结构光视觉传感步进驱动型轮对测量方法及测量装置的制作方法

专利名称：结构光视觉传感步进驱动型轮对测量方法及测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及铁路车辆轮对的测量方法及测量装置；具体涉及采用结构光视觉传感步进驱动型轮对测量方法及测量装置背景技术车辆轮对是铁路机车上重要的可互换部件，其技术状态直接影响到车辆的运行安全和速度。在轮对的检修过程中，每天都要从机车上拆下大量的轮对，需要检测的轮对参数多达十几个，如轮缘厚度、轮辋宽度、轮径和踏面磨耗等，不仅要求测量精度高，而且还需要及时对一些参数状况进行诊断。这些都是直接影响车辆运行的重要参数，必须及时、准确地加以检测和诊断，这些测量参数也是作为研究铁路车辆动力学、车辆稳定性和曲线导向等问题的前提。轮轨经过一段时间磨损后，每个轮对踏面特征均会发生变化，如车轮直径、轮缘厚度、轮辋厚度、踏面剥离及擦伤等，并且难以找到其规律，一直是铁路系统要解决的测量难题。特别是由于刹车以及轮对与钢轨面在转弯时的相对滑动等因素造成的踏面擦伤和剥离，使得踏面滚动圆呈弦缺状，给车辆运行中带来额外的冲击振动，严重影响列车与轨道设施的安全与使用寿命，检测时必须指出其数量和精确位置。目前，影响我国铁路车辆提速的重要原因之一就是车辆轮对的检测技术落后，工作效率低，无法快速、精确地检测出轮对状态。
当前，国内对车辆轮对的检测和诊断基本上靠人工完成，检测过程中的车轮旋转和轮对参数记录也是靠手工完成。人工测量不仅烦琐、劳动强度大(两个人测量一组轮对需20分钟)，而且测量工具落后(卡钳、直尺等)。长期、大量的重复性手工作业使得工人极易产生疲劳，加上目测的准确性和人眼调节的实时性等问题，使得测量出的数据误差较大，检测精度不能得到保障，工作效率低。
为了适应车辆工业生产的需要，使车辆轮对参数检测自动化，人们试图采用机械、激光、视觉等传感技术以及伺服控制等技术，进行轮对检测的研究。轮对外形的特殊性主要在于踏面平坦处与陡峭处之间的最大斜度差可达70多度，不同位置处的测量精度要求基本相同，但是若用传统的平移式线性位移测量方法，由于角度方向的间隙，一般很难保证较高的精度要求。目前，国内外对于轮对参数的检测基本上局限于轮对外形轮廓的检测和数据处理。如广泛使用的滚轮爬行式测量方法，通过机械滚轮与轮对踏面接触，测量滚轮包络线得到踏面外形尺寸。但是由于导轮的磨耗、测量误差和定位误差等问题，使得该方法有时仍无法满足高精度要求。虽然国内也有一些轮对自动测量装置，但基本上都是接触式测量或带有复杂机械运动机构的非接触式测量，测量方法存在的主要问题是产生的测量误差较大，可靠性和测量精度还有待进一步提高。
国外对于轮对的测量多采用超声波检测法、光栅式线性位移法或视觉传感法，并通过数据的平滑处理得到轮对外形曲线。然而以上方法每次只能测量轮对的某一截面方向尺寸，无法在一个工位上同时完成所有参数的自动检测，并且对于严重影响车辆性能的轮对踏面擦伤往往难以测量，也无法具备较强的故障诊断功能。因此，由于轮对结构的复杂性及参数的多样化、踏面擦伤和剥离的不规则性，再加上检测工艺过程的严格性，使得利用常规的检测方法在信息特征提取和分析上仍存在一些缺陷。
近年来我国工业的巨大进步和市场的开放，给高科技在铁路系统的应用带来了前所未有的机遇。国际著名公司纷纷把目光瞄向中国这个正在开发的大市场，如拥有高速列车的日本、法国、德国和美国都在我国设立了办事机构，以推销他们的产品包括轮对检测装置。但是国外进口设备不仅价格昂贵，而且多采用传统视觉、位移测量或激光扫描测距方法，多数设备不具有诊断轮对踏面擦伤及剥离的功能，只局限于轮对外形尺寸的测量。另外，国外的铁路系统与我国铁路系统有差别，轮对所用材料、规范及轮对外形尺寸也有所不同，因此目前利用进口设备来检测我国的铁路车辆轮对时机还未成熟。但是国外先进技术的飞速进步，对我国民族工业的发展提出了更高更严格的要求。
