CN203274695U - 基于机器视觉的钢轨磨损测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于机器视觉的钢轨磨损测量装置，包括主控制板、电源板、激光控制板和视频板，电源板用于为主控制板、激光控制板和视频板提供稳定的直流电压；激光控制板与两个大功率激光器电连接；视频板与两个CCD摄像机电连接；主控制板分别与电源板、激光控制板和视频板连接，用于控制两个大功率激光器的通断和强度，以及控制两个CCD摄像机的拍摄动作。本实用新型的有益效果：根据计划磨削量，计算合适的钢轨打磨列车的打磨速度、打磨功率、不同角度电机分布，对钢轨进行打磨；克服人工和机械接触式测量方式劳动量大、环境恶劣、效率低等缺点；能以角度方式显示现场钢轨的磨损量和计划磨削量，分区域计算现场钢轨的计划磨削面积。

Description

基于机器视觉的钢轨磨损测量装置

技术领域

本实用新型涉及钢轨测量领域，具体涉及一种基于机器视觉的钢轨磨损测量装置。

背景技术

铁路是国家交通运输的大动脉，承担了我国70%以上的客运和货运任务，钢轨的状态是否完好，直接影响着列车能否按规定的速度安全、平稳和不间断的运行。列车的高速、重载、高密度运行，加速了钢轨的磨损。当磨损超过一定限度，一方面将改变钢轨与列车车轮踏面的接触关系，增大列车运行阻力，进一步加快钢轨的磨损，对行车安全造成极大的影响；另一方面列车的蛇行运动加剧，会发生剧烈摇摆，严重影响乘客的舒适度。所以需要定期对钢轨磨损程度进行检测，适时安排钢轨打磨施工，修复钢轨廓形，改善轮轨关系，以保证列车的运行稳定和安全。

在钢轨磨损检测和打磨量测量技术方面，常见的钢轨磨损检测仪可以分为机械接触式、电子式和非接触光学式。机械接触式钢轨磨损检测仪操作比较繁琐、人工劳动强度大、效率低、容易损坏；电子式钢轨磨损检测仪比机械接触式有较大进步，但检测精度不高，还未能实现在线自动检测；非接触光学式钢轨磨损检测仪性能比以上两种更先进，检测精度较高，可以实现在线自动检测，但是国内还没有生产厂家，主要依赖于从国外进口。而国外非接触光学检测系统大部分都安装在轨检车上，并要求该检测系统与轨检车配套捆绑销售，这极大提高了设备的购买成本和维护成本。目前在我国运营铁路的钢轨磨损检测工作主要是由经验丰富的工人目测或使用机械式卡尺检测，存在着检测效率低、检测精度不高等问题，已不能满足高速铁路的发展需要。如何精确而高效地检测钢轨磨损是国、内外铁路部门的一个重要的研究课题。

在钢轨打磨策略方面，随着全路大量配备先进的钢轨打磨列车，钢轨打磨作业效率明显提升，但钢轨打磨列车的打磨作业完全依赖于操作人员的经验，一般可以凭经验从模式库中选择以往用过的模式作业，经验丰富的可以现编模式试作业。钢轨打磨作业没有明确的工艺标准，主观性、随意性很大，作业质量不稳定。高速铁路的打磨主要通过增加打磨遍数来满足质量要求，大量存在不必要的打磨，既增加了钢轨打磨的成本，又缩短了钢轨的使用寿命。因此，开展钢轨打磨技术研究、制定钢轨打磨工艺标准，是铁路钢轨修理工作中的一个重要的研究课题。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于机器视觉的钢轨磨损测量装置。

本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

基于机器视觉的钢轨磨损测量装置，包括主控制板、电源板、激光控制板和视频板，电源板用于为主控制板、激光控制板和视频板提供稳定的直流电压；激光控制板与两个大功率激光器电连接；视频板与两个CCD摄像机电连接；主控制板分别与电源板、激光控制板和视频板连接，用于控制两个大功率激光器的通断和强度，以及控制两个CCD摄像机的拍摄动作。

