基于激光位移傳感器的鐵路輪對測試設備

北京領邦儀器技術有限公司 武曉娟，陳明

1 引言

輪對是機車車輛轉向架的重要組成部件，在實際使用過程中,輪軌外形及輪對幾何狀態的偏差，會導致車輪踏面和輪緣的磨耗加劇而影響機車車輛的正常運轉，因此輪對的檢測對車輛運行安全有著至關重要的意義。目前，國內生產廠檢測輪對參數大致采用兩種方式：一是手工測量，測試過程勞動強度大，準確度低；二是采用三坐標機，該方法雖然測試精度高，但是由于采用的是接觸測量方式，對于輪對這樣的大型部件所消耗的測試時間較長。

激光位移傳感器是一種非接觸測量的元件，具有采樣速度快，測試精度高等優點，可保證無磨損、高精度的測量。本文描述的鐵路輪對測試設備就是應用了激光位移傳感器進行輪對多參數的測量。

2 激光位移傳感器測量原理

激光發射器通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內部的CCD線性相機接收，根據不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下彈出到該光點。根據這個角度及已知的激光和相機之間的距離，數字信號處理器就能計算出傳感器和被測物體之間的距離。圖1為激光位移傳感器工作示意圖。

圖 1 激光位移傳感器工作示意圖

3 測試設備結構及測試方法

3.1 測量參數

根據檢測過程將檢測項目分為兩類：定點檢測和尺寸檢測。其中，定點檢測項目包括“車輪徑跳”、“車輪端跳”、“剎車盤端跳”，檢測過程中，檢測設備保持靜止，被測輪對沿軸線旋轉。尺寸檢測項目包括“內側距”、“輪位”、“盤位”、“軸長”、“軸頸長”、“踏面直徑”、“踏面形狀”以及“車輪輪輞寬”，檢測過程中，被測輪對保持靜止，檢測輪對特征面（如軸端、軸肩、輪輞內側面等）或特征點（如踏面上距內側面70mm處等）之間的距離。

3.2 測試設備結構

本輪對測試設備總體上分為硬件部分及軟件部分。

硬件部分按照功能共分為五個子系統：實時數據采集子系統、運動控制子系統、氣路控制子系統、機器視覺子系統、機械部件子系統，如圖2所示。

圖 2 硬件子系統劃分

軟件部分按照功能共分為三大模塊：測試控制、實時數據采集、數據處理分析，如圖3所示。

圖 3 軟件系統模塊劃分

控制系統采用上下位機結構，上位機主要負責對測試過程的控制和對數據結果的分析。下位機負責對激光位移傳感器和光柵尺返回的結果進行實時的采集以及測試過程的運動控制。上位機安裝WINDOWS XP操作系統，下位機安裝LabVIEW RT操作系統。上下位機之間采用網線連接，通過網絡傳輸進行數據交換。

3.3 測試方法

輪對尺寸測量原理如圖4系統測量示意圖所示，當激光傳感器沿車軸從左向右移動時，采集不同斷面的外徑數據，通過軟件計算處理可得到被測工件各點位置坐標，復現被測工件的外形，如圖所示，計算機根據圖形數據，可精確計算出所有軸向尺寸。當輪對以車軸為中心轉動一定角度（360°圓周等分選取轉動角度）時，激光傳感器沿軸向進行再一次測量，這樣可以得到一組新的數據，可根據測試要求測得3組或以上數據，并進行數據計算、分析。

圖4 系統測量示意圖

3.4 設備外觀

該設備外觀如圖5所示，部件說明表如表1所示。軟件界面如圖6所示，測試完成后，系統將計算結果顯示在結果顯示區。

圖 5 輪對測量設備外觀

表 1 輪對測量設備部件表

圖 6 軟件界面示意圖

4 誤差概算

設備測量準確性由三類精度指標共同決定，分別為：隨機誤差、系統誤差以及溫漂誤差。

為便于分析，約定坐標系如下：輪對車軸方向為X方向，鉛垂線方向為Y方向，垂直于XY平面的方向為Z方向。取車軸左側端面和X軸的交點為坐標原點。如圖 7所示。

圖 7 坐標系定義

4.1 隨機誤差概算

設備隨機誤差主要由激光位移傳感器非線性誤差、光柵尺非線性誤差、導軌行走平行度（包括端面、側面行走平行度、DD馬達跳動、頂尖跳動)綜合構成。

將上述隨機誤差源列于表2。

表2 隨機誤差源列表

Z方向誤差會造成測試曲面時存在Y方向誤差，經核算此誤差可忽略，下面推導設備在X、Y方向上的測量誤差。

表中各項誤差源互不相關，采用矢量和方式進行誤差概算。

X方向誤差概算:

