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基于激光测距物体形貌检测系统分析.pdf

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武汉理工人学硕上学位论文transaction between the stepper motor and the displacement plat is conductedthrough ballscrew,while the wheel’S extrusion surface shape of posbinjury in theweight-bearing are ever-changing,and these will result in system errors,how to avoidsystematic el rors is also a study of the contents of this chapter.KeywordsWheel;LabVIEW;Laser triangulation ;Curve fitting独创性声明本人声明,所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。签名瑾日期盟型6关于论文使用授权的说明本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文,并向社会公众提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定研究生签名夏节 导师签名鸯先汤 日期动吵·/2·f占·武汉理工大学硕-}.学位论文第1章绪 论1.1论文研究的背景和意义轮对是铁路车辆中的重要行走部件,在铁路安全运输和速度方面起着至关重要的作用,特别是在机车车辆追求高速度、大载重发展的今天,对轮对的要求更高【l】。轮对的作用是保证机车车辆在钢轨上的运行和转向,承受来自机车车辆的全部静、动载荷,把它传递给钢轨,并将因线路不平顺产生的载荷传递给机车车辆各零部件。此外,机车车辆的驱动和制动也是通过轮对起作用的【2J。车轮在机车运行中与钢轨接触部分承受很大的压力和冲击力,其接触表面即轮对踏面产生弹性变形和很大的挤压应力;在运行中,左右两轮不可避免地以不同直径在钢轨上滚动,产生滑行和车轮磨耗;在行经铁轨两端连接点时,由于目前我国无缝铁轨还不普及,两铁轨的连接点缝隙还普遍存在,因此造成了轮对踏面的撞击;在制动时,车轮踏面还受到闸瓦和铁轨的剧烈磨损,并产生高温。因此,每个列车轮对经过一定使用期限就要进行一次全面尺寸检测,对于尺寸变形以及踏面严重的轮对需要进行维修或者报废,否则会给列车的行驶带来极大的安全隐患,对国家财产和旅客安全造成威胁。我国铁路机车管理部门对各车辆轮对的磨耗与变形限度有明确的规定【3】,并要求各车辆段机务段严格遵守,机车轮对在使用一段时问后必须进行全面检测,本文所研究的踏面损伤的检测就是其中一项重要的检测内容。目前,我国轮对踏面故障的检测技术还比较落后,主要采取定期检修的方式,如月检、季检等,即在规定的时间罩,如每个月月末或每个季度季末时集中大量的人力物力对一定批次的车轮进行检修。当前轮对参数的检测和数据记录在国内基本上还是靠手工完成,测量工具采用特制卡钳和直尺【4J,这种传统的方式测量效率低,不适合多工况条件下作业,并且测量的劳动量极大,由于工人熟练程度的高低,在测量中也存在一定的人为因素,较低的熟练程度直接影响了测量的精度和可靠性,并且由于是纸张作业,也不便于信息管理,对于后续对该轮对的数据查询十分困难,在列车高速度大载荷化的今天,这样落后的人工检测方法早己不适应车辆设备管理的需要。因此,开发出检测速度快、测量精度高、使用方便、可重复使用的的轮对参数检测系统己经成为实际检测工作的迫切要求,迅速准确地检测轮对踏面损伤,及时维修或更换损伤的轮对,武汉理工人学硕上学位论文对我国铁路事业的运行与发展具有非常重要的意义。1.2国内外研究现状目前国内外对轮对几何参数的测量主要有静态检测和动态检测或接触式测量和非接触式测量【5,6】。静态检测是指机车车辆在检修时进行的测量,静态检测劳动量大,无法及时检测出轮对踏面数据;动态检测则是指机车车辆在运行时进行的测量,检测效率高,数据反馈及时。接触式测量极易造成接触传感器的损坏,因此实际应用较少,而多用非接触式测量。