按上述方案，所述两个大功率激光器分别安装在被测钢轨的左右两侧，两个大功率激光器投射到被测钢轨上的线束位于同一平面，且均与被测钢轨的廓型曲线垂直。

按上述方案，所述两个CCD摄像机对应设于两个大功率激光器的旁边，且每个CCD摄像机的光轴分别与同侧的大功率激光器的光轴成45°～60°夹角，以清楚完整的拍摄钢轨廓形曲线。

本实用新型测量装置进行钢轨磨损的打磨策略方法，包括以下步骤：

1）利用测量装置对钢轨打磨前的既有钢轨廓形进行测量，选择打磨后的基准廓形，将钢轨的既有钢轨廓形与基准廓形之间的面积差值设为打磨断面的计划磨削量；

2）利用钢轨打磨列车对钢轨进行打磨，根据计划磨削量，结合钢轨打磨列车的单遍最大磨削量，计算打磨遍数，打磨遍数为计划磨削量除以单遍最大磨削量进行向上取整的整数；打磨遍数确定后，分配钢轨打磨列车的初始打磨量；

3）根据初始打磨量，在钢轨打磨列车的打磨速度范围12～18km/h内，选择钢轨打磨列车的打磨速度V；

4）根据本实用新型测量装置所测的钢轨廓形面积数据，将钢轨断面廓形划分为内侧、顶面和外侧3个区域，不同区域对应不同的计划磨削量，根据不同磨削量计算不同角度下钢轨打磨列车的电机分布个数，钢轨打磨列车的电机分布个数按照电机总个数和角度的比例分布；

5）根据钢轨打磨列车作业过程中，相同工况的N个砂轮的钢轨断面总磨削量△S与打磨功率Ρ之间的关系式计算钢轨打磨列车的打磨功率Ρ；

6）根据计划磨削量，选择钢轨打磨列车的打磨速度、打磨功率、电机分布个数，输出打磨策略，利用钢轨打磨列车对钢轨进行打磨，将计划磨削量准确地打磨完成，既不过多打磨，也不欠打磨，使打磨后的钢轨廓形与基准廓形一致。

所述步骤1）中测量装置对钢轨打磨前的既有钢轨廓形进行测量时，测量装置的大功率激光器紧靠钢轨内侧，测量装置通过一条水平连接杆与被测钢轨对面的另一钢轨相连，将测量装置平衡的安置在被测钢轨上。

所述步骤5）中相同工况的N个砂轮的钢轨断面总磨削量△S与打磨功率Ρ的关系式满足：

$\mathrm{\ΔS}=\frac{V_0}{V}\·\frac{P}{P_0}\·N\·S_0$

其中，ΔS—钢轨断面总磨削量,单位mm²，S₀—基准磨削量,单位mm²，Ρ—打磨功率，单位：百分比，Ρ₀—基准打磨功率，N—砂轮个数，V—打磨速度，单位km/h，V₀—基准作业速度，单位km/h。

所述钢轨打磨列车为GMC96X型钢轨打磨列车，基准打磨功率Ρ₀为76%～77%，基准作业速度V₀为15km/h。

本实用新型的工作原理：（1）在测量方面，钢轨磨损量和钢轨修复需要的打磨量的测量基于机器视觉，采用两个CCD摄像机和两个大功率激光发射器，主控制板控制整个装置；（2）在打磨策略输出方面，按照所测得的计划磨削量，并根据钢轨打磨作业基准廓形、钢轨既有廓形，结合钢轨打磨列车性能及相关作业条件进行分析，自动生成打磨策略（包括打磨速度、打磨功率、电机分布等），同时含有人机交互环节，满足特殊方案选择需求。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、能导入CAD软件绘制的廓形图作为基准廓形，也能选择通过测量装置现场测量的钢轨廓形作为基准廓形，不仅能检测现场钢轨的磨损量，而且能计算需打磨钢轨的计划磨削量，误差不超过±0.1mm，克服人工测量方式和机械接触式测量方式劳动量大、环境恶劣、效率低等缺点；

2、能以坐标或角度两种方式显示现场钢轨的磨损量和计划磨削量，能分区域计算现场钢轨的计划磨削面积，误差不超过±10%；且能从现场同一区段所测量的几次钢轨廓形中，选择一个廓形代表，并在此基础上自动生成打磨策略（包括打磨速度、打磨功率、不同角度电机分布等），同时含有人机交互环节，满足特殊方案选择需求。

