CN104316004A - 基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统，其特征在于：它包括若干数据采集单元和一数据处理单元；数据采集单元用于实时采集车轮的踏面图像数据并做边线提取，并将所提取出边线的直线度传送给数据处理单元；数据处理单元将边线的直线度与标准车轮踏面的边线直线度做比对，判断车轮的磨损程度，得出轮对表面磨损程度值。本发明可以广泛用于列车自动检修装置领域。

Description

基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统

技术领域

本发明涉及一种磨损数据动态采集系统，特别是关于一种基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统。

背景技术

近几年国内外对于轮对踏面磨损检测方法的探索一直在进步，其中主要分为接触式检测方法与非接触式检测方法两大类。

接触式检测方法：对于直接接触法采用通过在轨道上安装2个压电加速度传感器，采集车轮的有效振动波形数据，估算出踏面擦伤深度，该方法采用点接触的方式采集并用算法估算擦伤深度同样难以保障检测的整体性。对于车体入库后，整车升起，通过控制轮对转动速度，并以结构光扫描轮对踏面及应用CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)视觉传感器实时采集轮对踏面外形特征信息，经过图像数字滤波、基准校正、边缘识别和空间坐标变换等算法，建立踏面擦伤数字矩阵，该设备相对复杂，操作起来费时费力。另外还有手持便携式车轮外形测量仪，采用并联五连杆机构，轻巧灵活，没有电缆的约束，测量力引起的机构变形误差较小，操作更加方便；采用“踏面”定位，避免了二连杆机构因重量、形变等因素对准确度的影响，排除了轮缘定位弊端。且该仪器能同时测量车轮踏面外形和车轮直径。但是该仪器的安装需要比较长的时间，且测量一次安装一次，不能实现快速测量。

非接触式检测方法：主要采用光学或者电涡流检测，自动化程度相对较高。其中光学检测：用激光线光源和CCD探测器获得轮缘厚度和高度2个反映踏面磨耗的关键参数，该方法CCD与轮对在采集过程中有角度差需要通过图像信号的计算才能完成图像还原，图像存在噪声，故检测精度不够高。电涡流检测：只是在模拟实验中有效，但是涡流检测结果易于受到材料本身及其他外界自然条件的干扰。综上所述，尽管相关设备很多，但都没能满足现场对精度以及方便操作性需要，故普及程度不高。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种利用边缘衍射线光源原理结合动态控制技术的基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统，其特征在于：它包括若干数据采集单元和一数据处理单元；所述数据采集单元用于实时采集车轮的踏面图像数据，将该投影传送给所述数据处理单元；所述数据处理单元将所接收的踏面图像数据做边线提取得到边线的直线度，并将其与标准车轮踏面的边线直线度做比对，判断车轮的磨损程度，得出轮对表面磨损程度值。

所述数据处理单元为上位机。

每一所述数据采集单元包括一随动机构和一检测机构；所述随动机构能够攀附在列车上、且随之同步运动；所述检测机构设置在所述随动机构上，且同步采集车轮的踏面图像数据。

所述随动机构包括辅助轨、随动车、第一主动齿轮、第一从动齿轮、定位架、第二主动齿轮、第二从动齿轮、旋转架和挡板；所述辅助轨平行设置在列车运行轨道的外侧；所述随动车滑动设置在所述辅助轨上，所述随动车上表面水平间隔设置两所述第一主动齿轮；所述第一主动齿轮啮合与其对应设置在所述随动车上的所述第一从动齿轮；所述第一从动齿轮紧固连接所述定位架下端；所述定位架上端设计成与车体转向架开口处所固定位置曲线度相同的面接触结构，以攀附到列车车体上；两所述第一主动齿轮内侧各设置一所述第二主动齿轮，所述第二主动齿轮啮合与其对应设置在所述随动车上的所述第二从动齿轮；所述第二从动齿轮紧固连接所述旋转架下端；所述旋转架上端转动连接一所述挡板。

所述检测机构包括微控制器、压电传感器、第一伺服电机、第二伺服电机、面阵CCD、LED光源和位移传感器；所述微控制器分别电连接所述压电传感器、第一伺服电机、第二伺服电机、面阵CCD、LED光源和位移传感器；所述压电传感器设置在列车轨道上；所述第一伺服电机固定在所述随动车下表面，且其转轴上穿设所述第一主动齿轮；所述第二伺服电机固定在所述随动车下表面，且其转轴上穿设所述第二主动齿轮；所述面阵CCD设置在与车轮的踏面相对应的所述挡板的平面上，该平面上与车轮踏面相对的一侧设置所述LED光源；所述位移传感器设置在所述随动车上。

