CN1140432C - 铁路车辆轮对几何参数自动测量装置 - Google Patents

Abstract

铁路轮对几何参数自动测量装置，由门形机架、微机系统、4个测量机构及2个横推测量机构组成，测量头可上下左右移动，中间2个测头上的传感器可转动，扫描测量轮辋断面及轴身顶点，另外2个测量直径已知的轴承或轴颈及轮座前肩的顶点，先确定车轴线位置，计算轮辋、车轴半径及车轮偏心和内侧距等参数，用涡流或电感非接触位移传感器可测油污覆盖的金属体轮廓，数据由微机处理，装置特别适合检修线轮对的非接触自动测量。

Description

铁路车辆轮对几何参数自动测量装置

本发明涉及物体几何轮廓测量技术领域，特别是物体表面带有污染物的铁金属磨耗部件的轮廓测量。

铁路轮对的外形轮廓直接关系行车安全。在车辆段轮对检修线的测量和外观检查工位，国内普遍采用CN 93200457.1公告产品，即第四种检查器进行轮辋宽度和厚度、踏面磨耗、轮缘厚度及踏面檫伤的测量；车轮直径和轮对内侧距采用专用量具检测，左右轮座部位、轴中央三处车轴直径用直径卡尺进行测量，轮座直径因为打磨等其它原因，在内侧无法测量时，改成在外侧轮座或轮座前肩处测量，该工位设人员2-3名。实际测量时，工作人员先将结果用粉笔记在轮对上，再抄录在卡片上，最后由他人录入微机。测量方式落后，中间环节多，实测结果人为误差较大。CN 1256397A公告提供了一种扫描式的地铁车轮测量仪器，但其球型测量头容易磨耗，测头因为不与轮缘磨耗面垂直或被测表面特别粗糙时，很容易损坏，此外该测量仪不能测量轮辋厚度，在车轮有辗宽情况下也无法测量轮辋宽度，装置需要人工定位。采用扫描方式，传感器少，但测量时间较长。如果借助气动实现多点同时自动测量，测量时间短，但定位机构比较复杂，轮缘厚度测头不与轮缘磨耗面垂直，也容易损坏。CN 1149126公告提供的测量车轮滚动参数的方法和装置，有一定优势，但它对光源和环境要求较高，灰尘、振动和背景光以及轮对上的油污、积尘以及表面颜色等因素对测量精度均有影响。此外由于轮对既大又重，尺寸变化较大，至少需要使用2台以上的成套CCD测量装置以及其它辅助设施，包括高精度伺服机构，因此测量系统有价格高、实际精度不高，镜头和光源需要经常维护，激光源价格高，寿命短等不足。

本发明的目的是提供一种铁路车辆轮对几何参数自动测量装置，它能有效地对轮对几何参数进行自动测量。

本发明的技术方案是采用灵活的带光栅尺进行长度测量的伺服机构，改变和确定传感器的平面位置，此外必要时在测量头上设置旋转测量机构，使非接触传感器尽量垂直靠近被测量表面。它包括一个门形架及左右对称布置的两组可伸缩测量机构和微机系统，测量机构的光栅尺、旋转编码器、传感器的输出，步进电机的驱动器分别与微机系统的输入、输出相连，门形架的横梁上设有吊丝牵引测量机构和丝杠驱动测量机构，均竖向布置，设有传感器的测量头固定在伸缩杆的自由端；横推测量机构设在门形架的立柱上，横推测量机构的外壳与立柱连接为铰接，其伸缩杆与布置在门形架中间的测量机构缩杆铰接。光栅尺的定尺固定在测量机构的外壳上，其动尺通过传动连接件固定在伸缩杆上。伸缩杆上的测量头可以上下移动，移动量可控可测，中间两个竖向测量机构的测量头设有使传感器转动并进行角度测量的机构，横推测量机构外壳铰接于机架立柱可摆动，其伸缩杆与中间测量机构的伸缩杆铰接，伸缩量也可控可测，左边伸缩杆右移到一定位置时，其中部带轴承的销子与左边竖向测量机构外壳的左侧相靠，测量机构采用涡流或电感位移传感器，微机直接控制测量过程并计算和记录测量结果。本发明的工作原理为：测试轮对被地面转轮器定位后，静置在门形架横梁正下方，通过轮对轴线的铅垂面为测量平面，X-Y坐标轴定位在门形架横梁上，微机通过竖向测量机构、横推测量机构的光栅尺读数、测量头圆光栅及传感器的读数，控制传感器在测量平面中的方位，使它尽量垂直靠近被测局部表面，从而正确测量出表面某点的平面坐标，逐步改变和调整传感器方位可以扫描出大部分轮廓曲线。其中两边的竖向测量机构测量轮对轴承外圈或轴颈最高点及轮座前肩最高点的坐标，利用轴承或轴颈的已知直径，确定轮对转动轴线的平面坐标和轮座半径；中间竖向测量机构同时测量出轮辋轮廓特征点的坐标，最后计算出车轮的轮辋厚度和宽度、踏面磨耗、轮缘厚度、轮对内侧距、车轮半径以及轴身半径，此外在轮对缓慢滚动时，通过测量车轮滚动圆、轴承外圈最高点与基准线的距离差，可计算车轮的偏心和檫伤。

