（测试计量技术及仪器专业论文）基于视觉原理的承载鞍磨耗自动检测系统研究.pdf

摘要 承载鞍是铁路货车走行部的重要配件，安装在货车转向架侧架和滚动轴承之 间，承受和传递各种载荷。列车行驶过程中，承载鞍与转向架侧架及轴承接触产 生磨损，称之为磨耗。若承载鞍磨耗过限，将严重影响列车正常运行，所以承载 鞍磨耗检测历来是铁路段修部门的一项重要检测工作。以往承载鞍磨耗检测局限 于人工模板比对测量，这种方法检测效率低、精度难以保证。为了改变这种现状， 近年来有多家科研单位对承载鞍磨耗自动检测方法进行研究，并先后研制出数种 基于机械结构的承载鞍检测装置，但普遍存在着检测效果不理想、检测装置造价 昂贵等问题，最终未能投入段修应用。计算机视觉检测技术具有非接触、高精度、 高效率等的特点，且随着计算机技术及图像处理等相关技术的发展日趋成熟。与 机械检测方法相比，视觉检测技术对承载鞍这样异型、被测面分布复杂零件的检 测具有独特优势。 本论文研究并建立了基于双目立体视觉、结合多线结构光的激光视觉检测系 统，通过对承载鞍三维形貌进行非接触测量，实现承载鞍磨耗的自动检测。系统 共分四个组成部分：传感器系统、机械系统、控制系统和计算机软件。实验数据 表明，系统检测精度高、测值稳定，满足部颁标准对承载鞍磨耗的检测要求，解 决了长期以来困扰铁路部门的承载鞍磨耗自动检测问题。论文针对部颁标准中对 承载鞍磨耗检测的原则性规定，研究出合理的、操作性较强的检测规程。由于承 载鞍形貌复杂、被测面较多且集中分布，采用一般的标定方式标定十分困难，所 以专门研究了用于承载鞍视觉检测的传感器系统标定方法。最后，对“承载鞍磨 耗自动检测系统”样机进行调试，实测了大量承载鞍，在调试过程中进一步完善 了系统设计。 关键词：承载鞍磨耗 视觉检测三维形貌 a b s t r a c t t h eb e a r i n gw e i g h ts a d d l e ，a ni m p o r t a n ta c c e s s o r yo fr a i l w a yt r u n k ，i si n s t a l l e d b e t w e e nt h ef r e i g h tc a rb o g i ea n dt h er a i l w a yb e a r i n g ，r e c e i v i n gm a n yk i n d so fl o a d f r o md i f f e r e n tp a r t s i nt h et r a i n sr u n n i n ga b r a s i o no c c u r sd u et ot h ef r i c t i o nb e t w e e n t h ef r e i g h tc a rb o g i ea n dt h er a i l w a yb e a r i n g t h ea b r a s i o nb e y o n dt h eu s u a ll e v e l m a yb r i n gg r e a ta c c i d e n t s t ot h er u n n i n gt r a i n i no r d e rt oa v o i ds u c hd a n g e r s ， a b r a s i o nm u s tb em e a s u r i n gt e r m l y t h e r ei sas p e c i a ld e p a r t m e n ti nr a i l w a yi n d u s t r y n a m i n g “p e r i o d i c a lm e a s u r i n gp l a n t ”w h i c hi m p l e m e n t s t h i sm e a s u r i n gs c h e d u l e b u t u n t i l n o w , t h ea b r a s i o n i ss t i l le x a m i n e du s i n gs i m p l em e c h a n i c a lt o o l ss u c ha s m e a s u r i n gt e m p l e tt h ee n do fw h i c hi s t h a tw ec a n n o tg e ta ne x a c tr e s u l to ft h e a b r a s i o n s om a n yr e s e a r c h e r sm a d e u p d i v e r s i f i e dd o a b l em e a s u r i n g p r o j e c tt r y i n gt o s o l v et h i s p r o b l e m s o m e o ft h e mh a v ee v e n d e s i g n e d a u t o m a t i c m e a s u r i n g e q u i p m e n t sb a s e d o nm e c h a n i c a