（计算机应用技术专业论文）基于ccd成像技术的火车轮对检测系统.pdf

摘要 摘要 在整个铁路机车的运行系统中，火车轮对绝对是影响列车是否能够安全行使的一个 重要因素，尤其是近年来，列车客观条件下的不断提速，这就使得对能够影响火车安全 运行的火车车轮的几何外形尺寸要求更加得高。因此，每隔一段时间对火车车轮进行检 测和修补也愈发必要，对那些不符合标准参数或磨损已经超限的火车车轮要给予加修或 报废的相应处理，否则，会影响列车的安全运行。以前，在国内对列车车轮外型几何尺 寸参数的检测方法主要是采用人工的游标卡尺法，这使得在检测过程当中存在了许多人 为的因素和不确定的原因，从而影响了对列车车轮几何参数检测的准确度和精确性，比 如测量相对比较随意，测量效率也相对比较低下等。而国外对列车车轮检测的方法和设 备也层出不穷，例如，日本铁路北海道固定式和便携式的车轮参数自动检测装置，美国 的电子自动测量设备等，但是都因价格非常昂贵，并且这些测量仪器大都是高精密的机 械接触式测量仪器，其装置本身就存在损耗的问题，而且能够测量的火车轮对几何参数 也相对比较少，由于这诸多因素从而导致没有在国内对应的引进同类型的产品。因此， 如何提高劳动生产率，提高检测过程的自动化程度和精度，目前，已经成为我国铁路部 门十分关心的课题。 本文基于c c d ( c h a z g ec o u p l ed e v i c e ) 成像测量技术，图象处理理论和计算机控制等 相关技术，提出一种非接触式在线测量系统。本文首先介绍了该系统的硬件组成，然后 针对由硬件装置误差引起的采集图像的几何畸变，采用二元多项式方法对其进行几何校 正，应用“统计均值法对图像进行分割，从而求出车轮踏面的各项参数。最后，建立 相应的数据库，实现数据的存储、编辑、查询等功能。通过在实验室对标准物进行测试 实验而得到的测量数据结果进行分析而得出：由本文所提出和设计的火车轮对检测系统 能够完成对火车轮对几何参数的检测，并且可以得到相对准确的测量结果。 关键词：c c d ；动态检测；数字图像处理 大连交通大学工学硕+ 学位论文 a b s t r a c t i nt h er a i l w a ys y s t e m w h e e l so ft r a i ni sa ni m p o r t a n tf a c t o rf o re x e r c i s ei ns e c u r i t y e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ，s p e e do ft r a i nh a sb e e ni m p r o v i n gc o n s t a n t l y ，t h i sm a k e st h es i z e a n dg e o m e t r i cs h a p eo fw h e e l sa r eh i g h e rr e q u i r e m e n t s ，t h ew h e e l so ft h et r a i nf r o mt i m et o t i m ei sn e c e s s a r yt od e t e c tp a r a m e t e r sd on o tm e e tt h es t a n d a r d so rw e a r - g a u g et r a i nw h e e l s h a v et ob ep r o v i d e da d d i t i o n a lr e p a i ro rs c r a p p e d o t h e r w i s ei tw i ha f f e c tt h es a f eo p e r a t i o n o ft r a i n s i nt h ep a s t ，t h ed y n a m i cd e t e c t i o no ft r a i nw h e e l si sm a i n l yu s e db yc u r s o rc a l i p e r t h i sm a k e st h ed e t e c t i o np r o c e s se x i s t e df o rm a n ya r t i f i c i a lf a c t o r s ，f u r t h e ri m p a c to nt h e a c c u r a c yo ft r a i nw h e e l s ，f o re x a m p l e ，w a n t o n n e s sa n dl o we f f i c i e n c y c u r r e n t l ya b r o a da l s o h a v es o m em e t h o d so nt r a i nw h e e l sd e t e c t i o nm e t h o d sa n de q u i p m e n t ，f o re x a m p l e ，f i x e da n d p o r t a b l ed e t e c t i o nd e v i c ef o rp a r a m e t e r so ft r a i nw h e e l sa u t o m a t i cd e t e c t i o nd e v i c ei nj a p a n r a i l w a yh o k k a i d o ，u s e l e c t r o n i ca u t o m a t i cm e a s u r i n ge q u i p m e n t ，e t c b u tb e c a u s e o fv e r y e x p e n s i v ep r i c ea n dm o s to ft h e mi sh i g hp r e c i s i o nm e c h a n i c a lc o n t a c t 。