本发明针对铁路部门的迫切需求，有效利用先进的结构光视觉传感技术，并融合步进电动机驱动技术，在国内外率先提出结构光视觉传感步进驱动型轮对测量法并成功研制出基于结构光视觉传感步进驱动轮技术的铁路货车轮对测量装置，该装置可在一个工位上同时完成轮对所有几何参数的非接触全自动测量，不仅测量精度高，而且运行可靠。

发明内容
本发明针对现测量方法所存在的技术问题，提供一种基于结构光视觉传感步进驱动技术的轮对测量方法，采用激光器发射出的结构光作为辅助光源对轮对测量位置进行扫描，根据CCD摄像机的光电特性及光谱响应特性，并充分利用结构光的光束强度，以CCD摄像机作为视觉传感器，将轮对外形特征信号变成在CCD的图像位置电信号，再经图像处理处理，转换为与轮对外形特征有关的电压输出信号。此信号在计算机中经过数值分析转换为轮对外形特征信号。结构光视觉传感系统所获取的信息量大，精度高，可获得轮对精确的外形信息，测量方法具有智能化特点，可完成轮对所有几何参数的非接触自动检测，检测实时性能好、精度高。在测量轮对的过程中，采用步进电动机通过精密机械传动装置驱动轮对旋转。步进电机由工业计算机控制，从而可精确控制轮对的旋转速度和旋转量。在旋转过程中，结构光视觉传感系统与步进电机协调同步工作，从而完成在轮对旋转过程中连续多帧图像的拍摄，动态实时地测出轮对圆周上各点的外形特征数据，提高了测量效率本发明的目的还在于提供结构光视觉传感步进驱动型方法使用的轮对测量装置。
本发明提供的结构光视觉传感步进驱动型轮对测量方法，包括以下步骤(1)先检测标准轮对，然后使用进出轮装置将轮对平稳送入检测装置；(2)采用步进电动机驱动轮系统驱动轮对旋转；(3)在旋转过程中，结构光视觉传感器与步进电机驱动轮系统协调同步工作，完成在轮对旋转过程中连续多帧图像的拍摄，动态实时地测出轮对圆周上各点的外形特征数据；(4)以非接触式视觉传感器CCD摄像机作为视觉传感器，将轮对外形特征信号变成在CCD的图像位置电信号，经图像处理，转换为与轮对外形特征有关的电压输出信号，此信号在计算机中经过数值分析转换为轮对外形特征信号；(5)输出测量结果；(6)使用进出轮装置将轮对平稳送出检测装置。
上述结构光视觉传感器中的激光器产生结构光并作为测量轮对的辅助光源，对工件进行扫描。
上述结构光视觉传感器中的非接触式视觉传感器CCD摄像机，从不同方位对轮对进行立体视觉检测，对轮对的几何尺寸、踏面擦伤和剥离进行非接触自动测量。
上述步进电机驱动轮系统由工业计算机控制，并通过精密机械传动副驱动轮对平稳转动，精确地控制轮对的旋转速度和旋转量。
上述的结构光视觉传感器由激光器和非接触式视觉传感器CCD摄像机组成，与步进电机驱动轮系统相结合，在精确控制轮对转动速度和转动量的情况下，结合结构光视觉传感器对轮对实现在线测量。
本发明提供的结构光视觉传感步进驱动型轮对测量装置，由基座和安装于其上的龙门架结构、立臂支撑结构组成，上述的基座上安装有步进电机驱动轮系统和进出轮装置；龙门架上安装有结构光视觉传感器。
上述结构光视觉传感器安装有激光器和非接触式视觉传感器CCD摄像机。
上述非接触式视觉传感器CCD摄像机中安装有与结构光波长相同的滤光系统。
上述步进电机驱动轮系统由步进电动机通过联轴器、连接杆、减速机带动驱动轮，驱动轮作为测量轮对的基准。
上述的进出轮装置包括顶块和液压缸，其中顶块安装在液压缸上部。
本发明能够完成测量的轮对参数及达到的技术指标(包括左轮和右轮)如下表所示。

