一种基于视觉引导的轮对清洗系统的制作方法

1.本实用新型涉及轮对清洗技术领域，具体涉及一种基于视觉引导的轮对清洗系统。


背景技术：

2.车辆轮对是机车车辆与钢轨相接触的部分，也是列车运行的重要部件，它由左右两个车轮牢固地压装在同一根车轴上所组成。轮对的作用是保证列车在钢轨上的运行和转向，承受来自列车的全部静、动载荷，把它传递给钢轨，并将因线路不平而产生的载荷传递给列车各零部件。另外，计策车辆的驱动和制动也是通过轮对起作用的。因此，轮对在机车车辆的行驶中起着非常重要的作用，所以在火车的检修过程中，对轮对的检修质量的要求也极为严格。
3.为确保铁道车辆运行的安全性，需要定期对其进行探伤，以检查金属材料内部或表面的孔洞、裂纹、偏析等各种宏观缺陷，探伤检测后数据的真伪与轮轴外圆表面的锈蚀程度有关，为确保探伤数据的正确性和真实性，需要对轮对表面上的油漆和锈垢进行完全彻底的清除。轮对除锈工作直接影响大轮对检测的结果，同时直接影响到机车的行车安全。
4.现在轮对的除锈方法主要是机械除锈法、液体固体强力冲击清洗和化学腐蚀清洗，机械除锈法有两种方式，一种是高速旋转的钢丝刷或者打磨片直接清除油漆与锈蚀，另一种是使用喷丸设备通过喷丸撞击除锈。机械除锈法为接触式清洗，对清洗表面有机械作用力，损伤车轴表面。液体固体强力冲击清洗的除锈操作比较复杂，效率低下，并且清洗的介质附着于车轴表面，容易产生二次污染。化学腐蚀清洗的方式是使用化学药剂和清洗液清洗，会产生大量清洗废弃物，存在环境污染的问题，同时也会损伤人员健康。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于视觉引导的轮对清洗系统，以解决现有清洗装置对轮对产生损伤或者环境污染等问题。
6.为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种基于视觉引导的轮对清洗系统，包括龙门架，龙门架的横梁上滑动装配有机器人，机器人的末端安装有激光头；龙门架的下方设有轮对固定支撑装置，所述机器人的末端还装配有用于采集轮对信息的3d传感器；所述轮对固定支撑装置包括用于支撑轮对两个轮子的两个固定台架及至少一组用于驱动轮对转动的轮对驱动机构；所述横梁上开设有滑槽，所述驱动装置包括滑块、驱动电机和传动单元，机器人的底座固定在所述滑块上，且滑块与驱动电机固定装配，驱动电机的动力输出端与传动单元连接以使滑块沿滑槽在驱动电机的带动下横向移动；驱动电机与工控机控制连接。
7.在本实用新型另一个实施例中，所述传动单元为齿轮齿条组件，所述驱动电机的输出端连接齿轮，所述齿条固定安装于所述横梁内部一侧并与所述齿轮啮合。
8.在本实用新型另一个实施例中，所述固定台架包括底座及两组限位固定轮子的转
动机构，所述转动机构包括转动支架及转动支架内穿设的转动轴，与轮对接触支撑处的转动轴上固定装配有用于驱动轮对转动的转动轮。
9.在本实用新型另一个实施例中，所述轮对驱动机构包括轮对驱动电机，轮对驱动电机的输出端装配有主动轮，所述主动轮与一摩擦轮啮合装配，所述摩擦轮与对应的转动轴同轴装配。
10.在本实用新型另一个实施例中，所述轮对驱动机构为两组，分别设于所述两个固定台架的对角侧。
11.在本实用新型另一个实施例中，所述激光头的一侧设有吸尘管以用于吸除清洗掉的铁锈。
12.在本实用新型另一个实施例中，所述轮对固定支撑装置还包括两个轨道，所述固定台架的底座为门形结构，门形结构的两侧边卡在对应轨道的两侧。
13.在本实用新型另一个实施例中，所述轮对固定支撑装置还包括用于调整固定台架高度的升降机构。
14.在本实用新型另一个实施例中，所述3d传感器为双目视觉传感器。
15.本实用新型的有益效果是：本实用新型基于视觉引导的轮对清洗系统通过3d传感器扫描轮对相关信息，系统计算配准得出齿轮箱的位置，判断出轮对型号，根据预设的模板配准并计算得到相应的参考点(即清洗定位点)，引导机器人移动至清洗位按照模板设定的相应姿态及设定的清洗过程和顺序进行激光清洗，高效环保。
