發(fā)明采用的CCD圖像測量系統(tǒng)，由圖像傳感器、攝像控制器、象素檢測器三個主要單元組成。光學(xué)圖像裝置是光學(xué)圖像的采集部分，它將被測輪對成像在CCD器件的光敏面上，攝像控制器的時基單元由晶體振蕩器通過分頻電路產(chǎn)生多種時序脈沖，經(jīng)過驅(qū)動器為CCD器件提供電路工作條件，同時控制圖像數(shù)據(jù)的傳輸率和調(diào)整曝光時間。被測圖像通過建立數(shù)字矩陣、數(shù)字濾波、基準(zhǔn)校正、二維插值和邊緣檢測等數(shù)字處理后形成被掃描件的外形形狀特征的二維、三維圖像，并經(jīng)過圖像處理技術(shù)計算出所有輪對測量參數(shù)值。
通過精確控制輪對的轉(zhuǎn)動，并控制CCD連續(xù)多幀拍攝，由結(jié)構(gòu)光視覺傳感器可以得到輪對一個圓周上的一系列踏面輪廓軌跡，通過應(yīng)用三角測量原理并經(jīng)計算機對CCD圖像信息進(jìn)行處理，可檢測出輪對的三維信息。通過這種方法，可實現(xiàn)輪對踏面擦傷和剝離的準(zhǔn)確檢測，得到踏而擦傷及局部凹下深度、輪對踏面剝離長度等參數(shù)的測量值，其測量精度高，可達(dá)到±0.2mm，并可顯示踏面檢測結(jié)果的二維、三維圖像。
本發(fā)明所使用的結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動型輪對測量裝置，采用基座和龍門架通過式結(jié)構(gòu)。其特點在于所述基座上的驅(qū)動輪由步進(jìn)電動機通過精密機械傳動裝置驅(qū)動。步進(jìn)電動機是將工業(yè)計算機發(fā)出的電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的執(zhí)行元件，當(dāng)工業(yè)計算機輸入一個電脈沖時，步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距。步進(jìn)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向由工業(yè)控制計算機輸出的電脈沖數(shù)及其頻率決定，并在時間上與輸入脈沖同步。與步時電機運行特性有關(guān)的是步進(jìn)電機的驅(qū)動電源，驅(qū)動電源將計算機發(fā)送來的脈沖信號及方向按要求的配電方式自動地循環(huán)供給電機各相繞組，以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向可由計算機輸出的電脈沖的數(shù)量、頻率及電機繞組的通電相序精確地控制。步進(jìn)電動機工作狀態(tài)不易受各種干擾因素(如電源電壓的波動、電流大小與波形的變化、溫度等)的影響。當(dāng)步進(jìn)電機的步距角有誤差時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后會出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)后，其累積誤差為”零”，從而不會長期積累。從而可獲得較高的測量精度。驅(qū)動輪旋轉(zhuǎn)均勻，能夠帶動輪對均勻旋轉(zhuǎn)，運動穩(wěn)定，使結(jié)構(gòu)光視覺傳感器得到輪對一周的所有外形幾何信息。步進(jìn)電動機驅(qū)動裝置如附圖4所示，步進(jìn)電動機通過聯(lián)軸器、連接桿和精密減速器來控制驅(qū)動輪，而驅(qū)動輪又用于控制其上的輪對轉(zhuǎn)動。驅(qū)動輪作為測量輪對的基準(zhǔn)，由結(jié)構(gòu)光視覺傳感系統(tǒng)獲取輪對信息，根據(jù)實測輪對的圖像信息與標(biāo)準(zhǔn)輪對的圖像信息之間的變化，通過控制算法得到實測輪對參數(shù)值。
為了將輪對準(zhǔn)確、平穩(wěn)地送入測量工位，本發(fā)明采用了輪對自動導(dǎo)入裝置和輪對自動導(dǎo)出裝置，即進(jìn)出輪裝置，如圖5所示。該裝置的運動由液壓系統(tǒng)控制。輪對進(jìn)入測量工位前，工業(yè)控制計算機發(fā)出控制信號，輪對自動導(dǎo)入系統(tǒng)使液壓缸16上升，頂塊15托住沿軌道進(jìn)來的輪對，然后計算機控制液壓缸16緩慢下降，將待測輪對平穩(wěn)送至驅(qū)動輪上；輪對檢測完成后，輪對自動導(dǎo)出裝置使液壓缸16上升，頂塊15將已測輪對送出測量工位。輪對自動導(dǎo)入裝置和自動導(dǎo)出裝置的動作均由計算機控制。
整個測量系統(tǒng)的工作均由工業(yè)計算機系統(tǒng)進(jìn)行控制，圖6為本發(fā)明所使用的輪對測量系統(tǒng)工作原理圖。SV01-SV07為七個結(jié)構(gòu)光視覺傳感器。計算機控制輪對自動導(dǎo)入裝置和自動導(dǎo)出裝置、步進(jìn)電動機的驅(qū)動以及結(jié)構(gòu)光的開啟。視覺傳感器采集的輪對信息輸送至圖像采集卡，圖像采集卡采用多路輸入形式，并將采集到的圖像直接傳送到主機內(nèi)存進(jìn)行處理，并可連續(xù)存儲多幀圖像。計算機可以很好地控制步進(jìn)電動機與CCD輸入的圖像信息，使拍攝到的每幀圖像與輪對圓周上的位置有很精確的一一對應(yīng)關(guān)系。計算機還有自檢和自診斷能力及良好的用戶界面，顯著增強系統(tǒng)的實時性，提高測控技術(shù)的自動化程度，使操作、測量、分析完全按程序自動進(jìn)行。所采用的系統(tǒng)能自動修正測量誤差，利用誤差修正模型，減小誤差，從而提高測量精度。
