铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装置，可测量道岔钢轨件端面及侧面尺寸，包括机械支撑机构、成像子系统和控制子系统。所述的机械支撑机构包括滑轮、底座、翻板座椅、控制台、固定支架、云台、滑块、直线导轨、丝杠、电机、连轴器和减速机；所述的成像子系统安装在云台上，包括：成像器件、镜头、光源及其附属信号连接装置；所述控制子系统安装在控制台上，控制台固定于直线导轨上，包括：控制模块、显示设备及其附属信号连接装置。本发明不仅能实现非接触测量，克服人工测量耗时长的问题，而且可以达到较好的测量精度，并大大提高测量的效率。
【专利说明】铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明属于铁路安全生产和机器视觉领域，涉及一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视 觉非接触自动精确测量装置。
【背景技术】
[0002] 在我国，铁路是国家的重要基础设施、大众化的交通工具，在综合交通运输体系中 处于骨干地位。中国地域辽阔、人口众多、资源分布不均，经济飞速发展，物流需求高涨，所 以相比其他运输方式，经济、快捷的铁路运输占据更大的优势，成为一种使用最广泛的运输 方式。由于国民经济的发展不断推动着铁路运输量的增长，铁路运输在国民经济发展中的 地位愈加重要，同时它也是能源、矿物等重要物资和大宗商品的主要运输方式，目前中国的 铁路承担了 85%的木材、85%的原油、60%的煤炭、80%的钢铁及冶炼物资的运输任务。截 至2012年底，中国铁路营业里程9. 8万千米，仅占世界铁路的6%，但如换算运输周转量却 占到世界的24%。目前，国内大部分的长距离货物运输和中长途旅客运输主要由铁路承担。
[0003] 显然铁路已经成为国家最重要的战略运输途径，铁路的运输安全关系到人民的生 命和财产安全及国家的经济发展和繁荣稳定。铁路设备及设施的安全性和可靠性是保证铁 路运输安全的重要因素。道岔是铁路实现列车转线运行的关键轨道设备，其技术水平集中 反映了一个国家铁路轨道的制造水平。道岔是机车车辆从一股轨道转入或越过另一股轨道 时必不可少的线路设备，是铁路轨道的一个重要组成部分。道岔主要是指轨道在平面上的 连接交叉等设备，通常在车站、编组站大量铺设。有了道岔就可以充分发挥线路的通过能 力，也可以引导机车车辆由一条线路转向另一条线路。即使是单线铁路，铺设道岔，即修筑 一段大于列车长度的叉线，就可以对开列车。
[0004] 由于道岔具有数量多、构造复杂、使用寿命短、限制列车速度、行车安全性低、养护 维修投入大等特点，使得它与曲线和接头并称为轨道的三大薄弱环节。它的基本形式有三 种，即线路的连接、交叉和连接与交叉的组合。常用的线路连接有各种类型的单式道岔和复 式道岔；交叉有直交叉和菱形交叉；连接与交叉的组合有交分道岔和交叉渡线等。
[0005] 道岔加工、制造与组装的高精度和高平顺性是衡量道岔优劣的重要技术指标，同 时也是铁路、地铁等轨道交通运输系统运行安全的重要保障，道岔钢轨件的相关尺寸及精 度也是影响这些技术指标的重要因素。目前道岔钢轨件的尺寸测量通常都是采用人工拉 钢卷尺读数的方式进行测量的，但是由于钢卷尺本身的示值误差、人为读数误差、测量时拉 力变化或温度变化引起的金属形变读数误差等等都有可能造成最终的测量误差。除了测 量误差以外，由于道岔钢轨件尺寸大、重量重、形状不规则，使得这种强度很高的重复体力 劳动的测量方式枯燥乏味，费时费力，并且还要求操作人员有较好的精力和极强的责任心。 为了提高生产效率和测量精度并降低劳动强度，急需一种道岔钢轨件外形尺寸自动测量装 置，来辅助或替代现在的操作人员完成测量工作，因此利用机器视觉原理，以其远距离、非 接触、高精度、快速测量等优势设计的道岔钢轨件非接触机器视觉测量装置成为当前道岔 钢轨件生产急需的自动化测量设备。