劉廣宇，梅勁松
（南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京211106）
摘要：目前車輪檢測結果大多以平面圖的方式呈現，對此在國內某企業隨動式探傷軟件平臺基礎上設計了三維車輪模型。該3D車輪模型基于LabVIEW平臺，可以實現車輪任意角度的旋轉、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態顯示，同時能準確反映輪子傷損的具體位置。
關鍵詞：三維車輪模型；缺陷；LabVIEW；動態顯示
0引言
隨著鐵路運輸的提速、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，特別是性質十分嚴重的輪輞周向裂損故障時有發生，直接危及行車安全［1］。目前，在人工探傷的基礎上涌現出許多自動探傷的設備［2］。通常情況下，自動探傷設備通過智能算法對采集到的數據進行處理，然后通過B掃圖和C掃圖展現給用戶。B掃圖是車輪的側視展開圖，可反映缺陷相對于踏面的深度；C掃圖是從垂直踏面的角度進行觀察，能反映缺陷相對輪緣的寬度。然而，平面圖并不能直觀、快速地表達缺陷的真實位置，它需要用戶具有較強的空間想象力，這就片面地降低了工作效率，提升了誤報率。因此三維顯示技術逐漸受到機務段的重視。
超聲探傷具有入射能力強、成本低廉、靈敏度較高等優點［3］，與三維顯示技術相結合后，可以準確、迅速地判斷缺陷在車輪的位置，有利于機務段的信息化建設。
基于上述背景，本文在國內某企業隨動式探傷軟件平臺基礎上設計了三維車輪模型。本文主要介紹了3D模型在超聲探傷應用中的總體方案，包括總體架構、三維車輪概述、超聲波探傷與應用以及三維車輪的設計，闡述了重要環節的設計方案，并對所做工作進行總結。
13D車輪繪制與應用概述
1.1總體架構
三維車輪繪制首先需要探傷數據作為支撐，否則模型就與實際脫離了關聯。將采集到的數據進行處理，得到車輪模型所需的3個維度的數據：缺陷的角度信息；缺陷相對于踏面的深度信息；缺陷相對于輪緣的寬度信息，該數據是根據缺陷在車輪的相對空間位置提取得到的。三維車輪模型要能夠調節自身的大小，以便于從宏觀和微觀兩個角度掌握車輪的傷損信息；該模型也需要透視功能，以便于觀察車輪內部情況，所以，在數據處理的同時還需進行模型控制功能的轉化，這樣才能呈現出動態的3D模型，據此，可直觀地判斷車輪的傷損程度。總體架構圖如圖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繪制；（2）通過專業的三維繪圖軟件進行制作。第一種繪制方式效果較為逼真，其難點是獲取車輪的曲面函數；第二種繪制方式實現起來比較容易［4］。本文采用第二種繪制方法，將已經完成的3D車輪模型加載到軟件平臺中，同時根據探傷數據提取的缺陷信息創建缺陷對象，二者融合后接受模型的控制命令，使其按照用戶的意愿動態顯示。3D車輪模型繪制過程如圖2所示。
1.3超聲波探傷與應用
超聲探傷具有適用范圍廣、成本較低、靈敏度相對較高、在缺陷的定位和定量分析上有一定的優勢等特點，而其中的多探頭多通道組合掃查技術可以根據各通道的探頭類型對采集數據進行綜合處理來判定車輪內部的傷損情況［5］。將車輪的傷損情況動態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。缺陷的相對角度由編碼器和磁感裝置確定［6］；缺陷的深度由探傷數據的索引確定；缺陷相對于輪緣的寬度由探頭的種類和位置決定［7］。
2三維車輪模型設計
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在TDMS中，該格式文件用于在LabVIEW中快速讀寫和存儲數據。缺陷信息包含缺陷的角度信息、缺陷相對于踏面的深度信息、缺陷相對于輪緣的寬度信息。根據缺陷信息在三維場景中創建缺陷對象，缺陷對象的創建與控制是三維車輪模型設計的核心。在三維場景中存在著一個默認的空間坐標系［8］，只有在這個坐標系中才能正確地控制缺陷對象的位置，然而所需要的并不是對象的絕對位置，而是缺陷對象相對于車輪基準線的位置。在確定缺陷對象的相對位置前，首先要確定原始三維車輪模型的空間輪廓，可設計程序導出系統載體的頂點數組和法向量，由此可以確定系統的載體在三維場景中的位置。為了便于觀察缺陷對象的相對位置，設置場景的視角為固定視角，控制缺陷對象的坐標使其能夠真實地反映車輪的傷損情況，即維度控制，但這個坐標是絕對坐標，并不能動態地跟隨載體，想要獲得動態顯示效果還需要缺陷對象與基準線同時繼承載體的屬性，此即為模型融合。融合后的模型不一定能使用戶滿意，此時可調節融合模型的大小，也可以切換模型的狀態。模型設置兩個狀態：透明和不透明。根據三維繪圖原理，將某個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部狀況。經過控制的模型可以呈現給用戶一個滿意的顯示效果，用戶可以從任意角度觀察模型。系統工作流程如圖3所示。