lf r a m e w o r k s s i n c et h e s ep r o j e c t sa l lh a v et h ed e f e c t s l i k ec o s t i n gt o om u c h ，l o w p r e c i s i o na n d s oo n ，t 1 1 e ya r en o tp o p u l a r i z e di nm e a s u r i n g p l a n t s a san o n - t o u c h e d ，r a p i da n dp r e c i s i o nm e a s u r i n gm e a n s ，t h ec o m p u t e r v i s i o n i n s p e c t i o nt e c h n i q u ei sa p p r o p r i a t ef o rm e a s u r i n gt h o s ef r e e - f o r mo b j e c t sl l k e t h e b e a t i n gw e i g h ts a d d l e ，a n da l s o ，h a sm a n yv i a u e sc o m p a r i n gw i t ho t h e rm e c h a n i c a l m e a s u r i n g m e t h o d s i nt h et h e s i s a na u t o m a t i cm e a s u r i n gm e t h o do ft h e b e a t i n gw e i g h ts a d d l e a b r a s i o ni si n t r o d u c e db a s e do nb i n o c u l a rs t e r e ot e c h n i q u ea n dl i n es t r u c t u r e l i g h t t h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r i n gs y s t e mh a sa l s ob e e ns e tu pw h i c hi n c l u d e sf o u rp a r t s ， n a m e l y , t h ev i s i o ns e n s o rs y s t e m ，t h em e c h a n i c a ls y s t e m ，t h ec o n t r o l l i n gs y s t e ma n d t h es o f t w a r e t h e e q u a b l em e a s u r i n g r e s u l t sr e v e a lt h a tt h e s y s t e m h a sh i g h p r e c i s e n e s s t h i sm e a n st h a t t h i s s y s t e m w i l lb eav e r ys o l u t i o nf o ra u t o m a t i c m e a s u r e m e n to f t h eb e a r i n gw e i g h ts a d d l ea b r a s i o n b e c a u s et h em e a s u r i n gc r i t e r i o n i s s u e db yn a t i o n a l r a i l w a yd e p a r t m e n t i s n tv i v i d e n o u g hf o rm e a s u r e m e n t ，a t h o r o u g hr e s e a r c ho n t h i sc r i t e r i o nh a sb e e nm a d e t h et h e s i sa l s oi n t r o d u c e sa s p e c i a l c a l i b r a t i o nm e t h o df o rv i s i o n s e n s o r s y s t e m i n r e s p e c t t h a tw ef i n dt h eu s u a l c a l i b r a t i o nw a y sc a nn o tb eu s e di nt h i ss y s t e m f i n a l l ys o m ep r o b l e m se n c o u n t e r e d d u r i n ge x p e r i m e n ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e s o l v e n t s a r ep r e s e n t e d t h ec o u r s eo f s y s t e mt e s t i