數(shù)控型不落輪對車床的自動測量系統(tǒng)

王賀安

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數(shù)控型不落輪對車床的自動測量系統(tǒng)

王賀安

（南京安正軟件工程有限公司 南京 21009）

不落輪對車床適用于加工內(nèi)燃機車、電力機車、地鐵車輛及其它鐵路車輛用的輪對。由于輪對需求量大要求精度一致性高，所以開發(fā)了數(shù)控自動測量裝置。通過介紹測量系統(tǒng)的構(gòu)成，并結(jié)合實際說明了它的實用性，同時也提出了不落輪對車床的自動測量，對數(shù)控系統(tǒng)的一些特殊要求，為今后該類機床自動測量的軟件開發(fā)提供一種思路。

不落輪對 測量系統(tǒng) 車床

不落輪對車床是用于加工內(nèi)燃機車，電力機車，地鐵車輛以及其它鐵路車輛的輪對。加工時輪對不需做任何拆裝，把車輛通過活動軌道引入機床，在機床上夾緊并通過摩擦的方法使輪對旋轉(zhuǎn)起來后便可車削加工，非常方便、靈活。

工件（這里指輪對）無論是軸向還是徑向均無法在機床上精確定位；被加工的“輪對”在使用中磨損程度是隨機的，數(shù)控系統(tǒng)不可能而且也不應(yīng)該按一個不變的程序進行加工；一副輪對的兩個輪子要同時進行左、右切削（兩個刀架），加工完輪對必須保證按坐標(biāo)所定義的內(nèi)側(cè)距、輪徑差、輪緣厚度、高度等在規(guī)定的范圍內(nèi)。為了解決這些技術(shù)問題，設(shè)計了不落輪對車床的自動測量系統(tǒng)。

1 軸向定位測量系統(tǒng)

軸向定位測量有兩個目的：一是為了尋找工件（即被加工的左右輪對）在機床座標(biāo)系下的軸向位置，二是為了計算內(nèi)側(cè)距AR（如圖1所示）。

圖1 軸向定位和磨損測量裝置在機床上的位置

測量時，安裝在刀架上的左、右測量裝置由原始位置沿+方向進入工作位置（M指令，液壓驅(qū)動），刀架帶著測量裝置先沿-方向運行，測頭B（左邊為B1、右邊為B2）與工件接觸后停止運動并清除剩余距離（通過接口信號來實現(xiàn)）。然后刀架向+Z方向運行，待軸向測量桿A（左邊為A1右邊為A2）與工件接觸后便產(chǎn)生偏移（圖2所示中的A2桿下端向右偏移），從而使A2桿下端的遮光片C2離開遮光位置，微型叉式光柵元件的光線通過光柵元件發(fā)出信號經(jīng)放大后（見圖3所示）送數(shù)據(jù)系統(tǒng)的接口（通過PC）使+方向的運行停止并清除剩余距離。

圖2 軸向和磨損測量裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

但此時還不能讀取軸向數(shù)值，因為測量裝置在向+方向的運行到停止的過程中會產(chǎn)生沖程；工件（輪對內(nèi)側(cè)面）原始加工中存在誤差；輪對上的裝夾會有誤差。因此刀架要低速向-方向退回。這一過程中只要有信號輸出，退回運動就產(chǎn)生，無信號輸出時運動停止（但不馬上清除剩余距離），只有待輪對轉(zhuǎn)過一圈以上且確無輸出信號時，才清除剩余距離。

圖3 微型叉式光柵放大電路

通過指令系統(tǒng)將Z方向?qū)嶋H值存貯器中的內(nèi)容讀到PC，在考慮了A桿的偏移之后便可以得出工件的軸向尺寸?？梢?，Z01+Z02=AR這便是鐵標(biāo)所規(guī)定的內(nèi)側(cè)距，這一計算是在PC中完成的。

2 磨損測量系統(tǒng)

磨損測量系統(tǒng)由測頭B和數(shù)字式位移傳感器，（行程60 mm，分辨率±1 μm）構(gòu)成。磨損測量是要判定被加工輪對的磨損情況，為數(shù)控系統(tǒng)提供X方向坐標(biāo)偏移，切深和分刀的數(shù)據(jù)。

