CN102636492B - 钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备，包括成像系统、低速平行钢轨移动装置、高速旋转装置、高低速切换装置、支架、钢轨以及控制系统，高速旋转装置和钢轨安装于高低速切换装置上且可在高低速切换装置驱动下使两者中的任意一个运动至成像系统中相机的正下方，高速旋转装置中包含有一高速旋转盘，高速旋转盘的上表面与钢轨的轨面处于同一水平面，成像系统装设于低速平行钢轨移动装置上并可在低速平行钢轨移动装置的驱动下沿着钢轨的布置方向运动。本发明具有结构简单紧凑、成本低廉、操作简便、自动化程度高、精确度高、检测速度快等优点。

Description

钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备

技术领域

本发明主要涉及到视觉检测设备领域，特指一种专用于钢轨的钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备。

背景技术

列车在运行过程中，尤其是加速、制动过程中以及通过钢轨接缝、弯道和道岔时，会对钢轨造成摩擦、挤压、弯曲和冲击作用。在这些应力的反复作用下，会在钢轨表面产生疤痕、裂缝、表面擦伤、剥离和褶皱等缺陷，并造成具有内部缺陷的钢轨断裂，进而成为威胁铁路运输安全的重大隐患。过去，大部分的在线钢轨断裂都是由内部缺陷造成的，因此，钢轨缺陷的检测大多采用内部探伤检测，如使用无接触超声技术等。然而，随着先进生产技术的引进，例如高碳钢和钢铁清洁生产工艺，钢轨内部缺陷出现的几率已经减少很多，然而钢轨表面缺陷导致钢轨断裂的情况却越来越常见。如果不能及时发现，将会造成严重的交通事故，据统计，当前铁路交通事故中，有1/3的事故是由铁轨的缺陷造成的，对铁路轨道进行缺陷检测是保证铁路运输安全的重要手段。因此，研究钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备十分重要。

我国长期以来轨道表面缺陷的检测一直依赖人工巡检，其效率低下，检测结果又受巡检人员的经验、责任心、天气情况等因素的影响，另外巡检人员的人身安全也是需要关注的问题。随着列车速度的提高和轴重的增加，使钢轨伤损发展速度相应加快，检测周期亦有缩短的趋势。加之行车密度大，利用人工检测已经不适应铁路的发展情况。换言之，速度较慢的手推式探伤小车作业时占道时间过长，妨碍了列车的正常运行。

目前对钢轨表面缺陷的检测方法主要有：漏磁检测法、电涡流检测法和视觉检测法。

漏磁检测法是对钢轨进行局部磁化，当钢轨表面出现裂纹或坑点等缺陷时，形成缺陷表面局部区域的漏磁场，漏磁信号随缺陷几何形状的不同而变化，采用磁传感器组成的检测电路来检测漏磁场的变化，根据测得的漏磁信号就可判别缺陷情况。但是，这种方法不能检测小的（<4mm）缺陷，而且随着速度的提高，方法的性能急剧下降，因此目前最高速度只达35km/h。

电涡流检测法，是载有交变电流的检测线圈靠近钢轨，由于线圈磁场的作用，会感生出涡流。涡流的大小、相位及流动形式受钢轨导电性能的影响，而且涡流产生的反作用磁场又使检测线圈的阻抗发生变化。因此通过测定检测线圈阻抗的变化可以判断被检钢轨中有无缺陷。电涡流方法不受轨道表面的油污等杂质的影响，探头不必接触试件，但是容易受传感器上下波动的影响，要求传感器距离钢轨表面不超过2mm。

