高鐵轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵參數(shù)自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王銀靈 王者 王海

摘要 本文以高鐵關(guān)鍵參數(shù)檢測(cè)為目標(biāo)，研究對(duì)象以轉(zhuǎn)向架車輪、車軸齒輪箱大齒輪、小齒輪軸、測(cè)速齒輪、軸箱前后蓋、牽引拉桿、夾鉗為典型結(jié)構(gòu)零部件，驗(yàn)證不同測(cè)量方式滿足零件精度要求，測(cè)量效率，測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性及可靠性.本平臺(tái)為針對(duì)高鐵典型結(jié)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)的通用測(cè)試平臺(tái)，可柔性化定制與改進(jìn)測(cè)試方法，可以驗(yàn)證多尺寸，多測(cè)量精度要求下的非接觸式測(cè)量方法精度，可靠性，穩(wěn)定型等指標(biāo)，為其他測(cè)量項(xiàng)目提供依據(jù)和示范。

【關(guān)鍵詞】高鐵 轉(zhuǎn)向架 車輪 車軸 自動(dòng)檢測(cè)

1 引言

目前，中國(guó)高鐵的速度和里程均己領(lǐng)先全球，中國(guó)高鐵已經(jīng)成為我國(guó)暢行世界的國(guó)家名片之一。中國(guó)高鐵技術(shù)的成就是中國(guó)制造的頂尖代表。我國(guó)高速鐵路的高品質(zhì)需要整個(gè)高鐵制造技術(shù)的有力支撐。高鐵零部件的制造是整個(gè)高鐵生產(chǎn)的基礎(chǔ)，零部件尺寸的加工精度會(huì)影響到整車的質(zhì)量。因此，對(duì)車體重要零部件，比如車軸、轉(zhuǎn)向架、端蓋、大小齒輪等都需要精密的加工和嚴(yán)格尺寸檢測(cè)。

目前轉(zhuǎn)向架車輪、車軸、牽引拉桿、軸箱體及軸箱端蓋，車體枕梁組成、邊梁等關(guān)鍵零部件加工后的尺寸檢測(cè)全部由檢測(cè)人員手持量具進(jìn)行，工作量大，效率低，質(zhì)量證件由檢測(cè)人員手工填寫后紙質(zhì)流轉(zhuǎn)，在生產(chǎn)制造的過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和在線監(jiān)控，自動(dòng)化、信息化程度較低。人工檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)人員的技能水平高低直接影響檢測(cè)結(jié)果，且存在人為讀數(shù)誤差問(wèn)題。

通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的研究，能夠解決轉(zhuǎn)向架、車體關(guān)鍵零部件加工后、組裝前手工檢測(cè)尺寸工作量大、效率低的問(wèn)題;能夠解決關(guān)鍵精度高等尺寸對(duì)工人能力依賴高問(wèn)題，消除由于操作技能等人為因素導(dǎo)致的誤差問(wèn)題;能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)儲(chǔ)存、分析、跟蹤及對(duì)比等功能;能夠解決輪軸、軸箱體等生產(chǎn)線工件自動(dòng)流轉(zhuǎn)問(wèn)題，大大提高生產(chǎn)效率、檢測(cè)效率和檢測(cè)質(zhì)量，提高自動(dòng)化及信息化水平。本文主要介紹一種高鐵轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵零部件尺寸自動(dòng)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

本文主要為開展轉(zhuǎn)向架車輪、車軸、輪對(duì)、軸箱體等及車體枕梁組成、邊梁等重要零部件的自動(dòng)檢測(cè)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的研究，檢測(cè)數(shù)據(jù)可與股份公司信息化系統(tǒng)通過(guò)接口聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，形成一套轉(zhuǎn)向架、車體關(guān)鍵零部件自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在保證通用性的同時(shí)，又要能根據(jù)不同零部件的特點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)置，滿足不同零部件的檢測(cè)精度要求。另外，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)要具有可擴(kuò)展性，以便于滿足后續(xù)需要。

2 檢測(cè)方案概述

本平臺(tái)為中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司的公司級(jí)科研課題本平臺(tái)研究對(duì)象為以轉(zhuǎn)向架車輪，車軸齒輪箱大齒輪，小齒輪軸，測(cè)速齒輪，軸箱前后蓋，牽引拉桿，夾鉗為典型結(jié)構(gòu)零部件，驗(yàn)證不同測(cè)量方式滿足零件精度要求，測(cè)量效率，測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性及可靠性，對(duì)測(cè)量環(huán)境的要求，零件的表面粗糙度和結(jié)構(gòu)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。提出不同結(jié)構(gòu)零部件的最有效測(cè)量方式及可以達(dá)到的檢測(cè)精度，并確定測(cè)量設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)要求，存在的技術(shù)難點(diǎn)。