以下結(jié)合圖2、3、4、5、6加以說明。工業(yè)控制計算機發(fā)出信息，輪對自動導(dǎo)入裝置產(chǎn)生動作，將待檢測輪對5通過輪對自動導(dǎo)入裝置送至驅(qū)動輪4上，由傳感裝置向計算機發(fā)出就位信號，計算機接受信息后即發(fā)出控制信息，控制步進(jìn)電動機驅(qū)動輪4旋轉(zhuǎn)，并帶動輪對5旋轉(zhuǎn)。同時，控制結(jié)構(gòu)光視覺傳感系統(tǒng)1中的激光器開啟，激光器產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光掃描輪對，各CCD攝像機工作將輪對圓周上所有參數(shù)采集并輸入到計算機中，計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出各參數(shù)值，實現(xiàn)輪對全部幾何參數(shù)的非接觸式自動測量。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動型輪對測量方法，其特征在于包括以下步驟(1)先檢測標(biāo)準(zhǔn)輪對，然后使用進(jìn)出輪裝置將輪對平穩(wěn)送入檢測裝置；(2)采用步進(jìn)電動機驅(qū)動輪系統(tǒng)驅(qū)動輪對旋轉(zhuǎn)；(3)在旋轉(zhuǎn)過程中，結(jié)構(gòu)光視覺傳感器與步進(jìn)電機驅(qū)動輪系統(tǒng)協(xié)調(diào)同步工作，完成在輪對旋轉(zhuǎn)過程中連續(xù)多幀圖像的拍攝，動態(tài)實時地測出輪對圓周上各點的外形特征數(shù)據(jù)；(4)以非接觸式視覺傳感器CCD攝像機作為視覺傳感器，將輪對外形特征信號變成在CCD的圖像位置電信號，經(jīng)圖像處理，轉(zhuǎn)換為與輪對外形特征有關(guān)的電壓輸出信號，此信號在計算機中經(jīng)過數(shù)值分析轉(zhuǎn)換為輪對外形特征信號；(5)輸出測量結(jié)果；(6)使用進(jìn)出輪裝置將輪對平穩(wěn)送出檢測裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪對測量方法，其特征在于上述結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的激光器產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光并作為測量輪對的輔助光源，對工件進(jìn)行掃描。
3.據(jù)權(quán)利要求1所述的輪對測量方法，其特征在于上述結(jié)構(gòu)光視覺傳感器中的非接觸式視覺傳感器CCD攝像機，從不同方位對輪對進(jìn)行立體視覺檢測，對輪對的幾何尺寸、踏面擦傷和剝離進(jìn)行非接觸自動測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪對測量方法，其特征在于上述步進(jìn)電機驅(qū)動輪系統(tǒng)由工業(yè)計算機控制，并通過精密機械傳動副驅(qū)動輪對平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，精確地控制輪對的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的輪對測量方法，其特征在于上述的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器由激光器和非接觸式視覺傳感器CCD攝像機組成，與步進(jìn)電機驅(qū)動輪系統(tǒng)相結(jié)合，在精確控制輪對轉(zhuǎn)動速度和轉(zhuǎn)動量的情況下，結(jié)合結(jié)構(gòu)光視覺傳感器對輪對實現(xiàn)在線測量。
6.一種權(quán)利要求1所述的結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動型輪對測量裝置，由基座和安裝于其上的龍門架結(jié)構(gòu)、立臂支撐結(jié)構(gòu)組成，其特征在于上述的基座上安裝有步進(jìn)電機驅(qū)動輪系統(tǒng)和進(jìn)出輪裝置；龍門架上安裝有結(jié)構(gòu)光視覺傳感器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的輪對測量裝置，其特征在于上述結(jié)構(gòu)光視覺傳感器安裝有激光器和非接觸式視覺傳感器CCD攝像機。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的輪對測量裝置，其特征在于上述非接觸式視覺傳感器CCD攝像機中安裝有與結(jié)構(gòu)光波長相同的濾光系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的輪對測量裝置，其特征在于上述步進(jìn)電機驅(qū)動輪系統(tǒng)由步進(jìn)電動機通過聯(lián)軸器、連接桿、減速機帶動驅(qū)動輪，驅(qū)動輪作為測量輪對的基準(zhǔn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的輪對測量裝置，其特征在于上述的進(jìn)出輪裝置包括頂塊和液壓缸，其中頂塊安裝在液壓缸上部。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種結(jié)構(gòu)光視覺傳感步進(jìn)驅(qū)動型輪對測量方法及測量裝置，該方法以步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)控制輪對轉(zhuǎn)動，應(yīng)用結(jié)構(gòu)光和視覺傳感技術(shù)，完成鐵路車輛輪對幾何尺寸、踏面擦傷和剝離的自動檢測；該裝置由基座和安裝于其上的龍門架結(jié)構(gòu)、立臂支撐結(jié)構(gòu)組成，上述的基座上安裝有步進(jìn)電機驅(qū)動輪系統(tǒng)和進(jìn)出輪裝置；龍門架上安裝有結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，該裝置可在一個工位上同時完成輪對所有幾何參數(shù)的非接觸全自動測量，不僅測量精度高，而且運行可靠。
文檔編號B61K9/00GK1644439SQ200410015240
公開日2005年7月27日 申請日期2004年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月19日
發(fā)明者高向東, 楊雪榮, 陳章蘭 申請人:廣東工業(yè)大學(xué)