CN112880586B - 钢轨廓形动态检测方法及*** - Google Patents

钢轨廓形动态检测方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明属于钢材检测设备技术领域，公开了一种钢轨廓形动态检测方法，图像采集单元采集钢轨端部的信息，生成端部数据；像采集单元采集钢轨两端之间身部的信息，生成身部数据；将端部数据和身部数据传输至数据处理单元，所述数据处理单元对端部数据和身部数据进行分析计算，获得实际数据；所述数据处理单元具有钢材的标准数据，数据处理单元将实际数据和标准数据进行比对，获得结果数据。本发明克服了目前手工检测所带来的结果偶然性；且避免了检测易受外界抖动影响，保障了检测精度。本发明还公开了一种钢轨廓形动态检测***。

Description

钢轨廓形动态检测方法及***
技术领域
本发明属于钢材检测设备技术领域，尤其涉及一种钢轨廓形动态检测方法及***。
背景技术
随着高速、重载铁路的不断发展，无缝线路因其高稳定性和可靠性受到广泛认可。作为无缝线路关键技术之一的钢轨焊接技术，对无缝线路的发展有着重要影响。
钢轨的焊前检查是钢轨焊接的必要前提，焊前检查包括检查钢轨前后两端的钢轨型式尺寸、钢轨端头平直度、扭曲和端面斜度，以及全长钢轨的表面质量。目前我国各焊轨基地焊接生产线上钢轨外形尺寸检测主要依靠人工采用一些便携式的检测仪器进行关键参数的检测，对于表面的检测主要依靠人眼完成检测。此种操作方式易受人为影响，检测结果存在一定的偶然性，同时，依靠便携仪器检测，需人工将检测结果输入***，导致检测效率不高。
目前，国外研发出的一款钢轨高精度测量仪，主要用于钢轨生产过程中冷处理和/或热处理后检测，集成了高精度的2D相机和3D相机，该设备价格昂贵，且不适用于我国的轨型；为适应国情，我国研制出了基于线结构光传感器或者点激光传感器的钢轨在线检测样机，该样机对钢轨的抖动具有苛刻的要求，检测准确性无法得到保障，同时无法有效的检测端面斜度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种钢轨廓形动态检测方法，克服了目前手工检测所带来的结果偶然性；并相对于样机检测来说，避免了检测易受外界抖动影响，保障了检测精度。本发明还公开了一种使用上述方法的检测***，使得钢轨廓形动态检测方法能够更便捷的实现检测。本发明的具体技术方案如下：
钢轨廓形动态检测方法，包括如下步骤：
将待测钢轨送入检测***的检测区；
图像采集单元采集待测钢轨端部的信息，生成端部数据；
图像采集单元采集待测钢轨两端之间身部的信息，生成身部数据；
将端部数据和身部数据传输至数据处理单元，所述数据处理单元对端部数据和身部数据进行分析计算，获得实际数据；
所述数据处理单元具有钢材的标准数据，数据处理单元将实际数据和标准数据进行比对，获得结果数据。
优选的，所述端部数据包括首部数据；所述首部数据的获取步骤包括：
图像采集单元进行数据获取，获得首部数据。
优选的，所述身部数据的获取步骤包括：
数据处理单元获得首部数据；
图像采集单元再进行数据获取，得到身部数据。
优选的，所述端部数据还包括尾部数据；所述尾部数据的获取步骤包括：
数据处理单元获得身部数据；
图像采集单元最后进行数据获取，得到尾部数据。
钢轨廓形动态检测***，包括：
用于输送待测钢轨的传输机构；
固定设置且用于全景扫描的第一扫描机构；
行架，所述行架设有沿待测钢轨长度方向移动且用于线性扫描的第二扫描机构；以及
数据处理设备，所述数据处理设备分别电性连接第一扫描机构和第二扫描机构。
