火車車軸軸頸軸座非接觸式測量方法研究*

胡秀勇,王全先,尚 錢,喬中一

(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

在火車輪對的壓裝工藝中,需要對火車軸的兩對軸頸軸座進(jìn)行現(xiàn)場測量,并選配滿足過盈配合要求的車輪和車軸進(jìn)行裝配。目前對軸徑的測量方法主要分為接觸測量法和非接觸測量法[1]。接觸測量法包括使用外徑千分尺、專用游標(biāo)卡尺、三坐標(biāo)測量儀等專用測量工具進(jìn)行測量。非接觸測量法主要包括激光測量法、激光三角法、圖像測量法、結(jié)構(gòu)光法等測量方式[2]。非接觸測量法具有測量精度高、響應(yīng)速度快且不與測量工件直接接觸等優(yōu)點(diǎn),比較適合測量表面易損傷的工件。胡津等[3]提出一種基于激光測量的鍛件在線測量方法,通過對鍛件的上下掃描以及計(jì)算機(jī)擬合計(jì)算得出鍛件的外徑尺寸,該方法實(shí)驗(yàn)的測量精度可達(dá)0.3 mm。張文文等[4]提出了一種大尺寸環(huán)筒類零件的外徑測量方法,通過將CCD相機(jī)和激光掃描相結(jié)合的方式對環(huán)形鍛件進(jìn)行逆向三維重建并測量其外徑。Bokhabrine Y等[5]設(shè)計(jì)了一種基于激光掃描的測量系統(tǒng),該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對熱鍛件的外徑測量。德國研制出了La Cam-Forge[6]測量系統(tǒng),該系統(tǒng)采用激光掃描儀對測量零件進(jìn)行連續(xù)掃描,并獲取零件完整表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù),再通過對采集到的點(diǎn)云樣點(diǎn)的分析實(shí)現(xiàn)對測量零件的幾何尺寸的測量和三維重構(gòu)。

筆者通過對車軸軸頸軸座測量要求的分析,提出了基于激光測距的測量方法,設(shè)計(jì)出了車軸軸頸軸座測量裝置,并對車軸測量系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定,然后通過仿真與實(shí)際測量的驗(yàn)證對比驗(yàn)證了此測量方法的可靠性。應(yīng)用該方法后車軸的測量精度達(dá)到了10 μm,滿足了企業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)要求。

1 測量系統(tǒng)功能要求

文中測量裝置的測量對象主要是車軸的兩對軸頸軸座的外徑尺寸,如圖1所示。

圖1 火車輪對圖

1.1 測量范圍

被測車軸直徑范圍:φ150～225 mm;長度范圍:2 000～3 000 mm;最大測量質(zhì)量:1 t。

1.2 測量要求

該系統(tǒng)可以對多種型號的火車車軸進(jìn)行測量,并對單根車軸的兩對軸頸軸座進(jìn)行同時測量且測量精度小于10 μm;單根車軸測量時間(包括上下件)小于3 min;測量系統(tǒng)工作溫度為-20～60 ℃;測量結(jié)果可上傳至本地?cái)?shù)據(jù)庫;對不合格的車軸發(fā)出警報;測量系統(tǒng)可實(shí)時接受外部操作指令。

2 測量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 總系統(tǒng)

火車車軸軸頸軸座測量系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成。

軟件部分由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、信號通訊模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、顯示模塊等部分構(gòu)成。車軸軸頸軸座測量系統(tǒng)框圖如圖2所示。此套系統(tǒng)中含有多個壓力、光電、接近傳感器,主要負(fù)責(zé)監(jiān)測待測軸的狀態(tài)信息,CPU通過處理這些信息來控制驅(qū)動減速電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。PLC收集激光測距傳感器的數(shù)據(jù)并通過TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至本地SQL SERVER服務(wù)器。HMI與本地?cái)?shù)據(jù)庫和MES系統(tǒng)相連,實(shí)現(xiàn)外部操作指令的實(shí)時執(zhí)行。