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装 置，实现对道岔钢轨件端面、道岔钢轨件侧面钻孔以及道岔钢轨件长度的测量。具体地说， 在该装置的机械支撑之上搭载控制子系统和成像子系统，控制子系统负责调整成像子系统 的姿态并控制成像子系统采集道岔钢轨件的外形图像或视频，控制子系统对采集到的图像 或视频进行处理和分析得出道岔钢轨件的各种外形尺寸，以判定其端面形状尺寸和钢轨长 度是否合格以及确定钢轨钻孔加工的正确位置。该装置不仅能实现非接触测量，克服人工 测量耗时长的问题，而且可以达到较好的测量精度，并大大提高测量的效率。该装置不但能 够实现道岔钢轨件端面外形轮廓的尺寸测量，也能完成道岔钢轨件钻孔的孔径测量及孔与 孔之间的孔距测量，而且能够完成道岔钢轨件长度的尺寸测量。
[0007] 为了实现发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
[0008] -种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装置，它包括机械支撑机 构、成像子系统和控制子系统；
[0009] 所述的机械支撑机构包括滑轮、底座、翻板座椅、控制台、固定支架、云台、滑块、直 线导轨、丝杠、电机、连轴器和减速机；三个或三个以上的滑轮安置于底座之下；直线导轨 垂直安装固定在底座之上，丝杠置于直线导轨的凹槽内，电机安装在直线导轨的顶端，电机 的输出轴连接联轴器，联轴器通过减速机与丝杠连接，滑块在直线导轨的凹槽内套装在丝 杠上与其螺纹配合，滑块能够在直线导轨的凹槽内上下滑动；固定支架安装固定在滑块上， 云台安装于固定支架之上，控制台固定于直线导轨和底座之上，翻板座椅安装固定于底座 之上；
[0010] 所述的成像子系统安装在云台上；所述的成像子系统包括：成像器件、镜头、光源 及其附属信号连接装置；
[0011] 所述的控制子系统安装在控制台上，控制台安装固定于直线导轨上；所述的控制 子系统包括：控制模块、显示设备及其附属信号连接装置。
[0012] 本发明的有益效果是：本发明能实现一种基于机器视觉的道岔钢轨件的端面、钢 轨钻孔以及钢轨长度的尺寸测量装置，能够在钢轨件生产车间直接实现相关部件的尺寸测 量，不但能够实现钢轨件端面轮廓尺寸的测量，而且能够对钢轨钻孔的孔径进行测量，对钢 轨进行多次拍照后，进行图像拼接，以实现对钢轨长度的测量。本发明不仅结构简单，还能 大大提高工作效率，使得测量工作灵活，测量结果更加准确，从而显著地提高测量的精度和 速度，提高生产率、良品率和产品质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 图1是本发明的测量装置总图，其中：1 -滑轮，2 -底座，3 -翻板座椅，4 -控制 台，5 -固定支架，6 - z?台，7 -成像子系统，8 -滑块，9 一直线导轨，10 -丝杠，11 一减速 机，12 -联轴器，13 -电机；
[0014] 图2是本发明的成像子系统装置图；
[0015] 图3是本发明的控制子系统装置图；
[0016] 图4是本发明实施例STM32控制模块精确测量处理算法流程图。
【具体实施方式】
[0017] 下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述：
[0018] 一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装置，如图1所示，它包 括机械支撑机构、成像子系统和控制子系统；
[0019] 所述的机械支撑机构，主要作用为支撑控制子系统和成像子系统，调整成像子系 统的垂直和俯仰姿态，以最佳位置和角度获取道岔钢轨件待测区域的实时图像。
