一种钢轨表面加工质量的定量测量方法技术

本发明专利技术公开了一种钢轨表面质量的定量测量方法，其特征在于：该方法通过激光器向钢轨表面照射直线光条，相机获取钢轨和光条的钢轨‑光条图像，从钢轨‑光条图像中分割出光条，沿着X向对光条离散取点，提取出各离散点的光条中心像素坐标，寻找纵坐标最小的光条中心点作为特征点，从特征点分别向左右两边搜索光条曲线的二阶导数的最小值点，将特征点左右两边的二阶导数最小值点判定为钢轨焊缝边界特征点，以钢轨焊缝边界内的特征点和钢轨焊缝边界外的特征点在y轴的差值作为打磨后轨底焊筋高度。本发明专利技术定性缺陷检测能够对钢轨焊缝处的铣削痕迹、磨削痕迹进行自动化检测，自动识别横向打磨纹路并报警，自动识别焊缝去除不干净、出现棱角、台阶并报警。

【技术实现步骤摘要】
一种钢轨表面加工质量的定量测量方法
本专利技术属于钢轨打磨
，尤其是涉及一种钢轨表面加工质量的定量测量方法。
技术介绍
钢厂生产的钢轨标准长度为25米或100米，标准长度的钢轨运输至钢轨焊接基地后，将钢轨焊接连成500米长的无缝钢轨，再运输到铁路线上进行铺设，铁路线现场铺设时再用专用设备将500米长钢轨依次焊接连成500米长钢轨依次焊接连成全线无缝钢轨，钢轨任何位置都不能存在机械连接的狭缝，列车运行时才能平稳。钢轨在焊轨基地焊接时，每两根钢轨焊接处形成焊缝，焊缝厚度高于钢轨表面形成突出于钢轨表面的焊瘤，焊瘤必须打磨掉，形成平滑的焊缝，使焊缝及焊缝左右钢轨都达到行业标准要求的平顺过渡才能形成合格的焊缝，保障列车运行平稳和安全。随着钢轨平温性的要求不断提高，而钢轨焊接定量是影响其平顺性的重要因素之一。过大的错边量会造成列车运行不平稳，影响列车的行车安全、乘车舒适度以及钢轨的寿命。焊接错边量的检测标准是测量焊缝中心两侧15mm～25mm的位置高度差，其测量值不能超过标准中的允许值，当焊接接头的错边量超标时，必须将焊接接头锯下来重焊。目前对于钢轨错边量采用的主要还是手工测量，误差大，效率低。
技术实现思路
第一方面，一种复杂曲面构件的打磨方法，该方法的打磨对象为具有复杂曲面的构件，该构件的表面由平面、竖直面和圆弧柱面相连而成的复杂曲面，圆弧面至少有两个，且两个圆弧面的半径不同；该方法分为横向打磨和纵向修磨，横向是指沿垂直于平面的高度方向，纵向是指沿平行于圆弧柱面轴向的长度方向；先用张紧有砂带的打磨轮沿着平面向竖直面再向圆弧面的打磨轨迹连续的横向打磨，打磨轮为圆柱形滚轮，打磨轮具有柔性套筒，砂带张紧在柔性套筒上，打磨轮与结构件相切，打磨轮自转的同时带动砂带运动实现结构件表面的去材打磨，在横向打磨过程中，打磨轮自转、同时沿着打磨轨迹进给、并且同时具有纵向进给量；横向打磨完成后进行纵向修磨，纵向修磨后、打磨区域和非打磨区域之间形成的加工余量至少为0.5mm。圆弧柱面指的是，在横截面上成圆弧，沿长度方向拉伸后形成的柱面。进一步，该结构件包括顶面和底面，顶底和底面之间的至少有一个腰面，顶面和腰面之间有第一竖直面和第一过渡圆弧面，第一过渡圆弧面在第一竖直面之下，在俯视方向上、第一竖直面作为顶面的边界，第一过渡圆弧面在第一竖直面与顶面的覆盖范围内；腰面和底面之间有第二竖直面和第二过渡圆弧面，第二竖直面在第二过渡圆弧面之下，在仰视方向上、第二竖直面作为底面的边界，第二过渡圆弧面在第二竖直面与顶面的覆盖范围内；该结构件的最大宽度为150mm，最大高度为176mm。作为一种应用场景，以铁路、地铁、轻轨等使用的钢轨作为一种具有复杂曲面的构件，长轨生产线上在线打磨焊接后的钢轨，该方法使用砂带在线打磨钢轨；该方法分为横向打磨和纵向修磨，横向是指沿钢轨的高度方向，纵向是指沿钢轨的长度方向；横向打磨时、砂带从钢轨的宽度方向的两侧分别沿第一打磨轨迹和第二打磨轨迹进行打磨，砂带以柔性力抵靠对焊瘤进行抛光去材；第一打磨轨迹和第二打磨轨迹分别对应一侧轨腰，第一打磨轨迹覆盖轨顶面、第二打磨轨迹覆盖轨底面，或者第一打磨轨迹覆盖轨底面、第二打磨轨迹覆盖轨顶面；纵向修磨时，用砂轮沿钢轨纵向进给。将焊瘤分为两条打磨轨迹，每条打磨轨迹均从上向下打磨，实现轨顶、轨腰和轨底的连续自动化打磨。