发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题提供一种基于机器视觉的双块式轨枕外观质量检测系统及方法，拟采用深度学习技术对工业相机采集的影像进行检测裂纹，提取模具号编码等信息，系统安装调试完成后，可以实现轨枕的流水化、自动化检测。

本发明包括如下技术方案：一种基于机器视觉的双块式轨枕外观质量检测系统，包括与PLC主程序交互通信的上位机软件、多轴伺服直线导轨、轨枕运输系统以及安装框架；

所述上位机软件包括三维数据采集控制模块、三维数据分析处理模块、图像数据采集控制模块、图像数据分析处理模块；通过三维数据采集控制模块和三维数据分析处理模块控制扫描仪和跟踪仪，通过图像数据采集控制模块和图像数据分析处理模块控制工业相机和喷码机；

所述多轴伺服直线导轨包括X轴伺服直线导轨、Y轴伺服直线导轨以及跟踪伺服直线导轨；所述X轴伺服直线导轨的底座上倒挂固装机械臂，所述机械臂上安装扫描仪，所述跟踪伺服直线导轨上安装跟踪仪；所述PLC主程序控制多轴伺服直线导轨和机械臂运行带动扫描仪与跟踪仪进行三维数据采集，并且与轨枕运输系统交互通信，使本系统兼容生产流水线的生产节拍。

进一步的，所述上位机软件通过通信传输协议TCP/IP连接PLC主程序、跟踪仪与扫描仪；所述上位机软件控制扫描的启动和停止，并自动获取扫描数据，对获取的扫描数据进行自动分析处理；所述上位机软件控制工业相机对轨枕进行拍照，对轨枕照片进行裂纹检测，并获取轨枕的型号编码信息；所述上位机软件控制喷码机对已经完成检测任务的轨枕进行编码。

进一步的，所述轨枕运输系统包括AVG小车、轨枕运输拖链线、阻挡装置、顶升装置以及传感器；所述传感器设置在轨枕运输拖链线下方。通过所述AVG小车将轨枕放置在轨枕运输拖链线上，所述轨枕运输拖链线将轨枕运至阻挡装置后，顶升装置将轨枕顶起至检测位置。所述阻挡装置和顶升装置均设置在轨枕运输拖链线两侧，阻挡装置位于顶升装置前端，处于远离上料位的位置。

所述阻挡装置包括挡块、挡块升降支架以及升降气缸，所述挡块固装在挡块升降支架顶面，所述升降气缸通过连接杆与挡块升降支架的活动杆连接，升降气缸通过推动活动杆转动使挡块升降。挡块升降支架底部固装在安装框架顶面，升降气缸的输出端穿过安装框架中部与连接杆相连。

所述顶升装置包括顶升支架和水平气缸，所述水平气缸与顶升支架的底边连接，通过推拉底边使顶升支架的活动杆转动，从而使得顶升支架的顶面下降或升高。顶升支架的活动杆通过转轴安装在轨枕运输拖链线的侧面。所述传感器安装在顶升装置内侧的轨枕运输拖链线下方，用于检测轨枕。

系统集成安装在轨枕生产线上，所述轨枕运输拖链线的运行由原生产线上的拖链线控制系统控制。当轨枕从AGV小车放置到轨枕运输拖链线上时触发传感器使阻挡装置升起，轨枕随着轨枕运输拖链线运输至阻挡装置，将一组（4根）轨枕归拢，轨枕归拢后，再次触发传感器使阻挡装置下降，顶升装置将轨枕顶起，使轨枕到达检测位置。

进一步的，所述轨枕运输系统保证每组轨枕的重复定位精度在1cm以内，满足三维扫描需求，避免了复杂的坐标系标定与轨枕定位。

进一步的，所述PLC主程序与机械臂、工业相机和喷码机连接通信；所述PLC主程序通过所述传感器接收反馈信号，控制工业相机拍照采集图像，控制喷码机执行喷码操作。系统采用自动喷码机完成编码自动喷写。所述PLC主程序建立运动控制程序控制多轴伺服直线导轨和机械臂能够按照设定路径进行运动。所述机械臂上装有搭载精细扫描程序的控制器。

进一步的，所述安装框架包括桁架式工字钢主框架、定位标志点支架、可调节角度和方向的跟踪仪支架、相机安装支架以及喷码机支架；所述相机安装支架上安装工业相机、光源以及拍照触发传感器；所述喷码机支架上安装喷码机、编码计以及喷码触发传感器。