[0020] 所述的机械支撑机构包括三个滑轮1、底座2、翻板座椅3、控制台4、固定支架5、云 台6、滑块8、直线导轨9、丝杠10、减速机11、联轴器12和电机13 ;三个滑轮1的作用为测 量装置在水平移动时的滚动部件，将三个滑轮1安置于底座2之下，用于测量装置在作业区 域内的水平移动；底座2的作用是固定在其下方的滑轮1，并在其上方固定测量装置中除滑 轮1以外的其它部件的承载平台；翻板座椅3固定于底座2之上，作为操作人员在作业时的 操作椅；控制台4固定于直线导轨9和底座2之上，用于放置控制子系统；直线导轨9垂直 安装固定于底座2之上，用于装置中各部件垂直方向上的支撑；丝杠10置于直线导轨9的 凹槽内安装于底座2之上，用于控制和支撑滑块8在其上的垂直运动；滑块8在直线导轨9 的凹槽内套装在丝杠10上与其螺纹配合，滑块8能够在直线导轨的凹槽内沿丝杠10进行 垂直移动，并承载固定支架5 ;固定支架5固定于垂直放置的丝杠10上的滑块8之上，云台 6固定于固定支架5之上，用于承载成像子系统及调整成像子系统的俯仰角；直线导轨9、 丝杠10和滑块8对固定支架5及成像子系统进行水平和垂直方向的移动，控制成像子系统 的光轴进行水平和垂直两个方向自由度的调整；联轴器12分别用于连接减速机11与电机 13,以及减速机11与丝杠10连接；减速机11用于将低转速增加扭矩；电机13用于在控制 子系统控制下驱动滑块8在丝杠10上垂直底座2运动，实现成像子系统的上下移动。当人 工推动整个装置在作业现场地面上移动时，由于成像子系统相对于机械支撑机构保持静 止，成像子系统则可以相对于作业现场地面进行水平移动；当滑块8在丝杠10之上运动时， 将带动成像子系统相对于作业现场地面进行垂直方向的移动。
[0021] 如图2所示，所述的成像子系统包括：成像器件、镜头、光源及其附属信号连接装 置；成像时，镜头通过丝扣或插接方式紧固放置于成像器件之前，光源通过螺丝固定于成像 器件之上，并且平行于成像器件及镜头的光轴，通过光源改善工作环境的光线条件，提高道 岔被测区域与背景的对比度，附属信号连接装置连接成像器件的信号输出口与工控机，用 于成像信号的传输。
[0022] 所述的成像器件可选自线阵C⑶器件、线阵CID器件、面阵C⑶器件、面阵CID器 件、普通相机、普通摄像机、红外相机或红外摄像机；在选型上可根据待测量的道岔钢轨件 及工作环境选择其中的一种或两种或两种以上的组合。成像子系统中包含一个或数个成像 器件构成立体机器视觉。镜头放于成像器件之前，用于机器视觉成像的焦距调整，并可手动 或者自动调整焦距。所述成像子系统的光源布置于多个成像器件的重心位置，采用气体放 电发光电光源或固体发光电光源；优化的选择是米用气体放电发光电光源中的高压氣气光 源或固体发光电光源中的LED光源，用以提高光照强度，并消除工作环境中背景光线的干 扰。所述成像子系统中的成像器件与控制子系统通过附属信号连接装置进行通信，即可通 过蓝牙、Wi-Fi、Zigbee或NFC无线方式传输图像或视频数据；也可通过IEEE1394、USB、CAN、 RS232或RS485有线方式相连接传输图像或视频数据。
[0023] 本实施例的成像子系统包括线阵C⑶器件、镜头、光源及其附属信号连接装置。镜 头放于线阵C⑶器件之前，手动调整焦距；光源采用高压氙气光源，布置于线阵(XD器件的 重心位置。
[0024] 如图3所示，所述的控制子系统包括：控制模块、显示设备及其附属信号连接装 置。
[0025] 所述的控制模块是由DSP、FPGA、ARM或单片机嵌入式控制器及其外围电路构成， 也可以采用工业控制计算机构成；通过有线连接方式或无线方式，控制成像子系统中成像 器件的控制器，或控制机械支撑机构的电机，在控制算法控制下调整成像子系统的姿态达 到正对待测量区域的位置及角度，在进行图像或视频获取后，对得到的数据进行分析计算， 得出道岔钢轨件的外形尺寸，并对测量结果进行存储备份。