动态非接触测量以其稳定性好,自动化程度高等优点F1益受到重视,并将得到广泛应用。1.2.1国外研究现状铁路最先在工业化国家存在,特别是在近代,国外发达国家对安全运行的要求越来越高,它们对列车轮对踏面擦伤等参数的自动检测也进行了长期的研究,并取得了显著的成果。1日本的“新干线”被誉为最成功的冷轨运输,日本在这方面的研究一直处在世界的前列。日本一公司在二十世纪八十年代末研制的“轮对自动检查装置“【71,此装置可同时检测轮对两边车轮的外形参数。测量时轮对随回转装置转动,通过安装在机架两边的CCD摄像机拍摄踏面图像,并将轮对图像数据及时反馈进计算机,并经计算机处理后在显示器上显示,操作人员根据显示器显示可以方便的识别出踏面的损伤程度,实现了检测的自动化,十分安全、高效。2作为全球最发达的国家,美国也对机车轮对的损伤测量进行了研究。美国国际电子机械有限公司于八十年代末期研制出了一种便携式车轮断面测量仪【引。该仪器可以在25分钟的时间内完成轮缘厚度和踏面磨耗等参数的测量,并能直接打印出测量的数据或将测量数据传送给计算机处理,由于该仪器可以在各种工况下作业,又便于携带,十分受轮对检测工人的欢迎。该仪器通过两组控制机构可确保仪器放在车轮的正确位置,因而人为的影响很小,测量精度也十分高。该公司还于同期研制出一种便携式的车轮轮廓测量仪,轮廓测量仪主要是对轮对的轮缘和踏面进行测量。它通过精密的光学成像测量系统对车轮轮廓进行测量,并传输给计算机模拟出轮廓造型,再通过计算机计算损伤大小2武汉理工大学顾士学位论文及位置。3罗马尼亚于二十世纪九十年代前中期研制出“车轮外形、磨耗自动检测系统”【91。该系统通过安装在轮对上方的连续跟踪照明系统缝隙型集中光束的聚光灯对轮对踏面进行照射,再通过8倍光学变焦的松下Gl摄像机对踏面图像进行拍摄。此方法适用于低速检测,采用缝隙型集中光束,可以增加图像的对比度,有效简化图像处理,但受外界光环境的影响较大。41995年美国Loram公司开发出了适用于不同速度的三种型号车轮自动检测系统【lo】,在车间使用的低速车轮检测系统可作为一种连续扫描器,由于其不受机车行驶速度的影响,还能检测车轮表面剥离和剥落,以确保新、旧轮对质量。低速用车轮检测系统可在速度8km/h以下的运行状态对轮对参数进行测量并可以输出检测图表和统计数据。而在列车高速72km/h以下运行时,则可采用高速车轮检测系统。现场使用表明,该系统可以成功在不同列车行驶速度下完成对车轮的轮缘高度、轮缘厚度、轮辆厚度,直径和冲角等的测量。5丹麦国家铁路公司于2000年将一种新型的车轮缺陷探测系统IllJ投入到了城市高速铁路网的检测中。该系统能测量车轮踏面磨耗,同时也能检测车轮表面缺陷,既能降低车辆维修成本,又能降低列车运行噪声。1.2.2国内研究现状国内关于轮对的检测研究起步较晚,但随着近几年的发展,特别是我国铁路里程的飞速增加,铁路的几次大提速,对轮对快速准确检测的需求越来越强烈,通过国内各车辆段、机务段以及高校研究机构的不懈努力,在理论上的研究和实践中的成果都有了一定的发展。西南交大崔占涛【12】等开发出了一种基于DSP技术的便携式轮对轮廓检测装置,它的测量机构包括便携式专用测量机架、运动副、测量装置以及智能处理器DSP。智能数据处理主机以DSP芯片为核心,接收和处理光电编码器传输过来的数据,并将处理的数据存入64K的临时存储器,并在液晶显示器上显示。根据需要,数据可通过接口连入微型打印机将其打印出来,还可以把数据导入上位PC主机的数据库中,方便以后导出。大连理工大学卢湖川【13】等研制出了一种基于CCD成像和图像处理技术的“利用CCD成像系统检测火车轮对几何尺寸”的非接触在线测量系统。CCD是3武汉理T大学硕.1学位论文一种半导体器件,能够把光学影像转化为数字信号,中文全称电荷耦合元件。该系统利用7个CCD摄像机作为前端图像截取工具,可以实现对轮对的全尺。 寸进行测量,然后通过高速图像采集卡采集到计算机内,利用算法分割、滤波、二值化、复原、变换、信息隐藏等数字图像处理的相关理论对数据进行重构与处理,得出测量结果,从而实现对火车车轮的智能检测。该系统是一套高度集成的测量系统,拟测量的参数较全,难度大,还涉及到工业现场的自动控制以及物理光学中的成像技术等多个领域,是一个理论性很强,又具有实用性和挑战性的课题。广东工业大学的敖银辉【14l介绍了一种轮对参数的静态光电自动检测装置。该检测系统由龙门架通过式结构和光电测量机构构成,主要包括升降机构、带传动机构、进给传动机构以及包含各种测量传感器的测量机构等。