视觉检测法是用高速相机在钢轨上移动采集钢轨表面视频图像，通过软件对图像进行分析从而检测出钢轨表面缺陷。视觉检测具有高速、低成本等优点，而且对上下波动没有漏磁检测法和电涡流检测法敏感，因此，视觉检测法一直是应用在表面缺陷检测中最为广泛的方法。目前大多停留在对视觉检测算法的研究上，未对装置进行说明，尤其是光源、振动等因素对成像的影响，而相关公司的技术也未见公开。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、成本低廉、操作简便、自动化程度高、精确度高、检测速度快的钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备，包括成像系统、低速平行钢轨移动装置、高速旋转装置、高低速切换装置、支架、钢轨以及控制系统，所述高速旋转装置和钢轨安装于高低速切换装置上且可在高低速切换装置驱动下使两者中的任意一个运动至成像系统中相机的正下方，所述高速旋转装置中包含有一高速旋转盘，所述高速旋转盘的上表面与钢轨的轨面处于同一水平面，所述成像系统装设于低速平行钢轨移动装置上并可在低速平行钢轨移动装置的驱动下沿着钢轨的布置方向运动。

作为本发明的进一步改进：

所述低速平行钢轨移动装置包括第一滚珠丝杆、一根以上的光杆、第一滑动件以及第一电机，所述第一滑动件套设于第一滚珠丝杆上并与第一滚珠丝杆之间形成螺纹配合，所述第一电机的输出端与第一滚珠丝杆的一端相连并可驱动第一滚珠丝杆转动，所述一根以上的光杆与第一滚珠丝杆呈平行状布置，所述第一滑动件空套于所有光杆上，所述成像系统连接于第一滑动件上。

所述高速旋转装置包括高速旋转盘、旋转电机以及旋转电机底座，所述旋转电机安装于旋转电机底座上，所述高速旋转盘连接于旋转电机的输出端，所述旋转电机底座安装于高低速切换装置上。

所述高低速切换装置包括第二滚珠丝杆、两条以上的直线导轨、第二滑动件、第一齿轮箱、手柄、电机机座固定板、同步连接件，所述两条以上的直线导轨与第二滚珠丝杆呈平行状布置，所述第二滚珠丝杆的一端与第一齿轮箱的动力输出端相连，所述第一齿轮箱的动力输入端与手柄相连，所述第二滑动件滑设于第二滚珠丝杆上并与第二滚珠丝杆之间通过螺纹配合，所述用来固定高速旋转装置的电机机座固定板连接于第二滑动件上，所有所述直线导轨上均滑设有用来支撑钢轨的钢轨支撑块，所述钢轨支撑块通过同步连接件与电机机座固定板相连。

所述同步连接件上开设有同步连接件定位孔，所述直线导轨上沿着钢轨支撑块和电机机座固定板的移动方向上开设有钢轨定位孔和圆盘定位孔以保证钢轨或高速旋转盘能位于相机的正下方。

所述成像系统包括相机、镜头、光源、连接机构、相机固定机构和光源调节机构，所述连接机构通过连接孔与低速平行钢轨移动装置相连，所述光源调节机构固定于连接机构上；所述光源调节机构包括两块呈对称设置的光源调节板，所述光源调节板上沿着竖直方向开设有成像系统调节槽，所述连接机构的两端滑动连接于成像系统调节槽中，所述相机通过相机固定机构以及光源调节板上开设的相机固定机构连接孔固定于两块光源调节板之间。

所述光源调节板的底部具有两个呈张开状的弧形部，沿着弧形部的布置方向开设有光源调节槽，所述光源滑设于光源调节槽中以调节光源的入射角度。

所述连接孔为四个且分布成正方形的四个顶点。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备，实现了钢轨表面缺陷高速视觉自动化检测，且具有结构简单紧凑、成本低廉、操作简便、自动化程度高、精确度高、检测速度快等优点，其检测速度最高可达300km/h，检测精度纵向可达0.5mm，横向可达0.3mm；检测效果高于人工检测效果。

