CN112345540B - 一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法 - Google Patents

一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法，属于轨道列车转向架检修领域，获取圆形结构光在被测内孔表面上的某一轴向截面处的漫反射图像；由分析程序从中提取得到内孔截面轮廓曲线；运用最小二乘法拟合得到该轮廓的理论半径及圆心坐标数据；根据设定的阈值，识别并获得拆卸损伤的位置、宽度、深度等二维截面参数；结构光与CCD相机沿着内孔中心线做匀速进给，分析程序对获得的一系列等距漫反射图像进行处理，即可获得内孔的整体三维轮廓数据；根据设定的损伤类型区分方法，可分别给出内孔表面各处损伤的量化描述数据。

Description

一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测 方法
技术领域
本发明涉及轨道列车转向架检修领域，尤其涉及一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法。
背景技术
对于交通运输行业来说，交通工具的性能与乘员的人身安全、货物的财产安全直接挂钩，其上零件的安全服役性能尤为重要。轨道列车转向架中含有众多的过盈配合组件，因缓冲减震需要，这些过盈配合组件中大多含有橡胶件。为避免橡胶件的老化，检修企业一般采用压力法来实现过盈配合件的压装与拆卸。以转向架的定位转臂与橡胶节点过盈配合副为例，定位转臂的设计使用寿命一般为30年，在一个寿命周期内转向架定位转臂与橡胶节点因列车维修保养需要，压装/拆卸的次数最高可达30次。
由此，过盈配合面间常出现诸如划痕、犁沟、材料粘着堆积及体积缺失等类型的压装/拆卸损伤，从而对转向架的服役性能造成不利影响。所以，为了保障列车运行的安全性，必须对拆卸后的零件表面损伤情况进行详细地检测、分析与性能评估。对损伤超标零件，及时进行更换或修补，以有效避免此类问题造成的损失。在过盈配合副中，因空间限制，内孔表面的拆卸损伤比轴表面的拆卸损伤更难以用常规量具进行测量，且常规量具也难以获得有针对性的拆卸损伤数据，更无法明确给出损伤对零件服役性能的影响程度。
激光检测法是目前工业应用中常见的非接触检测法，通过激光检测可以得到物体的轮廓和物体表面形貌，目前已被应用于铁路铁轨状态、轮胎磨损、焊缝缺陷等检测场合。其中，结构光法成本低廉、测量精度较高、抗干扰能力较强，被广泛应用于工件表面缺陷的检测中。本检测法将结构光法应用于内孔过盈配合拆卸损伤的检测，由激光发射器将圆形结构光照射在被测内孔表面，圆形结构光的漫反射影像被CCD相机接收并获得图像，该图像包含了被测件表面的轮廓信息，处理后可获得零件表面的拆卸损伤状态以及损伤的特征描述参数。
发明内容
本发明为解决上述问题，而提出的一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法，包括以下步骤：所述检测方法在三维空间中进行，以所述孔轴向为Z轴方向，截面水平方向为X轴方向，竖直方向为Y轴方向，且所述XY平面的圆形结构光沿Z轴方向移动；
S1、获取内孔任一截面的实际轮廓曲线：
使用圆形结构光聚焦在内孔任一截面的表面，使CCD相机的光心轴与内孔同轴固定并对内孔表面进行拍照，对图像进行处理读取内孔截面表面轮廓数据，获得内孔截面的实际轮廓曲线；
S2、获取内孔的表面轮廓三维图像：
使圆形结构光沿内孔轴向移动，每间隔固定步长获取一帧内孔截面实际轮廓线，将每一帧内孔截面的实际轮廓线进行合并处理，得到内孔面的整体三维轮廓图像；
S3、对内孔截面实际轮廓曲线进行拟合：
对内孔实际轮廓曲线进行拟合，得到该截面的理想圆形轮廓、圆心坐标与半径值；
