高鐵轉向架關鍵參數自動檢測平臺設計

王銀靈 王者 王海

摘要 本文以高鐵關鍵參數檢測為目標，研究對象以轉向架車輪、車軸齒輪箱大齒輪、小齒輪軸、測速齒輪、軸箱前后蓋、牽引拉桿、夾鉗為典型結構零部件，驗證不同測量方式滿足零件精度要求，測量效率，測量結果的穩定性及可靠性.本平臺為針對高鐵典型結構零部件設計的通用測試平臺，可柔性化定制與改進測試方法，可以驗證多尺寸，多測量精度要求下的非接觸式測量方法精度，可靠性，穩定型等指標，為其他測量項目提供依據和示范。

【關鍵詞】高鐵 轉向架 車輪 車軸 自動檢測

1 引言

目前，中國高鐵的速度和里程均己領先全球，中國高鐵已經成為我國暢行世界的國家名片之一。中國高鐵技術的成就是中國制造的頂尖代表。我國高速鐵路的高品質需要整個高鐵制造技術的有力支撐。高鐵零部件的制造是整個高鐵生產的基礎，零部件尺寸的加工精度會影響到整車的質量。因此，對車體重要零部件，比如車軸、轉向架、端蓋、大小齒輪等都需要精密的加工和嚴格尺寸檢測。

目前轉向架車輪、車軸、牽引拉桿、軸箱體及軸箱端蓋，車體枕梁組成、邊梁等關鍵零部件加工后的尺寸檢測全部由檢測人員手持量具進行，工作量大，效率低，質量證件由檢測人員手工填寫后紙質流轉，在生產制造的過程中無法實現數據的實時采集和在線監控，自動化、信息化程度較低。人工檢測時，檢測人員的技能水平高低直接影響檢測結果，且存在人為讀數誤差問題。

通過自動檢測技術的研究，能夠解決轉向架、車體關鍵零部件加工后、組裝前手工檢測尺寸工作量大、效率低的問題;能夠解決關鍵精度高等尺寸對工人能力依賴高問題，消除由于操作技能等人為因素導致的誤差問題;能夠實現檢測數據的自動儲存、分析、跟蹤及對比等功能;能夠解決輪軸、軸箱體等生產線工件自動流轉問題，大大提高生產效率、檢測效率和檢測質量，提高自動化及信息化水平。本文主要介紹一種高鐵轉向架等關鍵零部件尺寸自動檢測裝置的設計與實現。

本文主要為開展轉向架車輪、車軸、輪對、軸箱體等及車體枕梁組成、邊梁等重要零部件的自動檢測，數據存儲技術的研究，檢測數據可與股份公司信息化系統通過接口聯接，實現數據信息的共享，形成一套轉向架、車體關鍵零部件自動檢測系統。自動檢測系統在保證通用性的同時，又要能根據不同零部件的特點進行專項設置，滿足不同零部件的檢測精度要求。另外，自動檢測系統要具有可擴展性，以便于滿足后續需要。

2 檢測方案概述

本平臺為中車青島四方機車車輛股份有限公司的公司級科研課題本平臺研究對象為以轉向架車輪，車軸齒輪箱大齒輪，小齒輪軸，測速齒輪，軸箱前后蓋，牽引拉桿，夾鉗為典型結構零部件，驗證不同測量方式滿足零件精度要求，測量效率，測量結果的穩定性及可靠性，對測量環境的要求，零件的表面粗糙度和結構對測量結果的影響。提出不同結構零部件的最有效測量方式及可以達到的檢測精度，并確定測量設備的各項技術參數要求，存在的技術難點。

本平臺為針對高鐵典型結構零部件設計的通用測試平臺，可柔性化定制與改進測試方法，可以驗證多尺寸，多測量精度要求下的非接觸式測量方法精度，可靠性，穩定型等指標，為其他測量項目提供依據和示范。

本平臺的測試方法均為非接觸式，包括激光測距傳感器，光幕傳感器，高清晰度攝像頭等。

本測試平臺還設計了專用的振動測試裝置，標準可調對光光源裝置，溫濕度調節裝置，自動上下料裝置和數據自動技術分析系統，可以分析：

（1）不同的非接觸式測量方式的檢測精度;

（2）不同的非接觸式測量方式的測量效率;

（3）不同的非接觸式測量方式測量結果的穩定性及可靠性;

（4）不同的濕度，溫度，光照條件等環境因素對檢測精度的影響;