2、本发明采用光源可调结构，可以从光源安装方式、光源入射角和光源强度等各个因素分析其对成像的影响。同时还可实现抖动对成像影响的分析。

3、本发明的装置可用于其他金属物体表面缺陷快速检测中，适用范围易拓宽，通用性广，稍加改造即可用于类似材质物体缺陷检测。

附图说明

图1是本发明将成像系统与钢轨平行布置时的结构示意图。

图2是本发明将成像系统与钢轨垂直布置时的结构示意图。

图3是本发明中成像系统的结构示意图。

图4是本发明中低速平行钢轨移动装置的俯视结构示意图。

图5是本发明中高速旋转装置的结构示意图。

图6是本发明中高低速切换装置的结构示意图。

图7是本发明中高低速切换装置的仰视结构示意图。

图例说明:

1、成像系统；11、相机；12、镜头；13、光源；14、连接机构；15、相机固定机构；16、光源调节机构；161、光源调节板；1611、弧形部；162、光源调节槽；163、成像系统调节槽；164、固定支柱；165、相机固定机构连接孔；166、连接孔；167、光源安装方式调节机构；2、低速平行钢轨移动装置；21、第一滚珠丝杆；22、光杆；23、第一滑动件；24、第一电机；25、第一编码器；26、传动齿轮箱；3、高速旋转装置；31、高速旋转盘；32、旋转电机；33、旋转电机底座；34、第二编码器；4、高低速切换装置；401、第二滚珠丝杆；402、直线导轨；403、第二滑动件；404、丝杆固定端块；405、第一齿轮箱；406、手柄；407、直线导轨固定端块；408、钢轨支撑块；409、电机机座固定板；410、同步连接件；411、同步连接件定位孔；412、钢轨定位孔；413、圆盘定位孔；5、支架；6、钢轨。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，本发明的钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备，包括成像系统1、低速平行钢轨移动装置2、高速旋转装置3、高低速切换装置4、支架5、钢轨6以及控制系统（图中未示），该控制系统包括编码器控制相机采集频率系统、工业计算机、电气控制系统、磁盘阵列存储系统。其中，成像系统1装设于低速平行钢轨移动装置2上，高速旋转装置3中包含有一高速旋转盘31，高速旋转盘31的上表面与钢轨6的轨面处于同一水平面，钢轨6和高速旋转装置3均安装于高低速切换装置4上并位于成像系统1中相机11的下方，高低速切换装置4可以带着钢轨6和高速旋转装置3运动并将钢轨6或高速旋转装置3送至成像系统1中相机11的正下方位置处。低速平行钢轨移动装置2可带动成像系统1在钢轨6的上方做往复运动，从而采集钢轨6表面的图像，由于空间所限，低速平行钢轨移动装置2只能带动成像系统1低速运动。通过高低速切换装置4可将高速旋转装置3的高速旋转盘31平移到相机11的正下方，做高速采集时，成像系统1固定于支架5的中点，高速旋转装置3的旋转电机32带动高速旋转盘31高速旋转，从而使得相机11与高速旋转盘31的表面产生相对高速运动。由于相机11为线扫描相机，相机11采集到的图像只为高速旋转盘31表面最顶端一条线的图像，所以可以通过采集高速旋转盘31表面的图像来模拟钢轨6的表面图像。高速旋转装置3中的编码器与线扫描相机的GPIO口相连，控制相机11的采集速度，使得运动速度和相机采集速度匹配，形成不失真的钢轨图像。成像系统1与工业计算机（图中未示）的图像信号输入端相连，将采集到的钢轨表面图像送入工业计算机进行处理，识别出钢轨、钢轨缺陷，并对缺陷进行分类与定位，为后期维护提供支持，工业计算机的控制信号输出端与低速平行钢轨移动装置2和高速旋转装置3相连。