所述微控制器采用C8501单片机。

所述面阵CCD外表面放置光源滤镜片。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于为非接触式检测，通过使用面阵CCD、微控制器、计算机等进行自动化检测，其设备简单，操作方便，而且本发明采用预先安装一次即可，不要重复安装，方便快捷，大大节省人力。2、本发明由于采用面阵CCD无角度差进行数据采集，而不会像电涡流检测一样受到雨雪、杂物的干扰，因此抗干扰性较强，从而最大程度上减小由于在图像检测中由于角度差带来的噪声，使得所检测的数据以最小噪声传递给上位机，同时上位机做边线提取技术相对成熟，因此可以获得高精度检测结果。3、本发明由于硬件采用常规的微控制器、面阵CCD、位移传感器、压电传感器，软件也比较常用，同时随动机构也比较简单且易于实现，因此成本较低。鉴于以上理由，本发明可以广泛用于列车自动检修装置领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的随动机构示意图

图3是本发明的随动机构局部放大示意图

图4是本发明的检测机构示意图

图5是本发明的挡板局部放大图

图6是采用本发明采集到的试验轮对不同部位图像

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括若干数据采集单元1和一数据处理单元2。

数据采集单元1用于实时采集车轮的踏面图像数据，并将其传送给数据处理单元2；数据处理单元2将所接收的踏面图像数据做边线提取得到边线的直线度，并将其与标准车轮踏面的边线直线度做比对，判断车轮的磨损程度，得出轮对表面磨损程度值。

每一数据采集单元1包括能够攀附在列车上、且随之同步运动的随动机构11和设置在随动机构11上、且同步采集车轮的踏面图像数据的检测机构12。

如图2、图3所示，随动机构11包括辅助轨111、随动车112、第一主动齿轮113、第一从动齿轮114、定位架115、第二主动齿轮116、第二从动齿轮117、旋转架118和挡板119。

辅助轨111平行设置在列车运行轨道的外侧。随动车112滑动设置在辅助轨111上，随动车112上表面水平间隔设置两第一主动齿轮113。第一主动齿轮113啮合与其对应设置在随动车112上的第一从动齿轮114。第一从动齿轮114紧固连接定位架115下端；定位架115上端设置与车体转向架开口处所固定位置曲线度相同的面接触结构，以便攀附到列车车体上，从而带动随动车112随列车同步运动。两第一主动齿轮113内侧各设置一第二主动齿轮116，第二主动齿轮116啮合与其对应设置在随动车112上的第二从动齿轮117；第二从动齿轮117紧固连接旋转架118下端；旋转架118上端呈一定倾角固定连接一挡板119。如图5所示，该挡板119为一平板，与旋转架118不相连的一端呈波浪形，该波浪形与车轮的轮缘和踏面形状相吻合，该平板上外侧边缘还有一向内的凸台，该凸台的形状挡板119的整体结构一致。挡板119与旋转架118之间的角度都是根据不同列车的轮对型号不同而定，因为随动车112与轮对之间的距离固定，面阵CCD125与轮对的距离也固定(3～5mm)，因此旋转架118是保证挡板119可以正对着踏面，即与相应轮对踏面切向平行，由此得到旋转架118与挡板119之间的角度。两个相对设置的挡板119水平距离略大于列车同一转向架上两组轮对之间的水平距离。

