CN103586492A - 火车车轴轮座直径非接触式测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种火车车轴轮座直径非接触式测量系统及其测量方法，属于测量技术领域。该测量系统包括车床、激光测距传感器及其微调装置、数据采集卡、主控制器及显示器、继电器以及电缆电源、信号通讯模块、驱动控制模块、数据采集与处理模块。系统对C6180型车床进行改装，在车床横向溜板上装上一台高精度激光测距传感器。根据激光测距传感器到车床轴线距离不变的原理，实现对车床上大型轴类零件相应位置外径的准确测量。通过对两根标准量棒的测量，对可能影响测量结果的激光线偏角α进行了标定，消除了偏角α产生的误差，能够满足较高精度的测量要求。

Description

火车车轴轮座直径非接触式测量系统及其测量方法

技术领域：

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种火车车轴轮座直径非接触式测量系统及其测量方法。

背景技术：

在火车轮对压装工艺中，车轮和车轴轮座之间是过盈配合，而且其过盈量要求很严格，待压装的众多车轮和车轴轮座的加工尺寸公差是不同的，在压装前需要对车轮孔和车轴对应轮座直径进行实时测量，再在计算机专用系统的数据库中进行选配，只有车轮和车轴轮座之间的过盈配合满足过盈量要求，压装后才能满足国家标准规定的压装曲线要求。目前，在大型轴类零件的机械加工过程中，直径测量的常用工具有大游标卡尺、直径千分尺等机械量具，这些工具都是依靠人眼来读取测量数值，所读数值因人而异，手工操作的差别不可避免的会带来误差，而且要人工将数据输入计算机，否则无法进行选配。

文献“高精度非接触式自动直径测量方法研究”（[J].仪表技术与传感器,2011,8:79-81)报道采用多台数字CMOS激光传感器并行的测量方法进行高精度非接触式自动直径测量，当被测目标物体在测量范围内时，通过发射器的平行激光源发射激光照射到目标，被测目标物体遮挡的光线射入接收器的CMOS传感器上，接收器记录激光点的像素位置和个数，将数据转换成相对测量值，然后再输出到显示环节，被测目标直径通过透光与不透光长度进行换算而得到，这种方法要求发射器和接收器严格平行，其不平行度未经过标定进行误差补偿，另外CMOS传感器量程0—35mm，本身的测量精度5μm，最终系统测量精度很难做到小于5μm。另有文献“火箭弹直径非接触测量方法的研究”（[J].长春理工大学学报,2008,31(4):52-54)中公开一种对火箭弹直径进行非接触测量的方法，该方法用半导体激光器作为光源，光栅尺作为传感器来测量直径，系统结构复杂，测量精度不高，为10μm。

发明内容：

本发明针对现有火车车轴轮座直径测量中存在的上述技术问题，提出一种火车车轴轮座直径非接触式测量系统及其测量方法。

本发明的技术方案是：如图1所示，将C6180型车床横向溜板上的刀架卸下，换装上一台激光测距传感器及其微调装置，被测车轴装在车床夹盘顶尖和车床尾架顶尖之间，激光线射出点与车轴轴线高度基本一致，移动车床纵向溜板和横向溜板使激光测距传感器及其微调装置移到轴的被测部分，并使激光测距值在其量程内。首先，装上已知半径为R₀₁的1^#标准量棒，转动激光测距传感器微调装置的立向蜗杆11，使立向蜗轮12带动激光传感器在垂直面内转动，此时激光光线在标准量棒圆周面上不断上下扫描，得到一组距离数据，当测距为最小值时，转动激光测距传感器微调装置的水平蜗杆16，使水平蜗轮15带动激光传感器在水平面内转动，此时激光光线在标准量棒圆周面上不断左右扫描，得到一组距离数据，当测距为最小值时，重复激光线上下扫描和水平扫描，当激光测距在两个方向上均达到最小值时，认为激光光线近似通过量棒轴线，并记录其值为L₀₁。此后，激光测距传感器10的位置就固定不动了。即使如此，激光线还是可能不通过量棒轴线，通过实验，当激光线在水平面内偏角达到30分时，测量的结果与实际直径间误差不大于0.5μ，故仅对激光线在垂直面内的偏角α进行标定。卸下1^#标准量棒，装上已知半径为R₀₂的2^#标准量棒，进行测量得测量值L₀₂。如图2所示，在激光测距传感器位置及角度不变的情况下，激光测距传感器到量棒轴线的距离不变，有：

