動(dòng)車車軸關(guān)鍵尺寸高精度測(cè)量平臺(tái)設(shè)計(jì)

王海 姚迪 高思軍

摘要 隨著我國高鐵技術(shù)飛速發(fā)展，高鐵關(guān)鍵組件的精度要求愈加嚴(yán)格，傳統(tǒng)的人工測(cè)量已經(jīng)不能滿足高精度的要求，因此設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化高精度的車軸測(cè)量平臺(tái)。采用激光傳感器測(cè)車軸各個(gè)位置的直徑，光柵尺測(cè)量車軸長度。高精度車軸測(cè)量平臺(tái)的硬件部分包括車軸進(jìn)給裝置、液壓升降裝置、車軸定位裝置，激光傳感器和光柵位移傳感器。軟件部分根據(jù)測(cè)量流程編寫了軟件控制系統(tǒng)，并且將測(cè)量的結(jié)果輸入到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行信息化管理。測(cè)量平臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)完成之后，對(duì)軟硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，針對(duì)實(shí)際加工的車軸成品進(jìn)行實(shí)際測(cè)量試驗(yàn)，得到測(cè)量參數(shù)，獲得的測(cè)量參數(shù)滿足給定的精度要求，說明了高精度測(cè)量平臺(tái)的實(shí)用性。同時(shí)自動(dòng)化的測(cè)量方案也提高了測(cè)量的效率。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)車車軸 非接觸式測(cè)量 測(cè)量平臺(tái)激光掃面測(cè)量

1 引言

隨著高鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)興號(hào)動(dòng)車組的發(fā)車成功，并且于2017年9月起，復(fù)興號(hào)將提速至350公里的時(shí)速，我國的動(dòng)車組列車已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。在列車高速運(yùn)行的過程中，列車車軸會(huì)飛速旋轉(zhuǎn)，如果制造精度不夠，可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)車車體的震動(dòng)和車軸本身的磨損，在嚴(yán)重的時(shí)候甚至?xí)l(fā)特大事故，所以在車軸的質(zhì)量檢測(cè)工作尤為重要。

目前高鐵零件的精度測(cè)量都是由檢測(cè)人員手持檢測(cè)工具進(jìn)行接觸式的測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果記錄到紙質(zhì)文檔中，其測(cè)量過程中的測(cè)量儀器也可能會(huì)導(dǎo)致被測(cè)量工件不同程度的損傷，并且人工測(cè)量會(huì)由于測(cè)量人員的技能水平、疲勞狀態(tài)和注意力集中程度的不同而導(dǎo)致不同的測(cè)量誤差。

本論文提出一套自動(dòng)化車軸測(cè)量系統(tǒng)，采用全自動(dòng)的夾持測(cè)量流程、高精度的傳感器、信息化的測(cè)量結(jié)果記錄，實(shí)現(xiàn)高效、高精度的車軸測(cè)量。本論文主要采用光學(xué)測(cè)量方法，利用雙向激光掃描的原理測(cè)量直徑，利用光柵尺測(cè)量軸長。得到車軸的直徑、圓柱度、徑向圓跳動(dòng)、軸長等關(guān)鍵參數(shù)。

2 動(dòng)車車軸關(guān)鍵尺寸

檢測(cè)內(nèi)容主要為車軸工作配合面尺寸及其形位公差，如圖l所示A、B、C、D等為車軸檢測(cè)的關(guān)鍵位置，要求公差等級(jí)均為IT6和IT7。

列車車軸檢測(cè)平臺(tái)主要測(cè)量車軸全長，關(guān)鍵位置處的直徑、圓柱度和跳動(dòng)。車軸的精度要求如表1所示。

3 激光掃描和光柵測(cè)量原理

3.1 激光掃描測(cè)量直徑

本文主要采用如圖2所示KEYENCE的激光測(cè)微儀測(cè)量車軸直徑，由于該激光測(cè)微儀的量程范圍為0.5mm-65mm而一般情況下待測(cè)量的車軸的直徑為230mm，所以用一個(gè)傳感器無法達(dá)到測(cè)量量程，采用如圖3所示的測(cè)量方案，用兩個(gè)傳感器上下擺放且間隔固定距離h。上端傳感器和下端傳感器分別測(cè)量車軸的上半部分和下半部分，其中待測(cè)車軸的軸心線必須垂直于激光面，得到間隔dl和間隔d2。間隔dl和d2為傳感器被遮擋的部分。根據(jù)h，dl，d2，三個(gè)變量可以計(jì)算得到車軸的直徑為：

