承載臺(tái)可柔性滑動(dòng)的車輛軸承內(nèi)徑自動(dòng)測(cè)量機(jī)

張鵬飛，王曉林

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，杭州 310018)

軸承是列車走行部分的重要部件。車輛行駛時(shí)，軸承內(nèi)圈隨車軸高速轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承與軸頸的過(guò)盈配合質(zhì)量直接影響車輛的行駛安全，特別是隨著列車的大幅度提速和高速鐵路的普及，更是給配合質(zhì)量提出了更高的要求。要保證最佳的過(guò)盈配合量，必須對(duì)軸承內(nèi)徑和車軸外徑進(jìn)行嚴(yán)格可靠的尺寸測(cè)量。目前，各車輛段的軸承檢修仍普遍采用內(nèi)徑千分尺人工測(cè)量的方法，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大且隨機(jī)誤差較大。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了能滿足高精度、自動(dòng)化檢測(cè)要求的軸承內(nèi)徑自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量精度滿足選配要求。

1 測(cè)量機(jī)功能

該設(shè)備采用氣動(dòng)量?jī)x，非接觸式測(cè)量鐵路車輛軸承內(nèi)徑。該設(shè)備中配套開發(fā)了專用的上位機(jī)軟件，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量人員的管理和測(cè)量操作。測(cè)量的參數(shù)為距軸承內(nèi)圈大擋邊15 mm處的平均直徑值[1]。氣動(dòng)放大模塊的電子柱可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的直徑值，便于讀數(shù)。設(shè)備可自動(dòng)定位、自動(dòng)測(cè)量，同時(shí)將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值、極差等統(tǒng)計(jì)計(jì)算并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2 測(cè)量機(jī)結(jié)構(gòu)

測(cè)量機(jī)的主體結(jié)構(gòu)為立式結(jié)構(gòu)。為解決測(cè)頭置入軸承內(nèi)圈時(shí)的對(duì)準(zhǔn)困難，設(shè)計(jì)了一種柔性承載平臺(tái)。

2.1 柔性承載平臺(tái)

柔性承載平臺(tái)是該測(cè)量裝置機(jī)械部分的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，如圖1所示。平臺(tái)主要由定位塊、支承平臺(tái)、支承鋼球、保持架、限位圓環(huán)、阻尼調(diào)節(jié)彈簧和預(yù)緊螺絲構(gòu)成。圓周均布的4個(gè)鋼球作為支承使承載平臺(tái)可以在底板上滑動(dòng)。保持架是一個(gè)有4個(gè)圓孔的圓盤，其厚度小于鋼球直徑，安放鋼球的圓孔直徑比鋼球直徑稍大，支承平臺(tái)滑動(dòng)時(shí)將鋼球限制在保持架的圓孔內(nèi)滾動(dòng)。由于測(cè)頭外表面為錐面，因此當(dāng)軸承套放在定位塊上定位后，軸承中心沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)承載臺(tái)的絕對(duì)中心時(shí)，測(cè)頭下降過(guò)程中軸承內(nèi)圈帶動(dòng)柔性承載平臺(tái)滑動(dòng)，使得測(cè)頭貼著軸承內(nèi)壁滑入軸承，完成測(cè)頭置入動(dòng)作。彈簧的作用是調(diào)節(jié)滑動(dòng)阻尼，滑動(dòng)阻尼過(guò)小會(huì)造成測(cè)頭置入時(shí)軸承抖動(dòng)不能迅速穩(wěn)定下來(lái)，影響測(cè)量效率；滑動(dòng)阻尼過(guò)大會(huì)造成卡死現(xiàn)象。選擇不同剛度的彈簧并配合預(yù)緊螺絲調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)良好的定位。彈簧的另一個(gè)作用是完成測(cè)量后使定位塊自動(dòng)回到中心等待下一次測(cè)量，避免產(chǎn)生累積定位誤差。通過(guò)調(diào)節(jié)4個(gè)預(yù)緊螺絲可以確定承載平臺(tái)的定位中心。

