动车车轴表面划痕检测技术研究

动车车轴表面划痕检测技术研究

中车唐山机车车辆有限公司

摘 要随着科技的发展，各种新型材料和复合型机械零件都不断问世,新技术和复合材料往往是层出不穷而导致传统的检测方法已经达不到现在的生产技术要求。所以，为了提高产品质量和减短检测周期有关技术人员开始研制多种表面处理剂来处理车轴表面划痕的问题并及时发现与修复;也为了保证行车的安全稳定，就动车车轴端检测技术来进行研究和分析,

关键词:检测 电动汽车 检测技术 发动机 机动车 机器视觉

近年来,由于我国动车高铁产业的飞速发展, 动车的性能安全方面都会引起各界的注意，据相关规定动车在行驶 400 万公里左右后, 都要对其进行返厂进行检修, 来保证其安全性及稳定性。但是目前动车的转向制造中心面临着一个检测技术难题, 这个难题就是在返修过程中车轮和车轴在拆卸时, 会有微小的创伤划痕留在其金属表面，而这种划痕会导致轮轴啮处在进行注油时有漏油现象, 这样会给动车在行驶时造成安全隐患。但是如果金属的表面划痕深度超过0. 05mm 时, 那动车轮对车轴将会被淘汰掉, 而很多现在的企业针对这种类型划痕检测大都是以人工的经验与目测来做依据, 没有准确的检测数据报告在无形中影响了其检修的效率, 返修的质量相对性也大大的降低了更严重时还会对在高速运行时列车的行车安全和动平衡。

2. 分析表面划痕

目前大多数国内外学者针对线激光和目测进行了一系列的研究工作，例如利用斑点分析法，提取斑点的参数，进行缺陷视觉检测，但是造成了噪声的问题，如果数据有干扰的现象就会造成误差。学者们在其他方面进行了不同的检测研究，最后提出了线激光和CCD视觉检测技术来检测汽车表面的滑痕。

它是利用了图像处理技术和机器视觉进行检测而且这个方法能够适用于各方面划痕的检测。该检测方法的第一步是去除干扰点。接着利用平滑条根图片的激光线吻合，在进行分段性的插值，最后再将划痕中较宽的激光线转为细直线，这样子就可以方便取得划痕缺陷的参数。

1.1对划痕的发展回顾

划痕可以分成三个不同的阶段

针对构思，首先要搭建好系统架构利用CCD的照相机和线激光发射器来对图片进行提取和分析，然后再根据数据处理法来对缺陷研究和处理。该图显示了一个可移动平台、一个直线激光发射器、一个固定支架和一个摄像头。移动平台由导轨、滑块等组成。

1.2利用平滑样条和Smoothing parameter拟合。用样条代替激光线的几何中心，可以拟合出平滑的激光线图。拟合的最常用方式是三次样条插值，而这种方法会造成样本超调，也不会保留原始数据的特性而这些小问题都会在（PWL）DE 情况下被逐渐小化掉在此, 使用一个参数化的曲线, 名叫平滑样条, 这种样条允许从平稳过渡(α = 0) 三次样条插值 ( α = 1)。 该图显示了一个可移动平台、一个直线激光发射器、一个固定支架和一个摄像头。移动平台由导轨、滑块等组成，用样条曲线代替激光线的几何中心，可以拟合出光滑的激光线图。

下面介绍一下平滑参数所得到的不同的拟合值以及它的像素图。不同的平滑条通过不同的平滑参数得到不同的像素值和不同区域的拟合图。

1.3由于被测对象是平坦的，且不在陡坡上倾斜，因此左右截面之间的差异越小越好。通过使用左右划痕间隔之间的差异，可以选择最合适的平滑参数。, 0. 326、0. 256、 0. 175、 0. 134。 因此可看出, 当平滑参数越接近 1 时, 效果越好。当平滑参数接近0时，由于最小二乘法的影响，图像接近直线，无法使用因此，对于数值计算，取接近1的参数进行比较比较平滑参数越接近1，左右间隔之间的差异越小，更好。

1.4拟合原始数据时，参数的选择非常重要，尽管1是最接近的参数，它应该针对不同的情况而具体。当平滑参数接近0时，由于最小二乘法的影响，图像接近直线，无法进行数值计算。因此，取接近1的参数进行比较。平滑参数越接近1，左右间隔之间的差异越小，析：拟合曲线的斜率是提取划痕宽度的特征值。最小值与最大值仍然没有区别，也没有达到理想状态。

