一種貨車車軸自動檢測機研制分析
2010-12-31 00:00:00高志剛
現代商貿工業 2010年9期
摘 要:通過高精度的光柵傳感器與激光傳感器檢測被測車軸的外形參數，實現了車軸檢測的自動化。
關鍵詞:車軸;傳感器;檢測機
中圖分類號:TP
文獻標識碼:A
文章編號:1672-3198(2010)09-0302-02
1 概述
CZJ-1型車軸自動檢測機由直徑測量機構、長度測量機構、氣動系統、液壓系統、旋轉機構、控制系統等部分組成，采用工控機與可編程控制器相結合的方式控制試驗過程，通過高精度的光柵傳感器與激光傳感器采集試驗數據以檢測被測車軸的直徑和長度數據，實現了車軸檢測的自動化。
2 技術要求
車軸的尺寸測量主要為各部位的長度與直徑檢測，根據測量精度應為被測尺寸公差帶1/5～1/3的原則來確定檢測機的測量精度。
2.1 直徑測量精度
各型車軸直徑尺寸公差帶最小為25μm(RE2軸軸頸直徑:150 )，即檢測機的直徑檢測精度應為5～8.3 μm。
2.2 長度測量精度
RD2、RE2型車軸長度尺寸的最小公差帶為1mm(如RE2軸全長L1為2166 ) ，所以檢測機長度檢測精度應為0.2～0.33 mm。
3 主要性能指標
直徑測量范圍 125~230mm
直徑檢測分辨率0.001mm
長度檢測分辨率0.05mm
測量時間 15min
外形尺寸4380mm×2500mm×2000mm(L×W×H)
適用軸型RD2、RE2系列
4 技術方案論證
項目組對各種車軸檢測試驗機進行了廣泛調研與技術分析，在此基礎上確定了檢測機的總體方案:車軸直徑測量過程模仿千分尺的測量原理，氣缸將U型測量支架向車軸方向移動，光柵長度計接觸到車軸后計算出車軸的直徑。長度測量采用激光傳感器掃描的形式檢測車軸總長、軸肩距等尺寸。以液壓系統和氣動系統作為動力源，采用工控機與可編程控制器相結合的方式控制試驗過程。
4.1 直徑測量機構
模仿千分尺的測量原理采用U型測量支架，在支架上安裝定位微型氣缸、光柵長度計等裝置，進行車軸各部位直徑的測量(如圖1所示)。
光柵長度計是檢測機上的關鍵器件，它是影響測量精度的重要因素，光柵長度計安裝在U型測量支架的一端，另一端安裝平面測頭，將U型支架固定在直線導軌的滑塊上，滑塊可以左右微調，能保證U型架與車軸的中心線垂直，以消除車軸定位精度引起的測量誤差，提高測量的準確性。
當直徑測量機構運行到待測截面后，U型測量架在定位微型氣缸的推動下向車軸運動，將測量架卡在軸頸的待測截面上，光柵長度計伸出并接觸車軸后采集數據。
1.磁性氣缸;2.U型測量架;3.光柵長度計;4.位移傳感器;
5.線性導軌及滑塊;6.激光傳感器;7.測量架定位氣缸。
圖1 直徑測量機構
測量前首先用標準軸(直徑為D)進行標定，標定過程中記錄下光柵長度計的讀數Sb。在實際測量過程中如果長度計的讀數為Sc，則被測量部位的直徑為
d=Sc-Sb+D
軸頸直徑的測量過程:在圖2的S1，S2，S3三斷面上，每斷面等間隔的在M1M1，M2M2，M3M3三方向測三個直徑值，九個測值中任兩個之差不得大于0.020mm，任一斷面三個測值的平均值應在尺寸公差范圍內。
輪座直徑的測量過程:在圖2的S4，S5，S6三斷面上，每斷面在相互垂直方向測量兩個值，取六個測量值的平均值作為輪座直徑。
4.2 長度測量機構
長度測量機構由激光傳感器、滾動直線導軌副、磁性位移氣缸、位移光柵傳感器組成(如圖4所示)。