i tsp r e s e n c eo nt h e d e v i c ei t s e l fa n dt h ei s s u eo fl o s st ot h er o u n do ft h ep a r a m e t e r sm e a s u r e dl e s s ，a n dm a n y o t h e rf a c t o r sb u tn o ti nt h ec o u n t r yt oi n t r o d u c es i m i l a rp r o d u c t s ，s oh o wt oi m p r o v e1 a b o r p r o d u c t i v i t y ，i m p r o v et h em o n i t o r i n go f t h ed e g r e eo fa u t o m a t i o na n da c c u r a c y ，i th a sb e c o m e v e r yc o n c e m e da b o u ti s s u e si nc h i n a sr a i l w a yd e p a r t m e n t s t l l i sp a p e ri sb a s e do nt h em e a s u r e m e n to fc c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i c e ) i m a g i n g t e c h n o l o g ya n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yr e l a t e dt oc o m p u t e rc o n t r o l ，an o n - c o n t a c ta n d o n l i n em e a s u r i n gs y s t e m a tf i r s t ，t h i sp a p e rm a k e sa ni n t r o d u c t i o no ft h eh a r d w a r em a k e u p o ft h et e s t i n gs y s t e m ，t h e na i m i n ga tt h eg e o m e t r i cp o l y n o m i a lo fi m a g eg a t h e r i n gc a u s e db y h a r d w a r ed e v i c ee r r o r ，e m p l o y sm e t h o do fb i n a r yp o l y n o m i a l ，a l lt or e c t i f yi tg e o m e t r i ca n d a p p l i e s ”s t a t i s t i c a la v e r a g em e t h o d ”t ot h ep a r t i t i o no ft h ei m a g es oa st oa c q u i r et h ev a r i o u s p a r a m e t e r so fw h e e lt r e a d e v e n t u a l l yis e t u pad a t a b a s ea n dr e a l i z es u c hf u n c t i o n sa st h e s t o r a g e ，e d i t i o na n di n q u i r yo ft h ed a t av i ac o n d u c t i n gt e s t i n ge x p e r i m e n to ns t a n d a r do b j e c t s i nt h el a b o r a t o r ya n da n a l y z i n gt h et e s t i n gr e s u l t so b t a i n e d ，t h e s i sd r a w st oac o n c l u s i o nt h a t t h ev a r i o u sp a r a m e t e r so b t a i n e db yt h es o f t w a r es y s t