本发明的另一种技术方案是采用滚珠螺杆电动滑轨横向固定在门形架上，丝杠驱动的伸缩测量机构垂向固定在电动滑轨的滑块上，滑块的移动量可控可测，设有多个传感器的测量头固定在伸缩测量机构的测量杆下端；光栅尺的定尺固定在测量机构的外壳上，光栅尺的动尺通过传动连接件固定在伸缩杆上，伸缩杆上的测量头可以上下移动，移动量可控可测，测量头还设有使传感器转动并进行角度测量的机构，测量机构采用涡流或电感位移传感器，微机直接控制测量过程并计算和记录测量结果。

本发明与现有技术相比的优点如下：1、采用的两个伸缩杆机构加三个铰关节形成的三角形结构，刚度好，铰接的间隙容易消除、运动灵活、重复定位精度高，利用光栅尺读数进行三角计算确定的测量头方位准确；2、本发明的结构，对加工精度的要求不高，因此成本较低；3、由于采用涡流或电感位移传感器，它对表面污染不敏感，测量结果是金属实体的外形，更加精确；4、本发明装置不需要庞大精确的轮对定位装置，用软件适应轮对尺寸的不同，简化了机械结构。5、采用微机进行控制和信息处理可以直接得到数据，特别适合于检修线上的轮对进行不接触测量。此外，对于表面比较干净的物体外形测量，测量头也可以采用激光位移传感器，减小测量区域，从而得到更细致的轮廓曲线，测量传感器也可以采用接触式位移传感器或3坐标测量机的接触式测头。

本发明附图说明如下：

图1是本发明装置总体结构图。

图2是本发明吊丝牵引的测量机构剖面图

图3是本发明丝杠驱动的测量机构剖面图

图4是本发明横推测量机构的剖面图

图5是丝杠驱动的测量机构测量头的结构图

图6是本发明图2的A向局部视图

图7是本发明图3的B向局部视图

图8是本发明图3的C向局部视图

图9是本发明图4的D向局部视图

图10是本发明微机系统与测量机构连接框图

以下结合附图对本发明的最佳实施例子作进一步描述：包括一个门形架及左右对称布置的两组可伸缩测量机构和微机系统，测量机构的光栅尺、旋转编码器及传感器的输出与微机系统的输入相连，门形架的横梁9上设有吊丝牵引测量机构和丝杠驱动测量机构，均竖向布置，设有传感器的测量头固定在伸缩杆的自由端；横推测量机构设在门形架的立柱11上，横推测量机构的外壳3与的立柱11连接为铰接，其伸缩杆39与布置在门形架中间的测量机构的伸缩杆31铰接。光栅尺的定尺固定在测量机构的外壳上，光栅尺的动尺通过传动连接件固定在伸缩杆上。横推测量机构的伸缩杆用铰销8与丝杠驱动测量机构的伸缩杆连接，其推摆销7间歇与测量机构壳体1左侧相贴，微机系统装置10固定在横梁9上，测试轮对位于门形架正下方，通过轮对轴线的铅垂面为测量平面。

