枕簧智能检测系统

段乐

摘 要：为提高铁路货车枕簧的检修质量和效率，研制了枕簧智能检测系统，用于枕簧的半径、高度、1/4相对高度和5/8环面检测。经现场实际检测，达到预计目的、系统稳定性佳。

关键词：货车；枕簧检修；3D结构光；3D检测算法

中图分类号：TP271 文献标识码：A

0.引言

减震弹簧、摇枕弹簧是铁路货车转向架的重要组成部分，主要用于缓和铁路货车在运行中的振动和冲击。在高速重载运输环境下，铁路货车运行品质对枕簧的质量要求越来越高，铁路货车枕簧需要定期检修，按铁道部要求，在装车前必须对枕簧进行检测和分类。定期质量检测过程中，需要将拆卸的枕簧运送至指定地点，对枕簧的质量进行检测，区别合格品与不合格品、并对枕簧进行分类，传统的作业方式通过目测区分枕簧型号和类型，通过枕簧高度尺测量枕簧自由高，采用弹簧直径量规进行圆钢直径检测，由于铁路货车上枕簧数量多且种类不同，该类作业方式效率低、劳动强度大，且易受人为因素干扰，难以满足当前枕簧检修的需求。为提高枕簧检修的质量和效率、解放劳动力，通过对枕簧检测、选配的要求以及枕簧自身的特点进行分析，以3D结构光视觉技术为基础，研制了枕簧智能检测系统。

1.系统概述

枕簧智能检测系统是机械、控制系统、软件系统为一体的智能系统，可以实现枕簧的半径、高度、1/4相对高度、5/8环面值的检测，该系统以3D结构光视觉技术为基础，依据3D结构光传感器扫描枕簧，获取3D图像数据，通过系统模型将枕簧3D图像数据转化为点云数据，并对点云数据进行处理，通过3D检测算法得出相应的检测值。该系统能够实现枕簧的数据检测、分类，并通过与后续选配单元配合，实现枕簧的自动选配过程，从而将作业人员从恶劣的工作环境中解放出来。

2.系统组成

枕簧智能检测系统是以3D结构光视觉技术为基础，由机械设计、电气设计、信息处理、软件开发等技术集合而成的智能系统，系统总体由机械结构、控制系统和软件系统组成。

2.1 机械结构

机械结构由光电传感器、枕簧运输机构和3D结构光成像台组成，用于枕簧的输送、定位、检测等。

枕簧运输机构用于将枕簧由其他地点运送至3D结构光成像台处；光电传感器用于检测枕簧的通过，并将枕簧通过的信息传递至控制系统，由控制系统控制枕簧运输机构的行走和停止，从而将枕簧停留在3D结构光成像台处指定的检测位置上；3D结构光成像台用于枕簧的3D成像。3D结构光成像台由3D结构光成像模组、位移电缸、安装壳体组成。3D结构光成像模组包含若干个3D结构光传感器。3D结构光传感器是获得3D数据的核心传感器，在单元中有极重要的作用，直接关系到检测X与Z方向的分辨率、准确度和效率。安装壳体由遮光外壳、3D结构光成像模组安装机构及位移电缸安装机构组成，3D结构光成像模组、位移电缸通过相应的安装机构安装在遮光外壳内部，位于待检测枕簧的上方，位移电缸用于带动3D结构光成像模组的水平移动，是控制3D结构光Y方向位置的单元，其位移分辨率、定位准确度和运动速度直接关系到Y方向的成像分辨率、图像畸变和成像效率。

2.2 控制系统

控制系统在上位工控机和下位可编程控制器的指令下驱动执行机构动作，由PC、运动伺服控制和输出控制3部分组成。运动伺服控制根据光电传感器信息进行相关动作：（1）控制枕簧运输机构的行走和停止：光电传感器检测到待检测枕簧通过的信息后，控制枕簧运输机构停止运转，从而将待检测的枕簧停留在3D结构光成像台处指定的检测位置上；枕簧检测完毕后，控制枕簧运输机构运行，将已测的枕簧输送出3D结构光成像台，待光电传感器检测到下一个待检测枕簧时，再次控制枕簧运输机构停止运转，以此循环；（2）控制3D结构光成像模组沿位移电缸移动：光电传感器检测到待检测枕簧通过的信息后，由控制系统控制3D结构光成像模组沿位移电缸移动，3D结构光传感器從多个角度扫描枕簧，获取完整的3D图像数据。

