動車車軸關(guān)鍵尺寸高精度測量平臺設(shè)計

王海 姚迪 高思軍

摘要 隨著我國高鐵技術(shù)飛速發(fā)展，高鐵關(guān)鍵組件的精度要求愈加嚴(yán)格，傳統(tǒng)的人工測量已經(jīng)不能滿足高精度的要求，因此設(shè)計一套自動化高精度的車軸測量平臺。采用激光傳感器測車軸各個位置的直徑，光柵尺測量車軸長度。高精度車軸測量平臺的硬件部分包括車軸進(jìn)給裝置、液壓升降裝置、車軸定位裝置，激光傳感器和光柵位移傳感器。軟件部分根據(jù)測量流程編寫了軟件控制系統(tǒng)，并且將測量的結(jié)果輸入到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行信息化管理。測量平臺的軟硬件設(shè)計完成之后，對軟硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，針對實際加工的車軸成品進(jìn)行實際測量試驗，得到測量參數(shù)，獲得的測量參數(shù)滿足給定的精度要求，說明了高精度測量平臺的實用性。同時自動化的測量方案也提高了測量的效率。

【關(guān)鍵詞】動車車軸 非接觸式測量 測量平臺激光掃面測量

1 引言

隨著高鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，復(fù)興號動車組的發(fā)車成功，并且于2017年9月起，復(fù)興號將提速至350公里的時速，我國的動車組列車已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。在列車高速運行的過程中，列車車軸會飛速旋轉(zhuǎn)，如果制造精度不夠，可能會導(dǎo)致動車車體的震動和車軸本身的磨損，在嚴(yán)重的時候甚至?xí)l(fā)特大事故，所以在車軸的質(zhì)量檢測工作尤為重要。

目前高鐵零件的精度測量都是由檢測人員手持檢測工具進(jìn)行接觸式的測量，并將測量結(jié)果記錄到紙質(zhì)文檔中，其測量過程中的測量儀器也可能會導(dǎo)致被測量工件不同程度的損傷，并且人工測量會由于測量人員的技能水平、疲勞狀態(tài)和注意力集中程度的不同而導(dǎo)致不同的測量誤差。

本論文提出一套自動化車軸測量系統(tǒng)，采用全自動的夾持測量流程、高精度的傳感器、信息化的測量結(jié)果記錄，實現(xiàn)高效、高精度的車軸測量。本論文主要采用光學(xué)測量方法，利用雙向激光掃描的原理測量直徑，利用光柵尺測量軸長。得到車軸的直徑、圓柱度、徑向圓跳動、軸長等關(guān)鍵參數(shù)。

2 動車車軸關(guān)鍵尺寸

檢測內(nèi)容主要為車軸工作配合面尺寸及其形位公差，如圖l所示A、B、C、D等為車軸檢測的關(guān)鍵位置，要求公差等級均為IT6和IT7。

列車車軸檢測平臺主要測量車軸全長，關(guān)鍵位置處的直徑、圓柱度和跳動。車軸的精度要求如表1所示。

3 激光掃描和光柵測量原理

3.1 激光掃描測量直徑

本文主要采用如圖2所示KEYENCE的激光測微儀測量車軸直徑，由于該激光測微儀的量程范圍為0.5mm-65mm而一般情況下待測量的車軸的直徑為230mm，所以用一個傳感器無法達(dá)到測量量程，采用如圖3所示的測量方案，用兩個傳感器上下擺放且間隔固定距離h。上端傳感器和下端傳感器分別測量車軸的上半部分和下半部分，其中待測車軸的軸心線必須垂直于激光面，得到間隔dl和間隔d2。間隔dl和d2為傳感器被遮擋的部分。根據(jù)h，dl，d2，三個變量可以計算得到車軸的直徑為：

D=h+d1+d2

（1）

公式（1）中的參數(shù)dl，d2為測量值，h為兩傳感器固定距離，h參數(shù)可以通過測標(biāo)準(zhǔn)件方法獲得，測量過程如下：取一己知直徑為D的車軸，放在如圖3所示的位置，得到測量值為dl與d2，則所求的h可以表示為：

3.2 圓柱度的測量

圓柱度的是指對于一個待測圓柱面，它的公差帶是以公差值t為半徑差的兩個同軸圓柱面之間的區(qū)域。圓柱度的示意如圖4所示。

在待測圓柱帶內(nèi)，如圖l所示的Al圓柱帶，從Al圓柱帶的左側(cè)開始選取一段橫截面采用3.1節(jié)的方法測得其直徑，然后將車軸沿軸線轉(zhuǎn)動一定角度后在測其直徑，如此轉(zhuǎn)動3600得到一組直徑測量值，再將傳感器沿著滑軌方向移動一段距離再得到一組直徑測量值，如此下去傳感器一直從Al圓柱帶的左側(cè)一直滑動到Al圓柱帶的右側(cè)，得到多組直徑測量值，取其中最大的直徑Dmax，和Dmin，由于圓柱度誤差是采用半徑差計算，所以要求的圓柱度誤差為：

3.3 徑向圓跳動測量

徑向圓跳動類似于圓柱度的測量，主要是測量同一截面內(nèi)的圓度，在一個界面內(nèi)待測工件若滿足公差要求，則該工件的截面應(yīng)該在公差帶要求范圍內(nèi)的圓環(huán)內(nèi)部。如圖5為徑向圓跳動的示意圖。

測量的方法是將光幕激光傳感器通過滑軌滑動到待測界面，測量該界面的直徑，然后在轉(zhuǎn)動車軸一定角度得到另一組直徑，重復(fù)上述測量后得到多組直徑的測量值，則徑向圓跳動的計算公式為：