n g i si n d i s p e n s a b l ei np e r f e c t i n gt h ea u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e m k e y w o r d s ： b e a r i n gw e i g h ts a d d l e ， a b r a s i o n ， c o m p u t e r v i s i o ni n s p e c t i o n ，t h r e e d i m e n s i o n a lt o p o g r a p h y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：i 象涵蝽 签字日期：乒斗 年月舌同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 狼狗哞 导师签名 锄毒丞荧 签字日期：2 种中年j 月石日 签字日期：2 口。4 晖月5 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 铁路部门关系国家经济命脉，其安全、稳定运营至关重要。现在，我国铁路 运输正朝着高速、重载的方向发展，对走行部关键零件提出了更高、更严格的要 求，而承载鞍正是影响货车速度、载重量和安全性的重要铸钢件之一。承载鞍安 装在货车滚动轴承和转向架侧架导框之问，起着轴承与侧架连接、定位和传递载 荷的重要作用。如图1 1 是承载鞍的一组实物图，从图1 2 中可以看到承载鞍装机 时的状态。由于承载鞍的出现，将货车相对导轨的平动转化为轮轴滚动，所以多 年以来一直都是货车的重要部件。 图1 1 承载鞍实物图 图1 2 转向架实物图 根据铁路部门的惯例，对于货车车辆本身及各零部件要实行厂修、段修、辅 修、临修、通过修等各种检修维护活动，以保证车辆处于良好的运行状态。列车 行驶过程中，承载鞍与转向架侧架接触发生磨损，须定期检测承载鞍各接触面磨 耗有否过限，以保证列车的安全运行。 但由于种种原因，承载鞍检测手段长期停留在人工模板检测阶段，劳动强度 大、效率很低，且检测质量难以保证。多年以来，铁路部门及有关科研院所一直 在寻求比较合理的方案来解决承载鞍磨耗自动检测问题。曾经发表的方案主要是 利用探头( 接触式或非接触式) 对承载鞍表面多点扫描进行测量，采样点很少， 第一章绪论 测量效率较低。另外由于探头与承载鞍之间存在相对运动，引入了机械误差，造 成系统整体测量精度不高。此外，机械测量装置结构复杂，造价较高，一定程度 上也制约其在铁路段修部门的推广。承载鞍属异型零件，形貌复杂且被测面分布 集中，使用机械测量方法很难满足铁路段修部门对承载鞍检测的要求。计算机视 觉检测技术是基于视觉的非接触检测手段，具有非接触、高精度、高效率等的特 点，随着计算机技术和图像处理等相关软、硬件技术的发展日趋成熟，应用成本 进一步降低，应用领域已非常广泛。将视觉检测技术用于实现承载鞍这样的异型 形貌测量，相比其它机械方法具有独特优势。本文研究并建立了基于双目立体视 觉、结合多线结构光的激光视觉检测系统，通过对承载鞍三维形貌进行非接触测 量，实现承载鞍磨耗的自动检测。 1 2 计算机视觉检测技术及其应用 一般来讲，计算机视觉是依靠计算机技术来帮助人们理解视觉机理，再进一 步用计算机实现人类视觉的部分功能，并延伸人类视觉，以解决机器获取外界信 息的问题。计算机视觉利用各种成像手段代替视觉感官作为输入敏感手段，由计 算机来代替大脑完成对图像信息的处理和理解。上世纪7 0 年代中期到8 0 年代初， m a r r 教授通过在美国麻省理工学院( m i t ) 进行的视觉理论方面的研究，提出了计 算机视觉领域第一个比较完整的理论框架。几十年来，伴随电子学、光学、计算 机技术、心理学、数学等视觉相关领域的飞速发展，计算机视觉技术本身也得到 长足的进步。 计算机视觉技术的实施，使得诸多传统上利用人眼来监视和控制的工业领域 实现了自动化和智能化。同时，不仅局限于工业领域，计算机视觉技术同样被广 泛应用到包括医药科学、空间科学、安全防卫、军事甚至农业科学领域。随着人 一机交互技术、多媒体技术和模拟现实等技术的不断涌现，计算机视觉技术已经 日益成为人与机器之问信息交换的主要手段。作为计算机视觉技术的一个重要分 支，视觉检测技术业已被应用到包括几乎所有计算机视觉科学涉足的领域。 视觉检测技术是采用光学和电子器件模拟生物视觉的某些功能，获取被测物 的信息，完成对物体外形特征的检测，如物体尺寸、形貌、表面粗糙度等。狭义 第一章绪论 上可以理解为采用基于c c d 摄像机的传感器对被测信息的自动化检测。视觉检 测系统一般以计算机或f p g a 等为信息处理中心，由视觉传感器、高速图像采集 系统以及专用图像处理系统等模块构成，如图1 _ 3 所示。 视觉传感器是检测系统的信息来源，一般由单独、成组c c d 摄像机( 双目、 三目等) 或辅以激光投射器等设备。其主要功能是获取视觉系统要处理的原始图 像。视觉传感器获取的视频信号一般为模拟信号，须通过高速采集系统将其转换 为数字信号，以适合计算机或专用图像处理系统对原始图像进行处理。