1—?dú)鈩?dòng)測(cè)頭；2—軸承內(nèi)圈；3—定位塊；4—支承臺(tái)；5—鋼球保持架；6—預(yù)緊螺絲；7—限位圓環(huán)；8—阻尼調(diào)節(jié)彈簧；9—支承鋼球

柔性承載平臺(tái)的作用有兩個(gè)：(1)由于測(cè)頭運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，沒(méi)有累計(jì)誤差，因此每次測(cè)量動(dòng)作都能使測(cè)頭中心在z方向精確對(duì)準(zhǔn)承載臺(tái)的絕對(duì)定位中心。待測(cè)軸承的直徑為129.7～130.2 mm，定位塊的直徑為128.5 mm，上料時(shí)軸承不能精確地套放在定位塊上使其對(duì)準(zhǔn)承載臺(tái)的中心，而柔性平臺(tái)可以抵消這個(gè)定位誤差，起到一定的緩沖作用。試驗(yàn)證明此平臺(tái)工作良好，對(duì)于套放在定位塊上任意位置的軸承，測(cè)頭都可以平滑穩(wěn)定地置入軸承；(2)采用非接觸式氣動(dòng)測(cè)量，測(cè)量時(shí)測(cè)頭壁上的噴氣孔(圓周均布4個(gè))對(duì)軸承內(nèi)壁噴氣時(shí)由于高壓氣體的流量特性強(qiáng)迫軸承中心對(duì)準(zhǔn)測(cè)頭中心，此時(shí)軸承帶動(dòng)柔性平臺(tái)滑動(dòng)可以提高測(cè)量精度。

2.2 主機(jī)結(jié)構(gòu)

測(cè)量主機(jī)為搖臂結(jié)構(gòu)[2]，測(cè)頭可以在搖臂和升降機(jī)構(gòu)組成的柱坐標(biāo)系內(nèi)運(yùn)動(dòng)。升降機(jī)構(gòu)可在搖臂上滑動(dòng)調(diào)節(jié)半徑r，同步帶輪帶動(dòng)搖臂旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)搖臂與定位中心的夾角φ(0°<φ<180°)，升降絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)闇y(cè)頭在z方向的直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

1—搖臂支架；2—51101型推力球軸承；3—滾珠絲杠；4—升降導(dǎo)軌；5—升降支架；6—測(cè)頭夾持座；7—?dú)鈩?dòng)測(cè)量頭；8—待測(cè)軸承；9—柔性承載臺(tái)；10—主軸墊塊；11—主軸；12—電子柱；13—導(dǎo)氣軟管；14—帶輪支承板；15—從動(dòng)帶輪；16—51111型推力球軸承；17—同步帶

裝置左側(cè)測(cè)量頭升降部分整體可以在搖臂支架上橫向滑動(dòng)以調(diào)節(jié)測(cè)量半徑，滑動(dòng)定位后用鎖死螺釘鎖死定位，再配合更換柔性承載平臺(tái)中的定位塊可以測(cè)量不同直徑規(guī)格的軸承，使本機(jī)具有一定的通用性。搖臂支架和搖臂凸緣用螺栓連接，從動(dòng)帶輪與搖臂凸緣用銷釘連接使其同步運(yùn)動(dòng)。軸向上下各裝一個(gè)推力球軸承和一對(duì)帶輪支承板，最上面用螺母鎖死使機(jī)構(gòu)在軸向固定。帶輪支承板也是搖臂步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的安裝座。圖2所示為測(cè)量工位，測(cè)量完成后測(cè)頭升降電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)提升測(cè)頭，搖臂帶輪順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°使之回到待機(jī)工位等待下一次測(cè)量。在搖臂和測(cè)頭處分別安裝待機(jī)位和零位光電開關(guān)以產(chǎn)生控制電動(dòng)機(jī)的開關(guān)信號(hào)。