附图说明

图1为本实用新型测量装置的结构框图。

图2为本实用新型测量装置的信号连接示意图。

图3为本实用新型测量装置的激光器和CCD摄像机安装示意图。

图4为本实用新型测量装置的使用示意图。

图5为本实用新型打磨策略方法的打磨量示意图。

图6为本实用新型打磨策略方法的打磨分区域示意图。

图7为本实用新型打磨策略方法流程示意图。

图8为本实用新型打磨策略输出结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型所述的基于机器视觉的钢轨磨损测量装置，包括主控制板、电源板、激光控制板和视频板，电源板用于为主控制板、激光控制板和视频板提供稳定的直流电压；激光控制板与两个大功率激光器电连接；视频板与两个CCD摄像机电连接；主控制板分别与电源板、激光控制板和视频板连接，用于控制两个大功率激光器的通断和强度，以及控制两个CCD摄像机的拍摄动作。

如图2所示，本实用新型测量装置的实施实例的信号连接图，所述电源板用于起稳压和对外面的直流电源进行电压转换，将外接12V的电池电压稳压后供给主控制板供电，同时将外接12V的电池电压转换成5V并稳压后分别给视频板和激光控制板供电；主控制板作为本实用新型测量装置的核心电路板，通过输出开关信号给激光控制板以控制两个大功率激光器的通断；通过输出强度信号给激光控制板以控制两个大功率激光器的强度；通过输出拍摄信号给视频板以控制两个CCD摄像机的拍摄动作；通过输出图像存取信号给视频板以将两个CCD摄像机拍摄的廓形数据传回给主控制板。

如图3所示的激光和相机的安装示意图，所述两个大功率激光器分别安装在被测钢轨的左右两侧，两个大功率激光器投射到被测钢轨上的线束位于同一平面，且均与被测钢轨的廓型曲线垂直。所述两个CCD摄像机对应设于两个大功率激光器的旁边，且每个CCD摄像机的光轴分别与同侧的大功率激光器的光轴成60°夹角，以清楚完整的拍摄钢轨廓形曲线。

如图4所示，本实用新型测量装置工作时，将测量装置的大功率激光器紧靠钢轨内侧，测量装置通过一条水平连接杆与被测钢轨对面的另一钢轨相连，从而将测量装置平衡的安置在被测钢轨上。

如图5所示的打磨量示意图，利用测量装置对钢轨打磨前的既有钢轨廓形进行测量，选择打磨后的基准廓形，将钢轨的既有钢轨廓形与基准廓形之间的面积差值设为打磨断面的计划磨削量；根据计划磨削量，选择钢轨打磨列车的打磨速度、打磨功率、电机分布及电机个数，利用GMC-96x型钢轨打磨列车对钢轨进行打磨，将计划磨削量准确地打磨完成，既不过多打磨，也不欠打磨，使打磨后的钢轨廓形与基准廓形一致。

GMC-96x型钢轨打磨列车在每股钢轨上方的打磨电机角度可调整，沿钢轨纵向直列，每个电机带动一个砂轮旋转，在打磨列车行驶过程中，单个砂轮对钢轨相应弧段进行磨削。GMC-96x型钢轨打磨列车的参数为：打磨电机功率调节范围为50%～100%（22kW）。钢轨打磨作业过程中，通过比例阀控制加压油缸压力实现单个打磨电机输出功率恒定。砂轮磨削速度：砂轮当量直径Ds=204mm、砂轮转速ns=3600r/min、平均线速度vs=38m/s。纵向进给速度为打磨速度V，常用值为12≤V≤18km/h。根据现场实测数据，通常情况下磨削深度值为0.05≤ap≤0.1mm。