e m ，m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ， a n dt h et r a i nw h e e ls e ta u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mi sc a p a b l eo fr e a l i z i n gp r e c i s em e a s u r e m e n t s o ft r a i nw h e e ls e t k e yw o r d s ：c c d ；d y n a m i cd e t e c t i o n ；d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g n 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蔓塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太董銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蔓交通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：王君可 日期： 2 0 0 7年1 2 月1 7日 导臌：蜴害辽 日期：- 。1 7 午t 了月弓日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：电话：1 3 9 9 8 4 2 0 2 6 5 通讯地址： 邮编： 电子信箱：w j k l 9 810 5 2 7 s t u d e n t s i n a c o i l l 大连交通大学学位论文独创性声明 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 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太蔓交通太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谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，坤请学位论文与资料若有不 实查处l 由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：王君可 日期：2 0 0 7 年1 2 月1 7 日 绪论 绪论 本课题是基于对原有的对火车车轮外形尺寸自动检测工具的研究之上，提出用面阵 c c d 对车轮轴颈部分进行测量，并在原有技术的基础之上对过去的不足之处进行了改进 了，对原有的部分电路与整个软件系统进行了重新的设计和组织，把当今最先进的设计 理念和实现技术加入进去。此外，本文对基于c c d 技术的火车轮对检测系统的基本工作 原理，以及原有方法的缺陷和不足，都进行了简单的介绍，并且就缺陷提出改进方案； 进而消除测量隐患。通过对大量车轮的实际测量，取得了较为令人满意的结果，达到了 本课题所提出的设计要求。 本文的章节结构和基本内容为： ( 1 ) 第一章首先对此论题的选题意义和必要性进行了详细的介绍，从而扩展的说明 了国内外的相关技术形势，包括已经存在的技术方法，同时，对这些测量方法的优劣性 都进行了比较详尽的介绍。着重地介绍了我国关于轮对检测技术的发展和现实情况和本 文的主要研究内容，最后对火车轮对检测技术的未来发展方向进行了说明和预测。 ( 2 ) 第二章是对轮对的基本知识进行了详细的介绍，旨在说明我们开发此系统所要 测量的数据，也就是轮对的几何参数所代表的意义。我们的研究对象和所要取得的研究 结果都是建立在对轮对的几何参数进行测量的数据的基础之上。本章的最后对轮对的磨 损情况和可能性进行了说明，而这些基本情况也恰恰是测量数据所有误差的一部分。所 以，对轮对的相关知识进行了解是相当必要的。 ( 3 ) 第三章对本课题所开发系统的硬件组织结构和软件组结构分别作了简单的说 明，着重地阐述了本系统的硬件模块和软件模块所使用的工具产品，并对产品的优越性 和性能作了说明。 ( 4 ) 第四章为本文的次主要内容，它着重地介绍了本系统的c c d 图像采集模块的 工作原理，以及在安装c c d 摄像头时，所用的工作技巧，也就是主要的硬件实现部分， 分别涉及了光学，电子学和计算机控制的理论和相关技术。并且将c c d 图像采集模块 的数学理论依据结合所要测量的轮对几何参数作为本章的重点进行详细的说明和阐述， 为本课题的开发提供了理论基础。本章的最后说明了硬件系统所可能产生误差的基本情 况，并且提出了为了减小误差出现而采取的方法，但是，误差是不可避免的。 ( 5 ) 第五章为本文的主要内容，也就是本系统实现的软体部分，章中首先介绍软件 部分的设计结构和模块的划分，进而对在开发本系统时所使用的技术进行了详尽的介 绍。通过图表详尽的阐述了开发本系统过程中的思想理念，以及工作过程所遇到的问题 和相关的解决方法。最为重要的提出了图像处理过程中的创新点，以及相关算法的说明， 大连交通大学工学硕士学位论文 在本章的最后，通过对所测得的测量数据与原始数据的对比，说明了误差的存在和误差 的范围，最后对本文作了归纳和总结。 