打磨单元以柔性力抵靠钢轨，避免了刚性力打磨造成硬伤的问题，并且、若焊瘤的强度过大，则打磨单元打滑，避免打磨单元自身损坏。进一步，横向打磨时，砂带除了沿钢轨横向的运动以外，同时具有沿钢轨纵向的运动。进一步，砂带作为打磨单元的一部分，打磨单元包括打磨轮和传动轮，砂带张紧于打磨轮和传动轮，砂带、打磨轮和传动轮形成一个带传动机构，横向打磨时，打磨轮的轴向顺应钢轨的长度方向，打磨轮抵靠钢轨，砂带位于打磨轮和钢轨之间，打磨轮自转、砂带沿打磨轮的切向去除焊瘤。进一步，在横向打磨时，监测打磨轮与钢轨之间的作用力，监测获得的作用力高于设定的力阈值时，发出报警。进一步，纵向修磨时，包括对轨腰的打磨，对轨顶面的打磨和对轨底面的打磨，采用千叶轮对轨腰打磨，采用第一盘式砂轮对轨顶面进行打磨，盘式角砂轮的打磨面为砂轮底面；采用第二盘式砂轮对轨底面进行打磨，盘式角砂轮的打磨面为砂轮底面。进一步，采用第一盘式砂轮打磨轨腰向轨底过渡的曲面，采用第二盘式砂轮打磨轨顶下方、与轨腰过渡的曲面；第一盘式砂轮与水平面成第一夹角，第一夹角的角度为0°到-10°；第二盘式砂轮与水平面成第二夹角，第二夹角的角度为0°到10°。进一步，第二盘式砂轮具有第一打磨部和第二打磨部，第一打磨部与第二打磨部同心，第一打磨部在内，第二打磨部在外；从砂轮沿轴向的截面看，第二打磨部呈圆弧，第二打磨部在砂轮沿轴向的截面上的圆心角与轨顶下方、与轨腰过渡的曲面的圆心角一致。这里的一致并非是指数学意义的相等，指的是第二打磨部的圆心角接近曲面的圆心角，小于等于曲面的圆心角。进一步，打磨轮与砂带接触的部分为柔性件；打磨轮打磨轨顶面时，打磨轮自转、打磨轮向靠近钢轨宽度方向中心线进给的同时从一侧轨腰向另一侧轨腰进给，同时、打磨轮沿钢轨纵向往复进给，横向进给距离不小于35mm；打磨轮打磨轨腰时，打磨轮自转的、打磨轮向靠近钢轨宽度方向中心线进给的同时、打磨轮沿高度方向顺应轨腰的曲面进给，同时打磨轮沿钢轨纵向往复进给，横向进给距离不小于35mm。横向进给距离的限定，使得砂带只对焊瘤进行去材打磨，不伤及钢轨母材。进一步，横向进给距离为3.5CM～5CM。该横向进给距离下，焊瘤去除干净且不伤钢轨母材。进一步，焊接后的钢轨经过错边量检测后，使用该打磨方法对错边量合格的钢轨焊瘤进行去材打磨。进一步，在打磨前，获取钢轨错边量数据，找到钢轨焊缝两边的高的母材，使打磨轮从高的母材向低的母材横向进给。如此，达到横向打磨不伤钢轨母材的目的。进一步，在打磨前，测量焊缝与母材之间的高度差，打磨轮向靠近钢轨宽度方向中心线进给量小于该高度差。可选的，该高度差为焊缝与母材之间的平均高度差，或者该高度差为焊缝与母材之间的最低高度，或者该高度差为焊缝与母材之间的中位高度。如此，避免过度进给而导致的打伤钢轨母材。可选的，砂带、打磨轮和传动轮形成的带传动机构安装在一个支架上，在打磨作业过程中，当砂带上与钢轨接触的位置停滞时间超过设定时间阈值时，整个带传动机构停止向靠近钢轨的方向进给，支架带动打磨轮向远离钢轨的方向后撤，直到打磨轮与钢轨之间的作用力降低到允许范围内为止。如此，避免带传动机构损坏、失效。有一种支架带动打磨轮向远离钢轨的方向后撤的方案为：安装打磨轮的支架部分和安装传动轮的支架部分相互独立，两个支架部分之间通过柔性件或弹性件连接在一起，当砂带上与钢轨接触的位置停滞时间未超过设定时间阈值时，柔性件或弹性件使两个支架部分保持打磨轮和传动轮的相对位置稳定，打磨轮实现打磨作业；当砂带上与钢轨接触的位置停滞时间超过设定时间阈值时，柔性件或弹性件形变、使打磨轮向靠近传动轮的方向运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钢轨表面质量的定量测量方法，其特征在于：该方法通过激光器向钢轨表面照射直线光条，相机获取钢轨和光条的钢轨-光条图像，从钢轨-光条图像中分割出光条，沿着X向对光条离散取点，提取出各离散点的光条中心像素坐标，寻找纵坐标最小的光条中心点作为特征点，从特征点分别向左右两边搜索光条曲线的二阶导数的最小值点，将特征点左右两边的二阶导数最小值点判定为钢轨焊缝边界特征点，以钢轨焊缝边界内的特征点和钢轨焊缝边界外的特征点在y轴的差值作为打磨后轨底焊筋高度。/n