S4、按照下述判定方法，对内孔拆卸损伤进行类型判断及量化描述：
a.对于任一截面内的实际轮廓线，计算实际轮廓曲线上的点到理想圆圆心的距离与半径的差值，若差值超出预设阈值，即可判定该点存在拆卸损伤；
b.沿轴线方向，对二维截面损伤进行三维拼合处理，获得损伤在配合表面上的延续扩展状态；
c.对经过拼合处理得到的三维损伤，进行损伤类型判定，并给出量化描述参数：(1)若损伤的最大宽度在划痕宽度阈值内，即可判定其为划痕型拆解损伤，划痕对零件的服役性能影响较小，对此将仅给出该划痕的位置、宽度、深度、长度等描述参数；(2)若损伤的最大宽度超过划痕宽度阈值，即可判定为体积缺失(或粘着堆积)型损伤，对此将对损伤的宽度、深度(或高度)数据进行统计分析，得到损伤的扩展描述数据(如各损伤宽度区间与各深度区间的占比等)以及最大深度、最大宽度、损伤面积、损伤体积等特征参数；(3)对配合面上的损伤进行汇总统计，获得拆解损伤的总体描述数据，如各类型损伤的数量、损伤面积总和、损伤最大深度与最大宽度等；(4)按照测量需求，统计出某些具体损伤宽度区间或深度区间的损伤面积占比，并与检测者预设的损伤阈值进行比对，给出检测结论，判定被测对象是否适合进入下一服役周期。
优选地，所述S2中圆形结构光移动步长为0.5mm
优选地，所述S3中采用优化的最小二乘法对内孔截面的实际轮廓曲线进行拟合。
优选地，所述S3中实际轮廓采用最小二乘法拟合时优化三次，分别的误差值设为三个3mm，1mm和0.3mm。
优选地，所述S3中实际轮廓曲线的轮廓图像素点落在一个近似圆的轮廓上，依据每个点的位置可拟合出理性圆圆心坐标及半径，一般圆的方程为：
(x-xc)2+(y-yc)2＝R2
最小二乘拟合一般要求距离差的平方和为最小：
Figure BDA0002765976630000043
考虑到求解问题，将其转化为：
Figure BDA0002765976630000041
令
Figure BDA0002765976630000042
当f取最小值时，拟合出理想圆的圆心坐标与半径，然而由于损伤部位的存在，损伤部位会对圆的拟合产生一定程度的影响，所以根据上述原理，将最小二乘法进行改进，设置一个拟合误差值，每次拟合之后将点到圆心的距离超出这个误差值的点全部剔除，然后用余下的点进行拟合，不断重复这个过程，直至拟合后所有的点均在拟合的误差值内，即可视为拟合成功。
优选地，所述S4中判定内孔表面损伤是否存在的预设标准值设置为0.5mm。
优选地，所述S4中用于判定划痕缺陷的宽度阈值设为1mm。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法，具备以下有益效果：
1.本发明的有益效果是：本检测法将结构光法应用于内孔过盈配合拆卸损伤的检测，由激光发射器将圆形结构光照射在被测内孔表面，圆形结构光的漫反射影像被CCD相机接收并获得图像，该图像包含了被测件表面的轮廓信息，处理后可获得零件表面的拆卸损伤状态以及损伤的特征描述参数，能够准确地获得内孔轮廓的三维形貌，判断出损伤的类型，对损伤进行量化描述，为测量者评估零件的服役性能提供依据。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法的内孔表面损伤测量流程图；
图2为本发明提出的一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的图像数据处理中理想拟合圆；
图3为本发明提出的一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的图像数据处理中某截面的二维损伤。
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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。