2 第一章开发火车轮对检测系统的意义 第一章开发火车轮对检测系统的意义 铁路系统中，作为车辆走行部主要部件的轮对是影响安全运行的一个重要环节。轮 对不仅承受着列车的全部重量和自身的重量，而且还要传递列车与钢轨间的驱动力和制 动力。另外轮对需要承受很大的静载荷和动作用力、组装应力、闸瓦制动时产生的热应 力以及曲线通过时的构架力、导向力、轮对本身旋转的离心力等。所以要求轮对必须保 持良好的技术状态，否则会严重影响行车安全。而作为轮轨接触面的车轮踏面和轮缘的 几何参数又是判断轮对技术状态的重要依据，因此，对车轮踏面和轮缘几何参数的测量 一直是铁路部门密切关注和不断研究的课题。 1 1 研发火车轮对的必要性 火车车轮运行一段时间后，会有很大的磨损，因此需要对它们的外形尺寸进行测量 以检验其是否能够继续使用，对于符合标准的车轮进行进一步的加工处理让其继续使 用，而不合格的则要报废。检测工作对与火车有着重要的意义，定期检修淘汰不合格的 轮对能够保证火车运行的安全性，并且对火车提速运行有着很大的影响。目前国内的车 轮外形检测主要是人工手动接触测量，测量工具原始粗糙，精度低，自动化程度和工作 效率不高，并且受人为因素影响很大。尤其是对车轮踏面部分的外形尺寸的测量，因为 是空间的复杂尺寸，并且没有有效且精确的测量工具，因此很难达到理想的效果。这样 的工作方式不仅使企业的生产成本居高不下，还严重影响着生产效率的提高和进一步发 展，因此尺寸检测的自动化对于提高生产效率，降低成本，以及企业竞争力的提高都具 有重要的意义。 1 2 现有关于火车轮对检测系统的技术现状 国外从事轮对自动检测方面的研究已经进行了很多年，在轮对的外形尺寸检测方面 进行了深入的研究，拥有了较成熟的检测技术，开发出了适用于不同场合的动态静态自 动检测产品。国内开展轮对外形尺寸检测研究工作相对较晚，从9 0 年代开始，经过十 多年的努力，提出了一些新思路和新方法，研制出了不同类型的检测装置，但是没有形 成广泛适用的自动化检测产品，没有改变我国轮对尺寸定期进行人工检测的落后状态。 踏面损伤的车轮，其轮缘和踏面的几何曲线相对标准曲线而言有所改变。因此，可 通过检测踏面的几何参数或踏面断面形状来了解踏面的损伤程度。概括起来，车轮踏面 磨损检测的方法基本分静态和动态两种检测方法。 查兰查璺查兰：! ；竺堡圭兰堡里塞 121 静态检测技术 静态检测是指在列车静态( 如检修) 时进行的检测。与动态检测技术相比，虽然这种 方法存在着占用车辆周转时间的弊端，但它有精度高、设备维护方便和便于存储车轮信 息资料等优点。 静态检测技术经历了机械最具测量、电子量具测量和c c d 非接触式量具测量等阶 段。随着电子技术、传感器技术和光学技术的发展机械量具己有被电子量具和c c d 非接触式量具所取代的趋势。下面主要介坌 几种国内外典型的测量产品。 ( 1 ) 机械式测最具 目前我国普遍采用的l u 4 型铁道车辆车轮第四种检查器如图1 1 所示。 图i1l l 4 型铁道车辆车轮第四种检查嚣 f i g iil l j 。l - w h e e lr o l l i n gs t i c k f o u r t h c h e e r e r 该机械量具由哈尔滨铁路计量管理公司开发研制的，l u - 4 铁道车辆车轮第四种检 查器检具，用于新制造和使用中的l l j - 4 铁道车辆车轮检查器的检定测试修理。检具由 主块与副块组成相互配台的多种组合，实现对各种型号车辆车轮检查器的检定： 用检具上7 0 m m 轰撇检定检查器在滚动圆7 0 m m 处定位的准确度。 用检具1 2 m m 刻线检定轮缘厚度测量点的准确度。 用检具副块的宽度和厚度检定轮缘厚度测尺3 2 m m ，2 0 n u n 的准确度。 用副块15 m m 刻线，检查垂直磨耗样板1 5 r a m 刻线的准确度。 用捡具_ 丰块的长度和左侧基准面至f 面的距离刻检定轮辋宽度1 4 5 m m 、1 3 5 m m 的准确度。 这类量具虽然存在着工作量大、检测速度慢和受人为因素影响大等缺点但山于它具 有稳定胜高、成本低、携带方便等优点，在轮对的定期检测中仍被广泛应用。 ( 2 ) 电子式测量具 随着电子技术和传感器技术的发展，各国研制出了多种车轮检钡l 装置。美国国际电 子机械有限公司于9 0 年代末期研制成功的“电子测量仪”和“车轮轮廓钡4 量仪”：匈 牙利于2 0 世纪9 0 年代初研制的“走行装置自动化诊断装胃”我国成都丰导科技有限 第一章开发火车轮对检测系统的意义 责任公司开发研制的l y - 6 1 0 系列的“便携式轮轨外形尺寸检测仪”( 如图1 2 所示) 和北京京天威科技发展有限公司研制的“轮对自动检测系统”( 如图1 3 所示) 。 图l2 便携式轮轨外形尺寸检测仪 f i d1 2p o r t a b l e w h e e l - h i l l f o r m f a c t o r d e t v c t o r 、。 ! 圈1 3 轮对自动检涌系统 f i g 13 a u t o m a t i c t e s t s y s t e m o f w h e e l 它们是由我国成都主导科技有限责任公司开发研制的l y - 6 1 0 系列的“便携式轮轨 外形尺寸检测仪”和北京京天威科技发胀有限公司研制的轮对自动监测系统。