磁性位移氣缸可驅動U型架沿車軸全長方向移動，激光測量傳感器在U型架移動過程中對車軸進行掃描，在掃描到軸端位置時激光傳感器的輸出信號發生突變，系統記錄下此時光柵位移傳感器的位置讀數，作為車軸的左端點位置a1。
激光傳感器向右繼續掃描，根據車軸直徑的變化特征系統可依次獲得a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8(如圖5所示)等處光柵位移傳感器的讀數。
車軸各部分長度尺寸可根據如下公式計算:
軸頸長度 (L1)=a2-a1
車軸全長 L1=a8-a1
板座長度 L2=a3-a2
輪座長度 L4=a4-a2
軸肩距L3=a7-a2
4.3 車軸旋轉機構
旋轉機構由旋轉氣缸、齒輪、磨擦片、蝶簧等部件組成。頂尖伸入車軸中心孔后磨擦片在蝶簧的壓力下貼緊軸端平面，旋轉氣缸通過齒輪帶動頂尖、磨擦片及車軸旋轉。在擺動氣缸上安裝3個行程開關用于控制車軸的旋轉角度。
1.待測車軸;2.橡膠墊塊;3.小齒輪;4.回轉頂尖;
5.大齒輪;6.連接架;7.旋轉氣缸。
5 主要結構組成
5.1 托起機構
1.V型定位塊;2.托起機構;3.纜索氣缸。
托起機構包括液壓缸、托起支架、位移傳感器、V型塊、定位導柱等部分，能將車軸托起到測量位置，安裝于托起液壓缸上的位移傳感器檢測托起支架升起的位置(如圖7所示)。
5.2 托起機構移動組件
包括工字鋼支架、纜索氣缸、滾動直線導軌副，托起機構安裝在導軌副上，纜索氣缸可帶動托起機構在上軸位置、測量位置、卸軸位置往復移動(如圖7所示)。
5.3 立柱組件
包括液壓缸、杠桿、頂尖套筒、回轉頂尖等部分，定位套在液壓缸的推動下可帶動回轉頂尖將車軸頂緊。位移傳感器監測頂尖套筒的位移量以控制兩個頂尖的伸出量一致。
5.4 框架結構設計
檢測機的龍門框架結構由工字鋼、20mm鋼板組焊構成。檢測機的機械基礎與兩立柱組件、鑄鐵支架構成堅固的框架結構。檢測機具有較高的強度，有效消除了檢測過程中機械結構的變形對檢測結果的影響。
5.5 液壓系統設計
檢測過程中對測量架定位氣缸的定位要求較高，采用液體阻尼方式驅動該氣缸，為保證檢測的準確性及操作方便，液壓缸的運動速度分為兩級，采用兩組雙單向節流閥調速，以完成測量架的精確定位和高速移動。
6 軟件控制系統設計
控制系統主要包括PLC、數據采集系統、觸摸屏、位移傳感器、電源系統、打印機與手動控制系統，能夠實現檢測過程的自動控制、檢測結果的判斷、數據存儲、報表打印、人機交互等各種功能。數據采集系統采用高速、高分辨率的數模轉換模塊，能夠在檢測過程中采集各傳感器的輸出信號，有效提高了檢測結果的準確性。位移傳感器采用精密拉桿電阻式傳感器，安裝方便，抗污染與干擾性強。系統的兩個頂尖液壓缸、托起液壓缸都安裝了位移傳感器，用于監測各缸的行程。系統具有簡單的手動控制功能。檢測過程中觸摸屏能夠顯示各種試驗信息。
7 技術特點與創新性
(1)綜合采用光柵位移傳感器和激光傳感器對車軸邊緣進行動態檢測。
(2)模仿千分尺的測量原理，采用高精度長度計進行車軸直徑測量。
(3)旋轉機構由擺動氣缸帶動車軸進行旋轉，磨擦片壓緊車軸保持與旋轉齒輪同步，比普通電機帶動車軸旋轉的方式方便靈活，故障率低。
8 總結
CZJ-1型車軸自動檢測機技術方案合理可行，能夠滿足鐵路車軸測量的技術要求。
參考文獻
[1]中華人民共和國鐵道部.鐵路貨車輪軸組裝、檢修及管理規則[S].北京:中國鐵道出版社，2007.
