基于激光轮廓传感器的钢轨外形检测系统

摘要

目前我国已经进入了铁路全面发展时期，在很大程度上推进了经济增长，方便了人民的交通出行以及运输生产，同时也对钢轨的质量提出了更高的要求。钢轨焊接基地对钢轨外形检测主要采用机械式接触测量，不仅劳动强度大、检测效率低下、工作环境差，并且存在测量结果可靠性低、数据不易保存等问题，严重影响了铁路的进一步发展。现有的图像测量法、光学测量法在一定程度上提高了工作效率以及测量精度，但在测量全面性、数据可靠性等方面有待改进。本文旨在提出一种利用激光轮廓传感器研发的高效、精准、智能并对钢轨外形进行全面检测的系统。
　　本系统采用4个激光轮廓传感器的组合扫描钢轨，利用坐标系转换原理获得完整的钢轨断面数据，利用限幅滤波法和加权递推平均滤波法对数据进行处理，根据TB/T3276-2011、TB/T2344-2012计算钢轨断面几何尺寸。激光轮廓传感器在高精度导轨、同步带轮的导向及传动下动态扫描钢轨端部，结合位移传感器采集的轮廓位置数据数字化钢轨的三维立体图像，采用弦测法结合移动平均平滑法计算钢轨端部平直度，采用共面法计算钢轨端部扭曲度，完成了对钢轨的全面检测。
　　激光轮廓传感器自身精度限制以及机械振动的影响是本系统测量误差的主要来源，采用钢棍充当参照物的设计减少机械振动的影响，进一步提高了系统精度。本文从测量系统的稳定性以及准确性两方面对其精度进行验证，得到系统测量结果标准差为10～30μm，对比误差为10～50μm，证实本系统能够稳定、可靠地完成钢轨断面几何尺寸、平直度、扭曲度的全面检测。
　　除此之外，本系统能很好识别钢轨表面的阶跃型缺陷，证明了轮廓坐标法应用于缺陷检测的发展前景，为钢轨表面缺陷的智能检测这一难题的解决提供了思路。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研发背景

1．2 研发现状

1．2．1 机械式接触测量

1．2．2 非接触电子测量

1．2．3 非接触图像法测量

1．2．4 非接触光学测量

1．3 结构光检测技术

1．3．1 三维轮廓测量方法总结

1．3．2 结构光法

1．3．3 结构光的发展

1．3．4 结构光的应用

1．4 本文主要研究内容

2 新钢轨检测系统的整体介绍

2．1 系统的可行性

2．2 系统的构成

2．3 系统作业流程

3 二维轮廓坐标系建立方案

3．1 激光轮廓传感器的原理

3．2 坐标系的转换

3．3 钢轨断面的拼接

3．4 本章小结

4 检测算法的实现

4．1 数据滤波处理

4．1．1 限幅滤波法

4．1．2 加权递推平均滤波

4．2 角度矫正

4．3 断面尺寸测量

4．4 平直度测量

4．4．1 平直度计算原理

4．4．2 平直度曲线平滑处理

4．5 扭曲度测量

4．6 本章小结

5 电气及控制系统

5．1 电源部分

5．2 机械工作执行部分

5．3 轮廓数据采集部分

5．4 位移数据采集部分

5．5 钢轨位置监控部分

5．6 设备保护部分

5．7 中间控制电路

5．8 数据处理硬件部分

5．9 本章小结

6 机械设计

6．1 传感器安装平板

6．2 机架

6．3 导轨副组合

6．4 同步带轮组合

6．5 控制面板

6．6 机壳

6．7 本章小结

7 精度的改进与验证

7．1 影响精度的原因

7．1．1 激光轮廓传感器的精度限制影响

7．1．2 光线的影响

7．1．3 机械震动的影响

7．2 钢棍减震

7．3 系统精确度验证

7．3．1 重复性测量试验

7．3．2 准确性测量试验

7．4 本章小结

8 软件界面

8．1 主界面

8．2 登录管理

8．3 信息录入

8．4 报表查看

8．5 曲线查看

8．6 数据通信

8．7 本章小结

9 钢轨表面缺陷检测的研究

9．1 缺陷检测现状

9．2 轮廓坐标法

9．3 本章小结

10 结论

10．1 论文主要工作

10．2 钢轨外形检测系统的先进性

参考文献

作者简历及科研成果

学位论文数据集