专用图像 处理系统是计算机的辅助处理器，主要用作实现高速完成各种低级图像处理算 法，减轻计算机处理负荷，提高整个视觉系统的处理速度。 计算机是视觉系统的核心部分。除担负对整个系统各组成模块的控制任务， 还对视觉前端输入的数据进行关键性运算和数据输出、数据库服务等等。由图像 采集系统输出的数据可以直接输入计算机，由计算机采用纯软件方式完成对所有 图像的处理和分析计算。若纯软件处理在速度上不能满足需要，还可考虑采用专 用的图像处理硬件。 图1 3 视觉系统的基本组成模块 早期视觉检测技术应用的一个成功范例是电子工业中的应用。由于半导体工 艺的快速发展，集成芯片( i c ) 、印刷线路板( p c b ) 的复杂度不断提高，传统检测 方法已经无法胜任。由于视觉检测具有快速、精确且检测结果稳定等优点，很快 成为这一领域的主要检测方法。此外，视觉检测在诸如仪表板总成智能集成测试、 第一章绪论 金属表面控伤、纸币印刷、金相分析及医疗图像等领域也得到广泛应用。 视觉检测在汽车工业中应用已十分广泛，美国三大汽车公司相继与美国 m i c h i g a nu n i v e r s i t y 和p e r c e p t i o n 公司合作，己成功研制了用于汽车零部件、分 总成和总成产品进行尺寸控制的自动视觉检测系统。英国r o v e r 汽车公司8 0 0 系列汽车车身轮廓尺寸精度的1 0 0 在线检测，也是视觉检测系统用于工业检测 中的一个较为典型的例子。 在国内，天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室相继成功研制长春一 汽a u d i1 0 0 白车身侧围三维视觉检测系统、i v e c o 白车身激光视觉检测站和一 汽大众j i e t a 轿车白车身激光视觉检测站，其中后两项实现了整车总成的三维尺 寸自动在线测量。 1 3 应用视觉方法检测承载鞍的必要陛 承载鞍是铁路机车、车辆的重要部件，安装在货车的滚动轴承和转向架侧架 导框之间，承受和传递着各种载荷，所以它的检修工序非常重要。长期以来，承 载鞍检测缺乏专用的自动化检测设备，传统的检修工序采用阶梯形模板手工来检 测。这种检测方法工人的劳动强度大、效率低、检测精度低。归纳起来，造成这 一状况的主要原因如下： ( 1 ) 承载鞍形貌复杂，常规量具难以对其实现精确测量。 ( 2 ) 若干研究者曾对承载鞍磨耗检测提出革新方案，但大多局限于采用机械探头 检测【”，属接触式测量，长期运行情况下探头易磨损，可靠度较难保证。 此外，对机械检测系统的阶段性系统标定亦没有提出较为科学的方案。 ( 3 ) 铁路部门的技术革新及推广需要采用较为成熟、可靠的技术。即使技术本身 相对滞后一些，也要保证行之有效，且稳定性高。 ( 4 ) 一般运送到车辆段修部门的待修承载鞍大多表面带有污垢，且污垢成分复 杂。现有机械检测方法若直接对其进行检测，必然使检测设备本身受到承载 鞍表面附着物污染，严重时甚至致使检测系统全面受损。 + 针对上述承载鞍检测方法的不足，本文提出基于双目立体视觉、结合线结构 光的激光视觉检测系统，实现承载鞍三维形貌的非接触测量。具体利用激光投射 第一章绪论 器投射光条到被测表面，为测量提供被测面特征，双目视觉传感器系统对光条进 行图像分析，通过对特征点坐标的特殊计算，得到承载鞍各被测面的实际磨耗。 同其他承载鞍检测方法相比，三维立体视觉检测有如下特点： 一、非接触 不管利用专用模板还是机械探头检测，都会由于检测器与承载鞍被测面多次 直接接触，造成检测器本身的机械磨损，影响其测量精度。激光立体视觉检测不 接触承载鞍表面，没有机械磨损，测量精度易于保证，且易于实现承载鞍的自动 化检测。 二、检测速度快、强度低 当前铁路段修部门中，承载鞍检测仍然沿用传统的手工模板比对方法，检测 同一承载鞍需更换三、四种检测模板，检测步骤十分繁琐。承载鞍净重一般为 1 8 k g 件，检测工人体力消耗相当严重，效率必然很低。铁路部门中承载鞍用量 较大，段修任务繁重。每个段修人员一天内往往承担几十到上百件承载鞍的检修 任务，客观上也限制了承载鞍检测的准确度。 由于立体视觉技术在承载鞍磨耗检测上面的合理性，相关图像处理软、硬件 发展也十分迅速；就目前能够实现的检测水平，基本上可以使承载鞍检测速度达 到6 0 s q ：。由于检测过程不须段修人员参与检测，强度也相应降低。 三、测量结果客观、准确 整个承载鞍检测过程没有人力参与，消除了检测者疲劳误差。测量数据通过 计算机存储、处理可与现行标准检测结果进行抽样比对，从而维护了系统检测结 果的准确度。 1 4 本课题的意义及主要内容 本论文研究“基于视觉原理的承载鞍磨耗自动检测系统”，主要针对当前铁 路货车普遍使用的转8 a 型转向架承载鞍。我国铁路载重6 0 t 级货车主型转向架 为转8 a 型，白1 9 6 7 年到现在，已装车2 2 万多辆，约占我国货车总数的2 3 5 1 。 所以，研究转8 a 型承载鞍磨耗的自动化检测对于提高我国承载鞍检测水平具有 第一章绪论 重要意义。本系统也适合其它型号承载鞍的检测。 课题研究的实际意义在于将计算机视觉检测及三维形貌测量技术应用于铁 路承载鞍检测，是对传统检测工业的现代化改造。