本发明通过第一扫描机构和第二扫描机构实现了对待测钢材的图像扫描，并通过传输机构使得检测***在不同阶段根据实际情况进行分段数据采集，从而满足检测要求。
优选的，所述第一扫描机构包括：
固定设置的罩壳；以及
3D成像设备，所述3D成像设备具有4个，分别位于罩壳的四角。
在发明中，3D成像设备能够实现待测钢轨表面缺陷深度判定；而罩壳具有一定的强度和防护能力，能够为成像设备提供安全防护防尘。
优选的，所述传输机构包括：
固定设置的架体；
用于运输待测钢轨的托辊；
导向机构，所述导向机构将跑偏的待测钢轨扶正；以及
标定板，所述标定板在架体的高度方向上上下活动，用于将标定板移动到图像采集单元的视场范围内。
在本发明中，所述导向机构能够在待测钢轨发生运动偏移后，有效纠正跑偏现象；而标定板的设置能够使待测钢轨在进行图像扫描时，获得准确的位置，以此实现辅助待测钢轨的图像采集。
优选的，所述标定板设有锁止机构，所述锁止机构将向下运动后的标定板与架体锁止。
所述锁止机构能够使标定板和待测钢轨实现稳定的连接，从而保证待测钢轨在标定时具有更加准确的位置精度。
优选的，所述传输机构的两端分别设有进料编码器和出料编码器；所述进料编码器和出料编码器分别与数据处理设备电性连接。
本发明通过进料编码器和出料编码器实现待测钢轨的绝对定位，从而配合标定板实现对待测钢轨的位置确定。
优选的，还包括安全防护装置；所述安全防护装置包括至少一组安全光幕；所述安全防护装置与数据处理设备电性连接。
在本发明中，当检测***进行正常检测工作时，通过安全光幕感测是否有工作人员或其他异物侵入，在此情况下，实现检测***的急停，由此保证检测的检测安全性、稳定性及精确性。
和现有技术相比，本发明公开的检测方法能够克服目前手工检测中，扭曲度和待测钢轨几何尺寸误差测量所造成的偶然性和不确定性；同时通过第一扫描机构和第二扫描机构也能够保证待测钢轨平直度、端面斜度和表面缺陷检测的精确性，在此基础上，消除了大量误差，使得精度更有保证。本发明还公开了基于上述方法使用的检测***，通过该检测***，能够使待测钢轨的检测更加便捷，并且其具有很好的位置定位精度，从而进一步消除检测误差。
附图说明
图1为本发明实施例的示意图；
图2为本发明实施例中第一扫描机构的示意图；
图3为本发明实施例中传输机构的示意图；
图4为本发明实施例中弦测法原理示意图；
图5为本发明实施例中共面法取点示意图；
图6为本发明实施例中共面法原理示意图。
图中：100-传输机构；101-架体；102-托辊；103-标定板；104-导向板；105-导向滚柱；106-剪叉机构；107-电磁铁；108-进料编码器；109-出料编码器；200-第一扫描机构；201-罩壳；202-3D成像设备；300-行架；400-数据处理设备；500-第二扫描机构；600-安全防护装置。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
如图1～图3所示，本实施例提供了一种钢轨廓形形态检测***，包括传输机构100、第一扫描机构200、行架300和数据处理设备400；所述传输机构100用于输送待测钢轨；所述第一扫描机构200用于全景扫描；所述行架300设有沿其长度方向移动且用于线性扫描的第二扫描机构500；所述数据处理设备400分别电性连接第一扫描机构200和第二扫描机构500。
在本实施例中，所述行架300具有四根立柱，其主体部分由立柱支撑，由此，四根立柱所处位置，提供了检测区，在检测区内输送待测钢轨的传输机构100设置于检测区内；所述第一扫描机构200设置于传输机构100的其中一端；所述第二扫描机构500在行架300的长度方向可移动，以实现快速移动定位到不同的检测点；所述数据处理设备400为计算机，通过计算器进行相应数据运算及显示。