如图6所示的打磨分区示意图，根据本实用新型测量装置所测的钢轨廓形面积数据，将钢轨断面廓形分为内侧、顶面和外侧3个区域：①内侧为钢轨廓形圆弧半径R13及R80区段，包含a区（打磨区域，圆弧半径R13）和b区（打磨区域，圆弧半径R80）；②顶面为钢轨廓形圆弧半径R300区段，包含c区（打磨区域）；③外侧为钢轨廓形圆弧半径R80区段及非工作边圆弧半径R13，包含d区（打磨区域，圆弧半径R80）和e区（非打磨区域，圆弧半径R13）。通过对内侧、顶面和外侧3个区域进行划分，不同区域对应不同的计划磨削量，根据不同磨削量选择不同角度下钢轨打磨列车的电机分布个数，钢轨打磨列车的电机分布个数按照电机总个数和角度的比例分布。

决定打磨列车打磨磨削量的要素有：打磨速度—钢轨打磨车的设定作业巡航速度；打磨电机分布—打磨电机分布的数量和设定角度；打磨功率—单个打磨电机的设定功率；磨石硬度—磨石的规格型号、材质硬度；钢轨硬度—钢轨的规格型号、材质硬度。

钢轨打磨列车作业过程中，相同工况的N个砂轮的钢轨断面总磨削量△S与各作业模式各参数之间的关系如下：

$\mathrm{\ΔS}=\frac{V_0}{V}\·\frac{P}{P_0}\·N\·S_0---\left(1\right)$

式（1）中，ΔS—钢轨断面总磨削量,单位mm²；

S₀—基准磨削量,单位mm²；

Ρ—打磨功率(百分比)；

Ρ₀—基准打磨功率（77%）；

Ν—砂轮个数；

V—打磨速度，单位km/h；

V₀—基准作业速度（15km/h）。

如图7所示的打磨输出流程示意图，打磨输出步骤如下：

1）利用本实用新型测量装置对钢轨打磨前的既有钢轨廓形进行测量，选择打磨后的基准廓形，将钢轨的既有钢轨廓形与基准廓形之间的面积差值设为打磨断面的计划磨削量；

2）利用GMC-96x型钢轨打磨列车对钢轨进行打磨，根据计划磨削量，结合GMC-96x型钢轨打磨列车的单遍最大磨削量，选择打磨遍数；打磨遍数确定后，分配GMC-96x型钢轨打磨列车的初始打磨量；

3）根据初始打磨量，结合GMC-96x型钢轨打磨列车设备性能、工艺要求、磨削效果及设备应用实践经验，选择GMC-96x型钢轨打磨列车的打磨速度V；

4）根据廓形仪检查数据分析将钢轨断面廓形划分为内侧、顶面和外侧3个区域，不同区域对应不同的计划磨削量，根据不同磨削量选择不同角度下GMC-96x型钢轨打磨列车的电机分布个数；

5）根据GMC-96x型钢轨打磨列车作业过程中，相同工况的N个砂轮的钢轨断面总磨削量△S与打磨功率Ρ之间的关系式（1）计算钢轨打磨列车的打磨功率Ρ；

6）根据计划磨削量，选择GMC-96x型钢轨打磨列车的打磨速度、打磨功率、电机分布及电机个数，利用GMC-96x型钢轨打磨列车对钢轨进行打磨，将计划磨削量准确地打磨完成，既不过多打磨，也不欠打磨，使打磨后的钢轨廓形与基准廓形一致。

打磨策略输出结果如图8所示。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改，等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。

Claims (3)

1.基于机器视觉的钢轨磨损测量装置，其特征在于：包括主控制板、电源板、激光控制板和视频板，电源板用于为主控制板、激光控制板和视频板提供稳定的直流电压；激光控制板与两个大功率激光器电连接；视频板与两个CCD摄像机电连接；主控制板分别与电源板、激光控制板和视频板连接，用于控制两个大功率激光器的通断和强度，以及控制两个CCD摄像机的拍摄动作。

2.如权利要求1所述的基于机器视觉的钢轨磨损测量装置，其特征在于：所述两个大功率激光器分别安装在被测钢轨的左右两侧，两个大功率激光器投射到被测钢轨上的线束位于同一平面，且均与被测钢轨的廓型曲线垂直。

3.如权利要求1所述的基于机器视觉的钢轨磨损测量装置，其特征在于：所述两个CCD摄像机对应设于两个大功率激光器的旁边，且每个CCD摄像机的光轴分别与同侧的大功率激光器的光轴成45°～60°夹角。

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