当前已经投入段修作业的视觉 检测装置还有列车轮对的检测机构，这一装置已在全国进行推广：此外，视觉检 测方法也被用于铁轨磨耗等的检测口”。当前我国经济高速发展，铁路运力进一 步提升，货车关键部件的检测任务更加繁重，继续沿袭传统的手工模板检测无法 适应段修工作的实际需要。在保证承载鞍的检测质量的前提下，努力提高检测自 动化水平己成承载鞍段修工作的当务之急。应用双目立体视觉、结合结构光的检 测方法对于承载鞍这样异型、被测面较为复杂的零件检测非常合理。不仅局限于 承载鞍，这一检测方法也可用于同类复杂零件的检测。 本论文的主要内容： ( 1 ) 在充分调研和论证的基础上提出切实可行的承载鞍检测方案。 ( 2 ) 设计并建立了承载鞍视觉检测系统。由于承载鞍待测面分布集中，造成传感 器系统排布空间局促。本论文提出的传感器系统对各待测面均实现有效检 测。 ( 3 ) 研究承载鞍检测中须遵循的检测标准。部颁检测标准并未能对承载鞍检测提 出操作性较强的叙述，本论文在遵守部颁标准的前提下对这一问题进行深入 分析和论证。 ( 4 ) 研究用于承载鞍视觉检测的传感器系统标定方法，实践证明，此标定方法实 现简单、精度较高，满足测量需要。 ( 5 ) 对“承载鞍磨耗自动检测系统”样机进行调试，实测了大量承载鞍，在调试 过程中进一步完善了系统设计。 ( 6 ) 根据样机调试阶段所得数据，对本套系统标定精度、系统稳定性作出分析。 第二章承载鞍视觉检测原理 第二章承载鞍视觉检测原理 承载鞍视觉检测主要用到基于双臣立体视觉、结合结构光的三维形貌测量原 理。承载鞍形貌相对复杂，被测面集中分布，常规接触式测量方法对被测面缺乏 良好的适应性，难以精确检测承载鞍磨耗。三维形貌测量方法具有非接触、高精 度、高效率等优点，而且结构简单、易于实现，适合承载鞍形貌测量。本章通过 对承载鞍磨耗检测要求、检测特点以及检测基准等方面的论述，提出了切实可行 的承载鞍磨耗视觉检测方案。 2 1 承载鞍检测要求 如图2 1 为转8 a 型承载鞍两幅实物图片，分别从正、反两个方向对承载鞍 全貌予以表现。承载鞍通体类马鞍形，为铸钢件。实用中承载鞍安装在铁路货车 转向架侧架与轮轴之间，起到列车运动形式转换的作用；同时，将承载鞍作为独 立部件有利于减少货车转向架与轮轴的磨损。 图2 1 承载鞍被测部位图 承载鞍与转向架侧架、轴承的所有接触面均为机加工面，分别为鞍面、顶面、 推力挡肩、导框底面，导框挡边内侧面。图2 2 为转8 a 型承载鞍设计图，其中 标注尺寸各面均为磨耗面。承载鞍鞍面与轮轴接触，为2 3 0 m m 圆弧曲面。承 第二章承载鞍视觉检测原理 载犊顶丽分两部分，均为矩 形平面，顶面以鞍面中心轴 线为设计基准，距轴线 1 6 7 m m 。推力挡肩为鞍面外 侧突出部分，在列车运行过 程中起到抱紧轴承、防止承 载鞍滑动的作用，两推力挡 肩之间的平面距离为 1 5 3 r a m 。导框底面及导框挡 边内侧面分别与货车转向架 侧架接触，作为承载鞍定位 图2 2 转8 a 型承载鞍设计图 之用。导框底面由左右各两块突起台面组成，左、右导框底面之间的设计尺寸为 3 0 9 m m 。导框挡边内侧面左右各一对。每对内侧面之间平面距离为1 7 0 m m 。 列车行驶过程中，以上所列机加工面均与其他配件面接触，从而产生磨耗。 铁路部门为了保证列车运行安全，对零件磨耗有相当严格的规定，一般均规定了 部件磨耗限度及相应采取措施( 修复使用或报废) 。对于承载鞍检测，根据铁道 部铁辆( 1 9 9 2 ) 3 0 号文件规定( 针对转8 a 型) ： ( 1 ) 承载鞍顶面磨耗或偏磨大于1 5 m m 时，加工修复后使用，磨耗大于5 m m 更 换。 ( 2 ) 承载鞍导框挡边内侧面水平距离原型为1 7 0 l t o n i ，两侧磨耗之和大小3 m m 时更换。 ( 3 ) 承载鞍导框底面水平距离，原型3 0 9 1 n l l n ，两侧磨耗之和大于3 n u n 时更换。 ( 4 ) 承载鞍鞍面原型直径2 3 0 一o 0 5 m m ，用样板检查，磨耗大于0 5 r n m 时更换。 ( 5 ) 承载鞍推力挡肩原型1 5 3 1 6 m m ，两侧磨耗后小于1 5 5 8 m m 时，消除棱角后 使用，磨耗大于1 5 5 8 r a m 时更换。 7 1 本论文所设计检测系统依照以上五条部颁标准，对承载鞍磨耗后状态作- - t l 较精确的检测，严格控制承载鞍段修尺寸，决定承载鞍是否报修或报废。为了便 于测量系统方便的判断被测承载鞍磨耗状态，依据部颁标准并参考段修部门建 议，提出如表( 2 1 ) 所述的检测规程。其中，承载鞍磨耗状态按照部颁标准分为三 习黧 第二章承载鞍视觉检洲原理 类：合格、待加修和报废。五条判定标准之间为“与”的关系，若被测承载鞍不 符其中任意一条便认为不合格。这样规定既增强了承载鞍磨耗检测的可操作性， 也为测量软件算法设计打下很好的基础。 ( 表2 1 ) 承载鞍分类判定规程( 单位：毫米) 显示显示分拣 部位测量结果备注 形式结果状态 1 5 5 定性 报废 报废同上 导框档边两侧水 1 6 9 o 1 7 3 定性合格合格品同上 平距离o o 1 7 3 定性报废报废同上 导框底面水平距 3 0 6 o 3 l o 定性合格 合格品同上 离o o 2 3 0 5 定性报废报废同上 推力档肩两端距 o 1 5 5 8 定性合格合格品同上 离。 