16.该系统为全自动清洗系统，机器人与激光头配合，自动化程度很高，大大降低了人力成本，同时不会对轮对表面造成损伤，也不会产生二次污染。另外，该系统不使用任何化学化学药剂和清洗液，也不会造成环境污染。
附图说明
17.图1是本实用新型基于视觉引导的轮对清洗系统实施例的结构图；
18.图2是固定台架实施例的结构图；
19.图3是带齿轮箱的轮对清洗点位图；
20.图4是无齿轮箱的轮对清洗点位图。
具体实施方式
21.为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。
22.需要说明的是，除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。术语“中心”、“底部”“顶部”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅仅是为便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗指所指的部件必须具有特定的方位、为特
定的方位构造和操作，因而不能理解为对本实用新型保护内容的限制。
23.如图1和2所示为本实用新型基于视觉引导的轮对清洗系统，由图可知，该系统包括龙门架14，龙门架的横梁上滑动装配有机器人10，机器人的末端安装有激光头5和用于采集轮对信息的3d传感器11，机器人由机器人控制柜(图中未示出)控制，3d传感器11和机器人控制柜均与工控机(图中未示出)控制连接；龙门架14的下方设有轮对固定支撑装置，轮对固定支撑装置包括用于支撑轮对13两个轮子的两个固定台架12及至少一组用于驱动轮对转动的轮对驱动机构以及减速机构。
24.本实用新型采用的激光头出光为线性光束，需机器人调整姿态，保证光束与工件法向成0-60
°
，保持固定距离清洗。清洗时机器人带动激光头保持位姿不动，旋转轮子完成圆周清洗。
25.优选地，本实施例的机器人10通过驱动装置滑动装配在横梁上，横梁上开设有滑槽，驱动装置包括滑块1、驱动电机2和传动单元，滑块的一端与机器人的底座3固定，另一端与驱动电机2固定装配，驱动电机2的动力输出端与传动单元连接以使滑块1沿滑槽在驱动电机2的带动下横向直线移动；驱动电机2与工控机控制连接。
26.优选地，本实施例的传动单元为齿轮齿条组件，驱动电机2的输出端连接齿轮，齿条固定安装于横梁内部一侧并与齿轮啮合。
27.在清洗时，通过工控机给驱动电机2发送信号，可以使机器人10带动激光头5在横梁上自由移动，以调整机器人的清洗位置。
28.当然，机器人在横梁上的驱动不限于上述的电机及齿轮齿条驱动，也可以采用电机、滑块及直线导轨的配合来实现，或者气缸、液压缸驱动均在可实现。
29.优选地，固定台架12包括底座8及两组限位固定轮子的转动机构，转动机构包括转动支架16及转动支架内穿设的转动轴17，与轮对接触支撑处的转动轴上固定装配有用于驱动轮对转动的转动轮9。
30.轮对驱动机构包括轮对驱动电机6，轮对驱动电机6的输出端装配有主动轮15，主动轮15与一摩擦轮7啮合装配，摩擦轮7与对应的转动轴17同轴装配,轮对驱动电机6的转动通过主动轮和摩擦轮的传动以带动与摩擦轮7同轴装配的转动轮9转动，再利用转动轮9与轮子之间的摩擦力带动轮对13慢速转动。
31.优选地，本实施例的轮对驱动机构为两组，分别设于两个固定台架的对角侧，能够为驱动轮对转动提供更足够的驱动力。
32.优选地，轮对固定支撑装置还包括两个轨道18，固定台架12的底座为门形结构，门形结构的两侧边卡在对应轨道18的两侧。固定台架可以在轨道前后移动以方便再清洗时调整轮对的前后位置。
33.另外，在清洗时为了可以实现对轮对位置的高度调节，可以在固定台架下方设置用于调整其高度的升降机构。该升降机构可以采用液压驱动带动驱动杆伸缩从而使固定台架上升或下降，当然也可以采用其他的驱动机构。