D=h+d1+d2

（1）

公式（1）中的參數(shù)dl，d2為測(cè)量值，h為兩傳感器固定距離，h參數(shù)可以通過測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件方法獲得，測(cè)量過程如下：取一己知直徑為D的車軸，放在如圖3所示的位置，得到測(cè)量值為dl與d2，則所求的h可以表示為：

3.2 圓柱度的測(cè)量

圓柱度的是指對(duì)于一個(gè)待測(cè)圓柱面，它的公差帶是以公差值t為半徑差的兩個(gè)同軸圓柱面之間的區(qū)域。圓柱度的示意如圖4所示。

在待測(cè)圓柱帶內(nèi)，如圖l所示的Al圓柱帶，從Al圓柱帶的左側(cè)開始選取一段橫截面采用3.1節(jié)的方法測(cè)得其直徑，然后將車軸沿軸線轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后在測(cè)其直徑，如此轉(zhuǎn)動(dòng)3600得到一組直徑測(cè)量值，再將傳感器沿著滑軌方向移動(dòng)一段距離再得到一組直徑測(cè)量值，如此下去傳感器一直從Al圓柱帶的左側(cè)一直滑動(dòng)到Al圓柱帶的右側(cè)，得到多組直徑測(cè)量值，取其中最大的直徑Dmax，和Dmin，由于圓柱度誤差是采用半徑差計(jì)算，所以要求的圓柱度誤差為：

3.3 徑向圓跳動(dòng)測(cè)量

徑向圓跳動(dòng)類似于圓柱度的測(cè)量，主要是測(cè)量同一截面內(nèi)的圓度，在一個(gè)界面內(nèi)待測(cè)工件若滿足公差要求，則該工件的截面應(yīng)該在公差帶要求范圍內(nèi)的圓環(huán)內(nèi)部。如圖5為徑向圓跳動(dòng)的示意圖。

測(cè)量的方法是將光幕激光傳感器通過滑軌滑動(dòng)到待測(cè)界面，測(cè)量該界面的直徑，然后在轉(zhuǎn)動(dòng)車軸一定角度得到另一組直徑，重復(fù)上述測(cè)量后得到多組直徑的測(cè)量值，則徑向圓跳動(dòng)的計(jì)算公式為：

3.4 車軸長度測(cè)量

車軸的長度測(cè)量采用的傳感器為光柵尺，光柵尺的滑動(dòng)頭通過固定裝置與激光傳感器連接，同時(shí)光柵尺的滑動(dòng)頭能夠以一定的速度相對(duì)于固定端進(jìn)行滑動(dòng)。

光柵尺的測(cè)量主要是根據(jù)光的干涉和衍射原理，當(dāng)光通過兩個(gè)有一定角度的縫隙的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生莫爾條紋的移動(dòng)，用光敏傳感器記錄光柵的移動(dòng)方向和移動(dòng)寬度并用計(jì)數(shù)器記錄再乘以步長就能得到位移的大小。

以測(cè)量車軸全長為例，若光柵尺的量程允許則用單個(gè)光柵尺配合光幕激光傳感器測(cè)量，如果量程太小則可以采用兩個(gè)光柵尺測(cè)量。兩個(gè)光柵尺中間段間隔固定長度，該固定長度可用標(biāo)準(zhǔn)件測(cè)量得到，采用的方法和公式（2）的方法一樣。兩個(gè)光柵尺則分別測(cè)量車軸的左右兩端長度即可，中間段由于長度己知?jiǎng)t不用測(cè)量，最終的測(cè)量值為三段長度相加即可。由于兩個(gè)光柵尺的測(cè)量和一個(gè)光柵尺的測(cè)量方法基本相同，所以展示一個(gè)光柵尺用于測(cè)量車軸全長的流程：

