基于激光測距的非接觸式火車車輪踏面外徑測量方法研究*

喬中一,王全先,尚 錢,胡秀勇

( 1.安徽工業大學 機械工程學院,安徽 馬鞍山 243002; 2.特種重載機器人安徽省重點實驗室,安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

我國鐵路運輸行業正處于跨越式發展階段,車輪的需求量逐漸增大,卡尺、卡規等接觸式測量方法已無法滿足當下大批量自動化生產模式的需求,人們迫切需要能夠在多個位置快速、準確測量車輪踏面參數的設備和方法[1]。而且接觸式測量工具長時間使用會影響測量結果的精度和重復性[2]。與傳統接觸式測量方法相比,激光測量因具有非接觸、精度高、測量速度快、性能穩定可靠等優點而在非接觸測量中應用廣泛[3]。

在馬鋼火車車輪成品檢測線上,桁架上多個機械手依次將車輪運送至外徑測量、硬度測試、磁粉探傷、自動貼標等眾多工位。在外徑測量工位上,車輪的踏面直徑一直是手動測量。這種測量方式不僅測量精度低且易造成工件表面損傷[4]。在使用火車車輪成品檢測系統時,需要將測得的外徑數據手動輸入計算機,手動輸入計量數據使校對工作相當繁瑣且容易出錯,嚴重影響企業的自動化程度。因此,在生產線中增加能快速、準確、自動測量車輪外徑的設備是十分必要的[5]。

針對上述問題,筆者以激光測距技術為基礎,研究一種非接觸式車輪外徑測量系統,該系統可以快速在線自動測量輪箍踏面外徑并且將測量到的數據傳輸到企業的信息系統,有助于工作人員隨時查看產品的生產數據,從而實現生產過程、信息的自動化,提高企業生產效率。

1 測量系統功能要求

1.1 測量系統應用范圍

文中測量對象為車輪踏面外徑,如圖1所示,其定義為距離輪輞內側面70 mm處的踏面圓的直徑。被測車輪踏面直徑范圍為φ800～1300 mm。

圖1 車輪示意圖

1.2 測量系統技術功能要求

(1) 自動測量火車車輪踏面外徑尺寸,輸出并顯示結果。

(2) 系統測量誤差需小于等于0.5 mm。

(3) 激光測量時間為60 s/件。

(4) 測量系統數據能夠存盤并且可傳輸到MES系統。

(5) 車輪可在測量位自動傳送。

2 總體方案設計

車輪外徑測量系統主要包括機械系統和控制系統,其框架如圖2所示。該系統采用PLC接受接近開關傳回的距離信號,通過CPU處理與判斷后控制液壓缸、三合一減速電機等運動。激光測距傳感器與數據采集卡通過信號線相連接,控制器與數據采集卡、顯示器和繼電器通過電纜及信號線相連接。本地數據庫與MES服務器連接,完成指令的下達和信息的回傳。

圖2 系統測量框架圖

機械系統主要由激光測量裝置、傳送裝置和升降裝置三部分組成,如圖3所示。四個激光測距傳感器組件對稱安裝在升降輥道外側對角線角落處,并且與其他設備無干涉,避免震動影響。四條激光線在同一平面內,且與固定接料臺上表面平行并匯交于一點。

圖3 機械系統總體結構圖1.第一激光測距傳感器組件 2.固定接料臺 3.升降輥道 4.第二激光測距傳感器組件 5.第四激光測距傳感器組件 6.輸出輥道 7.第三激光測距傳感器組件

升降輥道兩條接料板位于升降輥道正中輥子兩側,固定接料臺表面低于輸出輥道輥子上母線15 mm。升降輥道處于最低位時,固定接料臺上臺面的高度高于升降輥道的滾子上母線25 mm,傳送輥道滾子的上母線高于升降輥道的滾子上母線50 mm。

(1) 激光測距傳感器組件

激光器發出的激光線的角度調整機構如圖4所示,激光測距傳感器安裝在C形板內,C形板的一側面固定在第一高精度分度臺的旋轉盤上。第一高精度分度臺通過螺釘安裝在L形板側面,L形板另一個面固定在第二高精度分度臺的旋轉盤上表面,第二高精度分度臺固定在底座上。通過旋轉兩個高精度旋轉臺,可以調整激光器所發出的激光線水平方向和豎直方向的角度。

圖4 測量裝置組件圖

(2) 傳送裝置

如圖5所示,升降輥道處于最低位時,機械手將車輪取來放到固定接料臺上,完成測量后,升降輥道上升到與傳送輥道同高,升降輥道的滾子由三合一減速電機帶動聯軸器轉動將車輪送到傳送輥道,待車輪傳送完畢,升降輥道下降復位到低位。升降輥道與傳送輥道協作完成了車輪的傳送。