o 1 5 5 8 定性报废报废同上 部颁标准中对于承载鞍顶面磨耗检测除规定普通磨耗之外，还区分了正磨耗 与偏磨耗。根据段修部门对承载鞍磨耗的理解，正磨耗为相对于承载鞍未磨耗项 面的平行磨耗，偏磨即相对于未磨耗顶面的偏斜磨耗，如图2 3 所示。顶面正磨 第二章承载鞍视觉检测原理 况躬 uv ， ， ， 图2 3 顶面正、偏磨示意图 耗比较容易理解且测量操作性较强，但对顶面 偏磨的界定，一直以来并没有统一的说法。这 罩面有标准制定方面的原因，也有段修部门检 测水平和承载鞍磨耗本身受力比较复杂等原 因。本论文所涉及承载鞍顶面偏磨，仅限于相 对未磨耗顶面有一定偏斜的整体磨耗。如图2 3 ， 顶面的正磨耗面与鞍面中心轴( 测量基准) 之 间的距离为 ，偏磨耗面与鞍面中一t s , 轴之间的距 离为。通过对大量承载鞍磨耗情况的具体分 析，认为对承载鞍顶面磨耗如此界定是符合实际情况的，同时也比较符合工程原 则。 2 2 承载鞍检测特点分析 将激光三维形貌测量方法应用于承载鞍，首先要对承载鞍形貌的具体特点进 行分析，为测量创造条件。其次，要对承载鞍检测的段修标准有深入了解，并依 据段修标准制定合理的实施办法。归纳承载鞍的形貌特征和段修标准主要有如下 方面： 一、承载鞍为铸钢件，每件自重1 8 k g 采用三维视觉形貌测量方法，必须设计合理、稳定的工件测量平台，或者夹 具。只有精密机械结构足够稳定，才能有效地保证测量精度，这一点也同样适用 于承载鞍测量。 二、承载鞍为异型工件，被测面分布复杂，形状较为特殊会带来两方面影响 首先，测量基准难以确定。承载鞍所有机加工面在列车运行过程中均发生磨 耗，而其余铸造面在理论上一般不作为测量基准。尽管在某些情况下，如测量工 件空间尺寸足够大的情况下有时也会将铸造面作为测量基准9 3 ，但对于承载鞍来 讲，测量精度要求不允许将任一铸造面作为测量基准。在确定承载鞍测量基准问 题上，本论文采取了一种比较折衷的方案；实验i i e n ，采取本论文提出的测量基 o 第一：章承载鞍视觉检测原理 准能够符合承载鞍测量要求。 其次，测量夹具的设计须综合考虑。既要顾及被检件的测量稳定性，也不应 影响到光学传感器的工作区域。 三、承载鞍制造精度与部颁检测标准的理解 见2 1 节中部颁标准对段修要求的陈述。第( i ) 条规定，承载鞍顶面磨耗或偏 磨大于1 5 m m 时，加工修复后使用，磨耗大于5 m m 更换。分析这一条款可以发 现，段修标准实质上是将发生磨耗后的承载鞍顶面与其本身未磨耗之时状态或称 承载鞍原型进行比较。若承载鞍属用量极少的零件，当然可以将原型作为段修基 准。但实际中承载鞍用量基数巨大、更换也比较频繁，这种规定方法显然缺乏足 够的操作性。 第( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 条标准比较相近，均为首先交待承载鞍原型制造误差范 围，然后对承载鞍报修及报废标准予以框定。而且在制定标准时，类似第一条标 准加以表述。基本上可以如此理解：首先，承载鞍原型( 即新出厂承载鞍) 的制 造误差是严格规定的。其次，对于磨耗的理解存在两种概念。一种是就原型而言 的磨耗，但随着磨耗过程的发生这一基准变得无从谈起。另一种是依照段修标准 第( 5 ) 条的规定根据具体测值报修或报废，这个概念是严格确定的，操作性较强。 综合这五条段修标准可以看出，若机械的照搬段修标准，并以之作为检测系 统判断承载鞍磨耗状态的唯一标准是不适宜的。本课题设计调研阶段，曾在某段 修部门段修标准的理解同专业段修工程师进行深入探讨。段修单位认为，铁路部 门的段修标准属于原则性标准。在段修标准实施过程中，存在一个反馈修改 再反馈再修改的段修周期。这样，对段修标准的理解也应当从实际出发， 从工程实践出发。事实上，由于检修工具长期不能做到专业化，承载鞍顶面的检 测很难依照部颁标准，大多情况下仅靠段修人员的经验判断。囿于段修经验，有 些本应报废的承载鞍仍然被修整、装配到列车上，给货车的安全行驶埋下了隐患。 四、承载鞍段修标准中没有明确规定检测误差，但是检测误差总是存在的 根据误差学原理，评价任何物体的形貌均应引入误差的概念。只有这样，才 能对物体本身的形貌特征作出比较客观的判断。而现行承载鞍段修标准中基本没 有将检测误差列出，这就给段修工作带来许多不确定因素。比如某件承载鞍经磨 第二章承载鞍视觉检测原理 耗后，推力挡肩两侧的实际宽度为1 5 5 7 9 r a m ，但由于量具的测量误差，测得推 力挡肩两侧宽度为1 5 5 8 1 m m ，这样，本来可以修复利用的承载鞍便被认为是废 品。 国内公开发表的相关资料显示，承载鞍检测的检测误差也是这一领域分歧比 较大的地方。一般来讲，检测误差的确定应该遵循普遍的工程原则，既不应当规 定的太高使得检测手段难以达到，也不应当规定得太低影响检测质量。