CN111002259A - 一种基于ccd相机的铁轨螺母松动检测维修装置及检测维修方法 - Google Patents

一种基于ccd相机的铁轨螺母松动检测维修装置及检测维修方法 Download PDF

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CN111002259A CN201911011407.3A CN201911011407A CN111002259A CN 111002259 A CN111002259 A CN 111002259A CN 201911011407 A CN201911011407 A CN 201911011407A CN 111002259 A CN111002259 A CN 111002259A
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Abstract

本发明提供一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置及检测维修方法,包括机架,机架底部设有在铁轨上滚动的移动轮和驱动移动轮转动的移动电机,检测维修装置设在机架上,包括调整机构、螺母旋拧机构和CCD相机,两个调整机构分别与铁轨的两条轨道相对,调整机构包括竖直设置的丝杠、驱动丝杠转动的升降电机和在丝杠上上下滑动的调整平台,两个螺母旋拧机构设在调整平台上且相对于丝杠对称,螺母旋拧机构包括万用套筒和驱动万用套筒转动的旋转电机,CCD相机进行螺栓图像的采集,将采集的图像传送给图像处理模块对图像进行处理,主控制器对螺栓图像的信息进行分析和对比,控制各个电机的转动,自动检测铁轨松动螺母和维修松动螺母。

Description

一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置及检测维修 方法
技术领域
本发明涉及铁轨缺陷检测技术领域,具体涉及一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置及检测维修方法。
背景技术
铁路交通运输行业在我国国民经济中发挥着特有作用。在关键物资的运输方面,主要运输量由铁路运输承担;在客运方面,铁路也因其客容量大、方便快捷、价格便宜等优点,成为了最受欢迎的交通工具。铁路安全也受到政府和民众越来越多的关注。
而铁轨的螺母松动问题一直是铁轨常见病害的一种,现有的检修方式中,通常由维修工巡道检查螺母是否松动,当发现螺母松动时,则人为地拧紧螺母增加预紧力,所施加预紧力的大小主要靠个人经验判定。通过人工检测螺栓,检测速度慢,且精度不高,当旋拧螺母所用的预紧力过大时,将会使螺栓在偶然过载的情况下产生塑性变形而松动,甚至拉断。当旋拧螺母所用的预紧力不够时,在使用一段时间后,会造成自然松动。
发明内容
根据现有技术的不足,本发明的目的是提供一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置及检测维修方法。
为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案为:
一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置,包括:
机架,所述机架底部设有在铁轨上滚动的移动轮和驱动所述移动轮转动的移动电机;
检测维修装置,设在机架上,包括调整机构、螺母旋拧机构和CCD相机,两个调整机构分别与铁轨的两条轨道相对,所述调整机构包括竖直设置的丝杠、驱动丝杠转动的升降电机和在丝杠上上下滑动的调整平台,两个所述螺母旋拧机构设在所述调整平台上且相对于所述丝杠对称,所述螺母旋拧机构包括万用套筒和驱动所述万用套筒转动的旋转电机,CCD相机安装在机架上且镜头朝下用于进行螺栓图像的采集;
图像处理模块,接收CCD相机采集的图像进行处理,包括图片预处理单元、图像滤波单元、图像灰度变换单元、图像边缘检测单元和图像分割单元,所述图片预处理单元与所述CCD相机相连接,所述图像灰度变换单元与所述图片预处理单元相连接,所述图像滤波单元与所述图像灰度变换单元相连接,图像边缘检测单元与所述图像灰度变换单元相连接,图像分割单元和所述图像边缘检测单元相连接;