[0026] 所述的控制模块可搭载于机械支撑机构之上的控制台之上也可以放置于机械支 撑机构之外的任意位置上。
[0027] 所述的显示设备用于显示测量装置的测量结果，可采用LED显示器、IXD显示器或 0LED显示器，也可以通过打印方式对测量结果进行输出，便于测量数据的备案。
[0028] 所述的控制模块与机械支撑机构的电机13、成像子系统的成像器件以及显示设备 通过附属信号连接装置进行连接。所述的控制模块与机械支撑机构上的电机13的连接可 采用电机控制电缆，所述的控制模块与成像子系统的成像器件的连接可采用DP、VGA、USB、 IEEE1394、HDMI、以太网等有线方式进行连接，也可以采用Wi-Fi、射频等无线方式进行连 接，所述的控制模块与所述的显示设备通过VGA、HDMI或DVI方式进行连接。
[0029] 本实施例的控制子系统包括STM32控制模块、LED显示器及其附属信号连接装置， 所述的STM32控制模块与所述的LED显示器通过VGA方式进行连接；所述的STM32控制模块 在控制算法控制下调整成像子系统的姿态达到正对待测量区域的位置及角度，在线阵(XD 器件经Wi-Fi方式向STM32控制模块传输图像后，对得到的数据进行分析计算，得出道岔钢 轨件的外形尺寸，并对测量结果进行存储备份；所述的LED显示器用于显示测量装置的测 量结果。
[0030] STM32控制模块可搭载于机械支撑机构之上的控制台4之上。
[0031] 所述的STM32控制模块包括两个子模块：图像处理子模块和钢轨件尺寸测量子模 块；基于精确测量处理算法，其流程图如图4所示，首先通过图像处理子模块对采集到的图 像进行预处理和边缘检测，得到道岔钢轨件图像的轮廓，然后通过钢轨件尺寸测量子模块 的特征检测、图像合成、尺寸测量得到道岔钢轨件被测部位的轮廓，通过对摄像机系统的标 定，得出道岔钢轨件被测部位的尺寸，将这些尺寸与保存在数据库中的标准尺寸进行比对， 给出产品合格与否的提示，以指导后期的生产。本实施例不仅结构简单，还能大大提高工作 效率，使得测量工作灵活、结果更加准确，从而显著地提高测量的精度和速度。
[0032] 以上内容是结合具体的实施方案对本发明做进一步的详细说明，不能认定本发明 的具体实施例只限于这些说明。在不脱离本发明构思的前提下，任何形式的简单推理或者 等效替换，均落入本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装置，其特征在于：它包括 机械支撑机构、成像子系统和控制子系统； 所述的机械支撑机构包括滑轮、底座、翻板座椅、控制台、固定支架、云台、滑块、直线导 轨、丝杠、电机、连轴器和减速机；三个或三个以上的滑轮安置于底座之下；直线导轨垂直 安装固定在底座之上；丝杠置于直线导轨的凹槽内，电机安装在直线导轨的顶端，电机的输 出轴连接联轴器，联轴器通过减速机与丝杠连接；滑块在直线导轨的凹槽内套装在丝杠上 与其螺纹配合，滑块能够在直线导轨的凹槽内上下滑动；固定支架安装固定在滑块上，云 台安装于固定支架之上，控制台固定于直线导轨和底座之上，翻板座椅安装固定于底座之 上； 所述的成像子系统安装在云台上；所述的成像子系统包括：成像器件、镜头、光源及其 附属信号连接装置； 所述的控制子系统安装在控制台上，控制台安装固定于直线导轨上；所述的控制子系 统包括：控制模块、显示设备及其附属信号连接装置。
2. 根据权利要求1所述的一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装 置，其特征在于：所述的成像子系统包括：成像器件、镜头、光源及其附属信号连接装置。
3. 根据权利要求2所述的一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装 置，其特征在于：所述的成像器件可选自线阵CCD器件、线阵CID器件、面阵CCD器件、面阵 CID器件、普通相机、普通摄像机、红外相机或红外摄像机，选择其中的一种或两种或两种以 上的组合。