本发明所用方法是融合结构光、视觉传感和步进驱动技术，实现轮对几何参数的三维测量。结构光-视觉传感技术与三维视觉图像信息处理技术的结合应用，实现了轮对所有几何参数的非接触测量，降低了测量过程中的信号干扰，提高了测量精度与系统可靠性。采用由工业计算机控制的步进电动机驱动轮技术，通过精密传动装置带动轮对旋转，测量轮对圆周方向的参数信息，同时实现了轮对在机构中的精确定位。在一个工位完成轮对圆周上所有参数的测量，提高了工作实时性和工作效率。
综合光、机、电一体化技术，将结构光视觉传感与步进驱动轮技术综合应用到铁路车辆轮对的检测中。根据发明方法研制出的由工业计算机控制的结构光视觉传感驱动型轮对测量装置，将结构光视觉传感器测量到的轮对外彀特征的视觉信息通过图像信息处理和应用模式识别等控制算法和定位补偿技术，计算出轮对踏面擦伤等状态信息。保证了检测设备整体的检测精度和速度，实现了轮对多参数的圆周上动态在线自动测量。
研制出基于液压控制技术的进出轮装置，解决了实际操作中的进轮、出轮、安全作业等一系列配套问题，提高了测量的可靠性。
本发明的作用原理是采用结构光扫描轮对，通过CCD摄像机采集由结构光形成的轮对外形特征信息，这些信息在CCD的光敏面上形成光学图像，CCD器件把光敏面上的光信息转换成比例的电荷量。用一定频率的时钟脉冲对CCD进行驱动，在CCD输出端得到被测轮对的视频信号。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收的光强强弱，而信号输出序列则对应着CCD光敏元位置的顺序。采用帧存贮方式实现CCD视频信号的高速采集。采集到模拟图像经CCD利用其空间分布的像元和自扫描功能完成抽样和图样采集线路的量化后，送入计算机图像处理系统分析处理并得到轮对尺寸状态信息。多对结构光、CCD摄像机及图像处理系统同时工作，图像采集卡采用多路输入形式，从而得到关于轮对在一个圆周方向上的所有外形尺寸信息。步进电动机驱动托轮机构持续旋转，带动轮对持续稳定转动，结构光、CCD摄像机及图像处理系统连续测量轮对周向的外形信息并转换后输入至计算机内分析处理，从而实时地完成轮对多个参数的在线检测。处理结果可经显示器输出或打印输出。
本发明与现有轮对测量技术有着根本不同点，主要表现在(1)光源采用由激光器产生的高强度结构光，而不是自然光或灯光，因而具有较强的抗杂光干扰能力；(2)采用基座和龙门架通过式结构，并配置多对结构光视觉传感系统、图像卡处理系统、工业计算机控制系统、轮对自动导入装置、轮对自动导出装置、步进电机通过精密机械装置驱动系统等一整套自动测量系统，而不是靠特制工具的手工测量方法；(3)采用结构光视觉传感技术，是一种非接触式测量方式，而不是直接接触轮对表面进行测量，所以系统的可靠性高。(4)测量数据经控制计算机显示输出或打印输出并可保存在计算机数据内，通过建立轮对数据库来提高轮对质量的管理水平。(5)采用自动控制装置在线连续检测轮对多个参数的测量，而不是断续地测量轮对周边上某一点，或某一个参数。(6)通过工业计算机控制步进电动机及其精密传动副，从而精确控制轮对的转动速度和转动量，可以准确实现轮对在一个圆周上的定位，获得轮对不同部位的几何参数，准确测量踏面擦伤剥离的尺寸和位置。(7)综合应用了结构光视觉传感技术、计算机控制的自动测量方法及装置，产生误差小，测量精度高。
本发明的有益效果(1)由步进电机通过精密传动副驱动轮对旋转，轮对转动的转角、转速、转向等都能得到精确控制，与CCD摄入轮对的外形形状和测量部位存在精确的对应关系，便于实现轮对周向上各参数的在线检测；(2)采用结构光视觉传感系统，信息采集量大，测量精度高；(3)针对轮对外形尺寸大、形状复、测量参数多的要求，综合多种先进测试技术的应用，信息全面，准确度高，实现了轮对测量的自动化；(4)采用工业控制计算机系统，使各子系统协调工作，自动化程度高，测量速度快。采用图像处理技术进行误差自动补偿，测量精度高，可达±0.2mm；(5)建立轮对状态数据库系统，实现了轮对的自动化管理；(6)所测量的轮对各项参数为铁路车辆运动的动力学、车辆稳定性和曲线导向等理论方面的研究的提供了依据。