氣動(dòng)測(cè)量頭經(jīng)調(diào)壓噴嘴、導(dǎo)氣軟管和放大器相連，放大器完成測(cè)量氣室的氣壓和電壓的轉(zhuǎn)換并將電壓信號(hào)顯示在電子柱上。氣動(dòng)測(cè)量頭為圓周均布4噴嘴設(shè)計(jì)，根據(jù)氣體的流量特性，此方法測(cè)得的是內(nèi)徑的平均值。放大器后面相連的部分是空氣濾清器、空氣穩(wěn)壓器和高壓氣泵(圖中未畫出)。

3 控制部分

3.1 硬件部分

系統(tǒng)的硬件由工控機(jī)、電源模塊、通信模塊、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)和控制模塊、光電開關(guān)、電磁控制閥等部分組成。電路的硬件連接[3]示意圖如圖3所示。

圖3 硬件連接示意圖

系統(tǒng)上電后單片機(jī)循環(huán)檢測(cè)軸承上料傳送線的到位開關(guān)，當(dāng)有軸承到位后開關(guān)置位，此上升沿脈沖使軸承搬運(yùn)機(jī)械手動(dòng)作，將軸承從傳送線搬運(yùn)到柔性承載臺(tái)上，此時(shí)觸發(fā)軸承定位光電開關(guān)置位，單片機(jī)內(nèi)部使這2個(gè)信號(hào)做與運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果作為搖臂驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的開關(guān)信號(hào)，這樣的邏輯判斷可以保證傳動(dòng)線的運(yùn)動(dòng)和測(cè)量過(guò)程節(jié)拍一致。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)[4]驅(qū)動(dòng)模塊需要從控制模塊得到方向信號(hào)和驅(qū)動(dòng)脈沖，本機(jī)采用細(xì)分驅(qū)動(dòng)，可以使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)更穩(wěn)定、定位更精確。測(cè)頭在z軸的零點(diǎn)定位是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，即如何保證搖臂電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)到位后測(cè)頭在z方向是對(duì)準(zhǔn)承載臺(tái)的絕對(duì)零點(diǎn)。解決思路如下：首先單片機(jī)檢測(cè)零位開關(guān)，如果為低電平說(shuō)明搖臂已經(jīng)到達(dá)零位。若搖臂不在零位，電動(dòng)機(jī)控制模塊輸出DIR=1，CP=1，在程序中循環(huán)執(zhí)行此語(yǔ)句控制搖臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(如圖2視角)直到到達(dá)待機(jī)位，此時(shí)待機(jī)位光電開關(guān)置1，此信號(hào)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器向驅(qū)動(dòng)器輸入DIR=0，CP=YB_STOP(YB_STOP為試驗(yàn)確定的常數(shù)，電動(dòng)機(jī)從待機(jī)位轉(zhuǎn)動(dòng)到零位需要的絕對(duì)脈沖數(shù))，搖臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)指定脈沖數(shù)YB_STOP后停止，此時(shí)零位開關(guān)置位。測(cè)頭升降電動(dòng)機(jī)的控制方法和搖臂旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)類似。搖臂零位和測(cè)頭零位信號(hào)作與運(yùn)算后點(diǎn)亮準(zhǔn)備測(cè)量指示燈，同時(shí)測(cè)頭向軸承內(nèi)壁噴氣開始測(cè)量。

測(cè)量裝置的氣動(dòng)傳感器采用E9300氣電轉(zhuǎn)換放大模塊，該模塊采用差壓式測(cè)量，LED電子柱示值，具有超差報(bào)警的功能，并配置串行接口可將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

3.2 軟件部分

測(cè)量機(jī)的軟件部分由上位機(jī)監(jiān)控軟件和單片機(jī)控制程序組成，通信采用RS232串口通信。上位機(jī)軟件界面友好，操作簡(jiǎn)便。