圖2 車軸軸頸軸座測量系統(tǒng)框圖

硬件部分如圖3所示。測量裝置的工作臺4是由C6140機(jī)床車身改造而得,原有的溜板箱簡化為用于固定激光測距傳感器組件8的左溜板3,并在右側(cè)增設(shè)一個相同的右溜板6;工作臺4左側(cè)裝有電動分度盤1,右側(cè)裝有電動尾座7,這兩個部件負(fù)責(zé)測量時待測軸的固定和旋轉(zhuǎn);電動分度盤1與頂針2剛性連接,且頂針2的軸線與電動尾座7所帶頂針的軸線重合;左溜板3與右溜板6上分別并排安裝了兩個相同的激光測距傳感器組件8,激光測距傳感器組件與溜板均為剛性連接;激光測距傳感器與兩個串聯(lián)的高精度分度盤剛性連接,實(shí)現(xiàn)激光測距傳感器的上下左右偏轉(zhuǎn)的調(diào)節(jié);絲杠機(jī)構(gòu)9與右溜板6通過連接板剛性連接,負(fù)責(zé)右溜板6的橫向移動,使激光測距傳感器發(fā)出的激光線位于待測面區(qū)域。

圖3 火車車軸軸頸軸座外徑測量裝置結(jié)構(gòu)圖1.電動分度盤 2.頂針 3.左溜板 4.工作臺 5.待測軸 6.右溜板 7.電動尾座 8.激光測距傳感器組件 9.絲杠機(jī)構(gòu)

測量系統(tǒng)的測量過程:連接軟件系統(tǒng),啟動測量裝置,對測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定(見第四節(jié))。標(biāo)定完成后,將待測軸5由起吊機(jī)從待測區(qū)吊裝至兩個頂針之間,等待車軸停穩(wěn)之后,工作臺右側(cè)的電動尾座頂針向前伸出,與工作臺前方的頂針相互配合使待測軸固定。激光測距傳感器開始測量,測量一次完成后,電動分度盤1每旋轉(zhuǎn)90°測量一次,將測量數(shù)據(jù)上傳至MES系統(tǒng),測量完成,使用起吊機(jī)將車軸吊裝至下一工序工位,重復(fù)上述步驟可實(shí)現(xiàn)對火車軸的連續(xù)測量。

2.2 激光測距傳感器組件設(shè)計(jì)

激光測距傳感器組件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,傳感器與兩個高精度分度盤串聯(lián),實(shí)現(xiàn)了激光測距傳感器在水平面和垂直面的轉(zhuǎn)動。

圖4 激光測距傳感器組件結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)動第一高精度分度臺3的蝸桿可以使激光測距傳感器在垂直面轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動第二高精度分度臺5的蝸桿可以使激光測距傳感器在水平面轉(zhuǎn)動。

2.3 絲杠機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

絲杠機(jī)構(gòu)如圖5所示,主要負(fù)責(zé)右溜板的橫向調(diào)節(jié)。

圖5 絲杠機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖1.固定座 2.絲杠 3.絲杠螺母 4.連接板 5.調(diào)節(jié)手輪

2.4 橫向固定裝置設(shè)計(jì)

橫向固定裝置主要負(fù)責(zé)待測軸的固定和旋轉(zhuǎn),該功能由工作臺左側(cè)的電動分度盤和右側(cè)的電動尾座實(shí)現(xiàn),電動分度盤上安裝有頂針,電動尾座內(nèi)部有壓力傳感器,可以檢測壓力值并對電機(jī)進(jìn)行控制。

3 測量原理

火車車軸軸頸軸座外徑測量原理如圖6所示,圖中P0點(diǎn)為激光測距傳感器激光發(fā)射點(diǎn),O點(diǎn)為理論激光線與待測軸軸線的交點(diǎn)(注:激光線與待測軸軸線相交且垂直),P1點(diǎn)為實(shí)際激光線與待測軸圓周面的交點(diǎn),P0P1長度為激光測距傳感器的讀數(shù)L,OP0長度為H,α為實(shí)際激光線與理論激光線在水平面內(nèi)的夾角,β為實(shí)際激光線與理論激光線在垂直面內(nèi)的夾角。

圖6 火車車軸軸頸軸座外徑測量原理圖1.激光測距傳感器 2.待測軸

根據(jù)圖6可以得出:

(1)

