火車車軸軸頸軸座非接觸式測量方法研究*

胡秀勇,王全先,尚 錢,喬中一

(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

在火車輪對的壓裝工藝中,需要對火車軸的兩對軸頸軸座進行現場測量,并選配滿足過盈配合要求的車輪和車軸進行裝配。目前對軸徑的測量方法主要分為接觸測量法和非接觸測量法[1]。接觸測量法包括使用外徑千分尺、專用游標卡尺、三坐標測量儀等專用測量工具進行測量。非接觸測量法主要包括激光測量法、激光三角法、圖像測量法、結構光法等測量方式[2]。非接觸測量法具有測量精度高、響應速度快且不與測量工件直接接觸等優點,比較適合測量表面易損傷的工件。胡津等[3]提出一種基于激光測量的鍛件在線測量方法,通過對鍛件的上下掃描以及計算機擬合計算得出鍛件的外徑尺寸,該方法實驗的測量精度可達0.3 mm。張文文等[4]提出了一種大尺寸環筒類零件的外徑測量方法,通過將CCD相機和激光掃描相結合的方式對環形鍛件進行逆向三維重建并測量其外徑。Bokhabrine Y等[5]設計了一種基于激光掃描的測量系統,該系統可實現對熱鍛件的外徑測量。德國研制出了La Cam-Forge[6]測量系統,該系統采用激光掃描儀對測量零件進行連續掃描,并獲取零件完整表面的點云數據,再通過對采集到的點云樣點的分析實現對測量零件的幾何尺寸的測量和三維重構。

筆者通過對車軸軸頸軸座測量要求的分析,提出了基于激光測距的測量方法,設計出了車軸軸頸軸座測量裝置,并對車軸測量系統進行了標定,然后通過仿真與實際測量的驗證對比驗證了此測量方法的可靠性。應用該方法后車軸的測量精度達到了10 μm,滿足了企業的實際生產要求。

1 測量系統功能要求

文中測量裝置的測量對象主要是車軸的兩對軸頸軸座的外徑尺寸,如圖1所示。

圖1 火車輪對圖

1.1 測量范圍

被測車軸直徑范圍:φ150～225 mm;長度范圍:2 000～3 000 mm;最大測量質量:1 t。

1.2 測量要求

該系統可以對多種型號的火車車軸進行測量,并對單根車軸的兩對軸頸軸座進行同時測量且測量精度小于10 μm;單根車軸測量時間(包括上下件)小于3 min;測量系統工作溫度為-20～60 ℃;測量結果可上傳至本地數據庫;對不合格的車軸發出警報;測量系統可實時接受外部操作指令。

2 測量系統總體設計

2.1 總系統

火車車軸軸頸軸座測量系統由硬件部分和軟件部分組成。

軟件部分由數據采集模塊、數據處理模塊、信號通訊模塊、電機驅動模塊、顯示模塊等部分構成。車軸軸頸軸座測量系統框圖如圖2所示。此套系統中含有多個壓力、光電、接近傳感器,主要負責監測待測軸的狀態信息,CPU通過處理這些信息來控制驅動減速電機的運轉。PLC收集激光測距傳感器的數據并通過TCP/IP協議將數據上傳至本地SQL SERVER服務器。HMI與本地數據庫和MES系統相連,實現外部操作指令的實時執行。

圖2 車軸軸頸軸座測量系統框圖

硬件部分如圖3所示。測量裝置的工作臺4是由C6140機床車身改造而得,原有的溜板箱簡化為用于固定激光測距傳感器組件8的左溜板3,并在右側增設一個相同的右溜板6;工作臺4左側裝有電動分度盤1,右側裝有電動尾座7,這兩個部件負責測量時待測軸的固定和旋轉;電動分度盤1與頂針2剛性連接,且頂針2的軸線與電動尾座7所帶頂針的軸線重合;左溜板3與右溜板6上分別并排安裝了兩個相同的激光測距傳感器組件8,激光測距傳感器組件與溜板均為剛性連接;激光測距傳感器與兩個串聯的高精度分度盤剛性連接,實現激光測距傳感器的上下左右偏轉的調節;絲杠機構9與右溜板6通過連接板剛性連接,負責右溜板6的橫向移動,使激光測距傳感器發出的激光線位于待測面區域。

圖3 火車車軸軸頸軸座外徑測量裝置結構圖1.電動分度盤 2.頂針 3.左溜板 4.工作臺 5.待測軸 6.右溜板 7.電動尾座 8.激光測距傳感器組件 9.絲杠機構

測量系統的測量過程:連接軟件系統,啟動測量裝置,對測量系統進行標定(見第四節)。標定完成后,將待測軸5由起吊機從待測區吊裝至兩個頂針之間,等待車軸停穩之后,工作臺右側的電動尾座頂針向前伸出,與工作臺前方的頂針相互配合使待測軸固定。激光測距傳感器開始測量,測量一次完成后,電動分度盤1每旋轉90°測量一次,將測量數據上傳至MES系統,測量完成,使用起吊機將車軸吊裝至下一工序工位,重復上述步驟可實現對火車軸的連續測量。