如图4所示，检测机构12包括微控制器121、压电传感器122、第一伺服电机123、第二伺服电机124、面阵CCD125、LED光源126和位移传感器127。

微控制器121分别连接压电传感器122、第一伺服电机123、第二伺服电机124、面阵CCD125、LED光源126和位移传感器127。微控制器121内置安装在同一转向架上两组轮对的车轮运行一周半的距离。微控制器121将所测的车轮的踏面图像数据传送给数据处理单元2，进而实现利用边缘衍射线光源技术实现对目标测量物表面图像的测量。压电传感器122设置在列车轨道上，以便实时监测列车是否驶入车辆段或入库，当列车是否驶入车辆段或入库时，其将压力信号发送给微控制器121，以便微控制器121进行下一步同步测量操作。第一伺服电机123固定在随动车112下表面，且其转轴上穿设第一主动齿轮113，即每一第一主动齿轮113对应设置一个第一主动齿轮113，以便通过微控制器121控制第一伺服电机123的转动带动第一从动齿轮114的转动，从而带动设置在第一从动齿轮114上定位架115的转动，使其上端攀附上列车车体，利用第一伺服电机123本身的制动性(本领域技术人员公知的技术，故不再详述)可以定位架115不回转，能够使得随动车112能够与列车同步运动。第二伺服电机124固定在随动车112下表面，且其转轴上穿设第二主动齿轮116，即每一第二主动齿轮116对应设置一个第二伺服电机124，以便通过微控制器121控制第二伺服电机124的转动带动第二从动齿轮117的转动，从而带动设置在第二从动齿轮117上旋转架118的转动，使得挡板119能够正对待测车轮的踏面。如图5所示，面阵CCD125设置在与车轮的踏面相对应的挡板119的平面上，该平面上与车轮踏面相对的一侧(凸台上)设置LED光源126，以便LED光源126提供的光源沿轮对踏面切向照射，利用光线通过挡板119与车轮踏面之间的狭缝，车轮边缘线会产生一个线性投影在挡板119上，进而被面阵CCD125接收，从而使得面阵CCD125在径向完整接收踏面数据，并将其传送给微控制器121。位移传感器127设置在随动车112上，由于安装在同一转向架上两组轮对的车轮运行一周或一周半的长度是固定的，因此当位移传感器127传送的长度与微控制器121内设的长度一致时，停止测量工作，准备进入下一工作周期。

上述实施例中，挡板119采用表面粗糙度较低的金属材料制造，采用金属材料表面更易达到粗糙度要求，粗糙度不够会对面阵CCD125检测造成干扰，同时金属材料不易吸收光，不会使透过狭缝的光线减弱。

上述实施例中，微控制器121采用C8051单片机，该单片机价格便宜且稳定性较好，适应于本发明的工作环境。

上述实施例中，压电传感器122采用压电薄膜传感器。

上述实施例中，面阵CCD125外表面放置光源滤镜片以防止自然光感染，以及方便日常清洁与维护。

数据处理单元2为上位机，该上位机内置边线提取和标准的车轮边线的直线度数据，这些数据本领域技术人员常用的数据，故不再详细说明。上位机可以采用Visual C++6.0开发工具，运行在Windows XP环境。根据数据采集单元1传送的踏面图像数据做边线提取得到边线的直线度，并将其与标准车轮踏面的边线直线度做比对，判断车轮的磨损程度，得出轮对表面磨损程度值。

本发明工作时：

1)通过预先设定在列车运行轨道上的压电传感器122来实时监测列车是否驶入车辆段或入库；当列车驶入(激励电压U>1.2v)时，压电传感器122将压电信号传送给微控制器121，由于列车驶入车辆段或入库的速度是固定的，因此根据其速度设置压电传感器122距离随动车112的位置，从而可以给予微控制器121进行下一步定位命令的时间；否则，继续实时监测列车是否驶入车辆段或入库；

2)微控制器121检测到列车驶入的压力信号后，微控制器121发送电信号给第一伺服电机123，第一伺服电机123的转动带动其上设置的第一主动齿轮113转动，第一主动齿轮113转动带动第一从动齿轮114转动，第一从动齿轮114转动带动其上的定位架115转动，其上端攀附上列车车体；微控制器121内会设置一个时间延迟，以便能够保证定位架115能够攀附上列车车体；这样即保证了相对定位精度，又不会干扰列车已有的运行。从而完成与列车车体的整体定位，使得借助列车的牵引力使得随动车112与列车车体同步运动；

3)微控制器121发送电信号给第二伺服电机124，第二伺服电机124的转动带动其上设置的第二主动齿轮116转动，第二主动齿轮116转动带动其上的旋转架118转动，使其挡板119能够固定在车轮相距一定距离的地方，且面阵CCD125正对车轮的踏面，且光源LED光源126提供的光源沿轮对踏面切向照射；由于定位架115与旋转架118之间根据随动车112与车体的距离，以及定位架115固定在车体后旋转架118与车体之间的距离都是预先经过反复实验得到的，因此能够保证旋转架118上的挡板119能够正对车轮且相距一定距离；

