CN106168465A - 承载鞍磨耗激光三维测量法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铁路货车承载鞍磨耗检测技术，通过一种激光检测平台实现，检测平台包括测量工位防护罩，工件定位装置，激光二维检测装置，伺服与电机传动系统，PLC及弱电控制柜，工控机等主要部件；通过伺服系统带动激光二维检测装置扫描工件，获得表面三维点云数据，将获得的数据传送给工控机进行软件分析，将结果传递给PLC弱电控制柜，由弱电控制柜输出结果动作和分拣信号。其软件分析过程中通过空间坐标偏移修正法对测量过程中获得的三维点云数据进行修正。本发明很好的修正了实际工程中被测工件因机械传动造成的系统误差，测量精度高，适用性强。

Description

承载鞍磨耗激光三维测量法

1、技术领域

本发明是一种用于铁路货车承载鞍检修，对各型号承载鞍磨耗量进行激光三维扫描测量的方法。

2、技术背景

承载鞍是铁路货车转向架的重要部件，安装在货车轮对滚动轴承和转向架侧架导框之间，承担货车轮对轴承座的作用。根据设计和安全要求，铁道部下达“货车检修规程”对承载鞍各工作面的最大磨耗量提出明确限度要求，其中承载鞍表面：顶面磨耗在3～5mm需要加修，大于5mm需要更换，鞍面直径磨耗大于0.5mm需要更换，导框挡边内侧的两侧磨耗之和大于3mm需要更换，一侧磨耗大于2mm需要更换，导框底面磨耗之和大于3mm需要更换，一侧偏磨大于2mm需要更换。

目前国内货车承载鞍检修采用人工样板检测方法，对应部位采用不同卡板、量规和检查尺等计量工具，每种型号承载鞍有一套专用量具，通过手工翻转检测，工作繁杂，靠样板目测没有测量信息记录，检测质量低，使检修和落车装配无据可依，各种量规的使用，保管，维护和校对等十分复杂。整体来说，人工检测效率低，劳动强度大，成本高，极易造成使用事故等隐患。

3、发明内容

本发明的目的是：提供一种针对承载鞍磨耗自动化检测的方法，实现承载鞍磨耗自动化扫描，对磨耗情况进行定量分析，判断，记录和分拣信号输出。

本发明采用的技术方案是：通过一种激光检测平台实现，包括测量工位防护罩，工件定位装置，激光二维检测装置，伺服传动系统，电机传动系统，PLC及弱电控制柜，工控机；其特征在于，上料时，工件定位装置对被测工件进行夹紧定位，由电机传动系统将工件带至被检测位，伺服传动系统带动激光二维检测装置对被测工件进行第一次扫描测量，获得工件表面三维点云数据，并在检测位同一位置，通过旋转电机转动90°，进行第二次扫描测量，将获得的数据传送给工控机进行软件分析，将结果传递给PLC弱电控制柜，由弱电控制柜输出结果动作和分拣信号。

上料处理，工人将待测承载鞍工件平躺放置于上料位。此时被测工件的顶面，鞍面，导框面侧向四周，由定位磨具和两套夹紧气缸对工件进行固定，由步进电机传送带带动其到检测位，检测位下方旋转电机来带动定位磨具做后续动作。

测量过程，本检测分两次测量，第一次：测量承载鞍顶面整体磨耗，顶面偏磨，鞍面磨耗，导框底面两侧磨耗之和；第二次：测量导框挡边水平面磨耗和内侧磨耗之和。

分拣过程，根据测量过程获得的数据，工控机软件利用空间坐标偏移修正法进行数据分析并将结果信号传递给PLC弱电控制柜，通过弱电控制柜给出分拣信号，进行结果动作。

空间坐标偏移修正法：

在软件中根据承载鞍标准样件点云数据设定相对三维坐标系OXYZ，由于工件运送过程中，每次到达检测位时，与标准样件有角度和位置偏差，我们定位实际工件的绝对三维坐标系为OⁱXⁱYⁱZⁱ，实际由测量装置获得的点云数据坐标()，假设其在相对坐标系OXYZ中的坐标为(X，Y，Z)，那么点云数据坐标存在以下关系式：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=B\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ \′\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{x}_o\\ y_o\\ z_o\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{ccc}{A}_1& A_2& A_3\\ B_1& B_2& B_3\\ C_1& C_2& C_3\end{array}\right]$

A₁＝cosαcosβ_sinαsinβsinγ

A₂＝_cosαsinβ_sinαcosβsinγ

A₃＝_sinαcosγ

B₁＝cosγsinβ

B₂＝cosβcosγ

B₃＝_sinγ

C₁＝sinαcosβ_cosαsinβsinγ

C₂＝_sinαsinβ+cosαsinβcosγ

C₃＝cosαcosγ

其中α是XOZ平面夹角，β为XOY平面夹角，γ为YOZ平面的夹角。

通过空间坐标偏移修正法进行对承载鞍表面点云数据进行偏移修正，可以实现每次工件检测的点云数据和标准数据对比在同一个相对坐标系，这样就消除每次工件因为机械传送等动作造成的位置误差，提高了检测的准确度。

4、附图说明

图1：承载鞍磨耗激光检测平台示意图；

图2：检测位第一次扫描示意图；

图3：检测位第二次扫描示意图；

图4：二维模型下坐标系转换图；

图中，(1)测量防护罩，(2)激光二维测量仪，(3)Z轴向伺服电机系统，(4)X轴向伺服电机系统，(5)Y轴向伺服电机系统，(6)夹紧气缸，(7)旋转电机与定位磨具固定机械模块，(8)步进电机传动机构，(9)旋转电机机座，(10)传动滑轨，(11)旋转电机，(12)夹紧定位块，(13)定位磨具，(14)上位机与PLC弱电控制柜，(15)分拣指示信灯，(16)被测工件，(17)激光扫描区域，(18)平台主体。