（5）零件的外形結構，表面粗糙度對檢測結果的影響。

通過該平臺，可以提出不同結構零部件的最有效測量方式，并確定測量的各項技術參數要求，存在的技術難點。系統總體設計如圖1所示。

3 方案詳細說明與分析

針對高鐵轉向架關鍵零部件的不同結構、不同測量范圍、不同測量項點及精度要求對測量系統進行自動化高精度測量進行總體設計，搭建試驗平臺進行驗證。具體功能如圖2所示。

3.1 檢測試驗臺檢測單元具體設計

本平臺基本組成如圖3所示，擬采用以下非接觸式測量方法和工具：

（1）2套進口光幕激光傳感器，可以配合測量外徑和圓度，同心度等，測量精度μm級，檢測過程示意圖如圖4所示。

（2）3套點激光三角法短距離（3米內）激光位移傳感器用于測試端面跳動，形狀尺寸等，測量精度μm級，三角法跳動檢測原理圖如圖5所示。

（3）1套線激光傳感器用于測量外徑，測量精度μm級。

（4）1套高精度進口2100萬視覺傳感器，可以測量內徑，位置度，同心度等，測量精度O.Olmm。

（5）1套普通精度500萬視覺傳感器，可以測量要求不高的形狀尺寸及二維碼，條碼識別，測量精度mm級。

測試工裝平臺由一個可控旋轉平臺，一個桁架裝置和兩根垂直高精度絲杠構成。因此本平臺可以靈活的布置和調整各類測試傳感器，并且所有傳感器具備移動性，可控制調整。整套工裝系統定位精度可達O.OOlmm待測工件放置于平臺上固定，選定測量基準后，由運動裝置帶動工件運動，定位，測量。通過不同測量單元配合，位置布置，切換組合，試驗臺可以測量線性尺寸，內外經，圓度，斜度，跳動，輪廓度等檢測樣件中所包含的所有監測點。

本實驗平臺還配備了一臺上下料機器人用于零件自動上下料.商量工位完成待測工件裝夾后，機器人將工件移動至檢測工位。檢測完成后，機器人（如圖8所示）將工件自動移動到下料工位。

本系統通過PLC和上位機配合，可自動記錄所有測量信息，生成原始數據記錄.基于這些原始記錄，可以生成記錄表，解析成二維圖，三維圖以明確檢測標準。

通過與預設標準數值進行比對，本系統可自動判斷零件是否客戶，通過顏色進行區分，形成測試記錄報告，本報告可保存或打印。

3.2 檢測試驗臺溫濕度模擬及控制功能設計

本實驗臺采用工業溫濕度箱，實現常溫恒溫恒濕實驗室該實驗室溫度控制范圍為攝氏O℃-60℃，控制精度±2℃，相對濕度控制范圍10%-90%，控制精度±5-10%RH。

實驗臺的箱體設計有鋼框架， 內殼采用不銹鋼，外殼采用鍍鋅板噴塑處理。隔熱層采用聚氨酯材料，重量輕，耐腐蝕耐水蒸氣滲透，保溫保濕效果好。視窗使用雙層中空玻璃視窗。如圖9所示。

為達到實驗環境內的溫濕度的均勻穩定，本試驗臺選擇上送風底回風的方式。

實驗臺位置應避開陽光能夠直射到的范圍，并在環境內配緩沖間。

實驗臺加熱采用電加熱方式。

實驗臺制冷采用低噪音全封閉式空氣壓縮機。該空氣壓縮機與實驗臺分離固定，通過風道送風，以減少空氣壓縮機工作時自身振動對實驗結果帶來的影響。

本試驗臺通過小型PLC進行溫濕度調節功能，并且提供485通訊功能，可通過上位機設定溫濕度并采集實時溫濕度信息。通過上位機還可以生成溫濕度變化隨時間變化曲線。

通過本實驗箱的溫濕度調控，可驗證不同的測試方法對溫濕度的敏感程度和測量誤差我們還可以通過分析誤差數據，進行誤差補償。

3.3 檢測試驗臺光照調節控制功能設計

非接觸式測量大都采用激光或視覺系統，這些測量方式對光線比較敏感.因此非接觸式測量很多都自帶光源，但工廠測量環境的自然光線依然會對測量系統帶來擾動。本試驗臺裝配有多種規格的標準對色光源系統，用來模擬測試不同光照情況對測量結果的影響。

本試驗臺的光照測試平臺可安裝各種類型的對光光源，并可自由更換和組合。因此本試驗臺支持以下光源并可擴展：

- D65光源可模擬自然光照情況，色溫6500K;

-A光源：黃光源，色溫2800K;

- TL84：熒光燈，色溫4800K。

3.4 檢測試驗臺振動模擬控制功能設計

工廠振動為常見擾動因素，本實驗平臺設計了振動測試平臺來模擬和驗證振動對測量的影響。

測量平臺采用電動式，振動頻率5-200Hz，最大載重lOOkg，臺體尺寸為Im*lm。

測試平臺采用PLC控制，并通過485與上位機進行通訊。

3.5 檢測試驗臺自動上下料功能設計

本測試臺采用機器人實現自動上下料功能。機器人有效負荷≥150kg、重復定位精度±O.Olmm，TCP最大直線運動速度不小于lOOOmm/s，工作空間覆蓋2000mm×1200mm×lOOOmm。如圖8所示。

3.6 檢測數據記錄及輸出功能設計

本試驗臺所有測試數據均可通過RS485或Ethernet與上位機進行通訊。上位機實時采樣和記錄測試平臺的溫度、濕度、震動等環境信息和工件及測量數據。數據采樣頻率可達10Hz。所有數據被記錄成文本形式進行下一步分析。

本測試平臺還提供圖形化分析診斷工具，可以根據測量數據生成數據圖標。

本文針對動車關鍵零部件的自動檢測問題，以動車轉向架、車輪、車軸、輪對、軸箱體等及車體枕梁組成、邊梁等重要零部件為對象，研究其對應的自動檢測技術、數據存儲技術，檢測數據可與公司信息化系統通過接口聯接，實現數據信息的共享，形成一套轉向架、車體關鍵零部件自動檢測系統。自動檢測系統在保證通用性的同時，又要能根據不同零部件的特點進行專項設置，滿足不同零部件的檢測精度要求。另外，自動檢測系統要具有可擴展性，以便于滿足后續需要。

參考文獻

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