圖5 傳送裝置簡圖

(3)升降裝置

如圖6所示,三合一減速電機與輥子通過聯軸器連接,輥子通過帶座軸承座和軸承座固定安裝在升降架上,輥子有三組,結構相同且并列布置。兩個底架平行對稱布置,底架的三個立柱的頂端均開有朝上的孔,升降架下部伸出的六根柱體插進六個孔中,兩者之間的配合為間隙配合。油缸頭通過螺紋連接在油缸的活塞桿端部,同時油缸頭與升降架下端鉸接,油缸下端與固定鉸支座鉸接。帶有接近開關的檢測桿焊接在升降架的側面,用一個接近開關即可判斷低位和高位,從而控制液壓缸的升降。為了保障傳感器安全有效,在實際應用中,在左右兩側各焊接一個檢測桿,形成并聯系統,以提高設備的可靠性。

圖6 升降輥道圖1.聯軸器 2.三合一電機 3.底架 4.帶座軸承座 5.輥子 6.軸承座 7.檢測桿 8.接近開關 9.固定鉸支座 10.油缸 11.油缸頭 12.頂升架

3 標定方法及測量原理

3.1 標定方法

車輪測量前需對四個激光測距傳感器進行角度和距離標定,如圖7所示,將標定板固定在固定接料臺上方正中央,將標定指針插進標定板正中的標定孔中,四個激光測距傳感器分別經過各自的第一高精度分度臺和第二高精度分度臺的微調較準,使四根激光線在同一平面內并與固定接料臺上表面平行且指向標定指針的中心o,也是標定板正中的標定孔中心。

圖7 激光線對中及角度標定圖

在對四個激光測距傳感器進行位置標定后,則車輪踏面外徑測量便轉化為平面問題。通過平面作圖,激光線的角度即可確定,以其中一條激光測距傳感器組件的激光線為X軸,其余三條光線與X軸的夾角記為θ1、θ2、θ3,經過標定測量可得到θ1、θ2、θ3的值。

去掉標定指針,將已知直徑為d0的標定環裝在標定板正中的標定孔處,如圖8所示,四個激光測距傳感器發射點到標定環環面的距離可讀出為Ta、Tb、Tc、Td。那么激光器發射點到標定板正中的標定孔中心o的距離Lao、Lbo、Lco、Ldo只需在讀數Ta、Tb、Tc、Td

圖8 激光器距離標定圖

的基礎上加上d0/2。

3.2 測量原理

四個激光器標定完成后,取下標定環和標定板,機械手將車輪水平放置在固定接料臺上,通過四個激光測距傳感器可測得激光出發點到車輪踏面的距離為la、lb、lc、ld,如圖9所示。

圖9 激光測距二維平面圖

激光線與車輪踏面相交的a、b、c、d坐標為:

(1)

(2)

(3)

(4)

由a、b、c三點定圓可求解得車輪圓心o1坐標o1(xo1,yo1)為:

(5)

同理由b、c、d三點,c、d、a三點和d、a、b三點可分別求得火車車輪圓心坐標o2(xo2,yo2),o3(xo3,yo3),o4(xo4,yo4)。根據上述四個圓心坐標值取平均得出最佳圓心o5坐標為:

(6)

最佳圓心o5到踏面上a點的距離為:

(7)

同理可計算出最佳圓心o5坐標到踏面上b、c、d三點的距離bo5、co5、do5的值。

則車輪踏面外徑計算結果為:

(8)

4 檢測方法試驗

測量系統所用激光測距傳感器型號為OD5-500W200,德國SICK品牌,該激光器的測量精度為0.01 mm,重復精度為0.03 mm?；谏鲜鰴z測方法開展試驗測試,具體操作如下。

(1) 根據標定方法確定出激光器之間的角度為θ1=38.45°、θ2=18.78°、θ3=57.32°。四個激光器發射點距離標定板上標定中心o的距離分別為Lao=858.721 mm,Lbo=863.284 mm,Lco=859.173 mm,Ldo=852.915 mm。

(2) 將已知直徑為975 mm的車輪放在固定接料臺上,四個激光測距傳感器開始測量,可測得la=344.166 mm、lb=321.413 mm、lc=388.146 mm、ld=418.105 mm。

(3) 根據式(1)～(6)計算得到激光線與車輪踏面相交的四點的坐標a、b、c、d,四個圓心坐標o1、o2、o3、o4以及最佳圓心o5坐標。計算結果如表1所列。

表1 坐標計算結果

將最佳圓心o5坐標以及踏面上a、b、c、d四點的坐標代入式(7)得到半徑值ao5=488.12 mm;同理可得bo5=487.33mm,co5=488.02 mm,do5=486.87 mm,最后根據式(8)計算出車輪踏面外徑結果為975.17 mm。

對于工件直徑為975 mm的檢測對象,該系統檢測精度要求為±0.5 mm,由上述計算結果可知,測量誤差為0.17 mm。滿足測量系統要求。

5 結 語

根據火車車輪檢測線車輪踏面外徑測量的檢測要求,提出了一種基于激光測量的非接觸式測量方法,該方法可用于自動測量車輪踏面外徑尺寸,并將每個的測量數據進行存儲后上傳MES系統,實現了企業生產的自動化。對測量系統中四個激光測距傳感器進行標定,可以有效減少測量誤差并通過四次三點定圓可進一步縮小誤差。該測量系統可以快速地自動測量輪箍踏面外徑,有效解決了車輪公司目前在輪箍檢測線上存在的工人工作強度大、工作效率低的情況,有利于企業提高自動化程度,同時對盤類零件外徑的測量具有推廣應用價值。