2.1軟件平臺與開發環境
軟件采用美國國家儀器有限公司（NI）的LabVIEW軟件作為開發工具。LabVIEW的應用范圍廣泛，支持二維圖形顯示、三維圖形顯示、ActiveX等［9］；LabVIEW還提供了豐富的數據采集、分析及存儲的庫函數（控件），其基于圖形化的編程方式使得編程過程簡潔方便。
系統的運行環境為基于X86的Windows 7及以上操作系統的控制主機，CPU要求雙核心以上。
2.2三維車輪動態顯示效果
三維車輪模型中黑色的點表示缺陷，灰色表示正常，其動態顯示效果如圖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象組成的圓表示某個通道存在固定波，而并非缺陷，其他3處表示車輪內部存在缺陷，黑線直線表示基準線。
3重要環節設計方案
3.1維度控制環節方案設計
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，在該角度的默認位置創建一個對象。角度采用點編碼方式，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，并依此做相對平移，最后，獲取缺陷的寬度信息，也做相對平移。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行維度控制。維度控制的流程如圖5所示。
3.2動態顯示環節方案設計
動態顯示的關鍵在于缺陷對象能否跟隨載體進行變換。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。繼承即子對象擁有父對象全部的屬性和狀態，除此之外，子對象還可以擁有父對象沒有的特性。因此，動態顯示需要通過繼承的方式來實現。LabVIEW加載原始三維模型時需要為此創建一個對象，對象的輸出是一個引用（場景：新對象），該引用下有“添加對象”屬性方法，將該屬性方法同缺陷對象的引用相連接即可。良好的動態顯示效果還需要設置視角和成像距離，視角一般設置為固定模式，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很小，反之，模型會很大，所以，成像距離要適中。
4結論
本文所介紹的3D車輪顯示技術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。基于LabVIEW平臺設計了3D模型，其優點在于：
（1）直觀地反映車輪的健康狀況；
（2）能準確地反映缺陷的位置；
（3）可調節顯示效果，能滿足不同用戶的需求；
（4）可節省檢測人員的腦力，減少誤報率。
3D車輪模型獨立性好，可移植性強，可同其他的超聲探傷軟件契合，從而達到更加理想的探傷效果。
參考文獻
［1］ 汪春曉.相控陣超聲波車輪缺陷探傷技術研究［D］.成都：西南交通大學，2010.
［2］ 沈玉娣,曹軍義.現代無損檢測技術［M］.西安：西安交通大學出版社,2012.
［3］ 王雪梅.無損檢測技術及其在軌道交通中的應用［M］.成都：西南交通大學出版社，2010.
［4］ 高上凱，高小榕，張志廣，等． 醫學超聲三維成像的發展現狀與展望 ［J］． 電子科技導報，1998（11）:30 32．
［5］ 曹飛,王瑾,郭前崗，等.基于神經網絡的機車車輪故障診斷［J］.微型機與應用,2015,34(11):69 72.
［6］ 周榮,一種新型便攜式超聲波探傷系統的研制［D］.南京：南京航空航天大學，2007.
［7］ 謝興中, 石崢映, 程快明. 車輪在線自動探傷裝置的研制和應用［J］. 電力機車與城軌車輛, 2011, 34(4): 76 77.
［8］ 撒鳳杰，蔡建樂. LabVIEW和三維虛擬現實技術在物理實驗中的應用研究［J］.科學技術與工程，2009，9（22）：6880 6883.
［9］ 陳樹學，劉萱. LabVIEW寶典［M］.北京：電子工業出版社，2011.