34.优选地，为了避免环境污染，在激光头5的一侧设有吸尘管4以用于吸除清洗掉的铁锈，防止大量的锈粉到处飞散，对工作环境造成粉尘污染，同时回收的废料也可以再利用。
35.优选地，本实施例的3d传感器11为双目视觉传感器，采用双目相机与结构光投影
装置，利用三角测量原理计算出投影出的符合正弦曲线分布的纹理图像中每个点的三维坐标。
36.本实用新型基于视觉引导的轮对清洗系统的清洗过程如下：
37.s1、标定坐标系：将机器人滑动转配在龙门架的横梁上，3d传感器和激光头安装于机器人末端的设定位置，标定3d传感器的相机坐标系与机器人的机械手工具坐标系的关系。
38.创建机械手坐标系，一方面是为了标定3d传感器和机器人的机械手工具之间的关系，另一方面是为了使得清洗锈迹、定位轮对位置时，与在轮对清洗位置上创建的工件坐标系具有一致性，从而使激光头能以合适的姿态清洗。
39.3d传感器的相机坐标系与机器人的机械手工具坐标系关系的标定是通过矩阵转换，生成一个矩阵转换文件，使相机坐标系下的坐标与机器人坐标系下可以相互转换。
40.s2、采集并计算轮子的位置信息：机器人带着3d传感器移动到第一个轮子上方，机器人向3d定位系统发送启动扫描指令,3d传感器对视野范围内的轮子进行扫描，获取该区域的点云数据，计算该清洗区域清洗点的位置坐标。
41.s3、判断有无轮对并识别轮对类型：根据3d传感器所拍摄的图像和数据信息判断是否存在待清洗的轮对，并识别出轮对的类型，即有齿轮箱或无齿轮箱，有齿轮箱又分为齿轮箱在左侧和齿轮箱在右侧两种。
42.轮对类型的判断是通过调用预设的齿轮类型模板依次进行比对，配对成功即为与对应模板相同的轮对，最终如果均比对不成功，即说明工件位置处不存在待清洗的轮对，通过上述过程即可判断出轮对有无齿轮箱及齿轮箱的位置。
43.s4、配准：根据所在区域的点云数据及识别出的轮对类型，调用预设的模板进行配准，配准成功后，确定相机坐标系中机器人的清洗位置和姿态。
44.该系统在应用时，需预先分别对各个类型轮对轮子的外侧、内侧、轮轴部位的各清洗区域建立模板，如图3是带齿轮箱的轮对清洗点位图，其清洗位为a1-a9九个区域，图4是无齿轮箱的轮对清洗点位图，其清洗位为b1-b9九个区域。对每个区域建模的过程如下：机器人带着3d传感器至一清洗区域，发送扫描指令触发3d传感器扫描，获取该区域的三维点云数据，根据该区域特征进行裁剪，保留特征部分点云，删除其余点云；对裁剪后的特征部分点云进行保存作为点云模板，在模板上设定清洗位置。
45.另外，通过对轮对进行点云扫描，获取轮对的三维点云图，取轮对特征部分作为模板，同时机器人示教清洗位置作为参考点(即清洗定位点)，使模板与参考点之间形成特定关系，以便后续在配准时，匹配到模板后机器人还能准确的找到参考点进行清洗。
46.s5、坐标转换及清洗：将相机坐标系中清洗点坐标和姿态数据转换至机械手工具坐标系下，机器人根据获得的数据信息按照预设的模板进行定位及定姿，并按照设定的清洗顺序(不同型号的轮对可事先按照需求设置好清洗顺序，之后根据配准后的轮对型号，按照该型号对应的清洗点顺序进行扫描、模板匹配，确定清洗位置和姿态)，带动激光头对轮子进行清洗。
47.本实用新型基于视觉引导的轮对清洗系统通过3d传感器扫描轮对相关信息，系统计算配准得出齿轮箱的位置后，判断出轮对型号，将轮对型号信息发送给机器人，根据预设模板中自定义的路径点设置，引导机器人移动至与对应位置进行提取及示教抓取位的参考
点(即清洗定位点)，之后通过3d传感器扫描匹配来确定轮子内外侧激光清洗定位点的位置，通过标定三位传感器和机器人的位置关系后，将三维传感器的点云坐标值转化为机械手坐标系下，然后按照模板设定的位姿，引导机器人移动至清洗位按照相应姿态及设定的清洗过程和顺序进行激光清洗，高效环保。
48.以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本实用新型的专利保护范围内。