本平臺(tái)為針對(duì)高鐵典型結(jié)構(gòu)零部件設(shè)計(jì)的通用測(cè)試平臺(tái)，可柔性化定制與改進(jìn)測(cè)試方法，可以驗(yàn)證多尺寸，多測(cè)量精度要求下的非接觸式測(cè)量方法精度，可靠性，穩(wěn)定型等指標(biāo)，為其他測(cè)量項(xiàng)目提供依據(jù)和示范。

本平臺(tái)的測(cè)試方法均為非接觸式，包括激光測(cè)距傳感器，光幕傳感器，高清晰度攝像頭等。

本測(cè)試平臺(tái)還設(shè)計(jì)了專用的振動(dòng)測(cè)試裝置，標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)對(duì)光光源裝置，溫濕度調(diào)節(jié)裝置，自動(dòng)上下料裝置和數(shù)據(jù)自動(dòng)技術(shù)分析系統(tǒng)，可以分析：

（1）不同的非接觸式測(cè)量方式的檢測(cè)精度;

（2）不同的非接觸式測(cè)量方式的測(cè)量效率;

（3）不同的非接觸式測(cè)量方式測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性及可靠性;

（4）不同的濕度，溫度，光照條件等環(huán)境因素對(duì)檢測(cè)精度的影響;

（5）零件的外形結(jié)構(gòu)，表面粗糙度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

通過(guò)該平臺(tái)，可以提出不同結(jié)構(gòu)零部件的最有效測(cè)量方式，并確定測(cè)量的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)要求，存在的技術(shù)難點(diǎn)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

3 方案詳細(xì)說(shuō)明與分析

針對(duì)高鐵轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件的不同結(jié)構(gòu)、不同測(cè)量范圍、不同測(cè)量項(xiàng)點(diǎn)及精度要求對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化高精度測(cè)量進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。具體功能如圖2所示。

3.1 檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)單元具體設(shè)計(jì)

本平臺(tái)基本組成如圖3所示，擬采用以下非接觸式測(cè)量方法和工具：

（1）2套進(jìn)口光幕激光傳感器，可以配合測(cè)量外徑和圓度，同心度等，測(cè)量精度μm級(jí)，檢測(cè)過(guò)程示意圖如圖4所示。

（2）3套點(diǎn)激光三角法短距離（3米內(nèi)）激光位移傳感器用于測(cè)試端面跳動(dòng)，形狀尺寸等，測(cè)量精度μm級(jí)，三角法跳動(dòng)檢測(cè)原理圖如圖5所示。

（3）1套線激光傳感器用于測(cè)量外徑，測(cè)量精度μm級(jí)。

（4）1套高精度進(jìn)口2100萬(wàn)視覺傳感器，可以測(cè)量?jī)?nèi)徑，位置度，同心度等，測(cè)量精度O.Olmm。

（5）1套普通精度500萬(wàn)視覺傳感器，可以測(cè)量要求不高的形狀尺寸及二維碼，條碼識(shí)別，測(cè)量精度mm級(jí)。

測(cè)試工裝平臺(tái)由一個(gè)可控旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，一個(gè)桁架裝置和兩根垂直高精度絲杠構(gòu)成。因此本平臺(tái)可以靈活的布置和調(diào)整各類測(cè)試傳感器，并且所有傳感器具備移動(dòng)性，可控制調(diào)整。整套工裝系統(tǒng)定位精度可達(dá)O.OOlmm待測(cè)工件放置于平臺(tái)上固定，選定測(cè)量基準(zhǔn)后，由運(yùn)動(dòng)裝置帶動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)，定位，測(cè)量。通過(guò)不同測(cè)量單元配合，位置布置，切換組合，試驗(yàn)臺(tái)可以測(cè)量線性尺寸，內(nèi)外經(jīng)，圓度，斜度，跳動(dòng)，輪廓度等檢測(cè)樣件中所包含的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還配備了一臺(tái)上下料機(jī)器人用于零件自動(dòng)上下料.商量工位完成待測(cè)工件裝夾后，機(jī)器人將工件移動(dòng)至檢測(cè)工位。檢測(cè)完成后，機(jī)器人（如圖8所示）將工件自動(dòng)移動(dòng)到下料工位。

本系統(tǒng)通過(guò)PLC和上位機(jī)配合，可自動(dòng)記錄所有測(cè)量信息，生成原始數(shù)據(jù)記錄.基于這些原始記錄，可以生成記錄表，解析成二維圖，三維圖以明確檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行比對(duì)，本系統(tǒng)可自動(dòng)判斷零件是否客戶，通過(guò)顏色進(jìn)行區(qū)分，形成測(cè)試記錄報(bào)告，本報(bào)告可保存或打印。

