基于激光測(cè)距的非接觸式火車(chē)車(chē)輪踏面外徑測(cè)量方法研究*

喬中一,王全先,尚 錢(qián),胡秀勇

( 1.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243002; 2.特種重載機(jī)器人安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 馬鞍山 243032)

0 引 言

我國(guó)鐵路運(yùn)輸行業(yè)正處于跨越式發(fā)展階段,車(chē)輪的需求量逐漸增大,卡尺、卡規(guī)等接觸式測(cè)量方法已無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)下大批量自動(dòng)化生產(chǎn)模式的需求,人們迫切需要能夠在多個(gè)位置快速、準(zhǔn)確測(cè)量車(chē)輪踏面參數(shù)的設(shè)備和方法[1]。而且接觸式測(cè)量工具長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的精度和重復(fù)性[2]。與傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法相比,激光測(cè)量因具有非接觸、精度高、測(cè)量速度快、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)而在非接觸測(cè)量中應(yīng)用廣泛[3]。

在馬鋼火車(chē)車(chē)輪成品檢測(cè)線上,桁架上多個(gè)機(jī)械手依次將車(chē)輪運(yùn)送至外徑測(cè)量、硬度測(cè)試、磁粉探傷、自動(dòng)貼標(biāo)等眾多工位。在外徑測(cè)量工位上,車(chē)輪的踏面直徑一直是手動(dòng)測(cè)量。這種測(cè)量方式不僅測(cè)量精度低且易造成工件表面損傷[4]。在使用火車(chē)車(chē)輪成品檢測(cè)系統(tǒng)時(shí),需要將測(cè)得的外徑數(shù)據(jù)手動(dòng)輸入計(jì)算機(jī),手動(dòng)輸入計(jì)量數(shù)據(jù)使校對(duì)工作相當(dāng)繁瑣且容易出錯(cuò),嚴(yán)重影響企業(yè)的自動(dòng)化程度。因此,在生產(chǎn)線中增加能快速、準(zhǔn)確、自動(dòng)測(cè)量車(chē)輪外徑的設(shè)備是十分必要的[5]。

針對(duì)上述問(wèn)題,筆者以激光測(cè)距技術(shù)為基礎(chǔ),研究一種非接觸式車(chē)輪外徑測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)可以快速在線自動(dòng)測(cè)量輪箍踏面外徑并且將測(cè)量到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡髽I(yè)的信息系統(tǒng),有助于工作人員隨時(shí)查看產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程、信息的自動(dòng)化,提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 測(cè)量系統(tǒng)功能要求

1.1 測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用范圍

文中測(cè)量對(duì)象為車(chē)輪踏面外徑,如圖1所示,其定義為距離輪輞內(nèi)側(cè)面70 mm處的踏面圓的直徑。被測(cè)車(chē)輪踏面直徑范圍為φ800～1300 mm。

圖1 車(chē)輪示意圖

1.2 測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)功能要求

(1) 自動(dòng)測(cè)量火車(chē)車(chē)輪踏面外徑尺寸,輸出并顯示結(jié)果。

(2) 系統(tǒng)測(cè)量誤差需小于等于0.5 mm。

(3) 激光測(cè)量時(shí)間為60 s/件。

(4) 測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)能夠存盤(pán)并且可傳輸?shù)組ES系統(tǒng)。

(5) 車(chē)輪可在測(cè)量位自動(dòng)傳送。

2 總體方案設(shè)計(jì)

車(chē)輪外徑測(cè)量系統(tǒng)主要包括機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng),其框架如圖2所示。該系統(tǒng)采用PLC接受接近開(kāi)關(guān)傳回的距離信號(hào),通過(guò)CPU處理與判斷后控制液壓缸、三合一減速電機(jī)等運(yùn)動(dòng)。激光測(cè)距傳感器與數(shù)據(jù)采集卡通過(guò)信號(hào)線相連接,控制器與數(shù)據(jù)采集卡、顯示器和繼電器通過(guò)電纜及信號(hào)線相連接。本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)與MES服務(wù)器連接,完成指令的下達(dá)和信息的回傳。

圖2 系統(tǒng)測(cè)量框架圖

機(jī)械系統(tǒng)主要由激光測(cè)量裝置、傳送裝置和升降裝置三部分組成,如圖3所示。四個(gè)激光測(cè)距傳感器組件對(duì)稱(chēng)安裝在升降輥道外側(cè)對(duì)角線角落處,并且與其他設(shè)備無(wú)干涉,避免震動(dòng)影響。四條激光線在同一平面內(nèi),且與固定接料臺(tái)上表面平行并匯交于一點(diǎn)。

圖3 機(jī)械系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖1.第一激光測(cè)距傳感器組件 2.固定接料臺(tái) 3.升降輥道 4.第二激光測(cè)距傳感器組件 5.第四激光測(cè)距傳感器組件 6.輸出輥道 7.第三激光測(cè)距傳感器組件