5、具体实施方式：

第一次测量，激光二维扫描仪(2)固定于Z轴向伺服电机系统(3)。X轴向伺服电机系统(4)，Y轴向伺服电机系统(5)，Z轴向伺服电机系统(3)处于设定的电气原点，将被测工件(16)放置于定位磨具(13)上，由夹紧气缸(6)带动夹紧模块(12)对工件进行夹紧定位，通过步进电机传动机构(8)带动整个旋转电机机座(9)和旋转电机与定位磨具固定机械模块(7)到达检测位；然后X轴伺服电机系统(4)，Y轴向伺服电机系统(5)到达第一次扫描设定的机械位，由Z轴向伺服电机系统(3)携带激光二维测量仪(2)对工件(16)进行第一轮扫描，将扫描的数据传送给上位机和PLC弱电控制箱(14)。

第二次测量，在第一次测量完成后，X，Y，Z轴伺服电机系统(3)(4)(5)陆续回到设定的电气原点，旋转电机与磨具固定机械模块(7)带动定位磨具(13)旋转90°，然后X轴伺服电机系统(4)，Y轴伺服电机系统(5)到达第二次扫描设定的机械位，由Z轴向伺服电机系统(3)带动激光二维测量仪(2)对工件(16)进行第二轮扫描，将扫描的数据传送给上位机和PLC弱电控制箱(14)。

在完成第两次测量之后，X，Y，Z三轴伺服电机系统(3)(4)(5)陆续回到设定的电气原点，旋转电机与磨具固定机械模块(7)恢复到第一次测量的角度位置，由步进电机传动机构(8)将整个旋转电机机座(9)和旋转电机与定位磨具固定机械模块(7)带回到上料位，上位机和PLC弱电控制箱(14)发出分拣指示信号传送给分拣信号指示灯(15)，进行后续的分拣处理。

Claims (8)

1.一种承载鞍表面各工作面磨耗的激光测量方法，其特征在于：通过承载鞍磨耗激光测量平台实现，包括如下步骤，步骤(1)、上料，固定机构固定被测量的工件，由传动机构将固定机构和被测量工件移动到测量位；步骤(2)、测量，通过检测机构对被测量工件进行扫描，并将扫描后获得的结果传送给工控机；步骤(3)、分析，工控机软件通过空间坐标偏移修正法分析换算，获得结果信号；步骤(4)、处理，根据结果信号，对承载鞍进行分拣。

2.根据权利要求1所述的空间坐标偏移修正法，其特征在于：针对工件每次输送到检测位时的位置不完全一致性，对工件上非磨损部位的特征点进行标记，在软件中根据承载鞍标准样件点云数据设定相对坐标系OXYZ，由于工件运送过程中，每次到达检测位时，与标准样件有角度和位置偏差，我们定位实际工件的绝对坐标系为O′X′Y′Z′，实际由测量装置获得的点云数据坐标()，假设其在相对OXYZ坐标系中的坐标为(X，Y，Z)。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于：所述的换算是通过如下公式进行，

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right]=B\left[\begin{array}{c}{x}^{\′}\\ y^{\′}\\ z^{\′}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{x}_0\\ y_0\\ z_0\end{array}\right]$

$B=\left[\begin{array}{ccc}{A}_1& A_2& A_3\\ B_1& B_2& B_3\\ C_1& C_2& C_3\end{array}\right]$

A₁＝cosαcosβ-sinαsinβsinγ

A₂＝-cosαsinβ-sinαcosβsinγ

A₃＝-sinαcosγ

B₁＝cosγsinβ

B₂＝cosβcosγ

B₃＝-sinγ

C₁＝sinαcosβ-cosαsinβsinγ

C₂＝-sinαsinβ+cosαsinβcosγ

C₃＝cosαcosγ

其中α是XOZ平面夹角，β为XOY平面夹角，γ为YOZ平面的夹角。

4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：当顶面磨耗在3～5mm进行加修，大于5mm进行更换。当鞍面直径磨耗大于0.5mm进行更换，当导框挡边内侧的两侧磨耗之和大于3mm或一侧磨耗大于2mm进行更换，当导框底面磨耗之和大于3mm或一侧偏磨大于2mm进行更换。

5.一种用于权利要求1所述的一种承载鞍磨耗激光测量平台，其特征在于：包括测量工位防护罩，工件定位装置，激光二维检测装置，伺服传动系统，电机传动系统，PLC及弱电控制柜，工控机。

6.根据权利要求5所述的一种承载鞍磨耗激光测量平台，其特征在于，所述的固定机构的结构是：夹紧气缸(6)和定位磨具(13)通过螺钉固定在旋转电机与定位磨具固定机械模块(7)上，夹紧定位块(12)通过螺钉与夹紧气缸(6)连接成一体。

7.根据权利要求5所述的一种承载鞍磨耗激光测量平台，其特征在于，所述的传动机构结构是：步进电机传动结构(8)带动旋转电机与定位磨具固定机械模块(7)和旋转电机机座(9)在传动滑轨(10)上移动到测量位。

8.根据权利要求5所述的一种承载鞍磨耗激光测量平台，其特征在于，检测机构由激光二维测量仪(2)，Z轴向伺服系统(3)，X轴向伺服系统(4)，Y轴向伺服系统(5)组成，其结构是：激光二维测量仪(2)通过螺钉预定在Z轴向伺服系统(3)上面，Z轴向伺服系统(3)通过螺钉固定在X轴向伺服系统(4)的滑块上，X轴向伺服系统(4)通过螺钉固定在Y轴向伺服系统(5)的滑块上，以上结构作为一个整体固定在平台主体(18)上。