主控制器,与图像分割单元相连接,对螺栓图像的信息进行分析和对比,并通过各个驱动器发出相应的脉冲控制所述旋转电机、升降电机和移动电机的转动;
辅助模块,包括蓄电池、配电箱和SD卡存储器,所述蓄电池安装在机架上用于给整个装置提供电源,所述配电箱安装在机架上用于放置主控制器和多个驱动器,所述主控制器和多个驱动器相连接,各个驱动器分别与所述旋转电机、升降电机、移动电机相连接,所述SD卡存储器用于储存安装螺栓时和检测螺栓时的图像信息及主控制器分析的参数。
进一步的,所述万用套筒包括套筒本体和活动杆,所述套筒本体为底部开口的圆柱形腔体结构,多根所述活动杆设在所述套筒本体内部,所述活动杆通过弹簧和所述套筒本体顶部连接。
进一步的,所述主控制器为STM32单片机。
进一步的,所述旋转电机、升降电机和移动电机均为步进电机。
进一步的,所述图像处理模块采用FPGA芯片。
进一步的,所述万用套筒底部设有引导曲面,所述引导曲面为向下张开的弧形面。
一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修方法,包括以下步骤:
步骤1、安装铁轨螺栓时,使用红色油漆对拧紧的螺栓和螺母进行竖直方向的划线标记作业,使得螺栓和螺母上的划线在一条直线上,令螺栓上的标记为第一标记,螺母上的标记为第二标记;
步骤2、主控制器通过驱动器发出脉冲控制移动电机驱动移动轮转动,进而带动铁轨螺母松动检测维修装置移动至铁轨螺栓处,通过CCD相机摄取螺栓照片,进行螺栓图像的采集;
步骤3、图像处理模块接收CCD相机采集的图像进行处理,包括进行图像预处理、图像滤波、图像灰度变换、图像边缘检测和图像分割,提取相应数据,包括第一标记和第二标记的坐标位置;
步骤4、根据第一标记和第二标记的坐标位置,计算第一标记和第二标记之间的相对转动角度a;
步骤5、设定相对转动角度的阈值a0,将步骤4的相对转动角度a与相对转动角度的阈值a0,进行比较,若a≥a0,则说明该螺母已松动,若a<a0,则说明该螺母未松动;
步骤6、主控制器通过驱动器发出脉冲控制移动电机转动,带动基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置移动,使装置进一步运动到松动螺母处;
步骤7、主控制器通过驱动器发出脉冲控制升降电机转动,带动调整平台下降;
步骤8、主控制器通过驱动器发出脉冲控制旋转电机转动,带动万用套筒转动拧紧松动的螺栓和螺母。
进一步的,所述步骤2中,每次铁轨螺母松动检测维修装置移动的距离为铁轨延伸方向上相邻的两个螺栓间的距离。
进一步的,所述步骤4中,根据划线标记的特征提取第一标记和二标记,利用基于最小二乘法的分段直线拟合识别出来的第一标记和第二标记,利用平面几何方法计算第一标记和第二标记之间的相对转动角度a。
进一步的,所述步骤5中,阈值a0的范围为5°~10°。
与现有技术相比,本发明具有以下优点和有益效果:
1.本发明所述的一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置及检测维修方法,通过CCD相机采集标记后的螺栓图像,利用FPGA芯片对螺栓图像进行处理,得到螺栓的松动信息,对松动的螺栓进行信息反馈,检测精度高。
2.本发明所述的一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置及检测维修方法,通过主控制器控制各个电机的转动,自动拧紧螺栓和螺母,利用自动化智能化的机械代替人工劳力,不但大大减少了工人的劳动量,而且避免了工人在铁轨养护过程中人身安全隐患,保证了工人的生命财产安全。
3.本发明所述的一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置及检测维修方法,对移动电机选择时,可以根据铁轨螺栓的尺寸和预紧力选择合适的步进电机,代替人工拧紧,防止当预紧力过大时,将会使螺栓在偶然过载的情况下产生塑性变形而松动,甚至拉断,且防止预紧力不够时,螺栓容易自然松动。
附图说明
图1为本发明在铁轨上的结构示意图。
图2为本发明的结构示意图。
图3为本发明检测维修装置的结构示意图。
图4为本发明螺母旋拧机构的结构示意图。
图5为本发明的螺栓检测动作流程图。
图6为安装铁轨螺栓时,螺栓的标记示意图。
图7为本发明检测时CCD相机拍摄和处理的螺栓示意图。