$\sqrt{{R_{01}}^2-{L_{01}}^2{\sin }^2\mathrm{\α}}+L_{01}\cos \mathrm{\α}=\sqrt{{R_{02}}^2-{L_{02}}^2{\sin }^2\mathrm{\α}}+L_{02}\cos \mathrm{\α}---\left(1\right)$

根据上式求解，得：

$\sin \mathrm{\α}=\sqrt{\frac{{[R_{01}^2+R_{02}^2-{(L_{02}-L_{01})}^2]}^2-4R_{01}^2{R}_{02}^2}{4L_{01}{L}_{02}[R_{01}^2+R_{02}^2-{(L_{02}-L_{01})}^2]-4(L_{01}^2{R}_{02}^2+L_{02}^2{R}_{01}^2)}}---\left(2\right)$

显然，α=0时，公式（2）即可简化为：

R₀₁+L₀₁＝R₀₂+L₀₂    （3）

式中：R₀₁、R₀₂分别为1^#、2^#标准量棒的半径尺寸；L₀₁、L₀₂分别为激光测距传感器到量棒圆周面的对应距离。

激光测距传感器位置及偏角α标定完成后，锁定激光测距传感器微调装置，保证传感器位置及偏角α不再变化。将被测车轴装上车床，激光测距为L，同样根据激光测距传感器到车轴轴线的距离不变的原理，有：

$\sqrt{R_{01}^2-L_{01}^2{\sin }^2\mathrm{\α}}+L_{01}\cos \mathrm{\α}=\sqrt{R^2-L^2{\sin }^2\mathrm{\α}}+L\cos \mathrm{\α}---\left(4\right)$

则被测轮座半径为：

$R=\sqrt{R_{01}^2+{(L_{01}-L)}^2-2{\sin }^2\mathrm{\α}(L_{01}^2-L_{01}L)+2(L_{01}-L)\sqrt{(1-{\sin }^2\mathrm{\α})(R_{01}^2-L_{01}^2{\sin }^2\mathrm{\α})}}---\left(5\right)$

为了得出轮座平均直径，利用夹盘拨叉使轴旋转，每旋转90°对被测车轴进行一次测量，得到一组距离值为L_i（其中i=1、2、3、4）。根据公式（5）分别计算出R_i，则被测轮座的直径尺寸为：

本发明测量系统有以下功能：

（1）实时测量被测轮座的直径尺寸，输出测量结果；

（2）自动记录并显示标定时激光测距传感器的偏角α；

（3）自动记录并显示被检零件的总数量，以及每个零件相应轮座的直径尺寸；

根据测量原理及系统要达到的功能，本发明测量方法的具体步骤是：

（1）卸下C6180型车床刀架，换装上激光测距传感器及其微调装置，连接上软件系统；

（2）启动测量系统；

（3）移动车床的横向溜板，使激光传感器的测距在其量程内；

（4）将半径为R₀₁的1^#标准量棒装上车床，并用顶尖顶好，通过激光测距传感器微调装置两个摆角的调整，使激光光线在量棒圆周面上不断上下左右扫描，得到一组距离数据，其中距离为最小值时认为光线近似通过量棒轴线，记录其值为L₀₁；

（5）锁定传感器微调装置，保证其位置及偏角α不变，将半径为R₀₂的2^#标准量棒装上车床，将测量值L₀₂输入程序中；

（6）按式（2）计算激光测距传感器激光线偏角α；（1、3、4、5、6步骤仅第一次安装调试本系统时进行，正常生产时跳过此步骤）；

（7）将被测火车车轴装上车床，确保用顶尖顶好，每旋转90°对被测火车车轴的轮座进行测量，得到距离值L₁、L₂、L₃、L₄；

（8）按式（5）、（6）计算出被测火车车轴的轮座半径及直径尺寸，并记录其数值。

根据测量原理及系统要达到的功能构建测量系统如图3所示，测量系统包括硬件部分和软件部分，硬件部分由车床、激光测距传感器及其微调装置、数据采集卡、主控制器及显示器、继电器以及电缆电源组成；软件部分由信号通讯模块、驱动控制模块、数据采集与处理模块组成。

激光测距传感器及其微调装置如图4所示，由激光测距传感器10、立向蜗杆11、立向蜗轮12、转盘13、底座14、水平蜗轮15、水平蜗杆16及连接螺栓组成。激光测距传感器10与立向蜗轮12刚性联接；立向蜗杆11通过立向蜗轮副与立向蜗轮12连接，立向蜗轮副安装在转盘13框架内，可与转盘一起在水平面内转动；水平蜗杆16通过水平蜗轮副与水平蜗轮15连接，转盘13与底座14间用水平蜗轮15轴端的方键联接，底座14与车床上的横向溜板4刚性连接。