它们都是 通过各种接触式检测探头( 如爬行式接触传感器) 或非接触式检测探头( 如激光传感器或 k 大连交通大学上学硕十学位论文 感应位移传感器等) 对车轮的轮缘路面部分进行扫描，再由电子设备对数据进行处理， 最后得到车轮外形的各种参数。电子式量具实现了车轮的自动化检测，提高了检测效率。 ( 3 ) c c d 非接触式测量具 c c d 技术和图像处理技术不仅在轮对外形的动态检测中得到了应用，在静态检测 中也被广泛应用。如日本铁路于8 0 年代术期研制成功“轮对自动检查装置”，北京凯 瑞德图像技术有限责任公司开发的“轮对图像自动检测系统”以及大连理工大学开发的 “基于c c d 的火车轮对智能测量系统”等都是应用各种不同种类的c c d 和图像处理技 术相结合开发出来的产品。这一类型的量具不但实现了检修作业的自动化，提高了检测 精度，而且由于这种量具具有非接触式的优点，使设备的使用寿命得到了延长。 122 动态检测技术 动态检测技术实现了轮对的在线检测，因此具有检测速度快、效率高、检测自动化 程度高和不占用车辆周转时问等优点，以下介绍几种典型的轮对外形尺寸动态检测技 术。 f 1 1 接触式测量方法 接触测量法一般通过直接测量轮缘高度的变化量来获得车轮尺寸。它的理论依据是： 车轮与钢轨的接触方式，如图1 - 4 所示。 图14 车轮与钢轨的接触方式 f i g 14 t h ec o i ) t a c t m a n n e r o f w h e e l a n dr a i l w a y 在运行中的车轮，其轮缘顶部a 点是不会被破坏的。因此对车轮踏面磨耗的测量就 转换为对a 点相对于钢轨的改变量的测量。根据这一现象，只要测得轮缘高度的变化量 就可以得到当前车轮的磨耗情况。使用接触方式进行车轮尺寸动态检测的研究有：同本 北海道旅客铁道株式会社与住友金属工艺株式会社在9 0 年代共同开发的“便携式轮对 主要尺寸及踏面形状测定装置”；北方交大在9 0 年代中期提出的“机车轮对踏面磨耗 自动检测新方法”和长沙铁道学院研究的“车轮踏面磨耗自动检测系统”。这些“装置” 第一章开发火车轮对检测系统的意义 和“方法 的工作原理都是由可伸缩的各探头直接与被测定部位接触，根据探头的位移 求出车轮的主要参数。 ( 2 ) 涡流法 前苏联于2 0 世纪8 0 年代初研制了利用涡流检测变换器来检测车轮磨耗的“轮对踏 面磨耗检测装置 。使用前需获得踏面磨耗量与检测信号振幅之间的关系，通过测量检 测器输出的电压值来获得踏面磨耗量，该仪器对车速无限制，但它的输出端口除了要输 出测量信号外，还附带按一定规律振荡的载波，其电压稳定性影响了测量精度。 ( 3 ) 超声遥测法 俄罗斯于2 0 世纪9 0 年代中期研制的“轮对参数自动化检测装置 能在车速不大 于5 k m h 时，遥测传感器组，可测出距车轮各个特征表面的距离经分析处理后得到轮径、 轮缘厚度、踏面磨耗量及垂直磨耗量等。 ( 4 ) 冲击载荷法 这种方法的检测原理是通过检测车辆通过时每一轮对与钢轨的载荷值，由载荷值的 异常情况判断踏面是否擦伤和擦伤的程度。美国于2 0 世纪9 0 年代中前期研制的“山猫 系统”就是以检测冲击载荷来定量确定车轮缺陷的。该系统可自动显示冲击载荷的大 小，并提供报告。在我国，提出用“剪力法 来求得轮轨载荷值，并且得到了满意的结 果。 ( 5 ) 图像测量法 随着c c d 技术的发展，c c d 图像测量技术在尺寸检测领域中得到了广泛的应用。 近年来，c c d 图像测量技术逐渐应用到铁路检测领域。这种方法大多是通过光源照射 被测物体，由一部或多部线阵c c d 或面阵c c d 采集图像，再运用图像处理相关知识对 其进行分析和处理，最后获得有用的数据。 近年来，国外主要应用这种理论开发出的车轮外形检测装置有：日本于2 0 世纪9 0 年代末研制的“车轮踏面形状自动测定装置 ，由细带状激光束、c c d 、车轮检测器、 同步检测传感器及遮光板组成。激光束照射范围为通过的一个车轮。测量时光电传感器 跟踪车轮轮缘，2 台c c d 高速拍摄车轮被照部分散射光图像，计算机进行滤光和细线 化处理，提取图像中心线并计算车轮尺寸。澳大利亚于2 0 世纪9 0 年代末研制出的“车 轮实时跟踪检测装置 ，该装置能检测车轮断面形状、踏面磨耗及列车以3 0k m h 速度 行驶时车轮受冲击的偏移角度。机车进入检测区时，光发射器光源被切断，此时激光闪 光单元发光，照射车轮，c c d 摄像。从而完成图像的采集工作，经过相应的图像处理 和计算得到所需测量的几何参数。 7 大连交通大学工学硕+ 学位论文 1 2 3 我国关于轮对自动检测的技术现状 我国应用c c d 技术研制车轮动态检测装置还处于起步阶段。至今还没有能够推广 的产品。但在实验阶段已经有了突破性进展。如由西南交通大学和兰州铁路局共同开发 的“机车车辆轮对检测装置 虽然还没有应用到实际当中，但已经通过了现场检验，结 果与预期结果完全一致。 目前，柳州铁路局车辆研究所和北京铁路局车辆研究所在进行这一项目的开发研 制，西南交大也正在进行铁道部的车载在线测量的项目申请。