3.4 車軸長度測量

車軸的長度測量采用的傳感器為光柵尺，光柵尺的滑動頭通過固定裝置與激光傳感器連接，同時光柵尺的滑動頭能夠以一定的速度相對于固定端進(jìn)行滑動。

光柵尺的測量主要是根據(jù)光的干涉和衍射原理，當(dāng)光通過兩個有一定角度的縫隙的時候會產(chǎn)生莫爾條紋的移動，用光敏傳感器記錄光柵的移動方向和移動寬度并用計數(shù)器記錄再乘以步長就能得到位移的大小。

以測量車軸全長為例，若光柵尺的量程允許則用單個光柵尺配合光幕激光傳感器測量，如果量程太小則可以采用兩個光柵尺測量。兩個光柵尺中間段間隔固定長度，該固定長度可用標(biāo)準(zhǔn)件測量得到，采用的方法和公式（2）的方法一樣。兩個光柵尺則分別測量車軸的左右兩端長度即可，中間段由于長度己知則不用測量，最終的測量值為三段長度相加即可。由于兩個光柵尺的測量和一個光柵尺的測量方法基本相同，所以展示一個光柵尺用于測量車軸全長的流程：

（1）將待測車軸放到測量臺并固定，并將光柵讀數(shù)頭置到原點。

（2）緩慢移動光柵讀數(shù)頭，并查詢光幕激光傳感器，一旦到達(dá)車軸邊緣，讀數(shù)會由0跳變到車軸直徑。此時記錄光柵頭讀數(shù)為LO。

（3）繼續(xù)緩慢移動光柵讀數(shù)頭，查詢光幕激光傳感器，到達(dá)車軸另一個邊緣時，激光讀數(shù)會跳變到O，此時記錄下光柵頭讀數(shù)為Ll，車軸的長度就是Ll-LO。

4 車軸測量軟硬件平臺

要搭建自動化車軸測量平臺需要軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)相結(jié)合。硬件系統(tǒng)包括被測工件進(jìn)給裝置、被測工件液壓升降系統(tǒng)和被測工件裝夾定位系統(tǒng)。工件檢測運動流程如下所示：

（1）首先將工件放到待測區(qū)，當(dāng)上一個工件檢測完畢后使用工件進(jìn)給裝置將工件移動到安裝位置;

（2）用液壓缸推動工件上升到檢測位;

（3）液壓頂尖系統(tǒng)對車軸定位并夾緊;

（4）對工件進(jìn)行檢測;

（5）松開夾具取消定位并松開，液壓缸帶動工件下降。

硬件系統(tǒng)搭建完畢之后需要設(shè)計檢測系統(tǒng)的軟件方案，測量系統(tǒng)首先檢測定位是否準(zhǔn)確，如果定位不準(zhǔn)確，則通過微調(diào)移動液壓缸直到工件定位到預(yù)定位置才開始測量。開始測量之后分別進(jìn)行直徑測量、圓柱度測量、徑向圓跳動子程序，最后再測量工件的總長度。

測量子程序通過移動到圖1所示需要測量的A，B，C，D點，進(jìn)行參數(shù)的測量，過程中需要對運動控制系統(tǒng)有高精度和高效率的控制能力。如此才能快速精確地運動到給定的測量位置點。主體軟件控制流程如圖6所示。

5 實驗結(jié)果

為了驗證車軸測量平臺的精度是否滿足車軸測量的要求和驗證自動化測量和信息化記錄檢測結(jié)果的功能，對公司的車軸的直徑、圓度、跳動進(jìn)行了測量，同時也驗證了自動化進(jìn)給和定位功能的實用性。

硬件平臺采用了搭建的自動化測量裝置系統(tǒng)，光幕激光傳感器采用的是基思士LS-7000系列CCD激光測微計，光柵尺采用的是Renishaw公司生產(chǎn)的RG2或者RG4系列直線光柵系統(tǒng)邏輯控制器為工業(yè)計算機(jī)，搭載windows7操作系統(tǒng)和c++語言編寫的測量控制交互軟件，進(jìn)行了實驗。

實驗對各個測試點處的直徑、圓度、和跳動進(jìn)行了測量，測量結(jié)束后軟件將測量結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)庫中，通過查詢車軸編號可以得到測量車軸的實測參數(shù)。由于實測參數(shù)是在誤差允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)自動將車軸檢測完成后放到合格區(qū)。測得的軸頸位置處的參數(shù)如表2所示。

實驗在軸頸處取3個截面測量，每個截面轉(zhuǎn)動到3個角度，分別是0，120，240度。試驗中測得直徑誤差也為0.0001，圓柱度誤差為0.005，滿足規(guī)定的圓柱誤差為0 005的要求，所以所測得的車軸為合格品，與程序判斷的結(jié)果一致。

參考文獻(xiàn)

[1]韓迪.列車車軸多參數(shù)非接觸檢測系統(tǒng)研究[D].長春理工大學(xué)，2016.

[2]王一，程大林，任永杰，葉聲華.透射式激光掃描測徑技術(shù)[J].光電工程，2011（07）.

[3]肖作江，韓迪，安志勇，朱海濱，柳鳴.基于雙CCD的大型軸類零件直徑非接觸檢測方法研究[J].光學(xué)技術(shù)，2015 （05）.

[4]袁煒.論直線光柵尺及使用方法[J].金屬加工（冷加工），2013 （11）.

[5]羅炳軍，陳健，樊亞妮，基于運動控制器的開放式運動控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J]，工業(yè)儀表與自動化裝置，2006 （03）：10-11.