图1是轮对外形及测量参数示意图；图2是本发明装置结构示意图；
图3是本发明结构光视觉传感器结构示意图；图4是本发明步进电动机驱动机构结构示意图；图5是本发明液压驱动顶杆机构示意图；图6是本发明结构光视觉传感步进驱动型轮对测量系统工作示意图。
图中各编号含义1-结构光视觉传感器，2-立臂支撑结构，3-基座，4-驱动轮，5-轮对，6-步进电动机，7-连接杆，8-龙门架结构，9-进出轮装置，10-激光器，11-结构光，12-CCD，13-联轴器，14-减速机，15-顶块，16-液压缸。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明做进一步具体的说明，但本发明的实施方式不限于此。
图1为轮对外形及需要测量的参数示意图，本发明可以测量的轮对几何参数包括轮对踏面磨耗(T1-27)，车轴中央直径d，轮座直径d1，车轮轮缘厚度T，车轮直径D，车轮轮辋宽度H，轮辋内侧内径D1，同一轮对最大轮径差，轮对内侧距离L，轮对内侧距离三处最大差，轮对踏面擦伤剥离，车轮轮辋厚度(D-D1)/2。除了车轴中央直径d、同一轮对最大轮径差、轮对内侧距离L和轮对内侧距离三处最大差这些参数外，其它参数均包括左轮和右轮的测量值。每个测量参数的测量范围与测量精度见第4页和第5页列表所示。
图2为本发明使用的装置结构图，主要部分包括结构光视觉传感器1、立臂支撑结构2、基座3、驱动轮4、轮对5、步进电动机6、连接杆7、龙门架结构8和进出轮装置9。轮对沿轨道由进出轮装置9被送入测量工位后，工业计算机控制安装于基座上的步进电动机及传动机构，使轮对按一定速度转动。安装在龙门架结构8上的七个结构光视觉传感器1采集轮对参数信息，一个结构光视觉传感器用于测量轮对轴中央直径d；二个分别完成左、右轮直径D及轮辋内侧直径D1的测量，以及完成左、右轮对踏面剥离长度、轮对踏面擦伤及局部凹下深度的测量；还有二个分别完成左、右轮座直径d1的测量。用七个结构光视觉传感器采集轮对信息，经过计算机信号分析和图像处理得到所有轮对几何参数测量值，这些测量值可经过数据库进行处理，并可由打印机按照轮对卡片格式打印输出。
本发明使用的轮对测量装置，其上部的龙门架机构安装有结构光视觉传感器。结构光视觉传感器由产生结构光的激光器和CCD视觉传感器组成，其结构如图3所示。结构光作为测量轮对的辅助光源具有单色性好、相干性好、光束准直和精度高等优点，在结构光扫描轮对时，可通过CCD采集到轮对外形特征参数。根据CCD光电特性，输出信号电压与入射光照度呈线性关系，具在灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、成本低等优点，利于采集到实时、真实的轮对外形尺寸信息。由于CCD摄像机的光选择性，且通过窄带滤光，则激光器产生的结构光扫描轮对时，可提高CCD工作信噪比，去除噪声和杂散光，真实性好，使得图像低层处理稳定，简单，实时性好。结构光视觉传感系统所获取的信息量大，精度高，可获得轮对精确的外形信息。