我们与石家庄铁龙电子计 量有限公司合作开发的项目火车车轮外形尺寸自动检测仪，实现了计算机自动测量 火车车轮的多项外形尺寸。检测仪采用c c d 探测头作为测量的传感器对火车车轮进行 综合测量，利用计算机处理采集数据和图像、提取边沿、检测数据，实现了高速、连续 的自动测量，人为因素的影响也降至最低，从而提高了工厂的自动化程度和工人的劳动 效率，这套方案的研制成功对于实际的工厂检测是一个创新，它取代了现有的测量工具， 具有很大的实际应用价值和广泛的应用前景。归纳起来，现阶段使用的火车车轮外形尺 寸自动检测仪具有以下特点： ( 1 ) 计算机控制自动测量。 ( 2 ) 图像测量法测量范围大、精度高，可以测量空间二维的复杂尺寸。 ( 3 ) 每次测量尺寸达到2 0 多个，由计算机软件控制自动对8 片线阵c c d 和1 6 个面 阵c c d 探测头进行切换，实现逐一测量的顺序化。 ( 4 ) 可随时进行软件标定，从而避免长期使用造成的精度降低。 ( 5 ) 因为采用非接触光电测量方式，对被测工件没有影响，对于光电探头也不存在 磨损的问题，不必要定期更换检测探头，只要定期为光电探头除尘即可。 但是在调试使用中，由于现场恶劣环境的影响，检测得到的尺寸数据偶然误差比较 大，对于轴径部分要求的高精度测量无法达到要求；面阵c c d 采集到的图像受到噪声 的影响，无法得到真实的尺寸值；用l a t t i c e 公司的i s p l s l l 0 1 6 e 芯片中的程序经常丢失， 使整个测量仪都无法正常工作；应用w i n d o w s 9 8 操作系统，安全性比较差，非操作人员 由于不熟悉操作流程，很容易酿成操作事故，使检测仪损坏，甚至威胁到员工的人身安 全。 1 3 轮对检测技术的未来发展方向 轮对外形尺寸检测技术经历了几十年的发展后己日趋成熟，从接触式测量到非接触 式测量，从机械式量具到电子、光学式量具，形成了原理各异、各具特色的检测技术。 图像测量技术以其检测速度快、精度高、自动化程度高等特点，无论在静态检测还是在 8 第一章开发火车轮对检测系统的意义 动态检测领域都日益受到国内外的广泛关注，引领车轮轮对外形几何参数自动检测的研 究潮流和方向。 1 4 本课题的主要工作内容 ( 1 ) 对于轮对轴径部分的测量，为了减少测量时发生的偶然误差，使用了面阵c c d 摄像头代替了原有的摄像设备或线阵安装情况，从而提供了相对比较准确的传感器件， 为提高测量火车轮对几何参数尺寸的精度提供相应的硬件基础。而在设计面阵c c d 的 机械固定装置，也是在综合考虑原有用线阵c c d 测量的软件部分的基础之上，做出了 相对应的改造，并对误差可能发生的情况作了理论分析，从而实现应用面阵c c d 在进 行实时检测时能够实现轮对的自动到位检测。 ( 2 ) 对面阵c c d 所采集得到的图像做进一步的中值滤波处理，在保护图像边缘的同 时去除噪声的影响，对已处理图像进行再处理，即图像的锐化和边远检测，然后再对得 到的测量结果进行软件分析处理，从而减小误差的影响，得到真实的测量值。 ( 3 ) 运用比较先进的可编程逻辑控制器件对面阵c c d 的采集图像过程进行控制，从 而能够得到全方位的需求图像，以便于以后的综合处理。并且开发w i n d o w s 2 0 0 0 下对端 口读写操作的驱动程序，将之应用于测量系统，提高系统的可靠性和安全性。 ( 4 ) 基于图像处理理论和相应数学理论的轮对参数检测软件的总体设计。运用现代 软件设计理念，采用模块化的方法将各个部分的功能进行分离，重点研究出，如何应用 图像处理的方法来校正我们已经获得的图像的几何畸变，并应用适当的方法和算法来分 割图像，进而得到相对比较精确的火车轮对的几何参数。最后，建立起相应数据库，实 现数据的存储、编辑和查询等基本功能。 本章小结 本章首先介绍了本课题的选题意义，即研究基于c c d 成像采集技术的火车轮对自 动检测系统的必要性。然后介绍了国内外近年来关于火车轮对检测系统的研究现状并且 着重描述了我国关于此种技术的研究状况和已经取得的技术成果。 最后分析了关于火车轮对检测系统的未来研究方向，进一步说明了本文的主要研究 内容。 9 第二章火车轮对的基本知识介绍 第二章火车轮对的基本知识介绍 2 1 火车轮对的概念 火车轮对是直接与钢轨接触的列车机械部分【7 1 ，它支撑着列车整体以及需要的全部 重量，列车的全部静载荷均通过火轮对间接的传递给钢轨；另外列车在转弯时，车轮与钢 轨之间的牵引力和制动力也会直接的通过轮对传递，因此火车轮对的作用就好像足之于 人，它绝对是列车运行过程中最为重要的部件之一。 2 2 火车轮对的基本组成 轮对主要由车轴和车轮两部分组成，如图2 1 所示。 图2 1 轮对的基本组成 f i g 2 1b a s i cc o m p o n e n t so fw h e e l 它不仅标注了车轴于车轮的所在，在其中同时也标注了本课题所要检测的基本数据 情况。 1 ) 轮座直径，2 ) 轴身直径，3 ) 轮直径，4 ) 踏面磨耗； 5 ) 轮辋厚度，6 ) 轮缘厚， 7 ) 踏面宽，8 ) 内侧距及三点差。 在2 3 节，会逐一对轮对的几何参数所代表的意义和轮对的外形尺寸以及我们所必 须测量的数据进行描述和说明，并给出测量要求的精度范围。 