实施例1：
一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法，包括以下步骤：所述检测方法在三维空间中进行，以所述孔轴向为Z轴方向，截面水平方向为X轴方向，竖直方向为Y轴方向，且所述XY平面的圆形结构光沿Z轴方向移动；
S1、获取内孔任一截面的实际轮廓曲线：
使用圆形结构光聚焦在内孔任一截面的表面，使CCD相机的光心轴与内孔同轴固定并对内孔表面进行拍照，对图像进行处理读取内孔截面表面轮廓数据，获得内孔截面的实际轮廓曲线；
S2、获取内孔的表面轮廓三维图像：
使圆形结构光沿内孔轴向移动，每间隔固定步长获取一帧内孔截面实际轮廓线，将每一帧内孔截面的实际轮廓线进行合并处理，得到内孔面的整体三维轮廓图像；
S3、对内孔截面实际轮廓曲线进行拟合：
对内孔实际轮廓曲线进行拟合，得到该截面的理想圆形轮廓、圆心坐标与半径值；
S4、按照下述判定方法，对内孔拆卸损伤进行类型判断及量化描述：
a.对于任一截面内的实际轮廓线，计算实际轮廓曲线上的点到理想圆圆心的距离与半径的差值，若差值超出预设阈值，即可判定该点存在拆卸损伤；
b.沿轴线方向，对二维截面损伤进行三维拼合处理，获得损伤在配合表面上的延续扩展状态；
c.对经过拼合处理得到的三维损伤，进行损伤类型判定，并给出量化描述参数：(1)若损伤的最大宽度在划痕宽度阈值内，即可判定其为划痕型拆解损伤，划痕对零件的服役性能影响较小，对此将仅给出该划痕的位置、宽度、深度、长度等描述参数；(2)若损伤的最大宽度超过划痕宽度阈值，即可判定为体积缺失(或粘着堆积)型损伤，对此将对损伤的宽度、深度(或高度)数据进行统计分析，得到损伤的扩展描述数据(如各损伤宽度区间与各深度区间的占比等)以及最大深度、最大宽度、损伤面积、损伤体积等特征参数；(3)对配合面上的损伤进行汇总统计，获得拆解损伤的总体描述数据，如各类型损伤的数量、损伤面积总和、损伤最大深度与最大宽度等；(4)按照测量需求，统计出某些具体损伤宽度区间或深度区间的损伤面积占比，并与检测者预设的损伤阈值进行比对，给出检测结论，判定被测对象是否适合进入下一服役周期。
进一步，优选地，所述S2中圆形结构光移动步长为0.5mm
进一步，优选地，所述S3中采用优化的最小二乘法对内孔截面的实际轮廓曲线进行拟合。
进一步，优选地，所述S3中实际轮廓采用最小二乘法拟合时优化三次，分别的误差值设为三个3mm，1mm和0.3mm。
进一步，优选地，所述S3中实际轮廓曲线的轮廓图像素点落在一个近似圆的轮廓上，依据每个点的位置可拟合出理性圆圆心坐标及半径，一般圆的方程为：
(x-xc)2+(y-yc)2＝R2
最小二乘拟合一般要求距离差的平方和为最小：
Figure BDA0002765976630000081
考虑到求解问题，将其转化为：
Figure BDA0002765976630000082
令
Figure BDA0002765976630000083
当f取最小值时，拟合出理想圆的圆心坐标与半径，然而由于损伤部位的存在，损伤部位会对圆的拟合产生一定程度的影响，所以根据上述原理，将最小二乘法进行改进，设置一个拟合误差值，每次拟合之后将点到圆心的距离超出这个误差值的点全部剔除，然后用余下的点进行拟合，不断重复这个过程，直至拟合后所有的点均在拟合的误差值内，即可视为拟合成功。
进一步，优选地，所述S4中判定内孔表面损伤是否存在的预设标准值设置为0.5mm。
进一步，优选地，所述S4中用于判定划痕缺陷的宽度阈值设为1mm。
实施例2：基于实施例1有所不同的是；
在三维空间中，为了便于描述，以所述孔轴向为Z轴方向，截面水平方向为X轴方向，竖直方向为Y轴方向。