在测量时,将轮对沿轨道置入测量装置,通过光栅位移传感器、CCD摄像机、图像采集卡和各个机械部件的协调动作,自动完成轮对的测量。并通过步进电机控制传感器的位置,以及带转总成控制轮对旋转,全尺寸测量轮对参数,在线自动完成测量。 ‘车辆车轮检测技术经历了从利用卡尺、卡钳等传统测量工具的接触式检测,到利用激光、声波、电涡流、图形处理等技术的非接触性测量,从人工固定测量到便携式静态测量,再到动态自动在线检测,轮对检测技术在近几十年有了突飞猛进的发展【15.17】。在轮对参数检测技术的发展中,国内外专家越来越青睐检测速度快、检测精度高、使用方便的光电测量方法,但是国外研制的检测设备造价普遍很高,并且轮对尺寸参数也与我国存在一定的差异,特别是有些检测方法与设备是国外的重要技术,我国无法直接获得,而且国外车轮几何参数的检测也还在不断发展改进,随着科学技术的进步,国外许多检测技术和方法还有待进一步的完善。通过对国内外轮对检测技术的研究发现,光电检测越来越被各国重视,因此利用光电检测技术,结合高效的智能控制系统,开发出测量精度高、自动化程度高的便携式自动检测设备,改变我国车辆车轮检测技术落后的现状,保证机车安全稳定的运行,成为迫切需要。我国铁路总里程处于世界第一位,轮对自动检测设备的需求十分可观,因此许多车辆段、机务段、高校以及研究所等也在积极合作研发,争取开发出相应的设备以占领国内轮对检测市场,并大量推向全国各车辆段、车务段,从而推向国际市场,与欧美先进的检测4武汉理工人学硕上学位论文仪器进行竞争。1.3激光检测技术的应用激光技术用于检测工作主要是利用激光的优异特性,将它作为光源,配以相应的光电元件来实现的。它具有精度高、测量范围大、检测时问短、非接触式等优点,常用于测量长度、位移、速度、振动等参刻博J。在光电检测领域,利用光的干涉、衍射和散射进行检测已经有很长的历史。由泰曼干涉仪到莫尔条纹,然后到散斑,再到全息干涉,出现了一个个干涉场,物理量如位移、温度、压力、速度、折射率等的测量不再需要单独测量,而是整个物理量场一起进行测量。自从激光出现以后,电子学领域的许多探测方法如外差、相关、取样平均、光子计数等被引入,使测量灵敏度和测量精度得到大大提高【191。由于光纤能控制光束的传播路径,光纤技术的出现使光调制方法增多,接收更为方便,同时它能进入物体内部,扩大了测量范围,提高了测量精度,甚至可以事先铺设在各种建筑物内部,作实时检测和自动控制等。光纤激光器具有非常高的电光转换效率,其光束质量无与伦比,在光学检测领域发挥着重要作用。目前,光电检测技术主要以激光检测和红外探测为代表,而激光检测技术是最先进、应用最广泛的检测技术之一【20】。可实现高精度、高效率、非接触在线检测。随着激光检测技术的发展,其在国防及民用工业生产中的产品零件检测中越来越被重视。激光器诞生于1954年,它以1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念作为理论基础,它作为一种新型光源,与普通光源有显著的不同。首先,激光是单色的,或者说是单频的,虽然有一些激光器可以同时产生不同频率的激光,但是这些激光都是相互独立并相互隔离的,使用时也是分开的。第二,激光是相干光,相干光的特征是其所有的光波都是同步的,整束光就好像一个“波列”。第三,激光是高度集中的,也就是说它要走很长的一段距离才会出现分散或者收敛的现象。第四,激光的亮度高,能够照亮远距离的物体,以红宝石激光器为例,其发射的光束在月球上产生的照度约为O.02勒克斯光照度的单位,颜色鲜红,激光光斑明显可见。第五,激光的方向性好,1962年,人类第一次使用激光照射月球,地球离月球的距离虽有38万公里,但激光在月球表面的光斑直径不到两公里。5武汉理工人学硕士学位论文利用激光的这些特点,形成了各种激光检测方法,主要有激光干涉法、光纤法、激光三角法、激光扫描法等。1.激光干涉法1883年,美国物理学家迈克尔逊设计出了世界第一台干涉仪,它是在平板和薄膜干涉现象的基础上发展起来的,迈克尔逊用它否定了“以太“的存在,发现了真空中光速的恒定值,是爱因斯坦相对论的基础。目前,干涉法一直是精密测量长度、位移的有效手段。特别是二十世纪血十年代以后,激光器的发明克服了单色光源对干涉仪的限制,增强了干涉测量方法的通用性,而现代电子技术的发展也大大提高了干涉信号的处理精度和速度。