为了更好的使用本实施例，所述第一扫描机构200包括固定设置的罩壳201和3D成像设备202；所述3D成像设备202与罩壳201连接。
在本实施例中，所述罩壳201设置于传输机构100的其中一端，用于设置3D成像设备202；需要说明的是，在本实施例中，3D成像设备202具有四个，分别位于壳体的四角；此外，3D成像设备202是基于激光三角测量技术的三维相机。对于第二扫描机构500来说，其同样能够实现三维测量，但是，其实现图像扫描的部件为基于双目视觉技术的扫描仪。
在本实施例中，扫描仪通过五轴机器人快速移动，而五轴机器人与行架300机器人滑动连接。具体的，所述五轴机器人由三个直线移动轴X、Y、Z，以及两个旋转轴A、B来实现扫描仪工作姿态的要求。
为了更好的使用本实施例，所述传输机构100包括固定设置的架体101、托辊102、导向机构和标定板103；所述托辊102用于运输待测钢轨的；所述导向机构将跑偏的待测钢轨扶正；所述标定板103在架体101的高度方向上上下活动，用于抬起定位扫描的待测钢轨。
在本实施例中，待测钢材由托辊102的转动而实现在检测区内移动；在待测钢材进入检测区之前和推出检测区之前，均利用导向机构实现运动矫正；其中，所述导向机构包括一组导向板104和一组导向滚柱105。
在本实施例中，所述架体101设有剪叉机构106，所述剪叉机构106通过电动推杆实现其张开和闭合，由此，所述标定板103与剪叉机构106连接，当剪叉机构106张开时，标定板103下降；当剪叉机构106闭合时，标定板103上升，从而更好的实现待测钢材的定位。
为了更好的使用本实施例，所述标定板103设有电磁铁107；所述电磁铁107通电后使标定板103和架体101吸合。
在本实施例中，当标定板103下降时，电磁铁107通电，因此使标定板103与架体101吸合；当标定板103上升时，电磁铁107断电，由此标定板103与架体101很好的脱离。标定板103设置的具体数量由传输机构100的具体长度而定，在一般情况下，每个标定板103具有两个电磁体。
在一些实施例中，所述电磁铁107能够在标定板103上伸缩浮动，由此使电磁铁107具有销锁的功能。
为了更好的使用本实施例，所述传输机构100的两端分别设有进料编码器108和出料编码器109；所述进料编码器108和出料编码器109分别与数据处理设备400电性连接。
所述进料编码器108和出料编码器109能够时数据处理设备400及时获取待测钢材的运动信息，由此判断待测钢材在相应阶段的停止前行和继续前行。在本实施例中，所述进料编码器108和出料编码器109均为光电编码器。
为了更好的使用本实施例，还包括安全防护装置600；所述安全防护装置600包括至少一组安全光幕；所述安全防护装置600与数据处理设备400电性连接。
在本实施例中，所述安全防护装置600的数量为两个；安全光幕设置于立柱侧面。在本实施例中，所述安全光幕为对射式安全光幕。
在上述实施例的基础上，使用一种钢轨廓形动态检测方法进行钢轨廓形检测，包括如下步骤：
将待测钢轨送入检测***的检测区；
图像采集单元采集待测钢轨端部的信息，生成端部数据；
图像采集单元采集待测钢轨两端之间身部的信息，生成身部数据；
将端部数据和身部数据传输至数据处理单元，所述数据处理单元对端部数据和身部数据进行分析计算，获得实际数据；
所述数据处理单元具有钢材的标准数据，数据处理单元将实际数据和标准数据进行比对，获得结果数据。
其中，端部数据和身部数据为分段式数据获取，所述端部数据包括首部数据和尾部数据。具体的，数据处理单元依次获取首部数据、身部数据和尾部数据，因此，钢轨廓形形态检测方法为：