圆形结构光是由点激光照射在圆锥反射镜上反射形成的圆形激光线；圆形激光线投射到内孔轮廓面上，从另一侧对内孔表面的激光线用CCD相机拍照；CCD相机的光心与点激光线同轴，平行于内孔的轴线，得到该位置内孔截面的实际轮廓的数据图像；CCD相机通过数据线将数据图像传给计算机，通过计算机对数据图像进行处理，得到该内孔截面的实际轮廓曲线的原始数据。同时，使圆形激光线沿着内孔轴向移动，连续采集内孔不同截面的轮廓数据，将数据合并处理后，可以得到内孔整体的原始三维轮廓图像。通过上述过程完成了内孔原始轮廓数据采集和初步处理。
内孔表面缺陷的检测，关键找出缺陷的三维信息，并依据缺陷尺寸大小判定缺陷的种类。图3给出内孔任一截面的实际轮廓曲线。采集到的内孔截面实际轮廓曲线数据是由一系列离散的点(xi，yi)组成。以最小二乘法为基础，对于一系列近似的数列点pi(xi，yi)，其中i＝1，2,…，m，求近似圆的方程，一般圆的方程为：
(x-xc)2+(y-yc)2＝R2
并使近似圆上的点与实际轮廓曲线上对应点的偏差最小，即最小二乘拟合一般要求距离差的平方和为最小：
Figure BDA0002765976630000101
考虑到求解问题，将其转化为：
Figure BDA0002765976630000102
令
Figure BDA0002765976630000103
当f取最小值时，拟合出理想圆的圆心坐标与半径。需要注意的是，由于损伤部位的存在，损伤部位会对圆的拟合产生一定程度的影响。因此根据上述原理，将最小二乘法进行改进，设置一个拟合时的误差值，每次拟合之后将点到圆心的距离超出这个误差值的点全部剔除，然后用余下的点进行拟合；不断重复这个过程，直至拟合后所有的点均在拟合的误差值内，才可视为拟合成功。
由此拟合了一帧内孔轮廓截面轮廓的理想圆，参考图2。
以恒定的速度沿内孔轴线方向移动圆形结构光，每间隔0.5mm获取一帧内孔截面的实际轮廓曲线。对连续得到的所有内孔截面轮廓曲线，进行合并处理就得到了内孔整体的三维轮廓图像。
对于每一帧轮廓曲线，如果实际轮廓曲线上的点到理想圆圆心的距离与理想圆半径的差值超出预设误差0.5mm，则判定该点存在拆卸损伤，得到该截面的二维损伤信息，参考下表1。
表1-损伤参数
Figure BDA0002765976630000104
单一内孔截面的数据图像只能反映一个截面上的损伤，对于损伤的整体延续扩展状态则无法反映。通过上述得到的内孔整体三维轮廓图像，可以实现表面三维损伤分析。沿内孔轴线方向，从出现损伤的第一帧轮廓开始，到损伤停止的最后一帧轮廓，用包含轮廓的帧数乘以扫描步长0.5mm，就可以计算出缺陷的长度，以及缺陷在Z轴方向上的的深度、宽度变化情况。
若损伤的最大宽度在划痕宽度阈值内，即可判定其为划痕型拆解损伤，给出该划痕的位置、宽度、深度、长度等描述参数；若损伤的最大宽度超过划痕宽度阈值，即可判定为体积缺失(或粘着堆积)型损伤，得到该损伤的特征参数如最大深度、最大宽度、损伤面积、损伤体积等。
对配合面上的损伤进行汇总统计，可获得拆解损伤的总体描述数据，如各类型损伤的数量、损伤面积总和、损伤最大深度与最大宽度等。并可按照测量者的需求，统计出某些具体损伤宽度区间或深度区间的损伤面积占比，从而与检测者预设的损伤阈值进行比对，给出检测判断，决定被测对象是否适合进入下一服役周期。
经过上述检测过程，就能够准确地获得内孔轮廓的三维形貌，精确判断出损伤的类型，对损伤进行量化描述，评估零件的服役性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：所述检测方法在三维空间中进行，以孔轴向为Z轴方向，截面水平方向为X轴方向，竖直方向为Y轴方向，且XY平面的圆形结构光沿Z轴方向移动；
S1、获取内孔任一截面的实际轮廓曲线：
使用圆形结构光聚焦在内孔任一截面的表面，使CCD相机的光心轴与内孔同轴固定并对内孔表面进行拍照，对图像进行处理读取内孔截面表面轮廓数据，获得内孔截面的实际轮廓曲线；