針對本文第1 節(jié)中歸納的數(shù)字化唐卡圖像面臨的未經(jīng)授權(quán)的復(fù)制、傳播和假冒、以次充好等問題，用魯棒水印技術(shù)，將標(biāo)識唐卡圖像作品所有者的相關(guān)信息，如作者簽名、企業(yè)Logo、圖像序列碼等作為水印，嵌入數(shù)字化唐卡圖像中，將含水印的唐卡圖像用于宣傳展示。當(dāng)該含水印圖像被非法復(fù)制、傳播或被假冒時，從侵權(quán)者非法復(fù)制或假冒的圖像中能提取出合法擁有者的水印信息，就可以證明侵權(quán)者其侵權(quán)行為成立并可作為追責(zé)證據(jù)。

圖4 磨損測量的測量點

這里需要說明的是，磨損測量點數(shù)及軸向坐標(biāo)值的選擇與輪形的幾何模型及輪對在使用中易磨損的部位有關(guān)。在易磨損的部位測量點的布置要相對多一些，在同一輪形的不同幾何曲線處一般都應(yīng)設(shè)置測量點。

在電氣控制硬件上，數(shù)字位移傳感器發(fā)生的信號要先經(jīng)過一個EXE801變換器處理后再送往PC高速計數(shù)組件。

3 直徑測量系統(tǒng)

如圖5所示，輪對旋轉(zhuǎn)時經(jīng)摩擦帶動直徑測量盤旋轉(zhuǎn)，直徑測量盤的軸徑傳動箱使編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器的輸出直接送入PC的高速計數(shù)組件。在輪對一邊的外側(cè)面安裝一個反射式光束開關(guān)（可見單色光或紅外光），反光紙貼在輪對外側(cè)面，輪對每轉(zhuǎn)一圈光束開關(guān)發(fā)送一個脈沖信號給PC。

圖5 直徑測量系統(tǒng)簡圖

這里所述的直徑測量是一種間接的測量，其測量精度與下列因素有關(guān)：

⑵ 量盤的安裝位置精度；

⑶ 對自身的不圓度；

⑷測量盤與車輪之間的摩擦狀況（二者必須無滑動，這與二者的材質(zhì)極為相關(guān)）；

⑸高速計數(shù)器的累計計數(shù)精度（與PC程序的掃描時間及主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)）。

⑹輪對圈數(shù)的計算精度（與PC程序掃描時間及主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)）。

由此可見，在技術(shù)條件允許的情況下，盡可能的減小測量盤的直徑，增大編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)及增加直徑測量時輪對的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)可以減小測量誤差，提高測量精度。在實線中，取=140 mm，1=5 000 p/r，n=3，輪徑的測量誤差均在±0.03 mm以內(nèi)，加工完畢后左右輪子的輪徑差在0.07 mm左右。

4 測量系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要思路

數(shù)控型不落輪對車床的自動測量系統(tǒng)是一個典型的與電氣控制為主體的機電一體化部件，有些控制和計算在CNC中完成而有些控制和計算在PC中完成，二者必須緊密聯(lián)系相互照應(yīng)。測量系統(tǒng)各部軟件設(shè)計的思路如下（框圖中粗虛線框為CNC完成，其余由PC來完成）。

4.1 軸向定位測量

4.2 磨損測量

4.3 直徑測量

結(jié)語

由本文的分析可見，要實現(xiàn)數(shù)控型不落輪對車床的自動測量，對數(shù)控系統(tǒng)有一些特殊的要求，這主要是：

⑴具有獨立的雙刀架控制功能；

⑵具有清除剩余距離的接口功能；

⑶具有讀取實際值貯存器內(nèi)部的功能以及讀取刀具偏移值的功能；

⑷具有利用NC程序和外部進行數(shù)據(jù)交換的功能（包括從數(shù)據(jù)接口上讀取或傳送加工的數(shù)據(jù)——在NC程序執(zhí)行中進行）；

⑸具有隨機變量（R序數(shù)）編程功能；

⑹具有子程序多成套用的功能；

⑺至少具有算術(shù)運算（直接數(shù)值運算或利用R參數(shù)計算）的功能；

⑻具有有條件判跳（＞、＝、≠、＜）或元條件轉(zhuǎn)移功能；

不落輪對車床對加工的程序要求相對較低，運行速度也不高（因受刀架行程的限制，一般在2.5m/min以下），若采用通用的車床數(shù)控系統(tǒng)來配套并不適合。希望生產(chǎn)價格低廉、運行穩(wěn)定，能滿足使用要求的專用數(shù)控系統(tǒng)，以促進我國數(shù)控型不落輪對車床的不斷完善和發(fā)展。