軌道交通軸承數(shù)字化測量設(shè)備在線校準方法研究*

周 菁，孫安斌，樊金鳳，張曉磊，樊晶晶

（1 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266109；2 中國航空工業(yè)集團公司北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京100095)

隨著智能制造技術(shù)的發(fā)展，如大數(shù)據(jù)分析，人工智能等，國內(nèi)各行各業(yè)已經(jīng)開始積極搭建數(shù)字化生產(chǎn)工廠（或車間)。數(shù)字化生產(chǎn)工廠（或車間) 是指將傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中的模擬量用數(shù)字量表述的一種生產(chǎn)方式，如機器人替代人工搬運的過程，是用機器人數(shù)字化的運動軌跡替代人工模擬量的搬運過程。為保證數(shù)字化工廠或車間的生產(chǎn)效率，通常產(chǎn)品的檢測也需要在線完成。數(shù)字化在線檢測［1］具有符合生產(chǎn)節(jié)拍、檢測效率高、檢測精度及重復性高的特點。相比于人工現(xiàn)場檢測，數(shù)字化在線檢測是對測量過程進行無人化和數(shù)字化的過程。

在軌道交通行業(yè)中，機車性能要求的提升對核心部件的檢測提出了更高要求，特別是軸承、車軸、輪對［2］等，都需要在生產(chǎn)現(xiàn)場完成高精度測量。軸承是精度要求最高的連接部件，其尺寸是生產(chǎn)過程中需要嚴格把控的環(huán)節(jié)之一。軸承的尺寸以內(nèi)、外徑為主，其測量不確定度要求在微米量級。傳統(tǒng)的測量方法是人工卡規(guī)測量，測量效率和重復性較低，因此，需要搭建軸承數(shù)字化測量設(shè)備。軸承數(shù)字化檢測設(shè)備的工作流程是全自動的過程。被測件的抓取和定位由機器人完成、測量位置由傳感器自動找正、測量值由適配量規(guī)和微位移傳感器給出，有效地保證了測量的效率和重復性。由于測量傳感器與設(shè)備集成在一起，因此，設(shè)備的測量能力需要采用現(xiàn)場校準［1,3-4］的方式解決。與實驗室校準相比，數(shù)字化測量設(shè)備的在線校準不僅需要校準測量傳感器本身的測量能力［5］，還要考慮現(xiàn)場環(huán)境［6］、設(shè)備重復定位精度的等影響，以充分保證測量設(shè)備的準確度和穩(wěn)定性。

為實現(xiàn)軌道交通軸承的自動在線檢測，本文搭建了一臺自動化測量設(shè)備。針對影響設(shè)備測量結(jié)果的多種因素提出了在線校準和在線核查方法，以保證自動化測量設(shè)備使用過程中的準確度和穩(wěn)定性。

1 軌道交通軸承數(shù)字化測量設(shè)備

1.1 設(shè)備構(gòu)成

該軸承數(shù)字化測量設(shè)備主要包括工件搬運系統(tǒng)、多個測量工位、標準件放置臺、控制系統(tǒng)、防護罩等，如圖1 所示。工件搬運系統(tǒng)包括六自由度工業(yè)機器人、前端抓取機構(gòu)、機器人承重臺和運動控制模塊等，可根據(jù)測量需求按照設(shè)定的指令和路徑執(zhí)行搬運工作。多個測量工位用來實現(xiàn)軸承不同尺寸內(nèi)、外徑的測量，且每個工位只負責軸承一個尺寸的測量。每個工位的測量頭由六支傳感器兩兩對徑均勻分布而成，如圖1 所示，傳感器零位的安置位置與軸承所測截面的標稱直徑接近。由于軸承內(nèi)、外徑測量方式的不同，采用不同類型傳感器進行測量。軸承內(nèi)徑采用氣動傳感器，軸承外徑采用接觸式傳感器，其中氣動傳感器的測量頭采用柔性部件安裝具有自動定心的功能。標準件放置臺用來準確放置校零用標準量規(guī)，每個軸承尺寸都有對應的標準量規(guī)。標準量規(guī)為圓柱環(huán)，其內(nèi)徑和外徑均為標準值?？刂葡到y(tǒng)集成了機器人、測量工位等的運動控制模塊并具備測量過程及數(shù)據(jù)的顯示、存儲等功能。

圖 1 軌道交通軸承數(shù)字化測量設(shè)備構(gòu)成Fig.1 Components of digital measuring equipment for rail transit bearing

1.2 測量原理及方法

軌道交通軸承數(shù)字化測量設(shè)備每個工位上的測量頭由六支高精度傳感器組成，可以測得同一截面三個方向的直徑值，如圖2 所示，則截面測量結(jié)果D與三個方向測得直徑值d1、d2、d3的關(guān)系如式1。