3.2 檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)溫濕度模擬及控制功能設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用工業(yè)溫濕度箱，實(shí)現(xiàn)常溫恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)室該實(shí)驗(yàn)室溫度控制范圍為攝氏O℃-60℃，控制精度±2℃，相對(duì)濕度控制范圍10%-90%，控制精度±5-10%RH。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的箱體設(shè)計(jì)有鋼框架， 內(nèi)殼采用不銹鋼，外殼采用鍍鋅板噴塑處理。隔熱層采用聚氨酯材料，重量輕，耐腐蝕耐水蒸氣滲透，保溫保濕效果好。視窗使用雙層中空玻璃視窗。如圖9所示。

為達(dá)到實(shí)驗(yàn)環(huán)境內(nèi)的溫濕度的均勻穩(wěn)定，本試驗(yàn)臺(tái)選擇上送風(fēng)底回風(fēng)的方式。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)位置應(yīng)避開陽(yáng)光能夠直射到的范圍，并在環(huán)境內(nèi)配緩沖間。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)加熱采用電加熱方式。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)制冷采用低噪音全封閉式空氣壓縮機(jī)。該空氣壓縮機(jī)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)分離固定，通過(guò)風(fēng)道送風(fēng)，以減少空氣壓縮機(jī)工作時(shí)自身振動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的影響。

本試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)小型PLC進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)功能，并且提供485通訊功能，可通過(guò)上位機(jī)設(shè)定溫濕度并采集實(shí)時(shí)溫濕度信息。通過(guò)上位機(jī)還可以生成溫濕度變化隨時(shí)間變化曲線。

通過(guò)本實(shí)驗(yàn)箱的溫濕度調(diào)控，可驗(yàn)證不同的測(cè)試方法對(duì)溫濕度的敏感程度和測(cè)量誤差我們還可以通過(guò)分析誤差數(shù)據(jù)，進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

3.3 檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)光照調(diào)節(jié)控制功能設(shè)計(jì)

非接觸式測(cè)量大都采用激光或視覺系統(tǒng)，這些測(cè)量方式對(duì)光線比較敏感.因此非接觸式測(cè)量很多都自帶光源，但工廠測(cè)量環(huán)境的自然光線依然會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)帶來(lái)擾動(dòng)。本試驗(yàn)臺(tái)裝配有多種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)色光源系統(tǒng)，用來(lái)模擬測(cè)試不同光照情況對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

本試驗(yàn)臺(tái)的光照測(cè)試平臺(tái)可安裝各種類型的對(duì)光光源，并可自由更換和組合。因此本試驗(yàn)臺(tái)支持以下光源并可擴(kuò)展：

- D65光源可模擬自然光照情況，色溫6500K;

-A光源：黃光源，色溫2800K;

- TL84：熒光燈，色溫4800K。

3.4 檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)模擬控制功能設(shè)計(jì)

工廠振動(dòng)為常見擾動(dòng)因素，本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)了振動(dòng)測(cè)試平臺(tái)來(lái)模擬和驗(yàn)證振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。

測(cè)量平臺(tái)采用電動(dòng)式，振動(dòng)頻率5-200Hz，最大載重lOOkg，臺(tái)體尺寸為Im*lm。

測(cè)試平臺(tái)采用PLC控制，并通過(guò)485與上位機(jī)進(jìn)行通訊。

3.5 檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)上下料功能設(shè)計(jì)

本測(cè)試臺(tái)采用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料功能。機(jī)器人有效負(fù)荷≥150kg、重復(fù)定位精度±O.Olmm，TCP最大直線運(yùn)動(dòng)速度不小于lOOOmm/s，工作空間覆蓋2000mm×1200mm×lOOOmm。如圖8所示。

3.6 檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄及輸出功能設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺(tái)所有測(cè)試數(shù)據(jù)均可通過(guò)RS485或Ethernet與上位機(jī)進(jìn)行通訊。上位機(jī)實(shí)時(shí)采樣和記錄測(cè)試平臺(tái)的溫度、濕度、震動(dòng)等環(huán)境信息和工件及測(cè)量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采樣頻率可達(dá)10Hz。所有數(shù)據(jù)被記錄成文本形式進(jìn)行下一步分析。

本測(cè)試平臺(tái)還提供圖形化分析診斷工具，可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)圖標(biāo)。

本文針對(duì)動(dòng)車關(guān)鍵零部件的自動(dòng)檢測(cè)問(wèn)題，以動(dòng)車轉(zhuǎn)向架、車輪、車軸、輪對(duì)、軸箱體等及車體枕梁組成、邊梁等重要零部件為對(duì)象，研究其對(duì)應(yīng)的自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，檢測(cè)數(shù)據(jù)可與公司信息化系統(tǒng)通過(guò)接口聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，形成一套轉(zhuǎn)向架、車體關(guān)鍵零部件自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)在保證通用性的同時(shí)，又要能根據(jù)不同零部件的特點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)置，滿足不同零部件的檢測(cè)精度要求。另外，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)要具有可擴(kuò)展性，以便于滿足后續(xù)需要。

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