火车车轴轴颈轴座非接触式测量方法研究*

胡秀勇,王全先,尚 钱,乔中一

(1.安徽工业大学 机械工程学院,安徽 马鞍山 243002; 2.特种重载机器人安徽省重点实验室,安徽 马鞍山 243032)

0 引 言

在火车轮对的压装工艺中,需要对火车轴的两对轴颈轴座进行现场测量,并选配满足过盈配合要求的车轮和车轴进行装配。目前对轴径的测量方法主要分为接触测量法和非接触测量法[1]。接触测量法包括使用外径千分尺、专用游标卡尺、三坐标测量仪等专用测量工具进行测量。非接触测量法主要包括激光测量法、激光三角法、图像测量法、结构光法等测量方式[2]。非接触测量法具有测量精度高、响应速度快且不与测量工件直接接触等优点,比较适合测量表面易损伤的工件。胡津等[3]提出一种基于激光测量的锻件在线测量方法,通过对锻件的上下扫描以及计算机拟合计算得出锻件的外径尺寸,该方法实验的测量精度可达0.3 mm。张文文等[4]提出了一种大尺寸环筒类零件的外径测量方法,通过将CCD相机和激光扫描相结合的方式对环形锻件进行逆向三维重建并测量其外径。Bokhabrine Y等[5]设计了一种基于激光扫描的测量系统,该系统可实现对热锻件的外径测量。德国研制出了La Cam-Forge[6]测量系统,该系统采用激光扫描仪对测量零件进行连续扫描,并获取零件完整表面的点云数据,再通过对采集到的点云样点的分析实现对测量零件的几何尺寸的测量和三维重构。

笔者通过对车轴轴颈轴座测量要求的分析,提出了基于激光测距的测量方法,设计出了车轴轴颈轴座测量装置,并对车轴测量系统进行了标定,然后通过仿真与实际测量的验证对比验证了此测量方法的可靠性。应用该方法后车轴的测量精度达到了10 μm,满足了企业的实际生产要求。

1 测量系统功能要求

文中测量装置的测量对象主要是车轴的两对轴颈轴座的外径尺寸,如图1所示。

图1 火车轮对图

1.1 测量范围

被测车轴直径范围:φ150～225 mm;长度范围:2 000～3 000 mm;最大测量质量:1 t。

1.2 测量要求

该系统可以对多种型号的火车车轴进行测量,并对单根车轴的两对轴颈轴座进行同时测量且测量精度小于10 μm;单根车轴测量时间(包括上下件)小于3 min;测量系统工作温度为-20～60 ℃;测量结果可上传至本地数据库;对不合格的车轴发出警报;测量系统可实时接受外部操作指令。

2 测量系统总体设计

2.1 总系统

火车车轴轴颈轴座测量系统由硬件部分和软件部分组成。

软件部分由数据采集模块、数据处理模块、信号通讯模块、电机驱动模块、显示模块等部分构成。车轴轴颈轴座测量系统框图如图2所示。此套系统中含有多个压力、光电、接近传感器,主要负责监测待测轴的状态信息,CPU通过处理这些信息来控制驱动减速电机的运转。PLC收集激光测距传感器的数据并通过TCP/IP协议将数据上传至本地SQL SERVER服务器。HMI与本地数据库和MES系统相连,实现外部操作指令的实时执行。

图2 车轴轴颈轴座测量系统框图

硬件部分如图3所示。测量装置的工作台4是由C6140机床车身改造而得,原有的溜板箱简化为用于固定激光测距传感器组件8的左溜板3,并在右侧增设一个相同的右溜板6;工作台4左侧装有电动分度盘1,右侧装有电动尾座7,这两个部件负责测量时待测轴的固定和旋转;电动分度盘1与顶针2刚性连接,且顶针2的轴线与电动尾座7所带顶针的轴线重合;左溜板3与右溜板6上分别并排安装了两个相同的激光测距传感器组件8,激光测距传感器组件与溜板均为刚性连接;激光测距传感器与两个串联的高精度分度盘刚性连接,实现激光测距传感器的上下左右偏转的调节;丝杠机构9与右溜板6通过连接板刚性连接,负责右溜板6的横向移动,使激光测距传感器发出的激光线位于待测面区域。

图3 火车车轴轴颈轴座外径测量装置结构图1.电动分度盘 2.顶针 3.左溜板 4.工作台 5.待测轴 6.右溜板 7.电动尾座 8.激光测距传感器组件 9.丝杠机构

测量系统的测量过程:连接软件系统,启动测量装置,对测量系统进行标定(见第四节)。标定完成后,将待测轴5由起吊机从待测区吊装至两个顶针之间,等待车轴停稳之后,工作台右侧的电动尾座顶针向前伸出,与工作台前方的顶针相互配合使待测轴固定。激光测距传感器开始测量,测量一次完成后,电动分度盘1每旋转90°测量一次,将测量数据上传至MES系统,测量完成,使用起吊机将车轴吊装至下一工序工位,重复上述步骤可实现对火车轴的连续测量。