因此,被測圓周面的軸徑為:

(2)

電動分度盤每旋轉(zhuǎn)90°激光測距傳感器測量一次,最終結(jié)果取四次的平均值。由于式(1)、(2)中包含未知量α和β,所以為了求出待測圓周面的直徑需要對α和β進(jìn)行標(biāo)定,確定其大小。

4 測量裝置的標(biāo)定

在理論情況下,激光線與待測軸線相交且垂直,但在實(shí)際情況中,實(shí)際激光線會與理論激光線產(chǎn)生水平夾角α和垂直夾角β。因此,為了保證車軸的測量精度,需要對兩個夾角進(jìn)行標(biāo)定,具體標(biāo)定方法如下。

將已知半徑R1的1#標(biāo)準(zhǔn)棒固定在電動分度盤和電動尾座之間,電動尾座的頂針伸出將1#標(biāo)準(zhǔn)棒頂起,調(diào)節(jié)激光測距傳感器組件中的高精度分度盤,使激光束在豎直平面和水平平面內(nèi)進(jìn)行掃描,當(dāng)掃描的數(shù)值達(dá)到最小時,固定分度盤并保持傳感器不再移動,記錄下此時激光測距傳感器的讀數(shù)L110。測量完成后,將1#標(biāo)準(zhǔn)棒卸下,分別裝上已知半徑為R2的2#標(biāo)準(zhǔn)棒、半徑為R3的3#標(biāo)準(zhǔn)棒,記錄傳感器讀數(shù)L210、L310。由公式(1)可得:

(3)

由于激光測距傳感器至標(biāo)準(zhǔn)棒軸線的距離沒有改變,所以有:

(4)

將L110、L210、L310、R1、R2、R3代入式(4)即可得一組激光測距傳感器組件水平夾角α和垂直夾角β的cosα、sinβ的大小,同理可求得其余三個傳感器組件激光線的水平夾角α和垂直夾角β的正余弦。

5 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證標(biāo)定方法和測量公式的正確性,在pro/E三維空間中建立標(biāo)定模型,以圖7中最左邊的激光測距傳感器組件為例模擬測量系統(tǒng)的標(biāo)定過程。對不同直徑的標(biāo)準(zhǔn)棒進(jìn)行三次測量,將數(shù)據(jù)代入式(4)計(jì)算得出cosα、sinβ,將計(jì)算得出的cosα、sinβ與在pro/E軟件中實(shí)際測量的α、β的cosα、sinβ值進(jìn)行比較,以驗(yàn)證標(biāo)定過程的準(zhǔn)確性。標(biāo)定完成后,在pro/E三維空間中建立測量模型,如圖7所示,將上述求出的標(biāo)定結(jié)果代入式(2)求出此時待測的軸徑,將通過公式計(jì)算得出的軸徑與軟件中測量出的軸徑進(jìn)行比較,以驗(yàn)證測量公式的正確性。仿真標(biāo)定結(jié)果如表1所列。

表1 仿真標(biāo)定結(jié)果

圖7 測量模型

由表1可知,計(jì)算得出的cosα、sinβ值與軟件中實(shí)測的α、β的cosα、sinβ基本一致,故可證明標(biāo)定方法的正確性。仿真測量結(jié)果如表2所列。由表2可知,計(jì)算值和軟件測量值誤差為1.4 μm,滿足測量要求,故測量公式正確。

表2 仿真測量結(jié)果 /mm

6 結(jié) 語

根據(jù)測量要求,提出了一種非接觸式激光測量方法及其裝置,能對火車車軸軸頸軸座等四個外徑同時進(jìn)行高精度測量。針對激光線的水平夾角和垂直夾角提出了標(biāo)定方法,并對標(biāo)定方法和測量公式在Pro/E軟件中進(jìn)行了仿真,驗(yàn)證了標(biāo)定方法和測量公式的正確性,仿真最終結(jié)果與實(shí)際測量誤差為1.4 μm,符合測量要求。針對車軸長度變化時,頂針位置的改變可能會引起車軸軸線歪斜使得標(biāo)定結(jié)果產(chǎn)生誤差是該方法研究不足的地方,有待進(jìn)一步分析改進(jìn)。