激光干涉是以激光波长为已知长度,在高频的激光脉冲输入下,依靠入射激光和反射激光的相位差来测量工件的瞬间位移变化,瞬间位移变化量的叠加可以描述工件轮廓的状况。照射到工件表面光斑直径保持为200微米左右,足够大的参考光斑可以给干涉仪提供稳定的参考信号。激光干涉技术应用十分广泛,主要用在光通信、计量等领域。根据激光干涉的特性,利用其进行高精度长度量测量时十分有效,目前还没有可替代的高精度测量方法。而天文领域,激光干涉技术也十分常用,比如美国国家航空航天局NASA和欧洲航天局ESA合作的引力波探测计划,利用三颗航天器组成的三角形激光干涉仪,用以探测引力波。2.光纤传感光纤传感技术是二十世纪七十年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的,以光波为载体,光纤为媒质,感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。以光波作信号载体,以光纤作传播煤质,具有不怕外界电磁干扰,接收能量损失小,传输信息量大,易于接收,方便进行光/电转换等特点,因此它极易和现在电子设备进行连接使用。由于其受外界环境影响小、体积小、易弯曲的特点,光纤传感特别适用于遥测遥控,如医学中的胃镜等,在血管检测中使用也十分普遍。3.激光三角法【2l】激光三角法是以经典的光学三角原理为基础,利用激光良好的方向性,以及几何光学成像的比例特性,将一束激光照射到物体上,当物面移动时,由于6武汉理工大学硕,t学位论文位移方向与接收光路光轴成一三角形,故称光学三角法。并用光电传感器阵列COMS、CCD等检测光斑的像的位置,则可以根据三角形性质计算出光斑位置。这种测量方法可以十分有效的测量较短的距离。近年来,在原有理论的基础上,不断对激光三角测头进行改进设计,随着半导体激光器和CCD/COMS等图象探测用电子芯片的发展,激光三角测距器在性能改进的同时,体积不断缩小,成本不断降低,正逐步从研究走向实际应用,从实验室走向实际,广泛应用于各种精密机械制造业,可以有效的测量设备关键参数,如平面度、直线度等形位误差,实现对物体表面粗糙度的测量,以及各种圆形器件的圆度、内膛尺寸等参数的检测。4.激光扫描法原理比较简单,事实上和全息照片有着相同的原理。首先,需要将激光分成两束,一束光照射物件,一束直接照到底片上,使感光元件感光。这是利用了从物体后部反射的激光束与物体前部反射的激光束所走过的距离不同,因此与直接照射的参考光束所形成的干涉条纹不同,而三维型激光扫描仪则记录了全部的条纹,也就记下了物体的立体形象,只要再用激光去照射全息图片,就可以显出物体的真面目。观看这样的图片时,只要改变观察的角度,就可以看到被前面物体挡住的部分,而且从这机关报照片中任意剪下一小块,都可从它看到物体的全貌,只是观察的窗口较窄,就好比从钥匙口看室内的情况一样。激光扫描以He.Ne激光器或半导体激光器为光源,通过一个旋转的扫描转镜将激光束投射到发射光学系统上,再通过发射光学系统将平行光扫描到被测物体上,经接收光学系统聚焦,再投射到光学接收器件上并进行光电转换、数据处理,从而得出所测结果。这种方法在三维物体形貌重构中得到广泛应用,在机械加工中,是逆向工程的重要方法。由于这种方法的优点是测量速度快,可实现现场处理,也被广泛应用在超市、物流中心等条形码扫描中。1.4本文的主要研究内容本文研究的是基于“激光三角法”技术的离线非接触动态测量方式,通过高精度激光位移传感器高速同步采样达到较高的检测精度,并通过上位机LabVIEW曲线拟合等先进技术实现高效处理。主要有以下几方面的研究1.研究基于激光传感器的测量物体二维甚至三维轮廓的测量机构,激光传感器、步进电机的机械结构以及机车轮对踏面数字矩阵等;7武汉理工人学硕上学位论文2.开发基于AVR单片机的轮对检测系统的硬件系统,包括USB数据存储模块、激光传感器数据采集和信号调理模块、直线步进电机的驱动模块、系统供电模块、液晶显示模块、按键输入模块等;3.基于USB的数据存储技术的实现。1.5本章小结随着经济的发展,我国越来越重视列车行走的安全和效率,作为列车安全行驶的重要部件,轮对的创伤检测越来越受到国家各部门各学者的重视,本章主要论述了本文研究的背景与意义,并通过对目前国内外轮对检测方法及研究现状的论述,探讨激光位移测量方法在轮对踏面非接触检测上的应用与意义。
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