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)

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基于LabVIEW的3D車輪繪制及其在超聲探傷中的應(yīng)用

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)

目前車輪檢測結(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。

三維車輪模型；缺陷；LabVIEW；動(dòng)態(tài)顯示

引用格式：劉廣宇，梅勁松. 基于LabVIEW的3D車輪繪制及其在超聲探傷中的應(yīng)用[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(16)：95-97，100.

0　引言

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)奶崴?、重載，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)。

1　3D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?？傮w架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　總體架構(gòu)圖

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。

圖2　3D車輪模型繪制

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。

圖3　工作流程圖

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

圖4　動(dòng)態(tài)顯示圖

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)

圖5　維度控制流程圖

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)使檢測人員從平面圖中解放出來，在一定程度上提高了檢測車輪的效率?；贚abVIEW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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Application of 3D wheel rendering in ultrasonic flaw detection based on LabVIEW

Liu Guangyu, Mei Jinsong

(College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China)

Recently, the results of wheel detection are mainly showed in plane way, so this paper designs 3D model of the wheel based on follow type detecting software platform in one enterprise of China. The 3D wheel model based on the LabVIEW platform can achieve any angle rotation of wheel, moderate scale, perspective and other functions. The model uses separate ways and inheritance to ensure that the detected defects can be dynamicly displayed and accurately reflect the damage location in wheels.

three-dimensional model of the wheel; defect; LabVIEW; dynamic display

TP311.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.028

2016-03-24)

劉廣宇(1992-)，男，碩士，主要研究方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

梅勁松(1969-)，男，碩士，副研究員，主要研究方向：超聲探傷檢測技術(shù)、自動(dòng)化控制與檢測技術(shù)、無人機(jī)飛行控制技術(shù)。