吊丝牵引测量机构的结构如图2所示，它由壳体1、细钢丝绳14、线性轴承15、伸缩杆17、光栅尺定尺16、动尺18、传感器21、传感器22及其安装件20组成。传感器21、传感器22通过安装件20固定在伸缩杆17上，其另一端与细钢丝绳14相连，钢丝绳另一端卷绕在卷简23上，卷筒与电机28通过减速器24连接，这样传感器21、传感器22可沿壳体1的方向伸缩。光栅尺定尺16固定在测量机构壳体1上，动尺18通过传动连接件固定在伸缩杆上。

丝杠驱动的测量机构由伸缩机构和测量头组成，其中测量机构的结构如图3所示，它由壳体2、丝杠27、螺母29、铰销5、伸缩杆31、步进电机25、电机固定台26、光栅尺定尺32、动尺34、传动连接零件33、手动螺母30等组成，步进电机25通过键与丝杠27相连，丝杠27、伸缩杆31和光栅尺动尺34通过传动连接零件33相连，光栅尺的定尺32固定在壳体2上，伸缩杆31与测量头外壳35固接，伸缩机构的外壳2通过铰销5铰于机架横梁9上，电机转动丝杠可使螺母移动，带动伸缩杆和动尺34滑动，使测量头沿壳体2方向上下移动。测量头的结构如图5所示，它由外壳35、转轴13、旋转编码器49、轴连接件52、步进电机51、编码器连接片53、固定连接销36、传感器55、传感器支架54、传感器固定螺母56、标定件46和标定件48及其支架19和支架50等组成。步进电机51固定在测量头外壳上，电机轴通过连接件52与转轴13相连。转轴13端部设有传感器55。传感器55通过支架54与转轴13端部固接，测量头壳体内设有空心轴旋转编码器49。编码器49的外壳与壳体35的内侧通过连接片53固定连接，电机51带动转轴13使传感器55摇头，标定件46和标定件48用于传感器55的自动标定。

横推测量机构的具体结构如图4所示，它由外壳3、丝杠47、螺母45、铰销6、伸缩杆39、步进电机38、电机固定台37、光栅尺定尺40、动尺41、传动连接零件42、推摆销7、手动螺母44、推摆关节43及销子8组成，步进电机38通过键与丝杠47相连，丝杠47、伸缩杆39和光栅尺动尺41通过传动连接零件42相连，光栅尺的定尺40固定在壳体3上，伸缩杆39的右端通过推摆关节43及销子8与丝杠驱动的测量机构的伸缩杆31相连，横推测量机构外壳3通过铰销6铰于机架立柱11，伸缩杆39中部有带滚子的推摆销7。这样，电机转动丝杠使螺母移动，带动伸缩杆39和光栅尺动尺滑动，从而使丝杠驱动的测量机构摆动，此外当伸缩杆39移动到一定范围时，推摆销7与吊丝牵引的测量机构壳体1贴靠，使它摆动到轮座顶点测量位置，传感器21提供摆动到位信号。上述可伸缩测量机构的驱动方式也可以是液压驱动或气压驱动。车轮轮辋断面尺寸的测量过程是：微机装置10通过丝杠驱动的测量机构、横推测量机构的光栅尺读数、测量头圆光栅49及传感器55的读数计算相关的长度，通过控制步进电机38和步进电机25及步进电机51控制传感器55在测量平面中的方位，使它尽量垂直靠近被测局部，使被测量点落入传感器的量程范围，同时记录传感器输出、圆光栅及光栅尺的读数，从而利用三角函数关系计算出表面某点的平面坐标，逐步改变和调整传感器的方位扫描出大部分轮廓曲线，最后在线计算出左右车轮的轮辋宽度和厚度、踏面磨耗、轮缘厚度及轮对内侧距。车轮及车轴直径的测量原理：微机通过控制吊丝牵引测量机构的电机28使伸缩杆17在壳体1内上下滑动，调整传感器在竖直方向上的位置，使被测量点位于传感器的量程范围，测量机构通常在重力作用下，紧靠在限位零件12上，测量轴承外圈或轴颈的最高点坐标，利用轴承外圈或轴颈的已知直径，确定轮对转动轴线的平面坐标，利用丝杠驱动的测量机构得到的车轮滚动圆和轴身最高点的位置，计算出测量断面处车轮的直径；当测量轮座或前肩直径时，推摆销7使吊丝牵引的测量机构向右摆动，同时测量头适当下降，通过传感器21的引导使测量单元靠近轮毂外侧，然后下移测量单元使轮座前肩部位的车轴表面落入传感器22的测量范围，记录测量手的长度、推摆销7的位置和传感器的输出，计算最高点的坐标，再计算轮座前肩的直径。此外在轮对缓慢滚动时，通过测量车轮滚动圆、轴承外圈最高点与基准线的距离差，可计算车轮的偏心和檫伤。微机系统如图10所示，它由微型机及其应用软件、三坐标测量及步进电机控制板PCL-833和PCL-839、多通道A/D摸板、光栅尺、圆光栅、电感或涡流位移传感器、可编程逻辑控制器PLC、环境温度传感器、步进电机及其驱动器组成。其中三坐标测量及步进电机控制板分别完成左或右轮丝杠驱动的测量机构的测量和控制，PLC完成轮对的定位、转动控制，同时完成轮座直径的测量控制。一个轮对的完整测量过程是：测试轮对被转轮器定位静置在横梁下方后，人工按下“1断面”测量按键，启动第一个断面检测过程，结束时使吊丝牵引的测量机构1和丝杠驱动的测量机构2分别处于检测轴承或轴颈和车轮滚动圆顶点，接着PLC控制转轮器电机使轮对旋转，进行轮对偏心测量，轮对转动约120°后，人工按下“2断面”按钮，系统用同样方式进行第2个断面及车轮偏心的测量，最后按下“3断面”按钮，完成第3个断面及最后一部分偏心的测量。3个断面的测量过程完全相同，测量完成后，微机按照有关要求显示和打印全部测量结果并进行合格判定，全部数据以文件的形式进行存储，在非测量阶段提供网络访问服务。