圖2 同一截面的三個測量方向Fig.2 Three measuring directions on a section

為實現(xiàn)軸承高精度的測量，設(shè)備采用比較法進行測量。測量傳感器均為小量程，其中接觸式傳感器量程為±0.5mm，氣動式傳感器的量程為±0.05mm。測量時，首先用校準過的標準量規(guī)對傳感器測頭進行校零，即以測量標準量規(guī)時測頭的位置作為傳感器的零位，然后測量對應的軸承尺寸，測量軸承時六支傳感器產(chǎn)生微小的徑向移動并與被測截面接觸，獲得六支傳感器的微小位移量，設(shè)為Δi(i=1，2，…，6)，校零用標準量規(guī)的校準尺寸為d，則軸承截面在標準環(huán)境下（20℃）的測量值D可表示為：

現(xiàn)場環(huán)境下（非20℃），受溫度變化的影響，標準量規(guī)的校準尺寸d及被測軸承測量截面直徑D均會發(fā)生變化。設(shè)溫度變化引起的標準量規(guī)校準尺寸d的變化量為Δd，引起的被測軸承截面尺寸的變化量為ΔD，則式（2）可表示為：

式（3）中，d可通過法定計量機構(gòu)獲得，Δd是環(huán)境溫度變化量ΔT和標準量規(guī)線脹系數(shù)αls的函數(shù)，ΔD是環(huán)境溫度變化量ΔT 和軸承線脹系數(shù)αlm的函數(shù)。當標準規(guī)和被測軸承的線脹系數(shù)相同或非常接近時，在相同環(huán)境下，認為Δd和ΔD相等。由于傳感器量程小，環(huán)境溫度變化對其測量頭尺寸變化的影響量Δi’（i=1，2，…，6)可忽略不計。但是現(xiàn)場環(huán)境下，傳感器的漂移具有不確定性，會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，為獲得標準環(huán)境下軸承截面尺寸D, 需要補償環(huán)境溫度變化和傳感器漂移的影響。

2 軌道交通軸承數(shù)字化測量設(shè)備的在線校準方法

本文采用三等精度的標準量規(guī)對影響測量結(jié)果的環(huán)境溫度變化及傳感器漂移等因素進行校準，并對影響設(shè)備測量重復性的重復定位精度進行核查。標準量規(guī)的校準不確定度U=0.8μm，k=2。

2.1 傳感器漂移的在線校準

本設(shè)備的接觸式測頭采用線性可變差動變壓器式（LVDT）位移傳感器，根據(jù)傳感器的工作原理［7］可知，環(huán)境溫度變化引起激勵電流穩(wěn)定性的變化、零點殘余電壓特性等都會引起傳感器的漂移。氣動測頭采用電子柱式氣動量儀，該類量儀會因空氣清潔度波動、管路漏氣等原因產(chǎn)生漂移［8］。傳感器的不可控的隨機漂移現(xiàn)象會影響設(shè)備的測量結(jié)果。因此，為保證傳感器漂移對設(shè)備測量結(jié)果的影響在允許的范圍內(nèi)，本文提出定時間校零的方法對傳感器漂移進行在線校準。

開展試驗驗證該方法的有效性。試驗采用材料、形狀相同的上、下極限量規(guī)依次進行校零及測量。上極限量規(guī)的設(shè)計尺寸為軸承設(shè)計尺寸公差帶的上極限值，下極限量規(guī)為軸承設(shè)計尺寸公差帶的下極限值。因此采用上、下極限環(huán)規(guī)進行試驗可以反映測量頭在尺寸公差帶內(nèi)的測量能力。試驗在一天中的10∶00、12∶00、14∶00、16∶00 進行。測量前，被測標準量規(guī)需恒溫至少4h。測量時，首先用對應尺寸的上極限量規(guī)對測量頭進行校零，然后將對應尺寸的下極限量規(guī)放置到工位上，控制測頭上下移動，對標注截面進行10 次重復測量。以截面上的三對傳感器為分析對象，計算每對傳感器40 次測量結(jié)果與下極限量規(guī)校準值的偏差，以最大絕對偏差作為測量誤差，以最大偏差與最小偏差之差作為測量重復性。四

個工位的測量誤差和測量重復性見表1。

表1 等間隔時間校零后設(shè)備測量結(jié)果Table 1 Measuring results after zero-calibration with equal time interval

對照設(shè)備技術(shù)指標要求（ 測量誤差不大于±0.003mm、測量重復性不大于±0.002mm）可知，每2h 一次的校零可有效減小傳感器漂移對測量結(jié)果的影響，使得設(shè)備的測量性能滿足技術(shù)指標要求。當試驗結(jié)果不滿足設(shè)備的技術(shù)指標要求時，則需要對傳感器的輸出因子進行重新標定。

2.2 溫度變化影響因素分析及在線校準

為補償環(huán)境溫度變化對測量結(jié)果的影響，本文需要開展試驗確定標注量規(guī)和軸承的線脹系數(shù)差異，并根據(jù)差異大小確定補償方法。當差異較小可忽略不計時，提出采用變溫度重新校零的方法補償溫度變化引起的標準量規(guī)及軸承尺寸的變化。當差異較大時，提出開展不同溫度線脹系數(shù)差異性標定補償試驗。