2.2 激光测距传感器组件设计

激光测距传感器组件结构图如图4所示,传感器与两个高精度分度盘串联,实现了激光测距传感器在水平面和垂直面的转动。

图4 激光测距传感器组件结构图

转动第一高精度分度台3的蜗杆可以使激光测距传感器在垂直面转动,转动第二高精度分度台5的蜗杆可以使激光测距传感器在水平面转动。

2.3 丝杠机构设计

丝杠机构如图5所示,主要负责右溜板的横向调节。

图5 丝杠机构结构图1.固定座 2.丝杠 3.丝杠螺母 4.连接板 5.调节手轮

2.4 横向固定装置设计

横向固定装置主要负责待测轴的固定和旋转,该功能由工作台左侧的电动分度盘和右侧的电动尾座实现,电动分度盘上安装有顶针,电动尾座内部有压力传感器,可以检测压力值并对电机进行控制。

3 测量原理

火车车轴轴颈轴座外径测量原理如图6所示,图中P0点为激光测距传感器激光发射点,O点为理论激光线与待测轴轴线的交点(注:激光线与待测轴轴线相交且垂直),P1点为实际激光线与待测轴圆周面的交点,P0P1长度为激光测距传感器的读数L,OP0长度为H,α为实际激光线与理论激光线在水平面内的夹角,β为实际激光线与理论激光线在垂直面内的夹角。

图6 火车车轴轴颈轴座外径测量原理图1.激光测距传感器 2.待测轴

根据图6可以得出:

(1)

因此,被测圆周面的轴径为:

(2)

电动分度盘每旋转90°激光测距传感器测量一次,最终结果取四次的平均值。由于式(1)、(2)中包含未知量α和β,所以为了求出待测圆周面的直径需要对α和β进行标定,确定其大小。

4 测量装置的标定

在理论情况下,激光线与待测轴线相交且垂直,但在实际情况中,实际激光线会与理论激光线产生水平夹角α和垂直夹角β。因此,为了保证车轴的测量精度,需要对两个夹角进行标定,具体标定方法如下。

将已知半径R1的1#标准棒固定在电动分度盘和电动尾座之间,电动尾座的顶针伸出将1#标准棒顶起,调节激光测距传感器组件中的高精度分度盘,使激光束在竖直平面和水平平面内进行扫描,当扫描的数值达到最小时,固定分度盘并保持传感器不再移动,记录下此时激光测距传感器的读数L110。测量完成后,将1#标准棒卸下,分别装上已知半径为R2的2#标准棒、半径为R3的3#标准棒,记录传感器读数L210、L310。由公式(1)可得:

(3)

由于激光测距传感器至标准棒轴线的距离没有改变,所以有:

(4)

将L110、L210、L310、R1、R2、R3代入式(4)即可得一组激光测距传感器组件水平夹角α和垂直夹角β的cosα、sinβ的大小,同理可求得其余三个传感器组件激光线的水平夹角α和垂直夹角β的正余弦。

5 仿真验证

为了验证标定方法和测量公式的正确性,在pro/E三维空间中建立标定模型,以图7中最左边的激光测距传感器组件为例模拟测量系统的标定过程。对不同直径的标准棒进行三次测量,将数据代入式(4)计算得出cosα、sinβ,将计算得出的cosα、sinβ与在pro/E软件中实际测量的α、β的cosα、sinβ值进行比较,以验证标定过程的准确性。标定完成后,在pro/E三维空间中建立测量模型,如图7所示,将上述求出的标定结果代入式(2)求出此时待测的轴径,将通过公式计算得出的轴径与软件中测量出的轴径进行比较,以验证测量公式的正确性。仿真标定结果如表1所列。

表1 仿真标定结果

图7 测量模型

由表1可知,计算得出的cosα、sinβ值与软件中实测的α、β的cosα、sinβ基本一致,故可证明标定方法的正确性。仿真测量结果如表2所列。由表2可知,计算值和软件测量值误差为1.4 μm,满足测量要求,故测量公式正确。

表2 仿真测量结果 /mm

6 结 语

根据测量要求,提出了一种非接触式激光测量方法及其装置,能对火车车轴轴颈轴座等四个外径同时进行高精度测量。针对激光线的水平夹角和垂直夹角提出了标定方法,并对标定方法和测量公式在Pro/E软件中进行了仿真,验证了标定方法和测量公式的正确性,仿真最终结果与实际测量误差为1.4 μm,符合测量要求。针对车轴长度变化时,顶针位置的改变可能会引起车轴轴线歪斜使得标定结果产生误差是该方法研究不足的地方,有待进一步分析改进。