劉廣宇，梅勁松
（南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京211106）
摘要：目前車輪檢測(cè)結(jié)果大多以平面圖的方式呈現(xiàn)，對(duì)此在國內(nèi)某企業(yè)隨動(dòng)式探傷軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三維車輪模型。該3D車輪模型基于LabVIEW平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)車輪任意角度的旋轉(zhuǎn)、適度縮放、透視等功能。模型采用分離與繼承的方式，保證了探測(cè)到的缺陷可以動(dòng)態(tài)顯示，同時(shí)能準(zhǔn)確反映輪子傷損的具體位置。
關(guān)鍵詞：三維車輪模型；缺陷；LabVIEW；動(dòng)態(tài)顯示
0引言
隨著鐵路運(yùn)輸?shù)奶崴佟⒅剌d，尤其是第六次大提速后，鐵路車輪的擦傷、剝離、不圓度、非正常磨耗加劇，特別是性質(zhì)十分嚴(yán)重的輪輞周向裂損故障時(shí)有發(fā)生，直接危及行車安全［1］。目前，在人工探傷的基礎(chǔ)上涌現(xiàn)出許多自動(dòng)探傷的設(shè)備［2］。通常情況下，自動(dòng)探傷設(shè)備通過智能算法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過B掃圖和C掃圖展現(xiàn)給用戶。B掃圖是車輪的側(cè)視展開圖，可反映缺陷相對(duì)于踏面的深度；C掃圖是從垂直踏面的角度進(jìn)行觀察，能反映缺陷相對(duì)輪緣的寬度。然而，平面圖并不能直觀、快速地表達(dá)缺陷的真實(shí)位置，它需要用戶具有較強(qiáng)的空間想象力，這就片面地降低了工作效率，提升了誤報(bào)率。因此三維顯示技術(shù)逐漸受到機(jī)務(wù)段的重視。
超聲探傷具有入射能力強(qiáng)、成本低廉、靈敏度較高等優(yōu)點(diǎn)［3］，與三維顯示技術(shù)相結(jié)合后，可以準(zhǔn)確、迅速地判斷缺陷在車輪的位置，有利于機(jī)務(wù)段的信息化建設(shè)。
基于上述背景，本文在國內(nèi)某企業(yè)隨動(dòng)式探傷軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了三維車輪模型。本文主要介紹了3D模型在超聲探傷應(yīng)用中的總體方案，包括總體架構(gòu)、三維車輪概述、超聲波探傷與應(yīng)用以及三維車輪的設(shè)計(jì)，闡述了重要環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)所做工作進(jìn)行總結(jié)。
13D車輪繪制與應(yīng)用概述
1.1總體架構(gòu)
三維車輪繪制首先需要探傷數(shù)據(jù)作為支撐，否則模型就與實(shí)際脫離了關(guān)聯(lián)。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到車輪模型所需的3個(gè)維度的數(shù)據(jù)：缺陷的角度信息；缺陷相對(duì)于踏面的深度信息；缺陷相對(duì)于輪緣的寬度信息，該數(shù)據(jù)是根據(jù)缺陷在車輪的相對(duì)空間位置提取得到的。三維車輪模型要能夠調(diào)節(jié)自身的大小，以便于從宏觀和微觀兩個(gè)角度掌握車輪的傷損信息；該模型也需要透視功能，以便于觀察車輪內(nèi)部情況，所以，在數(shù)據(jù)處理的同時(shí)還需進(jìn)行模型控制功能的轉(zhuǎn)化，這樣才能呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的3D模型，據(jù)此，可直觀地判斷車輪的傷損程度。總體架構(gòu)圖如圖1所示。
1.2三維車輪概述
三維車輪模型的繪制一般分為兩種：（1）利用空間車輪曲面函數(shù)繪制；（2）通過專業(yè)的三維繪圖軟件進(jìn)行制作。第一種繪制方式效果較為逼真，其難點(diǎn)是獲取車輪的曲面函數(shù)；第二種繪制方式實(shí)現(xiàn)起來比較容易［4］。本文采用第二種繪制方法，將已經(jīng)完成的3D車輪模型加載到軟件平臺(tái)中，同時(shí)根據(jù)探傷數(shù)據(jù)提取的缺陷信息創(chuàng)建缺陷對(duì)象，二者融合后接受模型的控制命令，使其按照用戶的意愿動(dòng)態(tài)顯示。3D車輪模型繪制過程如圖2所示。
1.3超聲波探傷與應(yīng)用
超聲探傷具有適用范圍廣、成本較低、靈敏度相對(duì)較高、在缺陷的定位和定量分析上有一定的優(yōu)勢(shì)等特點(diǎn)，而其中的多探頭多通道組合掃查技術(shù)可以根據(jù)各通道的探頭類型對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理來判定車輪內(nèi)部的傷損情況［5］。將車輪的傷損情況動(dòng)態(tài)地反映在三維車輪模型中，可以直觀地了解車輪的健康狀況。缺陷的相對(duì)角度由編碼器和磁感裝置確定［6］；缺陷的深度由探傷數(shù)據(jù)的索引確定；缺陷相對(duì)于輪緣的寬度由探頭的種類和位置決定［7］。
2三維車輪模型設(shè)計(jì)