图8为本发明的螺母松动检测图像分析示意图。
图9为本发明的控制流程图。
其中:100、机架;110、移动轮;120、移动电机;
200、检测维修装置;210、调整机构;211、丝杠;212、升降电机;213、调整平台;220、螺母旋拧机构;221、万用套筒;222、旋转电机;230、CCD相机;
300、蓄电池;
400、配电箱;
500、第一标记;
600、第二标记。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
参照图1-图9所示,一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置,包括机架100、检测维修装置200、图像处理模块、主控制器和辅助模块。
参照图1-图2所示,机架100为矩形框架结构,机架100底部设有在铁轨上滚动的移动轮110和带动移动轮110转动的移动电机120。本发明中,移动轮110包括2个前轮和2个后轮,2个后轮均为驱动轮,每个后轮通过一个移动电机120带动转动。移动电机120和后轮间设有齿轮传动装置,齿轮传动装置包括第一齿轮和第二齿轮,具体的,移动电机120的输出轴上安装有第一齿轮,后轮的转轴上安装有与第一齿轮你和的第二齿轮。
参照图1-图4所示,测维修装置200设在机架100上,检测维修装置200包括调整机构210、螺母旋拧机构220和CCD相机230。两个调整机构210对称设置在机架100上且分别与铁轨的两条轨道相对。调整机构210包括竖直设置的丝杠211、驱动丝杠211转动的升降电机212和在丝杠211上上下滑动的调整平台213,调整平台213通过丝杠螺母安装在丝杠211上。由于每条轨道内侧外和外侧均设有螺栓,因此调整平台213上设有两个螺母旋拧机构220,两个螺母旋拧机构220相对于丝杠211对称。螺母旋拧机构220包括万用套筒221和驱动万用套筒221转动的旋转电机222,CCD相机230安装在机架100上且镜头朝下用于进行螺栓图像的采集。
图像处理模块接收CCD相机230采集的图像进行处理,图像处理模块包括图片预处理单元、图像灰度变换单元、图像滤波单元、图像边缘检测单元和图像分割单元,图片预处理单元与CCD相机230相连接,图像滤波单元与图片预处理单元相连接,图像灰度变换单元与图像滤波单元相连接,图像边缘检测单元与图像灰度变换单元相连接,图像分割单元和图像边缘检测单元相连接。
本发明中,图像处理模块采用FPGA芯片。
其中,图像预处理单元消除图像中的干扰信息,增强需要识别的信息,为之后的处理做准备。图像灰度变换单元用于对CCD相机230拍摄的图像进行灰度处理。图像滤波单元用于对螺栓的灰度图像进行降噪以及平滑处理。图像边缘检测单元用于对螺栓图像中的有用标识进行定位,图像分割单元用于分割有用标识。
主控制器与图像分割单元相连接,对螺栓图像的信息进行分析和对比,并通过驱动器发出相应的脉冲控制旋转电机222、升降电机212和移动电机120的转动。
辅助模块包括蓄电池300、配电箱400和SD卡存储器,蓄电池300安装在机架100上用于给整个装置提供电源,配电箱400安装在机架100上用于放置主控制器和多个驱动器,主控制器和多个驱动器相连接,各个驱动器分别与旋转电机222、升降电机212、移动电机120相连接,SD卡存储器与主控制器相连接用于储存安装螺栓时和检测螺栓时的图像信息及主控制器分析的参数。
万用套筒221包括套筒本体和活动杆,套筒本体为底部开口的圆柱形腔体结构,多根活动杆设在套筒本体内部,活动杆通过弹簧和套筒本体顶部连接。通过设置万用套筒221,可以适应各种角度的螺栓。本发明中,万用套筒221底部设有引导曲面,引导曲面为向下张开的弧形面。螺母旋拧机构220在进行螺母旋拧作业时,升降电机212带动丝杠转动,使调整平台213带动螺母旋拧机构220下降到螺栓上方时停止运动。在调整平台213下降的过程中,万用套筒221底部的引导曲面能够保证万用套筒221与螺栓间平稳的连接过渡。当螺栓上表面接触到万用套筒221内带有弹簧的活动杆时,活动杆回缩以实现对螺栓形状的适应,此时螺栓侧表面与活动杆侧面形成多个摩擦副,配合万用套筒221上方的旋转电机222,以此提供足够的旋拧主动力进行螺母旋拧。