当然，铁 路部门根据多年段修经验己经积累了比较充足的论据，认为承载鞍的检测误差应 掌握在如下范围内为宜： 顶面磨耗或偏磨：0 1 m m 导框挡边内测面水平距离：0 2 m m 导框底面水平距离： o 2 m m 鞍面磨耗：o 1 m m 推力挡肩内侧面水平距离： o 2 r a m m l 2 3 承载鞍三维形貌测量原理 本论文利用“激光三维形貌测量技术”对承载鞍形貌进行测量，从而得到各 被测面的实际磨耗。具体地，利用激光投射器投射线结构光到承载鞍被测表面， 对被测表面特征进行标示，然后通过双目立体视觉传感器对被测面图像进行采 集。计算机对采集到的被测面图像特征经过综合分析，得到被测面的准确位置信 息。通过对承载鞍中一t l , 轴的拟合，得到中，i i , 轴位置及鞍面截圆半径，由截圆半径 的变化量得出鞍面磨耗。鞍面中心轴同时还作为顶面磨耗的基准，通过顶面与鞍 面中心轴的距离变化得到顶面磨耗。导框底面与导框挡边内侧面的磨耗测量类 似，均根据拟合平面之间的距离予以判定。推力挡肩之间的距离确定比较特殊， 为挡肩与线激光两对交点距离的平均值。 2 3 1 双目立体视觉测量原理 双目立体视觉测量基于立体视差原理，一般的，利用两台摄像机模仿人眼的 功能，利用空间点在两摄像机像面上的透视成像点坐标来求取空间点的三维坐 第二章承载鞍视觉检测原理 桶i 。 一套完整的立体视觉算法可分五个主要部分：( 1 ) 摄像机及传感器模型( 2 ) 图 像处理及特征提取( 3 ) 立体匹配( 4 ) 三维尺寸计算( 5 ) 深度信息内插。c 1 3 首先根 据透视变换和坐标转换原理建立摄像机模型，然后通过摄像机标定获得摄像机和 传感器结构参数。在图像处理阶段完成特征提取。立体匹配主要分区域匹配和特 征匹配，在承载鞍测量中主要应用特征匹配：立体匹配是计算机视觉中最为复杂 的一环，由匹配好的相关点的像面坐标可以求得实际物体三维尺寸信息。最后对 稀疏的深度信息图进行内插计算才能获得详细的深度图。 图2 4 是一个典型的双目视觉传感器模型。图中0 ，0 2 分别为左、右摄像机的 光学中心：r 面分别为左、右摄像机的理想成像面，两平面互成角度。p 是位 于两摄像机成像交叉区域中物方一点。力、正分别为左、右摄像机的焦距。图中 涉及以下几个坐标系： d 肛玎左摄像机的摄像机坐标系 0 幽n 左摄像机的像面坐标系 d 豫) ，? z ? 右摄像机的摄像机坐标系 0 2 x 2 比右摄像机的像面坐标系 o 。五。，h ；。世界坐标系 p ( i 。y w ，z ) - - - 、 、 7 、 图2 4 双目视觉传感器模型 第二章承载鞍视觉检测原理 首先，通过摄像机标定，可以确定每个摄像机的内部参数，得到摄像机坐标 系同世界坐标系之间的变换关系： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 其中r 。、r ：为旋转矩阵，巧、疋为平移矩阵。根据透视成像原理，左、右 p 料酬 沼。， 岛 茎 = 耄罢0 t 茎 c z 一。， 左、右相机的摄像机坐标系之间有以下转换关系： ( 2 5 ) 这样，结合( 2 - 1 ) 、( 2 2 ) 、( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 可以建立起左、右相机摄 像机坐标系之间的精确对应关系，通过传感器标定可对这种对应关系进行解算， 从而建立双目视觉传感器模型。 2 3 2 基于双目视觉的承载鞍形貌测量 = = 1j 1，j m m h 一m b 7 l+ 1，j 毛 l 足 = ，j 2 2 2 x y z l 第二：章承载鞍视觉检洲原理 激光视觉三维形貌测量技术是指利用激 光投射技术结合双目立体视觉技术实现三维 形貌的快速测量，测量原理如图2 5 所示。两 台对称分布的摄象机和激光投射器共同构成 视觉传感器，测量时，激光投射器将多条激光 带投射到承载鞍被测表面上，左右两台摄象机 获取具有一定视差的物体表面光条图象，通过 分析光条图象，可以准确得到被测表面三维形 貌。 选择不同的激光投射器和不同精度的摄像机，可以得到不同的测量范围和空 间分辨率。为得到较大的测量范围和较高的空间分辨率，可以增加投射器的光平 面( 光条) 数，采用高精度的摄像机。另外，改变传感器到被测物体间的距离， 可以获得不同的工作距离。 2 4 测量基准的确定 测量机械零件时，首先要确定其测量基准。在实际测量时，同一被测项目， 测量基准选择不合理或错误，在分析测量结果时将产生误判。零部件设计时，一 般要尽量保证设计基准、工艺基准、测量基准三者保持一致。”1 见2 1 节中关于承载鞍检测标准的叙述，并未涉及承载鞍检测基准的确定问 题。国内最早开始生产承载鞍的厂家是北京二七车辆厂，通过到这家车辆厂实际 调研得知，在承载鞍制造早期主要考虑的是其实用性，对承载鞍使用过程中的段 修问题考虑不够周全。事实上由于承载鞍的出现，解决了铁路部门一个的关键性 问题走行部运动形式转换，这样不管承载鞍是否具有严格的段修检测基准 其本身的合理性是无庸置疑的。造成结果是，虽然承载鞍在制造过程中有严格的 设计基准和工艺基准，却没有准确的检测基准。多年来，一些研究者针对承载鞍 段修检测基准的确立进行过研究，且提出了若干解决方案，以下是比较典型的几 种： ( 1 ) 假设承载鞍鞍面磨耗为均匀磨耗，设计了以鞍面公称直径妒“为基准的圆弧 第二章承载鞍视觉检测原理 型模板，作为承载鞍的测量定位基准。