参见图1和图2，成像系统1分两种安装方式，即成像系统1可以采用与钢轨6平行的安装方式，或者采用与钢轨6垂直的安装方式。本实施例中，成像系统1包括相机11、镜头12、光源13、连接机构14、相机固定机构15和光源调节机构16。如图3所示，连接机构14通过连接孔166与低速平行钢轨移动装置2的第一滑动件23相连，且连接孔166为四个且分布于正方形的四个顶点，方便将成像系统1进行90度旋转，即平行于钢轨6安装或垂直于钢轨6安装。光源调节机构16固定于连接机构14上，光源调节机构16包括两块呈对称设置的光源调节板161，两块光源调节板161之间设有一根以上的固定支柱164，光源调节板161上沿着竖直方向开设有成像系统调节槽163，连接机构14的两端滑动连接于成像系统调节槽163中并可以锁定至任何高度处。相机11通过相机固定机构15以及光源调节板161上开设的相机固定机构连接孔165固定于两块光源调节板161之间。通过成像系统调节槽163可以调节相机11与钢轨6之间的距离，可模拟分析振动对成像的影响。本实例中，相机11通过相机固定机构15夹持固定于两块光源调节板161中，可通过相机11上对称分布的四个螺丝孔进行90度旋转，使得相机11阵列始终垂直于钢轨6的纵向。

光源调节板161的底部具有两个呈张开状的弧形部1611，沿着弧形部1611的布置方向开设有光源调节槽162，光源13滑设于光源调节槽162中并可锁止在任何位置处，进而通过光源13在光源调节槽162中的移动可调节光源的入射角度。还可以进一步通过光源安装方式调节机构167将光源90度旋转，使光源13发射的光线始终垂直于钢轨6。光源13与光源控制器（图中未示）相连，通过光源控制器调节光源13的亮度。

在具体应用时，如需将成像系统1从平行于钢轨6安装改为垂直于钢轨6安装时，需要进行如下调节：

首先，成像系统1与低速平行钢轨移动装置2之间的连接机构14旋转90度（假设顺时针旋转90度）；

其次，相机11逆时针旋转90度安装；

第三，两个光源13分别逆时针（或顺时针，因为光源没有方向）旋转90度安装。

经过上述三步，可将图1所示的平行于钢轨6安装转换为图2所示的垂直于钢轨6安装。

如图4所示，本行实施例中，低速平行钢轨移动装置2包括第一滚珠丝杆21、一根以上的光杆22、第一滑动件23、第一电机24、第一编码器25及传动齿轮箱26，第一滑动件23采用法兰，其套设于第一滚珠丝杆21上并与第一滚珠丝杆21之间形成螺纹配合。第一电机24的输出端通过传动齿轮箱26与第一滚珠丝杆21的一端相连并可驱动第一滚珠丝杆21转动。一根以上的光杆22与第一滚珠丝杆21呈平行状布置，第一滑动件23空套于光杆22上并可沿光杆22移动。本实例中，包括两根光杆22，第一滚珠丝杆21布置于两根光杆22之间。成像系统连接于第一滑动件23上，当第一电机24通过传动齿轮箱26带动第一滚珠丝杆21转动时，通过螺纹配合将会使第一滑动件23沿光杆22滑动，从而使得成像系统与钢轨6产生相对运动；第一编码器25通过控制相机11的采集频率以得到钢轨6表面的真实图像。

如图5所示，本实施例中，高速旋转装置3包括高速旋转盘31、旋转电机32、旋转电机底座33和第二编码器34，旋转电机32安装于旋转电机底座33上，高速旋转盘31连接于旋转电机32的输出端并可在旋转电机32的驱动下高速旋转。高速旋转盘31用来模拟钢轨6的表面，其上表面与钢轨6的轨面处于同一水平面。进行高速图像采集时，通过高低速切换装置4可将高速旋转装置3的高速旋转盘31平移到成像系统1中相机11的正下方。此时，成像系统1处于固定状态，旋转电机32带动高速旋转盘31做高速旋转运动，使得相机11与高速旋转盘31表面做相对运动。由于相机11是线扫描相机，每次只采集高速旋转盘31最顶端一条线的图像，相机11与采集对象之间始将终保持同一距离，因此所采集的图像可以模拟成像系统1沿钢轨6做平行移动所采集的图像。同低速平行钢轨移动装置2一样，第二编码器34也是用来控制相机11的采集频率，从而使得相机11采集速度与运动速度达到匹配，形成高速旋转盘31表面的真实图像。