3.2.1 上位機(jī)程序

上位機(jī)程序采用LabVIEW圖形化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開發(fā)[5]，主要功能模塊有：測(cè)量人員管理、測(cè)頭控制、測(cè)頭校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、報(bào)表打印。上位機(jī)軟件的界面有登陸界面、歡迎界面和主界面。主界面的整體結(jié)構(gòu)采用狀態(tài)機(jī)的方式設(shè)計(jì)，狀態(tài)機(jī)是LabVIEW的一種程序結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)前將系統(tǒng)的工作流程劃分為不同的狀態(tài)，只要滿足各狀態(tài)的轉(zhuǎn)換條件，系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài)就可以在預(yù)先設(shè)定好的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，只要增加新的狀態(tài)就可以方便地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件就是功能按鈕的單擊事件。

系統(tǒng)的主界面默認(rèn)為手動(dòng)控制界面，主要用于測(cè)頭的校準(zhǔn)，手動(dòng)調(diào)整測(cè)頭使其置入到上下限校準(zhǔn)環(huán)規(guī)內(nèi)，點(diǎn)擊自動(dòng)測(cè)量界面內(nèi)的校準(zhǔn)按鈕可以對(duì)上下限校準(zhǔn)，并可設(shè)定上下限報(bào)警值。手動(dòng)控制界面也是各功能界面之間的轉(zhuǎn)換界面，單擊按鈕就可以轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的界面。界面如圖4所示，點(diǎn)擊界面內(nèi)的搖臂左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)按鈕可實(shí)現(xiàn)搖臂的手動(dòng)調(diào)整，右側(cè)的搖臂位置顯示窗口可以實(shí)時(shí)顯示搖臂的當(dāng)前位置，測(cè)頭調(diào)整同理。通信設(shè)置窗口可設(shè)置工控機(jī)和單片機(jī)的通信參數(shù)，參數(shù)有波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位等。數(shù)據(jù)采集界面內(nèi)波形顯示的是采樣時(shí)間為500 ms的軸承內(nèi)徑值(10個(gè))，點(diǎn)擊確定按鈕接受此測(cè)量值。當(dāng)前測(cè)量值界面顯示的是已接受的10個(gè)測(cè)量值和最大值、最小值、平均值、極差等統(tǒng)計(jì)計(jì)算數(shù)據(jù)，為避免頻繁讀取數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)已測(cè)軸承數(shù)達(dá)到5個(gè)時(shí)自動(dòng)寫入數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。生成報(bào)表界面記錄測(cè)量人員信息、測(cè)量時(shí)間、軸承信息、測(cè)量數(shù)據(jù)等，可保存為WORD，EXCEL，HTML格式并打印報(bào)表。管理員權(quán)限還可以按時(shí)間和軸承編號(hào)查看歷史測(cè)量記錄。

圖4 上位機(jī)軟件主界面

3.2.2 下位機(jī)程序

下位機(jī)程序包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制程序和上位機(jī)通信程序。測(cè)頭的運(yùn)動(dòng)過(guò)程在前面的硬件部分已經(jīng)做了詳細(xì)的說(shuō)明，單片機(jī)控制程序[3]的設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 測(cè)頭動(dòng)作流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

目前正是我國(guó)鐵路車輛軸承升級(jí)換代的時(shí)候，同時(shí)隨著列車運(yùn)行的提速，列車的檢修越來(lái)越頻繁和重要。作為車輛檢修重要環(huán)節(jié)的軸承內(nèi)徑測(cè)量，需要測(cè)量精度和智能化程度更高的檢測(cè)儀器。本測(cè)量機(jī)采用非接觸式測(cè)量，檢測(cè)過(guò)程對(duì)軸承無(wú)損傷，測(cè)量動(dòng)作自動(dòng)完成，可自動(dòng)打印測(cè)量報(bào)表，樣機(jī)測(cè)量速度為90 s/個(gè)，精度為1 μm，可以滿足各車輛段的檢修需要，具有推廣和規(guī)模化生產(chǎn)的價(jià)值。