大连交通大学工学硕士学位论文 2 3 火车轮对外形尺寸的定义 图2 2 轮对外形尺寸示意图 f i g 2 2s k e t c ho fw h e e lf o r mf a c t o r 7 0 m a t 二 h l 1 1 i r1 5 m d , y ? 1r i s ， gl j l 影 i 图2 3 轮对踏面剖面示意图 f i g 2 3s k e t c ho f t h ew h e e lt r e a d 如图2 2 和图2 3 所示为火车车轮的外形示意图和轮对踏面剖面示意图，其中，左 右两个车轮都要求测量的尺寸是： 轴颈直径a ：火车车轮的两侧轴颈部分的直径，即图2 2 中所标出的直径a 。合格 车轮轴颈直径为1 3 0 m m ，要求测量精度为0 0 1 m m 。 轴颈圆度b ：要求测量车轮两侧轴颈部分有无倒锥，如有倒锥即判断为不合格。 轴颈长c ：车轮两侧轴颈部分的长度，即图2 1 中所标出的距离c 。合格车轮的轴 颈长2 6 5 m m ，要求测量精度为0 2 m m 。 防尘板座直径d ：车轮两侧的轴颈末端连接的防尘板座的直径，即图2 2 所标出的 直径d 。合格车轮的防尘板座直径1 6 3 m m ，要求测量精度为0 2 m m 。 1 2 第二章火车轮对的基本知识介绍 轮座直径e ：车轮的安装部分一轮座的直径，与防尘板座相连，即图2 1 所标出的 直径e 。合格车轮的轮座直径1 8 8 m m ，要求测量精度为0 2 m m 。 车轮直径f ：距离车轮内侧边缘7 0 m m 处的车轮直径。合格车轮直径 ；，7 7 0 m m ，要 求测量精度为0 2 m m 。 轮辋厚g 、轮缘厚h 、轮辋宽i 和踏面磨耗j 为车轮踏面部分所要求测量的尺寸， 如图2 3 所示为车轮踏面局部剖面图，其中轮辋宽为车轮轮辋的宽度即为图2 - 3 中所标 出的距离i ；轮缘厚为距离轮缘顶点1 5 m m 处的轮缘厚度，即为图2 3 中，所标出的距离 h ；轮辋厚是距离车轮内侧边缘7 0 m m 处轮对踏面顶到踏面底的距离，即图2 3 中所标 出的距离g 。合格车轮的轮辋厚， 2 8 m m ，轮缘厚3 0 m m ，轮辋宽1 2 7 m m 。踏面磨耗 j 为图中所示的距离s j 再减去一个常数。它们所要求的测量精度均为0 2 m m 。 轮毂壁厚k ：车轮内侧轮毂部分的厚度，即图2 2 所标出的距离k ，要求测量精度 为0 2 m m 。 轮位差l ：图2 2 所示的距离l 再减去一个常数，要求测量精度为0 2 m m 。而两个 车轮的轮位之差为轮位差。 只要求测量一个尺寸的是： 轴身直径m ：两个车轮中间部分的连接轴的直径，即图2 2 所标出的直径m 。合格 车轮的轴身直径1 7 0 m m ，要求测量精度为0 2 m m 。 轮内距n ：两个车轮内侧之间的距离，即图2 2 所标出的距离n 。合格车轮的轮内 距要求是( i 为轮辋宽) ：当1 3 5 m m i 1 2 7 m m ，1 3 5 9 m m n 1 3 5 4 m m ；当1 1 1 3 5 m m ， 1 3 5 6 m m n 1 3 5 0 m m 。要求测量精度为0 2 m m 。并且在间隔1 2 0 。的角度要分别测量 三次轮内距，三次测量的轮内距的最大差值为车轮的三点差瞄】。 2 3 火车轮对踏面损伤的种类 列车在运行过程中，由于存在着线路养护条件差、轮轨外形及材质匹配不合理、转 向架技术状态不良、牵引装载定数过大、列车制动时制动力不均或过大使闸瓦没有缓解， 而引起车轮在轨道上滑行以及车轮在轨道上长期滚动等诸多原因，导致车轮踏面及轮缘 出现磨损，使踏面的几何形状发生变化。其表现形式主要有以下两种。 2 3 1 车轮踏面圆周磨耗 车轮踏面圆周磨耗是指踏面在工作过程中，沿车轮半径方向尺寸的减少。对于车轮 踏面圆周磨耗来说，其磨耗量几乎与走行公里数成正比。如果车轮踏面磨耗量过大，则 会对列车的安全运行造成极大的影响。因此，当车轮踏面圆周磨耗量达到一定尺寸时， 车轮就不能继续使用，而需要进行旋修，恢复其踏面的原有几何形状。 大连交通大学工学硕士学位论文 2 3 2 轮缘磨耗 在正常工作条件下，轮缘的磨耗并不严重，轮缘只在车辆通过曲线或道岔时，才因 承受水平力的作用，与外轨内侧面摩擦而产生磨耗。在直线区段，轮对蛇行前进，轮缘 磨耗不大。如果踏面磨耗严重或转向架组装不正，轮对对于钢轨间的相对位置不正常， 则轮对易偏于线路一侧，引起轮缘偏磨。轮缘偏磨有以下三种形式：轮缘厚度减少、轮 缘顶部形成锋芒和轮缘垂直磨耗。轮缘磨耗过甚时，也会产生严重后果。因此我国根据 实际运用经验规定轮缘厚度的最小限度为2 2 m m ( 在距轮缘顶部1 5 m m 处测量) 。 本章小结 本章就火车轮对的基本概念和基本组成做已了详尽的介绍，然后对车轮踏面的几何 外形尺寸和几何参数给予定义并对其作了详细的说明。并且给出了我们所要求的测量精 度误差允许值范围，最后，说明了车轮踏面之所以会损伤的原因的车轮踏面损伤的表现 形式。 1 4 第三章火车轮对检测系统的组织结构 第三章火车轮对检测系统的组织结构 3 1 轮对检测系统的基本结构 火车轮对自动检测系统是以c c d 成像采集技术和计算机控制为核心的轮对踏面自 动检测设备，其功能是要求在火车轮对进入机台后，在计算机的控制下，自动完成从准 备、检测、到图像采集和对检测的结果进行分析、处理、输出，及对火车轮对踏面的数 据资料进行存档、打印和检索等一系列工作。