S101、将待测钢轨送入检测***的检测区；
S201、当待测钢轨轨头进入检测区第一距离后，待测钢轨停止前行；
S202、图像采集单元进行数据获取，获得首部数据；
S301、数据处理单元获得首部数据；
S302、待测钢轨在检测区内继续前行第二距离，待测钢轨停止前行；
S303、图像采集单元进行数据获取，得到身部数据；
S401、数据处理单元获得身部数据；
S402、待测钢轨在检测区内继续前行；
S403、待测钢轨的轨尾距离退出检测区剩余第三距离时，待测钢轨然后停止前行；
S404、图像采集单元进行数据获取，得到尾部数据；
S501、所述数据处理单元具有钢材的标准数据，数据处理单元将实际数据和标准数据进行比对，获得结果数据。
S601、所述数据处理单元导出结果数据，供工作人员直观判断。
具体在使用检测***时，令待测钢材长度为100米。工作人员打开检测***，并输入待测钢轨编号及适应速度；当待测钢轨进入检测区后，轨头3米移入检测区，传输机构100停止，扫描仪对待测钢轨进行全表面扫描，同时，3D成像设备202也同步扫描；扫描结束后，待测钢轨以一定的速度沿待测钢轨长度方向继续运动，此时，3D成像设备202停止工作，扫描仪实时采集钢轨廓形，实时判定待测钢轨表面质量；当待测钢轨移动至距尾部轨端3米后，传输机构100停止，检测方法同轨头3米检测一样；在检测过程中，数据处理设备400实时处理数据，并对超限数据进行报警提示，整根待测钢轨检测完成后，可生成报表，且提供打印。
由此可知，在本实施例中，首部数据为扫描仪获取的数据与3D成像设备202获取的数据；身部数据为3D成像设备202的数据；尾部数据为扫描仪获取的数据与3D成像设备202获取的数据。当数据处理设备400分段获取上述数据后，分别进行运输处理，包括待测钢轨尺寸检测、平直度检测、扭曲检测、端面斜度检测和表面缺陷检测。
待测钢轨尺寸检测通过扫描仪采集的完整钢轨廓形数据。首先与标准的钢轨廓形通过平移重心，将采集的钢轨廓形与标准的钢轨廓形进行重合处理，在平移后的钢轨廓形上，查找检测点的坐标位置，如轨高为轨头水平中心与轨底水平中心的高度差，记为测量值，而标准钢轨廓形对应位置的测量值为标准数据，测量值与标准数据比较，如果超出要求偏差，则进行报警处理。
如图4所示，平直度检测采用弦测法，以首部3米测量范围为例进行说明。
从首部数据中选取两个端点，P1和P2，直线P1P2垂直于待测钢轨端面，则直线P1P2称为基准线；
选取直线P1P2上等间距的若干个点M1、M2、……、Mn，(n为正整数)，计算上述若干点对应的深度信息，将这些点到基准线的距离记为平直度的偏差值，正数为正偏差，负数为负偏差；
针对所有偏差值，得到平直度偏差的最大值，图中Mn处的偏差值达到最大，即Mn为所求的平直度。
如图5所示，扭曲检测采用共面法。示例如下，在待测钢轨下表面取两个计算点P3、P4，在距端部1米的断面轨底的下表面取两个计算点P5、P6，令点与轨底边缘的距离为10mm，求P6到P3、P4和P5形成的面的距离，然后通过与标准数据进行距离数值比对，如果超出要求偏差，则进行报警处理。
端面斜度检测采用计算平面夹角的方式进行参数的获取。示例如下，检测待测钢轨端面的端面斜度时，获得待测钢轨的各个面上的3个点的坐标N1(X1，Y1，Z1)、N2(X2，Y2，Z2)、N3(X3，Y3，Z3)，以此构造钢轨的平面方程：
端面：A1·X+B1·Y+C1·Z＝0；
底面：A2·X+B2·Y+C2·Z＝0；
侧面：A3·X+B3·Y+C3…Z＝0；
通过上述三个方程式获得A1、A2、B1、B2、C1、C2；
由此获得面与面之间的夹角余弦值：
端面-底面：
端面-侧面：
由此获得端面斜度，然后与标准数据进行斜度比对，如果超出要求偏差，则进行报警处理。