【技术特征摘要】
20200529 CN 2020104749541;20201014 CN 2020110986631.一种钢轨表面质量的定量测量方法，其特征在于：该方法通过激光器向钢轨表面照射直线光条，相机获取钢轨和光条的钢轨-光条图像，从钢轨-光条图像中分割出光条，沿着X向对光条离散取点，提取出各离散点的光条中心像素坐标，寻找纵坐标最小的光条中心点作为特征点，从特征点分别向左右两边搜索光条曲线的二阶导数的最小值点，将特征点左右两边的二阶导数最小值点判定为钢轨焊缝边界特征点，以钢轨焊缝边界内的特征点和钢轨焊缝边界外的特征点在y轴的差值作为打磨后轨底焊筋高度。


2.如权利要求1所述的钢轨表面加工质量的定量测量方法，其特征在于：提取光条中心点像素坐标的可选的方法为：以图像中光条上任意一像素点(x0，y0)处的法线方向的向量记为(nx，ny)，获得光条中心的像素坐标为(x0+tnx，y0+tny)，其中，




记数字图像的二维灰度分布函数为I(x,y)。如此，利用光条的灰度分布特性，抗干扰能力强，且提取精度高，能够实现光条的亚像素级别的提取。


3.如权利要求2所述的钢轨表面加工质量的定量测量方法，其特征在于：在计算光条中心点的坐标之前，利用阈值法对钢轨-光条图像的光条边界进行粗提取，然后通过粗提取的光条边界计算光条宽度w并生成对应宽度的高斯卷积核，最后再利用该高斯卷积核对光条内部区域使用上述公式计算进行光条中心的精确提取，从而得到光条中心坐标；记第i个光条中心的像素坐标为(xi，yi)，光条中心点的水平像素坐标为xi，寻找光条中心点纵坐标最小的点作为特征点C；然后分别对各个光条中心点进行微分计算与高斯滤波处理得到滤波后的一阶导数ki，然后再对滤波后的一阶导数进行微分计算与高斯滤波处理，得到滤波后的二阶导数Di，最后从特征点C分别向左右两侧搜索二阶导数的最小值来确定钢轨焊缝边界的特征点；以钢轨焊缝边界内的特征点和钢轨焊缝边界外的特征点在y轴的差值作为打磨后轨底焊筋高度。


4.如权利要求1所述的钢轨表面加工质量的定量测量方法，其特征在于：光条中心坐标提取方法的流程如下：
Step1：设置阈值th，输入待处理的钢轨-光条图像I。
Step2：对钢轨-光条图像I进行预处理。
Step3：对所有列像素进行顺序扫描，得到该列上第一个大于th的像素坐标和最后一个大于th的像素坐标，分别记为(B1，col)，(B2，col)，该坐标即为粗提取得到光条边界的坐标。
Step4:利用粗提取得到的光条边界计算每一列上的光条宽度，记第i列的光条宽度为wi＝|B1-B2|，则最大光条宽度为wmax＝max{wi|N≥i≥1}，其中N为图像的列数。
Step5:以10为公差生成等差数组M＝{10,20,…,wmax}。利用数组中的元素mi构造长度和宽度为的高斯卷积核及其对应的一阶和二阶偏导卷积核。
Step6:对图像中第i列像素，选择Step5生成的数组M中最接近wi的元素mi所构造的卷积核计算第i列像素上行坐标在区间内的像素点的法线方向的向量(nx，ny)。
Step7：将Step5中计算得到的特征向量代入式(3-21)计算t，当|tnx|≤0.5且|tny|≤0.5时，光条中心处于当前像素内。最终求解得光条中心的像素坐标为(x0+tnx,y0+tny)。
Step8：对每一列重复Step6至Step7，最终可提取得到所有光...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹衍龙，唐铭，黄芳，刘文渊，陈景曦，丁斌杰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33