式中：

ax--水平光柵尺線性度，μm，ax= 9；

bx--豎直導軌側面行走平行度，μm，bx= 4；

cx--DD馬達徑向跳動，μm，cx= 10；

dx--激光位移傳感器非線性誤差，μm，dx= 3；Y方向誤差概算:

式中：

ay--水平導軌端面行走平行度，μm，ay=6.5；

by--豎直光柵尺線性度，μm，by=3；

cy--DD馬達徑向跳動，μm，cy=10；

dy--激光位移傳感器非線性誤差，μm，dy=3；

ey--頂尖徑向跳動，μm，ey=10；

定點檢測誤差概算

檢測輪對跳動量時輪對旋轉，激光測頭保持靜止。定點檢測誤差僅與激光測頭和兩端頂尖相關。定點檢測誤差按下式概算。

式中：

at--激光位移傳感器隨機誤差，μm，at= 3；

bt--頂尖徑向跳動，μm，bt= 10。

4.2 系統誤差概算

此設備的系統誤差主要由各裝配體的裝配關系造成。受限于裝配方法、裝配工具工藝，各裝配體裝配后不可能處于完全理想位置；受限于檢測工具、參考標準的水平、工藝，各裝配體的裝配偏差不可能零誤差的被檢測，從而無法使用軟件完全消除此偏差造成的系統誤差。

將設備各項系統誤差及相應消除效果列如表3所示，部分誤差定義如圖8所示。系統誤差通過安裝保證、硬件調節以及軟件修正消除，圖8中的α、β、γ分別表示前視圖、左視圖和俯視圖的角度。

表3 系統誤差列表

圖 8 系統誤差示意圖

4.3 溫漂誤差概算

本設備測量由光柵尺和激光位移傳感器配合進行，通過選擇光柵尺基材可控制光柵尺熱膨脹系數，使光柵尺熱膨脹系數和被測輪對相同，不需要進行溫度補償；激光位移傳感器與被測輪對熱膨脹系數之差為10-5/K級，需要補償的測量值為30~40mm，若溫度傳感系統測量精度為1℃，補償誤差＜1μm（熱膨脹系數之差×需補償測量值）。

綜上，經溫度補償后，溫漂誤差可忽略不計。

4.4 總誤差

（1）尺寸測量誤差

尺寸測量各項誤差列如表4所示。

計算總誤差時，采用下述方式進行：各項同方向系統誤差進行相加，系統誤差和隨機誤差進行相加。

表 4 尺寸測量誤差統計

另外，本設備所用光柵尺精度為3μm/m。

綜上，系統尺寸檢測精度為（24.4+3L/1000）μm。

（2）定點測量誤差

定點測量誤差為10.4μm（計算過程詳見本文4.1）。

5 測試效率計算

效率評估對象為帶有三個剎車盤的車輛輪對，由于外形最復雜，所需檢測時間最長，其檢測過程各步驟所需時間如表5所示。

表5 各環節時間

由上表可知，設備完成一次輪對測量共需約157s。

6 結論

（1）該設備是基于激光位移傳感器開發的非接觸式測試設備，根據上述分析可知，該設備測試精度及測量效率都很高，而且由于測量過程中傳感器與被測件無實際接觸，所以不會對被測件造成磨損，也不會對測試過程產生干擾。

（2）該設備可按車統51—C 卡輸出數據, 也可以與HMIS系統連接, 能進行數據的輸出、儲存、傳輸, 還可以滿足檢修過程中的管理要求, 全面提高工作效率，具有很高的自動化程度。于解決目前輪對測量手段落后、測量誤差大、勞動強度高等問題具有一定的實際意義。

[1]章薇. 鐵道車輛輪對輪位差的測量[J]．鐵道技術監督，2007，35：36–37.

[ 2 ]李德維, 朱萍, 戚小萍, 張麗. 基于坐標測量機的鐵路輪對參數的測量方案[J]．中國測試技術．2007，33：42–44.

[ 3 ]吳學軍,王欽, 段鳴華, 殷宗剛, 陳洪波. 輪對自動檢測裝置[J]．鐵道車輛 2003，41：35–36.