如图6和图7所示，本实施例中，高低速切换装置4包括第二滚珠丝杆401、两条以上的直线导轨402、第二滑动件403、丝杆固定端块404、第一齿轮箱405、手柄406、直线导轨固定端块407、钢轨支撑块408、电机机座固定板409、同步连接件410、同步连接件定位孔411、钢轨定位孔412以及圆盘定位孔413。两条以上的直线导轨402的两端通过直线导轨固定端块407支承固定，两条以上的直线导轨402与第二滚珠丝杆401呈平形状布置，第二滚珠丝杆401的一端通过丝杆固定端块404支承固定，第二滚珠丝杆401的另一端与第一齿轮箱405的动力输出端相连，第一齿轮箱405的动力输入端与手柄406相连。第二滑动件403滑设于第二滚珠丝杆401上并与第二滚珠丝杆401之间通过螺纹配合。本实例中，直线导轨402为两条，第二滚珠丝杆401位于两条直线导轨402之间。直线导轨402的中段上滑设有用来支撑钢轨6的钢轨支撑块408，钢轨支撑块408也可以沿着直线导轨402滑动，钢轨支撑块408通过同步连接件410与电机机座固定板409相连，同步连接件410用来使钢轨6与高速旋转装置3能够同步移动。第二滑动件403可以采用法兰，第二滑动件403上连接有电机机座固定板409，该电机机座固定板409用来固定高速旋转装置3的旋转电机底座33。同步连接件410上开设有同步连接件定位孔411，直线导轨402上沿着钢轨支撑块408和电机机座固定板409的移动方向上，还开设有钢轨定位孔412和圆盘定位孔413，通过将同步连接件定位孔411和钢轨定位孔412对齐可用螺栓将钢轨6固定于成像系统1中相机11的正下方，通过同步连接件定位孔411和圆盘定位孔413对齐可用螺栓将高速旋转盘31固定于成像系统1中相机11的正下方。这样，钢轨6与高速旋转装置3都固定于高低速切换装置4上。手柄406通过第一齿轮箱405作用于第二滚珠丝杆401并使其转动，第二滚珠丝杆401通过第二滑动件403将转动转化为平动，使钢轨6和高速旋转装置3沿直线导轨402运动。低速时，将钢轨6移动到成像系统1中相机11的正下方；高速时，将高速旋转盘31移动到成像系统1中相机11的正下方。

在具体的应用实例中，本发明的具体检测过程：

低速时：

①系统上电，打开工业计算机（图中未示）、相机11、光源13、驱动控制器；

②调整手柄406，使得同步连接件定位孔411与钢轨定位孔412对齐，即钢轨6在成像系统1中相机11的正下方，用螺栓将定位孔栓住；

③按下低速平行钢轨移动装置2的控制器程序运行按钮，第一电机24通过传动齿轮箱26、第一滚珠丝杆21、第一滑动件23带动成像系统1在钢轨6上方做往复运动；

④在工业计算机上打开图像采集程序，采集钢轨6的表面图像，进行在线检测。

高速时：

①系统上电，打开工业计算机（图中未示）、相机11、光源13、驱动控制器；

②调整手柄406，使得同步连接件定位孔411与圆盘定位孔413对齐，即高速旋转盘31在成像系统1中相机11的正下方，用螺栓将定位孔栓住；

③按下高速旋转装置3的控制器程序运行按钮，旋转电机32将带动高速旋转盘31做高速旋转；

④在工业计算机上打开图像采集程序，采集高速旋转盘31的表面图像，进行在线检测。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备，其特征在于：包括成像系统（1）、低速平行钢轨移动装置（2）、高速旋转装置（3）、高低速切换装置（4）、支架（5）、钢轨（6）以及控制系统，所述高速旋转装置（3）和钢轨（6）安装于高低速切换装置（4）上且可在高低速切换装置（4）驱动下使两者中的任意一个运动至成像系统（1）中相机（11）的正下方，所述高速旋转装置（3）中包含有一高速旋转盘（31），所述高速旋转盘（31）的上表面与钢轨（6）的轨面处于同一水平面，所述成像系统（1）装设于低速平行钢轨移动装置（2）上并可在低速平行钢轨移动装置（2）的驱动下沿着钢轨（6）的布置方向运动；