在傳感器漂移補償?shù)臈l件下，開展線脹系數(shù)差異性分析試驗并提出校準方法。試驗假設(shè)標準量規(guī)和被測軸承線脹系數(shù)差異較小可忽略不計，并在不同溫度下測量軸承同一尺寸。當假設(shè)成立時，軸承同一尺寸不同溫度下測量結(jié)果的差異性較小?？紤]設(shè)備技術(shù)指標要求，本文認為當測量結(jié)果的差異性小于1μm 時，線脹系數(shù)的差異可忽略。

根據(jù)日常工作環(huán)境溫度范圍，試驗在20.1 ℃、19.1℃、18.2℃、17.5℃四個溫度下進行。測量前，每個溫度下將待測標準量規(guī)和軸承恒溫至少4h。測量時，首先用對應尺寸的標準量規(guī)對測量頭校零；然后測量軸承對應尺寸四次。計算四次測量結(jié)果的平均值及四個測量結(jié)果與平均值的偏差。四個溫度下的的計算結(jié)果如圖3所示。

圖 3 不同溫度下校零后軸承同一尺寸的測量結(jié)果偏差Fig.3 Measurment deviations of one dimention after zerocalibration at different temperatures

從圖3 可以看出：（1）每個溫度下的四次測量結(jié)果的重復性不大于0.2μm；（2）溫度變化導致的測量結(jié)果的偏差在±0.3μm 范圍內(nèi)，認為標準量規(guī)和被測軸承線脹系數(shù)的差異可忽略不計。對于溫度變化引起的標準量規(guī)及軸承尺寸的變化，提出在環(huán)境溫度變化較大時，用上極限量規(guī)重新對測量頭校零的方法。具體溫度變化多少時進行校零，需要根據(jù)被測尺寸軸承尺寸和設(shè)備測量精度要求而定。經(jīng)過試驗驗證，本設(shè)備在溫度變化在大于等于1.5℃時需要校零。

2.3 設(shè)備綜合測量能力校準

對溫度變化和傳感器漂移的校準可保證設(shè)備單次測量結(jié)果準確可靠，但對于全自動的測量設(shè)備，還需要保證其多次測量的穩(wěn)定性及可靠性以提高設(shè)備的綜合測量能力。對于需要定截面、定方向測量的軸承數(shù)字化測量設(shè)備，其多次測量的穩(wěn)定性及可靠性與設(shè)備的重復定位精度密切相關(guān)。因此，針對本套設(shè)備的兩大運動單元，即機器人搬運單元和工位導軌運動單元，本文提出了設(shè)備綜合測量能力的在線校準方法。

該方法采用材料、形狀相同的上、下極限量規(guī)分別進行校零和測量。測量前，需要將上、下極限量規(guī)靜置至少4h。測量時，首先采用對應尺寸的上極限量規(guī)對測量頭進行校零，然后機器人抓取對應下極限量規(guī)放置在工位上進行10 次測量，每次測量都需要導軌運動到初始位置然后再測量；然后機器人抓取對應下極限量規(guī)放回標準件放置臺，并再次放置在工位上測量10 次。機器人搬運下極限量規(guī)的動作共重復三次，獲得同一截面30 次的測量結(jié)果。按照上文所述方法，計算測量誤差和重復性。四個工位的測量誤差和重復性見表2，與設(shè)備的指標要求相比，四個工位的綜合測量能力滿足要求。

表2 工位綜合測量能力校準試驗結(jié)果Tab.2 Measurment results after comprehensive ability calibration of the station

為保證設(shè)備長期運行過程中滿足技術(shù)指標要求，需要對設(shè)備的綜合測量能力進行定期校準。根據(jù)設(shè)備的工作強度，本設(shè)備的綜合測量能力校準周期暫定為半年。在實際的工作中如果頻繁出現(xiàn)不合格產(chǎn)品，則縮短綜合能力校準周期以保證設(shè)備滿足技術(shù)要求。

3 結(jié)論

數(shù)字化測量設(shè)備引入帶來了設(shè)備在線校準及在線核查的問題。以軌道交通軸承自動化測量設(shè)備為研究對象，根據(jù)設(shè)備現(xiàn)場測量的特點，分析了影響設(shè)備單次測量結(jié)果的重要因素，即傳感器漂移和環(huán)境溫度變化，提出了采用極限量規(guī)進行等時間間隔校零和變溫度校零的在線校準方法。為保證設(shè)備的綜合測量能力滿足要求，提出針對設(shè)備重復定位精度的在線校準方法。開展試驗驗證了上述校準方法能有效地補償環(huán)境溫度變化和傳感器漂移對測量結(jié)果的影響且能對設(shè)備的綜合化測量能力進行校準。通過對設(shè)備定期校準，可保證設(shè)備長期處于質(zhì)量可控的狀態(tài)，保證自動化測量流程的質(zhì)量和效率。本文提出的在線校準及在線核查方法對其他數(shù)字化設(shè)備具有重要參考價值。