所述桁架式工字钢主框架平面呈矩形，矩形下方的地面上设有轨枕运输拖链线，矩形的四个角点设有立柱；矩形的两条平行边上设有Y轴伺服直线导轨，两条所述Y轴伺服直线导轨上垂直安装X轴伺服直线导轨；一条所述Y轴伺服直线导轨下方地面上安装有跟踪伺服直线导轨，另一条所述Y轴伺服直线导轨下方地面上安装有定位标志点支架，所述定位标志点支架上安装定位标志点，跟踪仪和定位标志点均平行于轨枕运输拖链线，通过二者对轨枕进行准确测量和定位。所述相机安装支架平行于X轴伺服直线导轨并固装在立柱侧面，所述相机安装支架位于轨枕离开桁架式工字钢主框架范围的一侧。

进一步的，所述桁架式工字钢主框架安装的垂向精度优于1nm, 水平精度优于3nm；所述多轴伺服直线导轨安装的垂向精度和水平精度均优于1nm，其中X轴与Y轴夹角精度优于0.05°。

进一步的，所述跟踪仪和扫描仪为三维激光扫描设备，基于厂家提供的SDK进行集成开发，使上位机软件能自动控制设备进行数据采集。系统运行过程中，多轴伺服直线导轨按照调试的位置运动到位后，PLC主程序再控制机械臂按照调试的路径做精细的扫描动作，扫描获得所需要的数据。

进一步的，所述工业相机为2500万像素高分辨率，用于采集轨枕图像，识别轨枕凹槽处的裂纹以及宽度和长度，具有识别精度高，稳定性好的特点。系统利用基于深度学习的OCR技术对轨枕模具号进行识别，能够适应复杂的光照条件，识别准确率可以达到99%。

一种基于机器视觉的双块式轨枕外观质量检测方法，包括以下步骤：

S1启动检测系统的硬件和软件，进行系统初始化和设备通信连接，系统处于待机状态；

S2轨枕运输送料，AGV小车将一组轨枕放上轨枕运输拖链线，传感器检测到信号后阻挡装置升起，轨枕运输至阻挡装置并全部并拢后，再次触发传感器信号，轨枕运输拖链线停止运转，阻挡装置落下；顶升装置将轨枕升起，轨枕顶升到位后，拖链线控制系统将轨枕到位信号发送给检测系统的PLC主程序；

S3进行三维扫描检测，PLC主程序将轨枕到位信号发送给上位机软件，上位机软件启动扫描仪；扫描仪启动成功后，上位机软件向PLC主程序发送开始扫描信号，PLC主程序收到信号后执行运动程序，控制多轴伺服直线导轨和机械臂，按照设定路径开始三维扫描；运动程序执行完成后，PLC主程序向拖链线控制系统发送扫描完毕信号，通知轨枕运输拖链线上的轨枕顶升装置降落；同时也向上位机发送扫描完毕信号，上位机软件停止扫描仪，并自动获取轨枕的三维点云数据进行分析处理，同时保存三维检测成果；PLC主程序控制多轴伺服直线导轨和机械臂回到机械原点；

S4进行外观检测；轨枕顶升装置降落后，轨枕运输拖链线将轨枕继续向前运输，轨枕进入外观检测区域时触发传感器，自动启动清洁装置；约10s后进入工业相机的视野范围，由PLC主程序向上位机软件发送拍照信号；上位机软件收到拍照信号后，启动相机拍照，获取图像数据进行分析处理，自动识别轨枕裂纹和轨枕编号，控制喷码机自动喷码并保存裂纹识别结果；

S5轨枕运输拖链线继续向前运行，将轨枕运输至下一个操作工位。

进一步的，所述S1到S5为检测一组轨枕的完整流程，下一组轨枕从S2开始进入检测流程，全过程无需任何人工干预。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明涉及的上位机软件采用三维激光扫描与三维点云处理技术，在AVG小车和轨枕拖链线的辅助下，对轨枕外形尺寸进行自动检测；自动获取三维点云、自动分析处理并自动输出外形检测报表。

2、本发明采用高分辨率工业相机与图像深度学习技术，自动获取高分辨率图像，能够自动识别轨枕编码并对轨枕表面裂纹进行自动检测。

3、本发明涉及的上位机软件通过PLC主程序对所有硬件设备进行统一控制，能够高度自动化、协同化的完成轨枕的多项指标检测，具有高度集成化、自动化的优点；此外本系统尺寸检测精度0.1mm，裂纹检测精度0.2mm，具有高精度的优点。

4、本发明利用轨枕运输线、阻挡装置和顶升装置，实现了每组轨枕的准确重复定位，定位精度约为1-2cm，满足三维扫描的需求；轨枕到位后，检测系统启动，通过跟踪仪、扫描仪、定位标志点获取轨枕的高精度三维点云，再基于三维点云进行尺寸分析。