并以模板的回转中心为基点，通过两 只安装在转臂上的电涡流传感器和回转式增量编码器，实现圆弧尺寸的测 量。1 6 】 ( 2 ) 采用不同基准分别对承载鞍各被测面予以测量。具体是：承载鞍项面以发生 磨耗的承载圆弧面的中心为基准。推力挡肩及导框各面均以位移传感器的固 定基准作为测量基准。【1 列 ( 3 ) 以承载鞍鞍面中心线为主要测量基准。在测量导框各面时，采用外加平面作 为辅逐级准；在测量推力挡肩时，认为推力挡肩发生均匀磨耗，故不需特定 基准。【4 】 以上三种测量基准分别依据其不同测量方案确定，都具有较强的针对性。基 于这几种测量基准和选用对应测量方法，研究人员分别开发出各自的承载鞍测量 机构，不同程度的解决了承载鞍段修问题。 分析这些基准确立方法可以发现，承载鞍顶面的设计基准是鞍面中心轴线， 不同的测量机构原理相异，但都以承载鞍鞍面中心轴线为出发点。在对推力挡肩 的测量过程中，一般都假定推力挡肩在列车行驶过程中发生均匀磨耗。对于导框 各面，一般直接采用测量装置所决定的固定基准，但同时也引入了测量装置本身 和传感器探头的传递误差。 本论文在认真总结以往经验，并结合视觉测量特点的基础上认为，由于承载 鞍鞍面与机车轴套相接，磨耗比较均匀，只要测出磨损后的鞍面半径与2 3 0 m m 圆弧( 原设计参数) 进行比对即可测出磨耗，并且将鞍面的中心轴作为测量顶面 和导框底面磨耗的基准。具体办法如图2 6 ，设计了支撑导轨，其导轨外棱与承 载鞍鞍面纵向相交，得到两条基准线。由制造工艺保证这两条基准线空阁相互平 行且距离不变。另外，激光投射器发出束与棱线平行的线激光投射在承载鞍鞍 面上，形成一段光条。这样，于鞍面上任一横向所截得的弧为图2 7 所示状况： a i c l 弧表示未磨耗承载鞍鞍面的横向截线，a 2 c 2 弧表示发生磨耗后承载鞍鞍面 的横向截线。 在视觉测量系统的标定阶段，已经将测量系统的坐标原点确定在某条支撑导 轨的外棱上，又由于两条外棱相互平行，这样外棱上任意一点的某个系统坐标值 为0 。姑且如图2 6 ，以左棱线上一点为原点，左棱线本身所在直线为z 轴建立 第二章承载鞍视觉捡测原理 坐标系，x 轴、y 轴如图所示，z 轴与x ，y 轴正交，方向透过纸面向内。 如图2 7 ，a 2 、c 2 间距为1 9 0 r a m ，且在图中所示的截面中，a 2 ，c 2 及b 2 的位 置绝对坐标可由测量系统测出，不妨设点a 2 的绝对坐标为( o ，0 ，z 0 ) ，则点c 2 的绝对坐标为( 1 9 0 ，0 ，z o ) ；激光光平面同截面的交点为b 2 ( x l ，y l ，z 0 ) ，其绝对 坐标可由测量系统测出。由几何学原理可知，己知圆弧上三点a 2 ，c 2 ，b 2 的绝对 坐标，可以确定此弧所在圆的圆心位置及半径。 不同承载鞍在发生磨耗后其鞍面状况是不一致的，有的磨耗多一些，有的磨 耗少一些，结果使不同被检承载鞍鞍面半径不一。但是测量过程中固定承载鞍的 支撑导轨间距是不变的，这样就有必要对检测基准进行进一步的讨论。图2 7 中 标示出两种不同磨耗状况的鞍面截圆，其中a l c l 弧的半径小于a 2 c 2 弧，但两弧 所在圆同心。 由于a t c l 弧所示承载鞍与a z c z 弧所示承载鞍磨耗状况不同，致使a 2 c 2 弧 所示承载鞍鞍面与支撑导轨接触的实际位置将下降，但由于鞍面的截圆圆心亦随 之下降，最终的效果是，做为基准的鞍面截圆圆心位置相对不交( 等距下降) 。 为了处理方便，根据数学原理，如果令发生磨耗之前、之后鞍面的截圆圆一t s , 重合， 仅需将图2 7 中b i 、b 2 的位置进行比对便可得出承载鞍鞍面的实际磨损状况。 此外，若将所有鞍面截圆圆心拟和成为一条中轴线，便可利用这条中轴线做为测 量基准。 图2 6图2 7 但是根据铁路段修规程对于承载鞍顶面磨耗的定义，此磨耗是相对于设计基 第二章承载鞍视觉检测原理 准( 即未磨耗件顶面) 给出的绝对磨耗。严格意义上讲，由于承载鞍各机加：l ：而 均为磨耗面，且磨耗不均匀，无法作为测量基准面：其余未加工面均为铸造面或 异型面，也不能作为测量基准面。在本测量系统中，认为承载鞍鞍面发生均匀磨 耗，并且定义承载鞍顶面磨耗量由顶面到鞍面轴线的距离变化来反映。如前所述， 根据数学原理，同样可以将承载鞍发生磨耗之前、之后的鞍面切圆心统一于0 点，以过0 点的鞍面轴线为基准，磨损前后承载鞍顶面的拟合平面与此轴线的 距离进行比对，从而得出承载鞍顶面的磨损情况。 2 5 承载鞍各被测面磨耗的测量方法 下图2 7 是转8 a 型承载鞍的设计示意图。其中承载鞍项面分为两部分，均为 矩形平面，其设计标准是距离鞍面中心轴1 6 7 哪。鞍面分割为两部分，均为弧形 曲面，设计尺寸为2 3 0 r a m 。推力挡肩是卡在轴套上的两部分呈弧形的平行平面， 设计尺寸为1 5 3 r a m 。左、右导框底面分别由两块分立矩形平面构成，左、右底面 距离为3 0 9 r a m 。左、右导框挡边内侧面组成两对平行平面，其设计尺寸为1 7 0 r a m 。 图2 8 转8 a 型承载鞍示意图 根据承载鞍的形貌特征设计了承载鞍三维检测装置。对应承载鞍