CCD视觉传感器作为非接触式摄像装置，不与工件接触，属于非接触测量方式，可靠性好，测量精度高。CCD视觉传感器是一种光电探测器件，以电荷包的形式存储和传送信息。它集摄像器件、器件驱动电路、图像处理电路、电源电路于一体，直接输出全视频信号。本发明采用的CCD图像测量系统，由图像传感器、摄像控制器、象素检测器三个主要单元组成。光学图像装置是光学图像的采集部分，它将被测轮对成像在CCD器件的光敏面上，摄像控制器的时基单元由晶体振荡器通过分频电路产生多种时序脉冲，经过驱动器为CCD器件提供电路工作条件，同时控制图像数据的传输率和调整曝光时间。被测图像通过建立数字矩阵、数字滤波、基准校正、二维插值和边缘检测等数字处理后形成被扫描件的外形形状特征的二维、三维图像，并经过图像处理技术计算出所有轮对测量参数值。
通过精确控制轮对的转动，并控制CCD连续多帧拍摄，由结构光视觉传感器可以得到轮对一个圆周上的一系列踏面轮廓轨迹，通过应用三角测量原理并经计算机对CCD图像信息进行处理，可检测出轮对的三维信息。通过这种方法，可实现轮对踏面擦伤和剥离的准确检测，得到踏而擦伤及局部凹下深度、轮对踏面剥离长度等参数的测量值，其测量精度高，可达到±0.2mm，并可显示踏面检测结果的二维、三维图像。
本发明所使用的结构光视觉传感步进驱动型轮对测量装置，采用基座和龙门架通过式结构。其特点在于所述基座上的驱动轮由步进电动机通过精密机械传动装置驱动。步进电动机是将工业计算机发出的电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件，当工业计算机输入一个电脉冲时，步进电机转子就转过一个相应的步距。步进电机转子的转角、转速、转向由工业控制计算机输出的电脉冲数及其频率决定，并在时间上与输入脉冲同步。与步时电机运行特性有关的是步进电机的驱动电源，驱动电源将计算机发送来的脉冲信号及方向按要求的配电方式自动地循环供给电机各相绕组，以驱动电机转子正反向旋转。步进电机的转角、转速及转向可由计算机输出的电脉冲的数量、频率及电机绕组的通电相序精确地控制。步进电动机工作状态不易受各种干扰因素(如电源电压的波动、电流大小与波形的变化、温度等)的影响。当步进电机的步距角有误差时，转子转过一定步数以后会出现累积误差，但转子转过一转后，其累积误差为”零”，从而不会长期积累。从而可获得较高的测量精度。驱动轮旋转均匀，能够带动轮对均匀旋转，运动稳定，使结构光视觉传感器得到轮对一周的所有外形几何信息。步进电动机驱动装置如附图4所示，步进电动机通过联轴器、连接杆和精密减速器来控制驱动轮，而驱动轮又用于控制其上的轮对转动。驱动轮作为测量轮对的基准，由结构光视觉传感系统获取轮对信息，根据实测轮对的图像信息与标准轮对的图像信息之间的变化，通过控制算法得到实测轮对参数值。
为了将轮对准确、平稳地送入测量工位，本发明采用了轮对自动导入装置和轮对自动导出装置，即进出轮装置，如图5所示。该装置的运动由液压系统控制。轮对进入测量工位前，工业控制计算机发出控制信号，轮对自动导入系统使液压缸16上升，顶块15托住沿轨道进来的轮对，然后计算机控制液压缸16缓慢下降，将待测轮对平稳送至驱动轮上；轮对检测完成后，轮对自动导出装置使液压缸16上升，顶块15将已测轮对送出测量工位。轮对自动导入装置和自动导出装置的动作均由计算机控制。
整个测量系统的工作均由工业计算机系统进行控制，图6为本发明所使用的轮对测量系统工作原理图。SV01-SV07为七个结构光视觉传感器。计算机控制轮对自动导入装置和自动导出装置、步进电动机的驱动以及结构光的开启。视觉传感器采集的轮对信息输送至图像采集卡，图像采集卡采用多路输入形式，并将采集到的图像直接传送到主机内存进行处理，并可连续存储多帧图像。计算机可以很好地控制步进电动机与CCD输入的图像信息，使拍摄到的每帧图像与轮对圆周上的位置有很精确的一一对应关系。计算机还有自检和自诊断能力及良好的用户界面，显著增强系统的实时性，提高测控技术的自动化程度，使操作、测量、分析完全按程序自动进行。所采用的系统能自动修正测量误差，利用误差修正模型，减小误差，从而提高测量精度。