表面缺陷检测采用深度值比较的方式进行。示例如下，取待测钢轨截面点坐标(D2，E2，F2)，其中D2和E2在待测钢轨截面，F2在传输机构100的传输方向；
此时，四个3D成像设备202组合后的形状为完整的钢轨截面；
在检测过程中，待测钢轨中心在其中心线附近上下整体抖动；假设t0时刻，扫描待测钢轨中心点为(Dt，Et)，静止状态假设标准钢轨截面中心点为(D0，E0)，则t0时刻平移向量为：
再将3D成像设备202采集到的待测钢轨断面按向量整体平移；
平移之后，对扫描轨面上的目标点进行逐个计算与标准数据的垂直方向上的差值△l；
假定裂纹深度标准数据为L，当△l＞L时，判断此处为裂纹。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.钢轨廓形动态检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
图像采集单元采集待测钢轨端部的信息，生成端部数据；
图像采集单元采集待测钢轨两端之间身部的信息，生成身部数据；
将端部数据和身部数据传输至数据处理单元，所述数据处理单元对端部数据和身部数据进行分析计算，获得实际数据；
所述数据处理单元具有钢材的标准数据，数据处理单元将实际数据和标准数据进行比对，获得结果数据；
其中，所述端部数据包括身部数据和尾部数据，所述数据处理单元依次获取首部数据、身部数据和尾部数据；
通过固定设置的第一扫描机构和沿待测钢轨长度方向移动第二扫描机构获取端部数据，通过第二扫描机构获取身部数据；
所述结果数据包括表面缺陷检测，所述表面缺陷检测包括如下步骤：
取待测钢轨截面点坐标（D2，E2，F2），其中D2和E2在待测钢轨截面，F2在传输机构的传输方向；
此时，四个第一扫描机构组合后的形状为完整的钢轨截面；
所述传输机构包括固定设置的架体和标定板，所述标定板在架体的高度方向上上下活动，用于抬起定位扫描的待测钢轨，所述标定板设有电磁铁，所述电磁铁通电后使标定板和架体吸合；
在检测过程中，待测钢轨中心在其中心线附近上下整体抖动；假设t0时刻，扫描待测钢轨中心点为（Dt，Et），静止状态假设标准钢轨截面中心点为（D0，E0），则t0时刻平移向量为：
再将第一扫描机构采集到的待测钢轨断面按向量整体平移；
平移之后，对扫描轨面上的目标点进行逐个计算与标准数据的垂直方向上的差值△l；
假定裂纹深度标准数据为L，当△l＞L时，判断此处为裂纹。
2.钢轨廓形动态检测***，其特征在于，基于如权利要求1所述的钢轨廓形动态检测方法，所述检测***包括：
用于输送待测钢轨的传输机构；
固定设置且用于全景扫描的第一扫描机构；
行架，所述行架设有沿待测钢轨长度方向移动且用于线性扫描的第二扫描机构；以及
数据处理设备，所述数据处理设备分别电性连接第一扫描机构和第二扫描机构；
所述第一扫描机构包括：
固定设置的罩壳；以及
3D成像设备，所述3D成像设备具有4个，分别位于罩壳的四角。
3.如权利要求2所述的钢轨廓形动态检测***，其特征在于，所述传输机构还包括：
用于运输待测钢轨的托辊；以及
导向机构，所述导向机构将跑偏的待测钢轨扶正。
4.如权利要求2所述的钢轨廓形动态检测***，其特征在于，所述传输机构的两端分别设有进料编码器和出料编码器；所述进料编码器和出料编码器分别与数据处理设备电性连接。
5.如权利要求2所述的钢轨廓形动态检测***，其特征在于，还包括安全防护装置；所述安全防护装置包括至少一组安全光幕；所述安全防护装置与数据处理设备电性连接。
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