S2、获取内孔的表面轮廓三维图像：
使圆形结构光沿内孔轴向移动，每间隔固定步长获取一帧内孔截面实际轮廓线，将每一帧内孔截面的实际轮廓线进行合并处理，得到内孔面的整体三维轮廓图像；
S3、对内孔截面实际轮廓曲线进行拟合：
对内孔实际轮廓曲线进行拟合，得到该截面的理想圆形轮廓、圆心坐标与半径值；
S4、按照下述判定方法，对内孔拆卸损伤进行类型判断及量化描述：
a.对于任一截面内的实际轮廓线，计算实际轮廓曲线上的点到理想圆圆心的距离与半径的差值，若差值超出预设阈值，即可判定该点存在拆卸损伤；
b.沿轴线方向，对二维截面损伤进行三维拼合处理，获得损伤在配合表面上的延续扩展状态；
c.对经过拼合处理得到的三维损伤，进行损伤类型判定，并给出量化描述参数：(1)若损伤的最大宽度在划痕宽度阈值内，即可判定其为划痕型拆解损伤，划痕对零件的服役性能影响较小，对此将仅给出该划痕的位置、宽度、深度、长度的描述参数；(2)若损伤的最大宽度超过划痕宽度阈值，即可判定为体积缺失型损伤，对此将对损伤的宽度、深度数据进行统计分析，得到损伤的扩展描述数据以及最大深度、最大宽度、损伤面积、损伤体积的特征参数；扩展描述数据包括各损伤宽度区间与各深度区间的占比；(3)对配合面上的损伤进行汇总统计，获得拆解损伤的总体描述数据，包括各类型损伤的数量、损伤面积总和、损伤最大深度与最大宽度；(4)按照测量需求，统计出具体损伤宽度区间或深度区间的损伤面积占比，并与检测者预设的损伤阈值进行比对，给出检测结论，判定被测对象是否适合进入下一服役周期。
2.根据权利要求1所述的一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法，其特征在于：所述S2中圆形结构光移动步长为0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法，其特征在于：所述S3中采用优化的最小二乘法对内孔截面的实际轮廓曲线进行拟合。
4.根据权利要求1所述的一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法，其特征在于：所述S3中实际轮廓采用最小二乘法拟合时优化三次，三个误差值分别设为3mm，1mm和0.3mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法，其特征在于：所述S3中实际轮廓曲线的轮廓图像素点落在一个近似圆的轮廓上，依据每个点的位置可拟合出理想圆圆心坐标及半径，圆的方程为：
(x-xc)2+(y-yc)2＝R2
最小二乘拟合要求距离差的平方和为最小：
Figure FDA0003852028270000031
考虑到求解问题，将其转化为：
Figure FDA0003852028270000032
令
Figure FDA0003852028270000033
当f取最小值时，拟合出理想圆的圆心坐标与半径，然而由于损伤部位的存在，损伤部位会对圆的拟合产生一定程度的影响，将最小二乘法进行改进，设置一个拟合误差值，每次拟合之后将点到圆心的距离超出这个误差值的点全部剔除，然后用余下的点进行拟合，不断重复这个过程，直至拟合后所有的点均在拟合的误差值内，即可视为拟合成功。
6.根据权利要求1所述的一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法，其特征在于：所述S4中判定内孔表面损伤是否存在的预设阈值设置为0.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于圆形结构光检测内孔过盈配合表面拆卸损伤的检测方法，其特征在于：所述S4中用于判定划痕缺陷的宽度阈值设为1mm。
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