钢轨表面几何尺寸非接触式测量
方案
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当前问题
针对当前人工对钢轨几何尺寸的手工测量，存在检查率低、工作效率低、人为检查误差大的现状，提出了基于CCD成像和激光三角测距的非接触式测量方案。通过一次测量完成钢轨的扭曲度、弯曲度和外形尺寸精确检测，并通过计算机图形图像处理技术自动生成钢轨外形的仿真图。该方案的测量过程全自动在线完成，避免了人工的参与与干预，具有重复性能好、故障率低、精度高的优点。
技术指标
(1)系统检测精确度要求
(1) 矫直钢轨使用全长范围内轨顶面和侧面平直，如有弯曲、扭曲、轨端部1m范围内垂直面及水平面直线度大于0.25mm 或 钢轨距轨端3.5m内的直线度大于0.5mm应即刻检出；(注：作业要求仅检测使用全长范围内轨顶面1m范围内，水平面直线度大于0.25mm 或 钢轨距轨端3.5m内的直线度大于0.5mm应即刻检出)
(2) 矫直钢轨扭矩度检测标准为，采用扭矩测量量具，量具读数不在±0.45mm范围内应立即检出。
(2)本项目检测方案的优点：
(1) 本测量方法为在线的、实时的、非接触式测量，测量过程全自动完成，避免了人工的参与和干预；
(2) 一次测量可计算出钢轨的扭曲度、弯曲度和外形尺寸，并可形成钢轨的三维仿真图；
(3) 测量结果表现形式与手工测量一致；
(4) 该方案具有可重复性能好、故障率低、精度高的优点。
本项目测量方案描述
本测量方案是基于CCD成像和激光三角测距的原理实现的。激光三角测距技术是非接触式测量的重要手段，主要应用于机器人视觉、机器人导航、工件在线测量以及逆向工程的三维测量等方面。本课题针对钢轨在线检测中精度要求高、测量范围大，待测参数多的特点，提出了基于CCD成像和激光三角测距相结合的方案,实现了钢轨外形尺寸的精确测量。
测量方案的基本原理
⑴ 激光三角测距(单点测距)
典型的激光三角测距光路如图(1)所示。测量的基本原理主要是基于平面三角几何。系统主要由激光光源、会聚透镜、成像透镜、探测器(主要是PSD或者CCD)以及信号处理控制器等组成。
激光光源发射一束光经过会聚透镜准直后投射到被测物体表面，其漫反射光线经过接收透镜形成光斑成像在光电检测器件上。在接收透镜焦距确定的情况下，成像光斑中心的位置由传感器和被测物体表面之间的距离决定。被测物体表面的位移改变会引起光电检测器件上成像光斑产生与之对应的位移。当物体的表面相对参考平面发生变化时，由接收透镜接收的漫反射光线会聚在光电检测器件上所形成的光斑也发生相应的位移。在图(1)中，当被测物体表面有D点移动到D1点时，根据透镜的小孔成像原理，其像点相应的从F点移动到F1点，点F与点F1之间的距离设为x1；当被测物体表面由D点移动到D2点的时候，由接收透镜收集的漫反射光在光敏元件上所形成的光斑由F点移动到F2点，F点与F2 点之间的距离设为x2。
图 1 激光三角测距的基本原理
参考平面上的D点记为系统的基准点，当物体表面相对参考平面的位移为y时，设由接收透镜收集到的散射光在光电检测器件的感光面上所成的光斑产生的位移为x，通过简单的运算我们可以得到如下的y 与x 的关系式:
当被测物体表面在参考平面下方时：
式(1-1)
被测物体表面在参考平面上方时:
式(1-2)
实际应用中，参考点D与透镜的距离c可通过精确测量获取，光斑中心位置通过图像处理技术获取，进而计算出光斑中心的位移。当采用CCD作为接收器件时，该位移量的测量可达5-10um数量级精度。通过选取不同光学放大率的透镜，系统的检测精度可调，高精度测量可达0.01mm。
(2) 本方案的系统构架及基本原理
如图 2.所示，线激光器发射的光线照射在被测物体的表面，当被测物面移动或表面形状发生变化时，成像光线在图像上的位置也随之发生变化。通过对图像上的光线上进行点采样，利用激光三角测距的方法计算各采样点对应的物点离参考平面的距离，线激光器和CCD组成的系统完整扫描被测物体的表面后，即可获取被测物面的点云及其对应坐标。在本项目中，从待测钢轨的四个方向上采用上述线激光器和面阵相机进行扫描，获得钢轨四个面点云相对其对应相机的坐标，而四个相机相互之间的位置是固定的，通过坐标变换，即可获取钢轨四个面点云坐标，通过曲线拟合计算钢轨四个表面的曲面方程，进而可计算其变形、扭曲及三维仿真图。
图(2) 扫描测量结构图
系统的整体构架如图(3)所示，待测钢轨平放在检测台上，四个相机和激光光源组成系统的检测前端，沿固定的直线导轨作水平匀速运动(Z轴方向)，主控微机控制运动控制器和图像采集卡的协调工作，完成对钢轨各待检测面的检测。图(1)中激光三角测距实现的是单点相对于参考点的距离测量；而图(2)中通过对扫描线取采样点实现了一条线上多点的相对距离测量，通相机和激光器的运动拍摄，可以完成一个面上各采样点的距离测量；图(3)则是采用图(2)所示系统对钢轨的四个面进行抽样扫描测量，可以实现钢轨四个面上各采样点的相对距离测量。钢轨为刚性物体，其形变或者扭曲必然是连续的，因而可以利用采样点离参考平面的距离用曲线拟合的方法实现钢轨各表面的外形仿真。
图(3) 钢轨外表面尺寸及扭曲测量系统结构图
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