4. 根据权利要求2所述的一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装 置，其特征在于：所述成像子系统的光源布置于多个成像器件的重心位置，采用气体放电发 光电光源或固体发光电光源。
5. 根据权利要求4所述的一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装 置，其特征在于：所述的气体放电发光电光源是高压氣气光源。
6. 根据权利要求4所述的一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装 置，其特征在于：固体发光电光源是LED光源。
7. 根据权利要求1所述的一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装 置，其特征在于： 所述的控制模块是由DSP、FPGA、ARM或单片机嵌入式控制器及其外围电路构成，也可 以采用工业控制计算机构成；通过有线连接方式或无线方式，控制成像子系统中成像器件 的控制器，或控制机械支撑机构的电机，在控制算法控制下调整成像子系统的姿态达到正 对待测量区域的位置及角度，在进行图像或视频获取后，对得到的数据进行分析计算，得出 道岔钢轨件的外形尺寸，并对测量结果进行存储备份； 所述的显示设备用于显示测量装置的测量结果，可采用LED显示器、IXD显示器或OLED 显示器，也可以通过打印方式对测量结果进行输出，便于测量数据的备案； 所述的控制模块与所述的显示设备通过VGA、HDMI或DVI方式进行连接； 所述的控制模块与机械支撑机构的电机11、成像子系统的成像器件以及显示设备通过 附属信号连接装置进行连接。
8. 根据权利要求7所述的一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量 装置，其特征在于：所述成像子系统中的成像器件与控制子系统通过附属信号连接装置进 行通信，即可通过蓝牙、Wi-Fi、Zigbee或NFC无线方式传输图像或视频数据；也可通过 IEEE1394、USB、CAN、RS232或RS485有线方式相连接传输图像或视频数据。
9. 根据权利要求1或2所述的一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量 装置，其特征在于：控制子系统包括STM32控制模块、LED显示器及其附属信号连接装置，所 述的STM32控制模块与所述的LED显示器通过VGA方式进行连接；所述的STM32控制模块 在控制算法控制下调整成像子系统的姿态达到正对待测量区域的位置及角度，在线阵(XD 器件经Wi-Fi方式向STM32控制模块传输图像后，对得到的数据进行分析计算，得出道岔钢 轨件的外形尺寸，并对测量结果进行存储备份；所述的LED显示器用于显示测量装置的测 量结果。
10. 根据权利要求9所述的一种铁路道岔钢轨件尺寸机器视觉非接触自动精确测量装 置，其特征在于：所述的STM32控制模块包括两个子模块：图像处理子模块和钢轨件尺寸测 量子模块；基于精确测量处理算法，首先通过图像处理子模块对采集到的图像进行预处理 和边缘检测，得到道岔钢轨件图像的轮廓，然后通过钢轨件尺寸测量子模块的特征检测、图 像合成、尺寸测量得到道岔钢轨件被测部位的轮廓，通过对摄像机系统的标定，得出道岔钢 轨件被测部位的尺寸，将这些尺寸与保存在数据库中的标准尺寸进行比对，给出产品合格 与否的提示。
【文档编号】G01B11/00GK104048606SQ201410291347
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】窦燕, 李林, 刘洪柱, 闫文云, 范安然, 郑玉倩 申请人:燕山大学