主控制器为STM32单片机。参照图9所示,为本发明的总机械电控流程图,由STM32进行核心控制,将图像识别到的松动螺栓信息收到后,进行位置定位和驱动旋拧两方面的调控,首先由移动电机120带动移动轮110旋转,使本装置运动到松动螺栓处时,然后通过升降电机212带动丝杠转动使调整平台213带动螺母旋拧机构220下降到螺栓上方,进而通过旋转电机222转动驱动万用套筒221转动进行旋拧工作,实现螺栓和螺母的拧紧功能。
本发明中,旋转电机222、升降电机212和移动电机120均为步进电机。
在对移动电机120选择时,根据铁轨螺栓的尺寸和预紧力选择合适的步进电机,代替人工拧紧螺母,防止当预紧力过大时,将会使螺母在偶然过载的情况下产生塑性变形而松动,甚至拉断,且防止预紧力不够时,螺母容易自然松动。
参照图5-图9所示,一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修方法,包括以下步骤:
步骤1、安装铁轨螺栓时,使用红色油漆对拧紧的螺栓和螺母进行竖直方向的划线标记作业,使得螺栓和螺母上的划线在一条直线上,令螺栓上的标记为第一标记500,螺母上的标记为第二标记600;
步骤2、主控制器通过驱动器发出脉冲控制移动电机120驱动移动轮110转动,进而带动铁轨螺母松动检测维修装置200移动至铁轨螺栓处,通过CCD相机230摄取螺栓照片,进行螺栓图像的采集;
步骤3、图像处理模块接收CCD相机230采集的图像进行处理,包括进行图像预处理、图像滤波、图像灰度变换、图像边缘检测和图像分割,提取相应数据,包括第一标记500和第二标记600的坐标位置;
步骤4、根据第一标记500和第二标记600的坐标位置,利用平面几何方法计算第一标记500和第二标记600之间的相对转动角度a;
步骤5、设定相对转动角度的阈值a0,将步骤4的相对转动角度a与相对转动角度的阈值a0,进行比较,若a≥a0,则说明该螺栓已松动,若a<a0,则说明该螺栓未松动;
步骤6、主控制器通过驱动器发出脉冲控制移动电机120转动,带动基于CCD相机230的铁轨螺母松动检测维修装置200移动,使装置进一步运动到松动螺母处;
步骤7、主控制器通过驱动器发出脉冲控制升降电机212转动,带动调整平台213下降;
步骤8、主控制器通过驱动器发出脉冲控制旋转电机222转动,带动万用套筒221转动拧紧松动的螺栓和螺母。
上述步骤2中,在CCD相机230每次拍摄照片前,每次基于CCD相机230的铁轨螺母松动检测维修装置200移动的距离为铁轨延伸方向上相邻的两个螺栓间的距离。
上述步骤4中,根据划线标记的特征提取第一标记500和第二标记600,利用基于最小二乘法的分段直线拟合识别出来的标记线,利用平面几何方法计算第一标记500和第二标记600之间的相对转动角度a。
上述步骤5中,阈值a0根据实际需要设定,通过阈值a0的范围为5°~10°。
本发明中,基于CCD相机230的铁轨螺母松动检测维修装置200上共设有4个螺母旋拧机构220,在对螺母松动情况进行检测时,可对铁轨一排的4个螺栓同时进行检测,通过控制器分别控制各个螺栓上方的螺母旋拧机构220对各个螺母进行拧紧工作。一条铁轨内外两侧的螺栓上方的两个螺母旋拧机构220的升降由一个调整机构210带动升降。
最后应说明的是:以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置,其特征在于,包括:
机架,所述机架底部设有在铁轨上滚动的移动轮和驱动所述移动轮转动的移动电机;
检测维修装置,设在机架上,包括调整机构、螺母旋拧机构和CCD相机,两个调整机构分别与铁轨的两条轨道相对,所述调整机构包括竖直设置的丝杠、驱动丝杠转动的升降电机和在丝杠上上下滑动的调整平台,两个所述螺母旋拧机构设在所述调整平台上且相对于所述丝杠对称,所述螺母旋拧机构包括万用套筒和驱动所述万用套筒转动的旋转电机,CCD相机安装在机架上且镜头朝下用于进行螺栓图像的采集;
图像处理模块,接收CCD相机采集的图像进行处理,包括图片预处理单元、图像滤波单元、图像灰度变换单元、图像边缘检测单元和图像分割单元,所述图片预处理单元与所述CCD相机相连接,所述图像灰度变换单元与所述图片预处理单元相连接,所述图像滤波单元与所述图像灰度变换单元相连接,图像边缘检测单元与所述图像灰度变换单元相连接,图像分割单元和所述图像边缘检测单元相连接;