升降輥道兩條接料板位于升降輥道正中輥?zhàn)觾蓚?cè),固定接料臺(tái)表面低于輸出輥道輥?zhàn)由夏妇€15 mm。升降輥道處于最低位時(shí),固定接料臺(tái)上臺(tái)面的高度高于升降輥道的滾子上母線25 mm,傳送輥道滾子的上母線高于升降輥道的滾子上母線50 mm。

(1) 激光測(cè)距傳感器組件

激光器發(fā)出的激光線的角度調(diào)整機(jī)構(gòu)如圖4所示,激光測(cè)距傳感器安裝在C形板內(nèi),C形板的一側(cè)面固定在第一高精度分度臺(tái)的旋轉(zhuǎn)盤(pán)上。第一高精度分度臺(tái)通過(guò)螺釘安裝在L形板側(cè)面,L形板另一個(gè)面固定在第二高精度分度臺(tái)的旋轉(zhuǎn)盤(pán)上表面,第二高精度分度臺(tái)固定在底座上。通過(guò)旋轉(zhuǎn)兩個(gè)高精度旋轉(zhuǎn)臺(tái),可以調(diào)整激光器所發(fā)出的激光線水平方向和豎直方向的角度。

圖4 測(cè)量裝置組件圖

(2) 傳送裝置

如圖5所示,升降輥道處于最低位時(shí),機(jī)械手將車(chē)輪取來(lái)放到固定接料臺(tái)上,完成測(cè)量后,升降輥道上升到與傳送輥道同高,升降輥道的滾子由三合一減速電機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)將車(chē)輪送到傳送輥道,待車(chē)輪傳送完畢,升降輥道下降復(fù)位到低位。升降輥道與傳送輥道協(xié)作完成了車(chē)輪的傳送。

圖5 傳送裝置簡(jiǎn)圖

(3)升降裝置

如圖6所示,三合一減速電機(jī)與輥?zhàn)油ㄟ^(guò)聯(lián)軸器連接,輥?zhàn)油ㄟ^(guò)帶座軸承座和軸承座固定安裝在升降架上,輥?zhàn)佑腥M,結(jié)構(gòu)相同且并列布置。兩個(gè)底架平行對(duì)稱(chēng)布置,底架的三個(gè)立柱的頂端均開(kāi)有朝上的孔,升降架下部伸出的六根柱體插進(jìn)六個(gè)孔中,兩者之間的配合為間隙配合。油缸頭通過(guò)螺紋連接在油缸的活塞桿端部,同時(shí)油缸頭與升降架下端鉸接,油缸下端與固定鉸支座鉸接。帶有接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)桿焊接在升降架的側(cè)面,用一個(gè)接近開(kāi)關(guān)即可判斷低位和高位,從而控制液壓缸的升降。為了保障傳感器安全有效,在實(shí)際應(yīng)用中,在左右兩側(cè)各焊接一個(gè)檢測(cè)桿,形成并聯(lián)系統(tǒng),以提高設(shè)備的可靠性。

圖6 升降輥道圖1.聯(lián)軸器 2.三合一電機(jī) 3.底架 4.帶座軸承座 5.輥?zhàn)?6.軸承座 7.檢測(cè)桿 8.接近開(kāi)關(guān) 9.固定鉸支座 10.油缸 11.油缸頭 12.頂升架

3 標(biāo)定方法及測(cè)量原理

3.1 標(biāo)定方法

車(chē)輪測(cè)量前需對(duì)四個(gè)激光測(cè)距傳感器進(jìn)行角度和距離標(biāo)定,如圖7所示,將標(biāo)定板固定在固定接料臺(tái)上方正中央,將標(biāo)定指針插進(jìn)標(biāo)定板正中的標(biāo)定孔中,四個(gè)激光測(cè)距傳感器分別經(jīng)過(guò)各自的第一高精度分度臺(tái)和第二高精度分度臺(tái)的微調(diào)較準(zhǔn),使四根激光線在同一平面內(nèi)并與固定接料臺(tái)上表面平行且指向標(biāo)定指針的中心o,也是標(biāo)定板正中的標(biāo)定孔中心。

圖7 激光線對(duì)中及角度標(biāo)定圖

在對(duì)四個(gè)激光測(cè)距傳感器進(jìn)行位置標(biāo)定后,則車(chē)輪踏面外徑測(cè)量便轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題。通過(guò)平面作圖,激光線的角度即可確定,以其中一條激光測(cè)距傳感器組件的激光線為X軸,其余三條光線與X軸的夾角記為θ1、θ2、θ3,經(jīng)過(guò)標(biāo)定測(cè)量可得到θ1、θ2、θ3的值。