所述低速平行钢轨移动装置（2）包括第一滚珠丝杆（21）、一根以上的光杆（22）、第一滑动件（23）以及第一电机（24），所述第一滑动件（23）套设于第一滚珠丝杆（21）上并与第一滚珠丝杆（21）之间形成螺纹配合，所述第一电机（24）的输出端与第一滚珠丝杆（21）的一端相连并可驱动第一滚珠丝杆（21）转动，所述一根以上的光杆（22）与第一滚珠丝杆（21）呈平行状布置，所述第一滑动件（23）空套于所有光杆（22）上，所述成像系统（1）连接于第一滑动件（23）上。

2.根据权利要求1所述的钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备，其特征在于：所述高速旋转装置（3）包括高速旋转盘（31）、旋转电机（32）以及旋转电机底座（33），所述旋转电机（32）安装于旋转电机底座（33）上，所述高速旋转盘（31）连接于旋转电机（32）的输出端，所述旋转电机底座（33）安装于高低速切换装置（4）上。

3.根据权利要求1或2所述的钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备，其特征在于：所述高低速切换装置（4）包括第二滚珠丝杆（401）、两条以上的直线导轨（402）、第二滑动件（403）、第一齿轮箱（405）、手柄（406）、电机机座固定板（409）、同步连接件（410），所述两条以上的直线导轨（402）与第二滚珠丝杆（401）呈平行状布置，所述第二滚珠丝杆（401）的一端与第一齿轮箱（405）的动力输出端相连，所述第一齿轮箱（405）的动力输入端与手柄（406）相连，所述第二滑动件（403）滑设于第二滚珠丝杆（401）上并与第二滚珠丝杆（401）之间通过螺纹配合，所述用来固定高速旋转装置（3）的电机机座固定板（409）连接于第二滑动件（403）上，所有所述直线导轨（402）上均滑设有用来支撑钢轨（6）的钢轨支撑块（408），所述钢轨支撑块（408）通过同步连接件（410）与电机机座固定板（409）相连。

4.根据权利要求3所述的钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备，其特征在于：所述同步连接件（410）上开设有同步连接件定位孔（411），所述直线导轨（402）上沿着钢轨支撑块（408）和电机机座固定板（409）的移动方向上开设有钢轨定位孔（412）和圆盘定位孔（413）以保证钢轨（6）或高速旋转盘（31）能位于相机（11）的正下方。

5.根据权利要求1或2所述的钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备，其特征在于：所述成像系统（1）包括相机（11）、镜头（12）、光源（13）、连接机构（14）、相机固定机构（15）和光源调节机构（16），所述连接机构（14）通过连接孔（166）与低速平行钢轨移动装置（2）相连，所述光源调节机构（16）固定于连接机构（14）上；所述光源调节机构（16）包括两块呈对称设置的光源调节板（161），所述光源调节板（161）上沿着竖直方向开设有成像系统调节槽（163），所述连接机构（14）的两端滑动连接于成像系统调节槽（163）中，所述相机（11）通过相机固定机构（15）以及光源调节板（161）上开设的相机固定机构连接孔（165）固定于两块光源调节板（161）之间。

6.根据权利要求5所述的钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备，其特征在于：所述光源调节板（161）的底部具有两个呈张开状的弧形部（1611），沿着弧形部（1611）的布置方向开设有光源调节槽（162），所述光源（13）滑设于光源调节槽（162）中以调节光源的入射角度。

7.根据权利要求5所述的钢轨表面缺陷高速视觉在线检测设备，其特征在于：所述连接孔（166）为四个且分布成正方形的四个顶点。

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