4)微控制器121发送控制命令给面阵CCD125、LED光源126和位移传感器127使其工作；LED光源126提供的光源沿轮对踏面切向照射，从而使得面阵CCD125在径向完整接收踏面数据，LED光源126提供的光源的照射会在面阵CCD125上呈现出一道相应的光带，面阵CCD125将接收到的光带信号传送给微控制器121。当位移传感器127实时传送的位移达到在同一转向架上两组轮对的车轮运行一周半的距离时，微控制器121向面阵CCD125、LED光源126发送停止工作的命令，分别控制第一伺服电机123、第二伺服电机124带动对应的定位架115、旋转架118回拉，回归待检状态，准备进入下一个工作周期。

5)面阵CCD125通过微控制器121将所测的车轮踏面图像数据传送给数据处理单元2的上位机；上位机根据传送的车轮踏面图像数据做边线提取，并将其直线度与标准图像边线的直线度做比对，判断车轮的磨损程度，从而得出车轮表面的磨损程度。

如图6所示，在采用本发明采集到的试验轮对不同部位图像中，对其进行边线提取并对比标准线可以判断出两张图分别为无磨损图像、踏面剥离处(曲线驻点)图像，通过配套软件的数据处理，计算出其剥离中心深度为5.31mm，进而说明该发明实用有效，且精度较高。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统，其特征在于：它包括若干数据采集单元和一数据处理单元；所述数据采集单元用于实时采集车轮的踏面图像数据，并将其传送给所述数据处理单元；所述数据处理单元将所接收的踏面图像数据做边线提取得到边线的直线度，并将其与标准车轮踏面的边线直线度做比对，判断车轮的磨损程度，得出轮对表面磨损程度值。

2.如权利要求1所述的基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统，其特征在于：所述数据处理单元为上位机。

3.如权利要求1所述的基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统，其特征在于：每一所述数据采集单元包括一随动机构和一检测机构；所述随动机构能够攀附在列车上、且随之同步运动；所述检测机构设置在所述随动机构上，且同步采集车轮的踏面图像数据。

4.如权利要求2所述的基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统，其特征在于：每一所述数据采集单元包括一随动机构和一检测机构；所述随动机构能够攀附在列车上、且随之同步运动；所述检测机构设置在所述随动机构上、且同步采集车轮的踏面图像数据。

5.如权利要求3或4所述的基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统，其特征在于：所述随动机构包括辅助轨、随动车、第一主动齿轮、第一从动齿轮、定位架、第二主动齿轮、第二从动齿轮、旋转架和挡板；所述辅助轨平行设置在列车运行轨道的外侧；所述随动车滑动设置在所述辅助轨上，所述随动车上表面水平间隔设置两所述第一主动齿轮；所述第一主动齿轮啮合与其对应设置在所述随动车上的所述第一从动齿轮；所述第一从动齿轮紧固连接所述定位架下端；所述定位架上端设计成与车体转向架开口处所固定位置曲线度相同的面接触结构，以攀附到列车车体上；两所述第一主动齿轮内侧各设置一所述第二主动齿轮，所述第二主动齿轮啮合与其对应设置在所述随动车上的所述第二从动齿轮；所述第二从动齿轮紧固连接所述旋转架下端；所述旋转架上端转动连接一所述挡板。

6.如权利要求5所述的基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统，其特征在于：所述检测机构包括微控制器、压电传感器、第一伺服电机、第二伺服电机、面阵CCD、LED光源和位移传感器；

所述微控制器分别电连接所述压电传感器、第一伺服电机、第二伺服电机、面阵CCD、LED光源和位移传感器；所述压电传感器设置在列车轨道上；所述第一伺服电机固定在所述随动车下表面，且其转轴上穿设所述第一主动齿轮；所述第二伺服电机固定在所述随动车下表面，且其转轴上穿设所述第二主动齿轮；所述面阵CCD设置在与车轮的踏面相对应的所述挡板的平面上，该平面上与车轮踏面相对的一侧设置所述LED光源；所述位移传感器设置在所述随动车上。

7.如权利要求6所述的基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统，其特征在于：所述微控制器采用C8501单片机。

8.如权利要求6所述的基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统，其特征在于：所述面阵CCD外表面放置光源滤镜片。

9.如权利要求7所述的基于边缘衍射线光源的轮对踏面图像数据动态采集系统，其特征在于：所述面阵CCD外表面放置光源滤镜片。