电气系统中，电源来自220V单相照明电，控立向蜗轮副、水平蜗轮副、制柜外侧装有空气开关，用于整个系统的供电输入。控制柜中设有24V、350W的开关电源，可提供专门用于控制回路的24V DC电源。控制柜内安装有控制器、显示器、24V继电器以及接线端子等电气元件。

测量系统主要技术参数如下表所示：

项目	技术参数
		被检零件直径范围	φ170-φ205mm
测量精度	≤5μm
		测量时间	5s
系统工作环境温度	-20℃—50℃
		电源电压	220V
开关电源	24V、350W
		激光测距传感器测量精度	1μm
激光测距传感器重复精度	3μm
		激光测距传感器量程	85±20mm

本发明的有益效果是：本测量系统能自动测量大型轴类零件轴颈的直径尺寸，并记录每个零件的直径数据进行存储，用于火车车轴轮座测量，利于满足压装过盈量要求的车轴车轮选配。通过对两根标准量棒的测量对可能影响测量结果的偏角α进行了标定，利用几何关系消除了偏角α产生的误差，能够满足较高精度的测量要求，有效地减少了人工测量带来的偶然误差，降低了人工检验成本。根据现场需求，可以在车床床鞍上另加溜板，在其上安装配备几台激光测距传感器，实现多轴颈直径的同时快速测量，将更加显示出本发明的效益。

附图说明：

图1是本发明的火车车轴轮座直径非接触式测量系统车床改装图；

图2是本发明的火车车轴轮座直径非接触式测量系统测量原理图；

图3是本发明的火车车轴轮座直径非接触式测量系统图；

图4是图1中激光测距传感器及其微调装置结构图。

图中：1：床身；2：夹盘；3：激光测距传感器及其微调装置；4：横向溜板；5：火车车轴；6：尾架顶尖；7：纵向溜板；8：1^#标准量棒；9：2^#标准量棒；10：激光测距传感器；11：立向蜗杆；12：立向蜗轮；13：转盘；14：底座；15：水平蜗轮；16：水平蜗杆。

具体实施方式：

如图1、3所示，一种用于火车车轴轮座直径非接触式测量系统，由硬件部分和软件部分组成，硬件部分由C6180车床、德国SICK型号为OD5-85W20的激光测距传感器（主要技术参数见下表）及其微调装置、数据采集卡、TTC60主控制器及AT3000显示器、继电器以及电缆电源组成；软件部分由信号通讯模块、驱动控制模块、数据采集与处理模块组成。

如图1、2、4所示，对C6180型车床进行简单改装，将车床溜板箱上的刀架卸下，换装上一台OD5-85W20激光测距传感器。将1^#标准量棒8装在车床上，保证其轴线与车床旋转轴线重合，不断来回重复调节立向蜗杆11和水平蜗杆16，分别带动立向蜗轮12和水平蜗轮15转动，使激光测距传感器10的激光光线在量棒圆周面上不断上下左右扫描，得到一组距离数据，其中距离为最小值时认为光线近似通过量棒轴线，记录其值为L₀₁，并输入程序中。两对蜗轮副的传动比均为1:200，可以实现微调。锁死微调装置保证偏角α不变，换下1^#标准量棒8，将2^#标准量棒9装上车床，保证其轴线与车床旋转轴线重合，记录测量值为L₀₂，并输入程序中，完成激光测距传感器偏角α的标定（以上步骤仅在初次调试系统时需要）。然后，将2^#标准量棒9换下，装上被测火车车轴，每旋转90°对被测火车车轴轴座进行测量，得到距离值L₁、L₂、L₃、L₄，最终得到被测火车轴座的直径尺寸。

测量系统的工作过程是：

（1）卸下C6180型车床刀架，换装上激光测距传感器及其微调装置，连接上软件系统；

（2）启动测量系统；

（3）移动车床的横向溜板，并使激光传感器的测距在其量程内，本实施例为85mm左右,距离车床主轴180mm左右；

（4）将半径为R₀₁的1^#标准量棒(本实施例对应直径为φ200.010mm)装上车床，并用顶尖顶好，通过激光测距传感器微调装置两个摆角的调整，使激光光线在棒材圆周面上不断上下左右扫描，得到一组距离数据，其中距离为最小值时认为光线近似通过量棒轴线，即激光线正对被测轮座，记录其值为L₀₁(本实施例79.999mm)；