1.5选择为1时，斜率的最大值和最小值明显区分，即以斜率的最大值和最小值作为划分区间，对第一条拟合曲线进行分段线性插值。当步长为2时，斜率的最小值小于步长为1时的最小值，即更明显。

此外，在《机床与液压》第47卷中还可以得到一幅良好的二次拟合效果图。因此，从上述结果可以看出，步长的选择对于区间划分尤为重要。如果选择较小，拟合效果将严重偏离。因为曲线需要根据坡度的最大值和最小值（即划痕的宽度）划分为段。当选择步长为1或大于1时，可以获得良好的拟合效果，但这并不意味着选择的步长越大越好，因为选择的步长越大，也表示误差增加。

1.6插值

以及其他一些问题，这些问题会导致用光滑样条拟合求几何中心时产生一定的误差，即光滑样条会有一定程度的波动。因此，还需要线性拟合来提高精度。

1.7线性插值原理

依次连接相邻的插值点，以获得由n-1条线段组成的多段线。此多段线称为插值函数f（x）的3.2 线上步长与断线性插值的关系

1.8 从表 3 中可以看出步长选为 0. 1 时, 在曲线上斜率只有最大值有划分清楚, 即曲线上的第一段

序号 1 成功地进行一次项拟合。 而斜率的最小值与最大值离得很近, 与实际数据不符, 没有很明显的划

分。 所以进行分段插值时, 拟合效果图就与原图严重偏离。 这样的二次拟合就显得没有意义。 当步长选为0. 5 时与步长选为 0. 1 时的变化不是很大。 最小值仍与最大值没有区分开来, 没有达到理想的状态。 而当步长选为 1 时, 斜率的最大值和最小值有明显的区分, 即可以以斜率最大值和最小值为划分区间对第一次拟合的曲线进行分段线性插值。 步长为 2 时, 斜率的最小值比步长为 1 时更小, 即更明显。 而且也可以·38· 机床与液压 第 47 卷得到很好的二次拟合效果图。因此, 从以上结果可知, 步长的选取对区间的划分尤为重要。 若选得小, 拟合效果就会产生严重偏离。 因为需要根据斜率的最大值和最小值对曲线进行区间划分, 即划痕的宽度。 当步长选为 1 或大于 1时, 确实已经得到了很好的拟合效果, 但这也并不意味着选取的步长越大越好, 因为选得越大同时也代表着误差的增大。 所以应该选一个能够将它们正好分开的值。 并且步长的值会因为相机分辨率的不同而有所不同, 相机分辨率越高, 步长可选得越小, 即精度

越高。

二、实验结果

计算校准块宽度和高度占用的像素值的处理 然后通过算法对标定块图像进行处理算出标定块的宽度与高度所占的像素值。 在进行计算, 算出像素点与像素点之间的实际尺寸比通过将点间距的值替换为划痕的像素值进行线性转换，可以获得划痕的实际大小。校准试块应放置在处理过的金属表面上，以确保它们处于相同的水平高度。图5是在实验室拍摄的照片在图4中，存在校准块，其实际尺寸可由三校准测量仪器测量，然后通过算法处理校准块图像以计算由校准块的宽度和高度占据的像素值。

在获得点间距值后，将其替换为划痕的像素值进行线性转换，以获得划痕的实际大小。 准试块应放置在经过处理的金属表面上，以确保它们处于同一水平度。
5 结束语

车车轴微划痕检测过程中，由于拍摄环境中不可避免的光照不均、噪声等问题，在图像提取过程中很难准确提取划痕特征。因此，为了提高划痕检测的精度，采用八连通区域的方法提取原始图像的激光位置并去除干扰点，将图像转换成二值图，然后利用曲线拟合工具箱中的光滑样条函数将二元图拟合成光滑样条函数。样条曲线靠近图像的几何中心，并且相对平滑。拟合后，找到每个区间的端点，使用分段线性插值找到平滑样条曲线的几何中心并拟合一条直线。找出划痕的宽度和深度。经上述方法处理后，划痕宽度误差可低至0.5%05 mm, 深度的误差低至 0.1 mm, 满足工业要求。

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