主控制器,与图像分割单元相连接,对螺栓图像的信息进行分析和对比,并通过各个驱动器发出相应的脉冲控制所述旋转电机、升降电机和移动电机的转动;
辅助模块,包括蓄电池、配电箱和SD卡存储器,所述蓄电池安装在机架上用于给整个装置提供电源,所述配电箱安装在机架上用于放置主控制器和多个驱动器,所述主控制器和多个驱动器相连接,各个驱动器分别与所述旋转电机、升降电机、移动电机相连接,所述SD卡存储器用于储存安装螺栓时和检测螺栓时的图像信息及主控制器分析的参数。
2.根据权利要求1所述的基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置,其特征在于:所述万用套筒包括套筒本体和活动杆,所述套筒本体为底部开口的圆柱形腔体结构,多根所述活动杆设在所述套筒本体内部,所述活动杆通过弹簧和所述套筒本体顶部连接。
3.根据权利要求1所述的基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置,其特征在于:所述主控制器为STM32单片机。
4.根据权利要求1所述的基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置,其特征在于:所述旋转电机、升降电机和移动电机均为步进电机。
5.根据权利要求1所述的基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置,其特征在于:所述图像处理模块采用FPGA芯片。
6.根据权利要求1所述的基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置,其特征在于:所述万用套筒底部设有引导曲面,所述引导曲面为向下张开的弧形面。
7.一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1、安装铁轨螺栓时,使用红色油漆对拧紧的螺栓和螺母进行竖直方向的划线标记作业,使得螺栓和螺母上的划线在一条直线上,令螺栓上的标记为第一标记,螺母上的标记为第二标记;
步骤2、主控制器通过驱动器发出脉冲控制移动电机驱动移动轮转动,进而带动铁轨螺母松动检测维修装置移动至铁轨螺栓处,通过CCD相机摄取螺栓照片,进行螺栓图像的采集;
步骤3、图像处理模块接收CCD相机采集的图像进行处理,包括进行图像预处理、图像滤波、图像灰度变换、图像边缘检测和图像分割,提取相应数据,包括第一标记和第二标记的坐标位置;
步骤4、根据第一标记和第二标记的坐标位置,计算第一标记和第二标记之间的相对转动角度a;
步骤5、设定相对转动角度的阈值a0,将步骤4的相对转动角度a与相对转动角度的阈值a0,进行比较,若a≥a0,则说明该螺母已松动,若a<a0,则说明该螺母未松动;
步骤6、主控制器通过驱动器发出脉冲控制移动电机转动,带动基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修装置移动,使装置进一步运动到松动螺母处;
步骤7、主控制器通过驱动器发出脉冲控制升降电机转动,带动调整平台下降;
步骤8、主控制器通过驱动器发出脉冲控制旋转电机转动,带动万用套筒转动拧紧松动的螺栓和螺母。
8.根据权利要求7所述的一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修方法,其特征在于:所述步骤2中,每次铁轨螺母松动检测维修装置移动的距离为铁轨延伸方向上相邻的两个螺栓间的距离。
9.根据权利要求7所述的一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修方法,其特征在于:所述步骤4中,根据划线标记的特征提取第一标记和第二标记,利用基于最小二乘法的分段直线拟合识别出来的第一标记和第二标记,利用平面几何方法计算第一标记和第二标记之间的相对转动角度a。
10.根据权利要求7所述的一种基于CCD相机的铁轨螺母松动检测维修方法,其特征在于:所述步骤5中,阈值a0的范围为5°~10°。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication
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