Claims (8)

1.一种铁路车辆轮对几何参数自动测量装置，包括一个门形架及左右对称布置的两组可伸缩测量机构和微机系统，测量机构的光栅尺、旋转编码器及传感器的输出与微机系统的输入相连，其特征在于门形架的横梁(9)上设有吊丝牵引测量机构和丝杠驱动测量机构，均竖向布置，设有传感器的测量头固定在伸缩杆的自由端；横推测量机构设在门形架的立柱(11)上，其伸缩杆(39)与布置在门形架内侧的测量机构的伸缩杆(31)铰接；滚珠螺杆电动滑轨横向固定在门形架上，丝杠驱动的伸缩测量机构垂向固定在电动滑轨的滑块上，光栅尺的定尺固定在测量机构的外壳上，光栅尺的动尺通过传动连接件固定在伸缩杆上，测量头还设有传感器转动机构。

2.根据权利要求1所述的铁路车辆轮对几何参数自动测量装置，其特征在于吊丝牵引测量机构的外壳(1)和丝杠驱动测量机构的外壳(2)与横梁(9)的连接为铰接。

3.根据权利要求1所述的铁路车辆轮对几何参数自动测量装置，其特征在于横推测量机构的外壳(3)与的立柱(11)连接为铰接。

4.根据权利要求1所述的铁路车辆轮对几何参数自动测量装置，其特征在于所述测量头的壳体(35)上设有步进电机(51)，电机轴通过连接件(52)与转轴(13)相连。

5.根据权利要求4所述的铁路车辆轮对几何参数自动测量装置，其特征在于所述转轴(13)端部设有传感器(55)。

6.根据权利要求1所述的铁路车辆轮对几何参数自动测量装置，其特征在于所述测量头的壳体(35)内设有与转轴(13)同轴安装的旋转编码器(49)。

7.根据权利要求1所述的铁路车辆轮对几何参数自动测量装置，其特征在于所述可伸缩测量机构可以是其它结构形式，驱动方式也可以是液压驱动或气动。

8.根据权利要求1所述的铁路车辆轮对几何参数自动测量装置，其特征在于所述的传感器也可以是激光位移传感器，还可以是接触式传感器。

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