該模塊首先需要加載原始三維車輪模型，原始三維車輪模型是該系統(tǒng)的載體，模型使用SolidWorks軟件繪制并保存為STL格式。車輪的缺陷信息存儲(chǔ)在TDMS中，該格式文件用于在LabVIEW中快速讀寫和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。缺陷信息包含缺陷的角度信息、缺陷相對(duì)于踏面的深度信息、缺陷相對(duì)于輪緣的寬度信息。根據(jù)缺陷信息在三維場(chǎng)景中創(chuàng)建缺陷對(duì)象，缺陷對(duì)象的創(chuàng)建與控制是三維車輪模型設(shè)計(jì)的核心。在三維場(chǎng)景中存在著一個(gè)默認(rèn)的空間坐標(biāo)系［8］，只有在這個(gè)坐標(biāo)系中才能正確地控制缺陷對(duì)象的位置，然而所需要的并不是對(duì)象的絕對(duì)位置，而是缺陷對(duì)象相對(duì)于車輪基準(zhǔn)線的位置。在確定缺陷對(duì)象的相對(duì)位置前，首先要確定原始三維車輪模型的空間輪廓，可設(shè)計(jì)程序?qū)С鱿到y(tǒng)載體的頂點(diǎn)數(shù)組和法向量，由此可以確定系統(tǒng)的載體在三維場(chǎng)景中的位置。為了便于觀察缺陷對(duì)象的相對(duì)位置，設(shè)置場(chǎng)景的視角為固定視角，控制缺陷對(duì)象的坐標(biāo)使其能夠真實(shí)地反映車輪的傷損情況，即維度控制，但這個(gè)坐標(biāo)是絕對(duì)坐標(biāo)，并不能動(dòng)態(tài)地跟隨載體，想要獲得動(dòng)態(tài)顯示效果還需要缺陷對(duì)象與基準(zhǔn)線同時(shí)繼承載體的屬性，此即為模型融合。融合后的模型不一定能使用戶滿意，此時(shí)可調(diào)節(jié)融合模型的大小，也可以切換模型的狀態(tài)。模型設(shè)置兩個(gè)狀態(tài)：透明和不透明。根據(jù)三維繪圖原理，將某個(gè)繪圖面剔除即可使不透明的三維模型變得透明，從而可以輕松地觀察到車輪的內(nèi)部狀況。經(jīng)過控制的模型可以呈現(xiàn)給用戶一個(gè)滿意的顯示效果，用戶可以從任意角度觀察模型。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。
2.1軟件平臺(tái)與開發(fā)環(huán)境
軟件采用美國國家儀器有限公司（NI）的LabVIEW軟件作為開發(fā)工具。LabVIEW的應(yīng)用范圍廣泛，支持二維圖形顯示、三維圖形顯示、ActiveX等［9］；LabVIEW還提供了豐富的數(shù)據(jù)采集、分析及存儲(chǔ)的庫函數(shù)（控件），其基于圖形化的編程方式使得編程過程簡(jiǎn)潔方便。
系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為基于X86的Windows 7及以上操作系統(tǒng)的控制主機(jī)，CPU要求雙核心以上。
2.2三維車輪動(dòng)態(tài)顯示效果
三維車輪模型中黑色的點(diǎn)表示缺陷，灰色表示正常，其動(dòng)態(tài)顯示效果如圖4所示，其中圖4（a）為不透明模式，圖4（b）為透明模式。模型中由眾多黑色對(duì)象組成的圓表示某個(gè)通道存在固定波，而并非缺陷，其他3處表示車輪內(nèi)部存在缺陷，黑線直線表示基準(zhǔn)線。
3重要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)方案
3.1維度控制環(huán)節(jié)方案設(shè)計(jì)
維度控制中讀取信息有先后次序，首先要獲取缺陷的角度信息，在該角度的默認(rèn)位置創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象。角度采用點(diǎn)編碼方式，用0~627表示0~2π，分辨率為0.01弧度。其次，獲取缺陷的深度信息，并依此做相對(duì)平移，最后，獲取缺陷的寬度信息，也做相對(duì)平移。深度信息和寬度信息的次序可以互換，但角度信息一定得最先獲得，本文采用先深度后寬度的次序進(jìn)行維度控制。維度控制的流程如圖5所示。
3.2動(dòng)態(tài)顯示環(huán)節(jié)方案設(shè)計(jì)
動(dòng)態(tài)顯示的關(guān)鍵在于缺陷對(duì)象能否跟隨載體進(jìn)行變換。前文提到采用繼承屬性的方式使兩者融合，但并沒有介紹為什么需要繼承和如何繼承。繼承即子對(duì)象擁有父對(duì)象全部的屬性和狀態(tài)，除此之外，子對(duì)象還可以擁有父對(duì)象沒有的特性。因此，動(dòng)態(tài)顯示需要通過繼承的方式來實(shí)現(xiàn)。LabVIEW加載原始三維模型時(shí)需要為此創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象，對(duì)象的輸出是一個(gè)引用（場(chǎng)景：新對(duì)象），該引用下有“添加對(duì)象”屬性方法，將該屬性方法同缺陷對(duì)象的引用相連接即可。良好的動(dòng)態(tài)顯示效果還需要設(shè)置視角和成像距離，視角一般設(shè)置為固定模式，既方便操作又能滿足用戶的觀察需求。成像距離太大則模型會(huì)很小，反之，模型會(huì)很大，所以，成像距離要適中。
4結(jié)論
本文所介紹的3D車輪顯示技術(shù)使檢測(cè)人員從平面圖中解放出來，在一定程度上提高了檢測(cè)車輪的效率。基于LabVIEW平臺(tái)設(shè)計(jì)了3D模型，其優(yōu)點(diǎn)在于：
（1）直觀地反映車輪的健康狀況；
（2）能準(zhǔn)確地反映缺陷的位置；
（3）可調(diào)節(jié)顯示效果，能滿足不同用戶的需求；
（4）可節(jié)省檢測(cè)人員的腦力，減少誤報(bào)率。
3D車輪模型獨(dú)立性好，可移植性強(qiáng)，可同其他的超聲探傷軟件契合，從而達(dá)到更加理想的探傷效果。
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