2.2 激光測距傳感器組件設計

激光測距傳感器組件結構圖如圖4所示,傳感器與兩個高精度分度盤串聯,實現了激光測距傳感器在水平面和垂直面的轉動。

圖4 激光測距傳感器組件結構圖

轉動第一高精度分度臺3的蝸桿可以使激光測距傳感器在垂直面轉動,轉動第二高精度分度臺5的蝸桿可以使激光測距傳感器在水平面轉動。

2.3 絲杠機構設計

絲杠機構如圖5所示,主要負責右溜板的橫向調節。

圖5 絲杠機構結構圖1.固定座 2.絲杠 3.絲杠螺母 4.連接板 5.調節手輪

2.4 橫向固定裝置設計

橫向固定裝置主要負責待測軸的固定和旋轉,該功能由工作臺左側的電動分度盤和右側的電動尾座實現,電動分度盤上安裝有頂針,電動尾座內部有壓力傳感器,可以檢測壓力值并對電機進行控制。

3 測量原理

火車車軸軸頸軸座外徑測量原理如圖6所示,圖中P0點為激光測距傳感器激光發射點,O點為理論激光線與待測軸軸線的交點(注:激光線與待測軸軸線相交且垂直),P1點為實際激光線與待測軸圓周面的交點,P0P1長度為激光測距傳感器的讀數L,OP0長度為H,α為實際激光線與理論激光線在水平面內的夾角,β為實際激光線與理論激光線在垂直面內的夾角。

圖6 火車車軸軸頸軸座外徑測量原理圖1.激光測距傳感器 2.待測軸

根據圖6可以得出:

(1)

因此,被測圓周面的軸徑為:

(2)

電動分度盤每旋轉90°激光測距傳感器測量一次,最終結果取四次的平均值。由于式(1)、(2)中包含未知量α和β,所以為了求出待測圓周面的直徑需要對α和β進行標定,確定其大小。

4 測量裝置的標定

在理論情況下,激光線與待測軸線相交且垂直,但在實際情況中,實際激光線會與理論激光線產生水平夾角α和垂直夾角β。因此,為了保證車軸的測量精度,需要對兩個夾角進行標定,具體標定方法如下。

將已知半徑R1的1#標準棒固定在電動分度盤和電動尾座之間,電動尾座的頂針伸出將1#標準棒頂起,調節激光測距傳感器組件中的高精度分度盤,使激光束在豎直平面和水平平面內進行掃描,當掃描的數值達到最小時,固定分度盤并保持傳感器不再移動,記錄下此時激光測距傳感器的讀數L110。測量完成后,將1#標準棒卸下,分別裝上已知半徑為R2的2#標準棒、半徑為R3的3#標準棒,記錄傳感器讀數L210、L310。由公式(1)可得:

(3)

由于激光測距傳感器至標準棒軸線的距離沒有改變,所以有:

(4)

將L110、L210、L310、R1、R2、R3代入式(4)即可得一組激光測距傳感器組件水平夾角α和垂直夾角β的cosα、sinβ的大小,同理可求得其余三個傳感器組件激光線的水平夾角α和垂直夾角β的正余弦。

5 仿真驗證

為了驗證標定方法和測量公式的正確性,在pro/E三維空間中建立標定模型,以圖7中最左邊的激光測距傳感器組件為例模擬測量系統的標定過程。對不同直徑的標準棒進行三次測量,將數據代入式(4)計算得出cosα、sinβ,將計算得出的cosα、sinβ與在pro/E軟件中實際測量的α、β的cosα、sinβ值進行比較,以驗證標定過程的準確性。標定完成后,在pro/E三維空間中建立測量模型,如圖7所示,將上述求出的標定結果代入式(2)求出此時待測的軸徑,將通過公式計算得出的軸徑與軟件中測量出的軸徑進行比較,以驗證測量公式的正確性。仿真標定結果如表1所列。

表1 仿真標定結果

圖7 測量模型

由表1可知,計算得出的cosα、sinβ值與軟件中實測的α、β的cosα、sinβ基本一致,故可證明標定方法的正確性。仿真測量結果如表2所列。由表2可知,計算值和軟件測量值誤差為1.4 μm,滿足測量要求,故測量公式正確。

表2 仿真測量結果 /mm

6 結 語

根據測量要求,提出了一種非接觸式激光測量方法及其裝置,能對火車車軸軸頸軸座等四個外徑同時進行高精度測量。針對激光線的水平夾角和垂直夾角提出了標定方法,并對標定方法和測量公式在Pro/E軟件中進行了仿真,驗證了標定方法和測量公式的正確性,仿真最終結果與實際測量誤差為1.4 μm,符合測量要求。針對車軸長度變化時,頂針位置的改變可能會引起車軸軸線歪斜使得標定結果產生誤差是該方法研究不足的地方,有待進一步分析改進。