（1）將待測(cè)車軸放到測(cè)量臺(tái)并固定，并將光柵讀數(shù)頭置到原點(diǎn)。

（2）緩慢移動(dòng)光柵讀數(shù)頭，并查詢光幕激光傳感器，一旦到達(dá)車軸邊緣，讀數(shù)會(huì)由0跳變到車軸直徑。此時(shí)記錄光柵頭讀數(shù)為LO。

（3）繼續(xù)緩慢移動(dòng)光柵讀數(shù)頭，查詢光幕激光傳感器，到達(dá)車軸另一個(gè)邊緣時(shí)，激光讀數(shù)會(huì)跳變到O，此時(shí)記錄下光柵頭讀數(shù)為Ll，車軸的長度就是Ll-LO。

4 車軸測(cè)量軟硬件平臺(tái)

要搭建自動(dòng)化車軸測(cè)量平臺(tái)需要軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)相結(jié)合。硬件系統(tǒng)包括被測(cè)工件進(jìn)給裝置、被測(cè)工件液壓升降系統(tǒng)和被測(cè)工件裝夾定位系統(tǒng)。工件檢測(cè)運(yùn)動(dòng)流程如下所示：

（1）首先將工件放到待測(cè)區(qū)，當(dāng)上一個(gè)工件檢測(cè)完畢后使用工件進(jìn)給裝置將工件移動(dòng)到安裝位置;

（2）用液壓缸推動(dòng)工件上升到檢測(cè)位;

（3）液壓頂尖系統(tǒng)對(duì)車軸定位并夾緊;

（4）對(duì)工件進(jìn)行檢測(cè);

（5）松開夾具取消定位并松開，液壓缸帶動(dòng)工件下降。

硬件系統(tǒng)搭建完畢之后需要設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的軟件方案，測(cè)量系統(tǒng)首先檢測(cè)定位是否準(zhǔn)確，如果定位不準(zhǔn)確，則通過微調(diào)移動(dòng)液壓缸直到工件定位到預(yù)定位置才開始測(cè)量。開始測(cè)量之后分別進(jìn)行直徑測(cè)量、圓柱度測(cè)量、徑向圓跳動(dòng)子程序，最后再測(cè)量工件的總長度。

測(cè)量子程序通過移動(dòng)到圖1所示需要測(cè)量的A，B，C，D點(diǎn)，進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量，過程中需要對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)有高精度和高效率的控制能力。如此才能快速精確地運(yùn)動(dòng)到給定的測(cè)量位置點(diǎn)。主體軟件控制流程如圖6所示。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證車軸測(cè)量平臺(tái)的精度是否滿足車軸測(cè)量的要求和驗(yàn)證自動(dòng)化測(cè)量和信息化記錄檢測(cè)結(jié)果的功能，對(duì)公司的車軸的直徑、圓度、跳動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，同時(shí)也驗(yàn)證了自動(dòng)化進(jìn)給和定位功能的實(shí)用性。

硬件平臺(tái)采用了搭建的自動(dòng)化測(cè)量裝置系統(tǒng)，光幕激光傳感器采用的是基思士LS-7000系列CCD激光測(cè)微計(jì)，光柵尺采用的是Renishaw公司生產(chǎn)的RG2或者RG4系列直線光柵系統(tǒng)邏輯控制器為工業(yè)計(jì)算機(jī)，搭載windows7操作系統(tǒng)和c++語言編寫的測(cè)量控制交互軟件，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)對(duì)各個(gè)測(cè)試點(diǎn)處的直徑、圓度、和跳動(dòng)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量結(jié)束后軟件將測(cè)量結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)庫中，通過查詢車軸編號(hào)可以得到測(cè)量車軸的實(shí)測(cè)參數(shù)。由于實(shí)測(cè)參數(shù)是在誤差允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)自動(dòng)將車軸檢測(cè)完成后放到合格區(qū)。測(cè)得的軸頸位置處的參數(shù)如表2所示。

實(shí)驗(yàn)在軸頸處取3個(gè)截面測(cè)量，每個(gè)截面轉(zhuǎn)動(dòng)到3個(gè)角度，分別是0，120，240度。試驗(yàn)中測(cè)得直徑誤差也為0.0001，圓柱度誤差為0.005，滿足規(guī)定的圓柱誤差為0 005的要求，所以所測(cè)得的車軸為合格品，與程序判斷的結(jié)果一致。

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