以下结合图2、3、4、5、6加以说明。工业控制计算机发出信息，轮对自动导入装置产生动作，将待检测轮对5通过轮对自动导入装置送至驱动轮4上，由传感装置向计算机发出就位信号，计算机接受信息后即发出控制信息，控制步进电动机驱动轮4旋转，并带动轮对5旋转。同时，控制结构光视觉传感系统1中的激光器开启，激光器产生结构光扫描轮对，各CCD摄像机工作将轮对圆周上所有参数采集并输入到计算机中，计算机数据处理系统进行数据分析，得出各参数值，实现轮对全部几何参数的非接触式自动测量。
权利要求
1.一种结构光视觉传感步进驱动型轮对测量方法，其特征在于包括以下步骤(1)先检测标准轮对，然后使用进出轮装置将轮对平稳送入检测装置；(2)采用步进电动机驱动轮系统驱动轮对旋转；(3)在旋转过程中，结构光视觉传感器与步进电机驱动轮系统协调同步工作，完成在轮对旋转过程中连续多帧图像的拍摄，动态实时地测出轮对圆周上各点的外形特征数据；(4)以非接触式视觉传感器CCD摄像机作为视觉传感器，将轮对外形特征信号变成在CCD的图像位置电信号，经图像处理，转换为与轮对外形特征有关的电压输出信号，此信号在计算机中经过数值分析转换为轮对外形特征信号；(5)输出测量结果；(6)使用进出轮装置将轮对平稳送出检测装置。
2.根据权利要求1所述的轮对测量方法，其特征在于上述结构光视觉传感器中的激光器产生结构光并作为测量轮对的辅助光源，对工件进行扫描。
3.据权利要求1所述的轮对测量方法，其特征在于上述结构光视觉传感器中的非接触式视觉传感器CCD摄像机，从不同方位对轮对进行立体视觉检测，对轮对的几何尺寸、踏面擦伤和剥离进行非接触自动测量。
4.根据权利要求1所述的轮对测量方法，其特征在于上述步进电机驱动轮系统由工业计算机控制，并通过精密机械传动副驱动轮对平稳转动，精确地控制轮对的旋转速度和旋转量。
5.根据权利要求1所述的轮对测量方法，其特征在于上述的结构光视觉传感器由激光器和非接触式视觉传感器CCD摄像机组成，与步进电机驱动轮系统相结合，在精确控制轮对转动速度和转动量的情况下，结合结构光视觉传感器对轮对实现在线测量。
6.一种权利要求1所述的结构光视觉传感步进驱动型轮对测量装置，由基座和安装于其上的龙门架结构、立臂支撑结构组成，其特征在于上述的基座上安装有步进电机驱动轮系统和进出轮装置；龙门架上安装有结构光视觉传感器。
7.根据权利要求6所述的轮对测量装置，其特征在于上述结构光视觉传感器安装有激光器和非接触式视觉传感器CCD摄像机。
8.根据权利要求6或7所述的轮对测量装置，其特征在于上述非接触式视觉传感器CCD摄像机中安装有与结构光波长相同的滤光系统。
9.根据权利要求6所述的轮对测量装置，其特征在于上述步进电机驱动轮系统由步进电动机通过联轴器、连接杆、减速机带动驱动轮，驱动轮作为测量轮对的基准。
10.根据权利要求6所述的轮对测量装置，其特征在于上述的进出轮装置包括顶块和液压缸，其中顶块安装在液压缸上部。
全文摘要
本发明公开了一种结构光视觉传感步进驱动型轮对测量方法及测量装置，该方法以步进驱动系统控制轮对转动，应用结构光和视觉传感技术，完成铁路车辆轮对几何尺寸、踏面擦伤和剥离的自动检测；该装置由基座和安装于其上的龙门架结构、立臂支撑结构组成，上述的基座上安装有步进电机驱动轮系统和进出轮装置；龙门架上安装有结构光视觉传感器，该装置可在一个工位上同时完成轮对所有几何参数的非接触全自动测量，不仅测量精度高，而且运行可靠。
文档编号B61K9/00GK1644439SQ200410015240
公开日2005年7月27日 申请日期2004年1月19日 优先权日2004年1月19日
发明者高向东, 杨雪荣, 陈章兰 申请人:广东工业大学