2.3 软件系统

软件系统负责检测过程的参数设置以及3D图像数据的采集、处理、分析、输出等，包括通信模块、运动控制模块、数据采集模块、数据分析与处理模块、数据库、算法库等模块。通信模块用于与3D结构光传感器、选配单元的通信；运动控制模块设置3D图像数据采集过程中的相关运动参数，数据采集模块通过通信模块完成枕簧3D图像数据的采集；数据分析与处理模块用于对3D图像数据进行处理，通过3D检测算法计算出相应的检测值，包括枕簧的半径、高度、1/4相对高度和5/8环面值的检测，其检测方式将在下一节进行描述。

3.系统功能

3.1 半径检测

检测半径值可以为区分枕簧类型提供依据。以转K2型枕簧为例，包括4种不同的弹簧，分别是：减震弹簧外簧、减震弹簧内簧、摇枕弹簧外簧、摇枕弹簧内簧，该四类弹簧的半径值均不同。

3D检测算法对枕簧半径检测方式如下：通过分割枕簧上端面平整圆环区域点云，采用圆拟合，求得枕簧圆心与半径。并根据枕簧半径区分枕簧类型。

3.2 高度值检测

高度值是枕簧的重要指标。通过检测高度值可以实现以下目的：（1）与标准弹簧的高度值比较，区分合格品与不合格品；（2）为后续选配单元的工作提供依据：选配单元根据检测出的高度值以及预先设定的高度选配规则对枕簧进行对应选配。

枕簧高度值检测方式如下：通过查找并拟合托盘平面和枕簧上端面，得到托盘和枕簧平面方程，求枕簧上端面点云质心，计算质心点到托盘平面距离，得到枕簧高度。

3.3 1/4相对高度检测

检测方式如下：以中径值为半径，设一个圆柱环，取得圆柱环内的点云；求该点云内的最低点到枕簧上端面的距离，即为1/4绝对高度。截取枕簧中部点云，将每一段螺牙进行分割，舍弃可能不完整的最高和最低螺牙，对保留的螺牙求质心，相邻两个螺牙的质心距离即为螺距，1/4绝对高度与螺距的比值，即求得1/4相对高度值。endprint

3.4 5/8环面檢测

检测方式如下：求枕簧上端面C字圆环区域的每一个点与圆心连线角度，计算得到5/8角的值，5/8角的值为最大角与最小角的差值。

3.5 与选配单元通信

能够将数据分析与处理模块计算出的检测值发送至选配单元，选配单元接收数据，根据设定的选配规则对枕簧进行选配。

4.系统工作流程

4.1 系统精度校准

在3D结构光成像台内部指定的检测位置上放置经过计量局计量的标准量块，控制3D结构光传感器拍摄该标准量块的3D图像数据，数据分析与处理模块根据3D图像数据计算出标准量块的三维尺寸信息，并与数据库的标准数据比对，自动矫正系统精度。

4.2 枕簧3D图像数据采集

枕簧达到3D结构光成像台内部指定的检测位置时，光电传感器将采集到枕簧通过的信号后发送至运动伺服控制模块，运动伺服控制模块控制3D结构光成像模组沿位移电缸移动，多角度采集枕簧信息，得到完整的3D图像数据。数据采集模块将采集到的3D图像数据发送至数据分析与处理模块。

4.3 枕簧数据分析

数据分析与处理模块对接收到的3D图像数据进行处理，通过算法库内的3D检测算法，分析得出枕簧的各检测值（半径、高度、1/4相对高度和5/8角值），根据半径检测值判定枕簧类型，根据高度检测值、1/4相对高度和5/8角值区分合格品与不合格品，并根据高度检测值为后续的选配提供依据。

4.4 结果与讨论

以转K2型摇枕弹簧內簧为例，通过检测算法计算的检测值结果如图1所示。图1显示各子算法检测结果（单位为m），蓝色为识别出的枕簧上表面及托盘平面，绿色为螺牙。

以转K2型摇枕弹簧外簧及內簧高度检测为例。通过对同一摇枕弹簧外簧进行多次检测，得出结果：该摇枕弹簧外簧高度的平均检测值232.57mm，标准误差0.067mm；通过对同一摇枕弹簧內簧进行多次检测，得出结果：该摇枕弹簧内簧高度的平均检测值210.6mm，标准误差0.1mm。检测结果如图2所示，其中，横坐标为测量次序，纵坐标为高度检测值（单位为m）。

图3中为系统连续一周（168小时）稳定性测试结果，对象为转K2型减震弹簧外簧，168小时连续测试标准误差0.10mm，稳定性良好。

结语

目前，已经完成枕簧智能检测系统的样机制作、性能测试和现场运行，实现预期功能，且系统稳定性良好。

参考文献

[1]铁路货车段修规程[S].endprint