基于機器視覺的承載鞍3D檢測分析

菅文靜

摘要：承載鞍是承擔貨車輪對軸承座的重要組件，對車輛的行駛安全有著至關重要的作用。本文在機械與電氣結構的基礎上通過機器人系統、視覺系統的建立構建了承載鞍智能3D檢測系統，實現車輛維修廠承載鞍檢修作業規程，對承載鞍各個關鍵部位進行拍照和智能識別，并通過智能分類設備對合格與不合格產品進行智能分類。本技術將可以適應不同類型的車輛配件監測，為提高車輛的運行安全提供保障。

關鍵詞：承載鞍;智能識別;3D分析;設備可靠性

0? 引言

承載鞍是鐵路貨車轉向架的重要部件，安裝在貨車輪對滾動軸承和轉向架側架導框之間，承擔貨車輪對軸承座的作用。承載鞍的工作面在車輛運行中承受軸重、牽引和制動載荷，及轉向架蛇形運動和曲線離心力產生的橫向載荷作用，車輛的沖擊載荷作用等。列車行駛過程中，承載鞍與轉向架側架及軸承接觸產生磨損即磨耗，若承載鞍磨耗過限，將嚴重影響貨車速度、載重量和安全性，因而，承載鞍磨耗檢測歷來是鐵路檢修部門的一項重要檢測工作。本文擬進行承載鞍3D檢測的機器人系統和視覺系統的分析[1-3]。對承載鞍各個關鍵部位進行拍照和智能識別，并通過智能分類設備對合格與不合格產品進行智能分類。

1? 智能系統組成

本系統主要由機械系統、電氣系統、機器人系統、視覺系統組成。其中機械系統包括傳輸線、機械模組、暫存臺、檢測臺、備件臺和廢料臺等。其中電氣系統主要包括PLC控制系統、各種傳感器、各種檢測開關、伺服運動系統、變頻控制系統、HMI等。其中機器人系統主要包括六軸機器人本體和機器人控制系統。其中視覺系統主要包括工業2D相機、工業3D相機和圖像分析處理系統[4-5]。

2? 機器人系統

機器人采用德國KUKA的高精度KR10R1100型機器人，可適應天花板、地板、墻壁夾角等多種形式的安裝，其末端標準負載為10kg，末端執行器定位高精度±0.02mm，防護等級IP65，其詳細參數如圖1所示[6-7]。

3? 視覺系統

視覺系統主要包括前端2D相機和后端3D相機。其中2D相機主要實現追蹤輸送線上承載鞍停止位置和承載鞍尺寸，輔助模組對承載鞍的抓取動作;其中3D相機主要實現對承載鞍的測量拍照功能，3D相機相關參數如表1所示。

4? 智能系統關鍵功能

4.1 承載鞍抓取定位

承載鞍有K2和K6兩種型號，兩種型號之間尺寸差異比較大，而且即便是同一型號之間尺寸也有差異，而模組在從甲方輸送線抓取承載鞍的時候，必須保證抓取位置為承載鞍正中位置，因此通過工業2D相機對承載鞍停止位置和大小尺寸進行識別，然后模組根據2D相機反饋信號進行調整，保證抓取位置為承載鞍正中位置。

4.2 模組運動定位

模組的精確移動和定位，將承載鞍精確放置在暫存臺上，是保證承載鞍檢測精度的前提條件。通過采用專門的伺服運動模組，位置精度可控制在0.1mm范圍內。

4.3 暫存臺運動機構具有兼容性

暫存臺機構主要作用有兩個：①對承載鞍進行緩存，機械模組從輸送線上抓取的承載鞍先放置到暫存臺上;②當承載鞍檢測完畢，檢測臺上無承載鞍的時候，將承載鞍從暫存臺輸送至檢測臺上。由于K2/K6兩種型號的承載鞍都會放置在暫存臺上緩存，并且兩種型號以及同種型號之間尺寸差異較大，因此我們設計了一套兼容性強的機構，在頂升裝置上部設有平衡彈簧，可以保證將承載鞍平穩的從暫存臺輸送到檢測臺上[8-9]。

4.4 機器人協調運動

在系統中，通過以太網建立機器人和控制系統之間的信號傳輸，實現機器人與模組，相機三者之間協調配合運動。

4.5 3D相機檢測及算法分析

模組將承載鞍從上料傳輸線送到暫存工位，再由換料裝置、直線模組轉運至檢測工位后，六軸機器人帶著3D相機對頂面進行掃描拍照，構建頂面3D點云圖，以基準平面為XY平面，高度數據為Z軸，對兩側區域頂面進行擬合，分別得到兩個擬合平面，擬合平面在XY平面上約束在掃描區域邊界范圍內，求得擬合平面與基準平面的平行度、距離，從而得出頂面的偏磨、平磨的實際磨耗量。

因為相機拍照區域有限，且需要從不同角度對承載鞍進行拍照，要構建完整的點云圖，需要將各次所拍照的點云圖進行空間拼接，而相機所產生的點云圖是以相機坐標系來生成的，每次相機拍照時機器人坐標是不同的，要實現拼圖，需要將相機坐標系下坐標點轉換到機器人坐標系下坐標，將各個分離的相機點云圖統一到機器人坐標系下，然后將所有轉換后的坐標點進行組合重構，就形成了基于機器人坐標系的承載鞍點云圖，在這個點云圖再進行對應的特征輪廓提取，從而計算出各檢測位置的磨耗，機器人、3D相機坐標系關系示意如圖2所示。

5? 結論

本系統根據車輛維修廠承載鞍檢修作業規程，對承載鞍各個關鍵部位進行拍照，并進行自動測量，并將合格品送至輸送線，不合格品送至廢料臺。其優點在于：①測量過程中完全自動化，不需要人為干預;②用工業相機等手段實現了高精度的檢測，檢測精度達到了0.1mm;③系統軟件對測量數據進行自動分析，并輸出分析結果，并根據測量結果將合格品送至輸送線，對不合格品進行剔除;④視覺測量屬于非接觸式測量，可以實現工業現場承載鞍的在線監測，同以往手工檢測和機械接觸式檢測等檢測手段相比，檢測速度快，可靠性高，不對承載鞍造成二次磨損等獨特的優點和優勢。同時，該智能系統可以適應不同汽車產品的改進需求，具有良好的汽車市場應用前景。

參考文獻：

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