因此该设备是由机械系统、电器控制系统、 c c d 成像采集系统和软件分析系统为主体的，能够实现对火车轮对几何参数进行自动 检测的设备。 该系统的组织结构如图3 1 所示。 图3 1 系统结构示意图 f i g 3 1f i g u r eo f s y s t e mc o n s t r u c t i o n 由于其中的机械系统部分和电气控制系统部份与本文的侧重点有所不同，所以这里 只给与简单的介绍，大部分采用以前的研究成果，所以，下文会将c c d 成像采集系统 模块和软件分析系统模块的工作原理进行详细的介绍。也就是本人所研究课题的核心部 分。 大连交通大学工学硕士学位论文 3 1 1c c d 成像采集系统的构成幢3 1 本系统选用的是中自嘉恒公司o kc 3 0 图像采集卡，它基于p c i 总线，可以采集彩 色黑白图像，适用于图像处理、工业监控和多媒体的压缩、处理等研究开发和工程应用 领域。 图像卡的技术特点与指标【2 4 】：视频输入为标准p a l 、n t s c 或s e c a m 制信号；六 路符合视频输入选择或三路y c 输入选择；亮度、对比度、色度、饱和度软件可调；图 像采集显示分辨率最大7 6 8 5 7 6 ( p a l ) ；具有开窗处理功能，窗口可为方形，也可利 用点屏蔽作任意形状窗口处理；硬件完成输入图像比例缩小；具有硬件镜像反转功能； 具有硬件线性虚拟地址映射能力：支持多种图像格式；视频a d 为8 b i t ；可采集单场、 单帧、间隔几帧、连续相邻帧的图像，精确到场。随卡附带的开发库驱动程序为标准3 2 位动态库，可为各种程序语言如c 、c + + 、b a s i c 、f o r t r a n 等调用。通过安装s e t u p 盘 以后，所有驱动程序自动安装到了系统目录，开发库和演示源程序等也都自动安装到了 指定目录。通过调用这些库函数可以实现计算机对视频图像的采集、存储、显示和处理。 3 1 2 软件控制系统的构成 软件系统是应用数字图像处理的方法对c c d 成像采集系统得到的图像进行相关处 理，再对处理后的图像进行分析，求出需要的车轮踏面几何参数，最后建立数据库，实 现踏面几何参数的存储、编辑、查询等功能。火车轮对检测系统的软件系统部分采用 c + + 语言，使用m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 开发工具，在m i c r o s o f tw i n d o w s 2 0 0 0 平台上使 用m f c 开发完成。 3 2 轮对检测系统的设计要求 本文所介绍的“列车轮对自动检测系统 是为了提高车辆厂或车辆段对轮对进行定 期检查时的自动化程度而设计的。所以该“系统”应该达到以下要求： ( 1 ) 自动检测出火车轮对踏面的各项几何参数，其中包括第二章中所给出和提及的 一切数据，并在误差允许值范围内，给出相应的测量数据成果，而且测量所得的参数的 精度一定要优于目前人工检测和已知原有同类型设备的精度。 ( 2 ) 可以在工作现场进行使用的仪器设备，并且要求该设备的可靠性要高，抗干扰 能力要强，能适应现场所有不确定因素的影响，例如：粉尘、震动、噪音，从而满足全 线流水生产的节奏。 ( 3 ) 要求对已经处理过而得到测量数据结果进行显示和保存，并且按照一定的打印 规范进行打印，以实现资料的备份和存档。 1 6 第三章火车轮对检测系统的组织结构 ( 4 ) 建立起相对应的测量结果数据库，从而方便对每一个车轮的应用情况进行查询 和跟踪。 根据以上设计要求，并参考绪论中所介绍的国内外车轮检测技术的发展现况，选择 以面阵c c d 测量技术为基础，结合光学、数学和图像处理方面的相关理论来检测车轮 踏面曲线，获得车轮踏面外形尺寸参数。并建立数据库，可以对数据库中的数据进行查 询、比较和统计。 本章小结 本章首先介绍了本课题所开发的火车轮对检测系统的组织结构，并且将之模块化， 进而说明了本课题的研究重点和方向，其中给出了本系统所用到的产品信息。最后提出 了本系统所要达到的设计要求。 1 7 第四章c c d 成像采集系统模块 第四章c c d 成像采集系统模块 4 1c c d 成像采集模块的工作原理n 1 由光的直线传播定律可知，平行光水平照射在一个竖直物体上，在物体另一侧的竖 直像面上，能得到一个和物体等高的像【6 】。根据这一理论，提出c c d 成像采集系统的 原理：处在球面镜焦面上的点光源照射球面反射镜产生准平行光，该准平行光从一侧照射 竖立的车轮，在车轮的另一侧，同样是竖立的像面上获得等尺寸的车轮踏面外形的影像， 采用c c d 摄像头采集这个车轮踏面外形的影像，通过图像采集卡传输到计算机，最后 用软件获取车轮踏面的有关参数。如图4 1 所示。 c c d l 成像物镜2 线阵c c d 2 图4 1c c d 测量原理示意图 f i g 4 1m e a s u r i n gp r i n c i p l es k e t c h 以前原有的检测仪器中用线阵c c d 测量轴颈直径。线阵c c d 测量模块中包括八片 线阵c c d ，每