（5）锁定传感器微调装置，保证其位置及偏角α不变，将半径为R₀₂的2^#标准量棒（本实施例对应直径为φ170.002mm)装上车床，将测量值L₀₂(本实施例95.004mm)，输入程序中。

（6）按式（2）计算激光测距传感器激光线偏角α，本实施例为22.2′（注：1、3、4、5、6步骤仅第一次安装调试本系统时进行，正常生产时跳过此步骤。）

（7）将被测火车车轴装上车床，确保用顶尖顶好，每旋转90°对被测火车车轴的轮座进行测量，得到距离值L₁(86.989mm)、L₂(86.993mm)、L₃(86.990mm)、L₄(86.985mm)。

（8）按式（5）计算出被测火车车轴的轮座半径分别为：93.015mm、93.011、93.014mm、93.019mm，按式（6）计算出被测火车车轴的轮座直径尺寸为186.030mm，并记录其数值。用其它手工方法实测此处火车车轴的轮座直径尺寸为186.032mm，误差为2μm，小于5μm。

Claims (2)

1.一种火车车轴轮座直径非接触式测量系统，其特征在于该测量系统包括硬件部分和软件部分；所述硬件部分由车床、激光测距传感器及其微调装置、数据采集卡、主控制器及显示器、继电器以及电缆电源组成；所述软件部分由信号通讯模块、驱动控制模块、数据采集与处理模块组成；所述激光测距传感器及其微调装置包括激光测距传感器（10）、立向蜗杆（11）、立向蜗轮（12）、转盘（13）、底座（14）、水平蜗轮（15）、水平蜗杆（16），所述激光测距传感器（10）与所述立向蜗轮（12）刚性联接，所述立向蜗杆（11）通过立向蜗轮副与所述立向蜗轮（12）连接，所述立向蜗轮副安装在所述转盘（13）的框架内，所述水平蜗杆（16）通过水平蜗轮副与水平蜗轮（15）连接，所述转盘（13）与所述底座（14）通过所述水平蜗轮（15）轴端的方键联接，所述底座（14）与所述车床上的横向溜板（4）刚性连接。

2.一种实现权利要求1所述测量系统的测量方法，其特征在于该测量方法具体步骤如下：

（1）卸下C6180型车床刀架，换装上激光测距传感器及其微调装置，连接上软件系统；

（2）启动测量系统；

（3）移动车床的横向溜板，使激光传感器的测距在其量程内；

（4）将半径为R₀₁的1^#标准量棒装上车床，并用顶尖顶好，通过激光测距传感器微调装置两个摆角的调整，使激光光线在量棒圆周面上不断上下左右扫描，得到一组距离数据，其中距离为最小值时认为光线近似通过量棒轴线，记录其值为L₀₁；

（5）锁定传感器微调装置，保证其位置及偏角α不变，将半径为R₀₂的2^#标准量棒装上车床，将测量值L₀₂输入程序中；

（6）按式（1）计算激光测距传感器激光线偏角α，所述步骤1、3、4、5、6仅第一次安装调试本系统时进行，正常生产时跳过此步骤；

$\sin \mathrm{\α}=\sqrt{\frac{{[R_{01}^2+R_{02}^2-{(L_{02}-L_{01})}^2]}^2-4R_{01}^2{R}_{02}^2}{4L_{01}{L}_{02}[R_{01}^2+R_{02}^2-{(L_{02}-L_{01})}^2]-4(L_{01}^2{R}_{02}^2+L_{02}^2{R}_{01}^2)}}---\left(1\right)$

式中：R₀₁、R₀₂分别为1^#、2^#标准量棒的半径尺寸，

L₀₁、L₀₂分别为激光测距传感器到量棒圆周面的对应距离，

α为激光线在垂直面内的偏角；

（7）将被测火车车轴装上车床，确保用顶尖顶好，每旋转90°对被测车轴轮座进行测量，得到距离值L₁、L₂、L₃、L₄；

（8）按式（2）分别计算出被测火车车轴的轮座半径尺寸R_i，并记录其数值，

$R=\sqrt{R_{01}^2+{(L_{01}-L)}^2-2{\sin }^2\mathrm{\α}(L_{01}^2-L_{01}L)+2(L_{01}-L)\sqrt{(1-{\sin }^2\mathrm{\α})(R_{01}^2-L_{01}^2{\sin }^2\mathrm{\α})}}---\left(2\right)$

被测火车车轴的轮座直径尺寸为：

$D=\frac{1}{2}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{R}_i---\left(3\right)$

其中：测量直径范围为φ170-φ205mm，测量精度≤5μm，测量时间5s，系统工作环境温度-20℃—50℃。

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