去掉標(biāo)定指針,將已知直徑為d0的標(biāo)定環(huán)裝在標(biāo)定板正中的標(biāo)定孔處,如圖8所示,四個(gè)激光測(cè)距傳感器發(fā)射點(diǎn)到標(biāo)定環(huán)環(huán)面的距離可讀出為T(mén)a、Tb、Tc、Td。那么激光器發(fā)射點(diǎn)到標(biāo)定板正中的標(biāo)定孔中心o的距離Lao、Lbo、Lco、Ldo只需在讀數(shù)Ta、Tb、Tc、Td

圖8 激光器距離標(biāo)定圖

的基礎(chǔ)上加上d0/2。

3.2 測(cè)量原理

四個(gè)激光器標(biāo)定完成后,取下標(biāo)定環(huán)和標(biāo)定板,機(jī)械手將車(chē)輪水平放置在固定接料臺(tái)上,通過(guò)四個(gè)激光測(cè)距傳感器可測(cè)得激光出發(fā)點(diǎn)到車(chē)輪踏面的距離為la、lb、lc、ld,如圖9所示。

圖9 激光測(cè)距二維平面圖

激光線與車(chē)輪踏面相交的a、b、c、d坐標(biāo)為:

(1)

(2)

(3)

(4)

由a、b、c三點(diǎn)定圓可求解得車(chē)輪圓心o1坐標(biāo)o1(xo1,yo1)為:

(5)

同理由b、c、d三點(diǎn),c、d、a三點(diǎn)和d、a、b三點(diǎn)可分別求得火車(chē)車(chē)輪圓心坐標(biāo)o2(xo2,yo2),o3(xo3,yo3),o4(xo4,yo4)。根據(jù)上述四個(gè)圓心坐標(biāo)值取平均得出最佳圓心o5坐標(biāo)為:

(6)

最佳圓心o5到踏面上a點(diǎn)的距離為:

(7)

同理可計(jì)算出最佳圓心o5坐標(biāo)到踏面上b、c、d三點(diǎn)的距離bo5、co5、do5的值。

則車(chē)輪踏面外徑計(jì)算結(jié)果為:

(8)

4 檢測(cè)方法試驗(yàn)

測(cè)量系統(tǒng)所用激光測(cè)距傳感器型號(hào)為OD5-500W200,德國(guó)SICK品牌,該激光器的測(cè)量精度為0.01 mm,重復(fù)精度為0.03 mm。基于上述檢測(cè)方法開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試,具體操作如下。

(1) 根據(jù)標(biāo)定方法確定出激光器之間的角度為θ1=38.45°、θ2=18.78°、θ3=57.32°。四個(gè)激光器發(fā)射點(diǎn)距離標(biāo)定板上標(biāo)定中心o的距離分別為L(zhǎng)ao=858.721 mm,Lbo=863.284 mm,Lco=859.173 mm,Ldo=852.915 mm。

(2) 將已知直徑為975 mm的車(chē)輪放在固定接料臺(tái)上,四個(gè)激光測(cè)距傳感器開(kāi)始測(cè)量,可測(cè)得la=344.166 mm、lb=321.413 mm、lc=388.146 mm、ld=418.105 mm。

(3) 根據(jù)式(1)～(6)計(jì)算得到激光線與車(chē)輪踏面相交的四點(diǎn)的坐標(biāo)a、b、c、d,四個(gè)圓心坐標(biāo)o1、o2、o3、o4以及最佳圓心o5坐標(biāo)。計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1 坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果

將最佳圓心o5坐標(biāo)以及踏面上a、b、c、d四點(diǎn)的坐標(biāo)代入式(7)得到半徑值ao5=488.12 mm;同理可得bo5=487.33mm,co5=488.02 mm,do5=486.87 mm,最后根據(jù)式(8)計(jì)算出車(chē)輪踏面外徑結(jié)果為975.17 mm。

對(duì)于工件直徑為975 mm的檢測(cè)對(duì)象,該系統(tǒng)檢測(cè)精度要求為±0.5 mm,由上述計(jì)算結(jié)果可知,測(cè)量誤差為0.17 mm。滿(mǎn)足測(cè)量系統(tǒng)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)火車(chē)車(chē)輪檢測(cè)線車(chē)輪踏面外徑測(cè)量的檢測(cè)要求,提出了一種基于激光測(cè)量的非接觸式測(cè)量方法,該方法可用于自動(dòng)測(cè)量車(chē)輪踏面外徑尺寸,并將每個(gè)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)后上傳MES系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化。對(duì)測(cè)量系統(tǒng)中四個(gè)激光測(cè)距傳感器進(jìn)行標(biāo)定,可以有效減少測(cè)量誤差并通過(guò)四次三點(diǎn)定圓可進(jìn)一步縮小誤差。該測(cè)量系統(tǒng)可以快速地自動(dòng)測(cè)量輪箍踏面外徑,有效解決了車(chē)輪公司目前在輪箍檢測(cè)線上存在的工人工作強(qiáng)度大、工作效率低的情況,有利于企業(yè)提高自動(dòng)化程度,同時(shí)對(duì)盤(pán)類(lèi)零件外徑的測(cè)量具有推廣應(yīng)用價(jià)值。