（车辆工程专业论文）轮对参数全自动测量系统.pdf

西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在铁路高速、重载的发展形势下，即提高铁路的运输能力，实现铁路运输的 现代化，又保证铁路的运输生产安全，显得尤为重要。如果没有性能良好的轮对 作为保证，要提高车辆运行速度和运行安全是不可能的。轮对参数检测在轮对检 修中处于关键地位，是保证轮对检修质量的重要手段，传统的检测方式是以人工 操作为主，数据的判断读取存在较大的人为误差，所以影响了检测结果的准确性、 真实性，也直接影响了车辆的行车安全。所以急需对现有的检测方式进行微机化、 自动化改造，以消除测试过程中人为因素对测试结果的影响，用先进的设备保证 车辆行车安全，所以本文研制种新型的轮对参数全自动测量机来解决这个问 题。 本文研究的轮对参数全自动测量机是一套现代化的智能检测系统，能满足多 种货车轮对的检查，可以完成轮缘厚度、轮座直径、轮辋厚度、踏面磨耗等l o 多个轮对几何参数的全自动测量。轮对参数全自动测量机主要由主机、液压系统、 数据采集通讯系统和控制检测系统等组成。轮对参数全自动测量机改变传统人工 测量轮对的方式，实现轮对制造和检修质量的“变人控为机控”，自动测量轮对 尺寸，避免人为测量中的误判及波动，以及误检、错检等弊端，测量数据准确， 实现检测质量自动化监测，避免数据出错造成不必要的经济损失。 用轮对参数全自动测量机能够更好地保证检修质量，轮对参数全自动测量机 的开发和应用对新形势下铁路运输设备实现技术升级、试验检测手段现代化、保 证行车安全都具有积极的意义。 关键词：轮对：参数；自动；测量机 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so fr a i l r o a dh i 曲s p e e da n dh a u ll o a d ，i ti sp a r t i c u l a r l y i m p o r t a n tt oi m p r o v et h ea b i l i t yo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，t or e a l i z et h em o d e r n i z a t i o n o f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o na n dt og u a r a n t e et h ep r o d u c es a f e t yo fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n i ti sn o ti m p o s s i b l et oi m p r o v et h ev e h i c l em o v i n gs p e e da n dm o v i n gs a f e t yi ft h e r e w e r en ob e s tw h e e l si nf u n c t i o nt oe n s u r et h es a f e t y w h e e l sp a r a m e t e re x a m i n i n gi s p l a c e di nk e yp o s i t i o ni nw h e e l so v e r h a u l ，a n di t i sa ni m p o r t a n tm e a n st oe n s u r et h e q u a l i t yo f w h e e l so v e r h a u l ，t r a d i t i o n a le x a m i n i n gm e t h o dm a i n l yd e p e n d so na r t i f i c i a l o p e r a t i o na n dt h e r ea r em o r em a n - m a d ee r r o r si nd a t aj u d g m e n t ，s oe f f e c t st h e a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ee x a m i n a t i o nr e s u l ta n de f f e c t st h ev e h i c l e ss a f e t y d i r e c t l y t h e r e f o r e ，t h ec u r r e n te x a m i n i n gm e t h o d sa r en e e d e dt ob ec o m p u t e r i z e da n d a u t o m a t e du r g e n t l yt or e m o v et h ei n f l u e n c eo ft e s t i n go ft h ea r t i f i c i a lf a c t o ri nt h e p r o c e s so f t e s ta n de n s u r et h ev e h i c l e ss a f e t yw i t l la d v a n c e df a c i l i t i e s s oan e wk i n do f w h e e l sp a r a m e t e rf u l l a u t o m a t i cm a c h i n ei sd e v e l o p e dt os o l v et h i sp r o b l e mi nt h i s t e x t t h ew h e e l sp a r a m e t e rf u l l a u t o m a t i cm a c h i n et h a ti sd i s c u s s e di nt h et e x t ，i ti sas e t o fm o d e mi n t e l l e c t u a lt e s ts y s t e m ，i ss u i t a b l et ot h ee x a m i n a t i o no fa l ls o r t so fw a g o n w h e e l s ，a n di ta l s oc a nc a l t yo u tt h ef u l la u t o m a t i cm e a s u r e st om o r et h a n1 0w h e e l s g e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，t h er i mt h i c k n e s s ，t h ew e a r i n ga n dt e a r i n go ft r e a d i n ga r e a ，e t c t h eg a u g i n g m a c h i n ec o n s i s t so fm a i ne n g i n e ，h y d r a u l i cs y s t e m ，c o m m u n i c a t i o n s s y s t e mo f d a t ac o l l e c t i o n ，c o n t r o l l i n gt e s ts y s t e m ，e t c t h em a c h i n ec h a n g e st h em e t h o d o ft r a d i t i o n a la r t i f i c i a lm e a s u r i n gw h e e l sa n df u l f i l st h ec h a n g eo fc o n t r o l “f r o m m a n - c o n t r o lt om a c h i n ec o n t r o l ”o fw h e e l sm a n u f a c t u r ea n de x a m i n i n gq u a l i t y ， a u t o m a t i cm e a s u r e so fw h e e l ss i z e s ，a v o i d i n ga r t i f i c i a lm i s j u d g m e n t ，w a v em o t i o n ， m i s e x a m i n a t i o n ，w r o n ge x a m i n a t i o n ，e t c t h eg a u g i n gd a t as h o u l db ea c c u r a t e ，w e s h o u l df u l f i l la u t o m a t i cm o n i t o r i n go ft e s t i n gq u a l i t ya n da v o i dt h em i s t a k e so fd a t a , c a u s i n gu n n e c e s s a r ye c o n o m i cl o s s e s i tc a ne n s u r et e s t i n gq u a l i t yt h a tt h ew h e e l sp a r a m e t e rf u l l a u t o m a t i c g a u g i n g m a c h i n e t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h em a c h i n eh a v ea c t i v es i g n i f i c a n c et o 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 i i 页 t e c h n i c a lp r o m o t i o no f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ne q u i p m e n t ，a r t i f i c em o d e m i z a t i o no f t e s t ， s a f e t yo f t r a i nt r a n s p o r t a t i o nu n d e rt h en e w s i t u a t i o n k e yw o r d s ：w h e e l s ，p a r a m e t e r ，a u t o m a t i o n ，g a u g i n g - m a c h i n e 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1问题的提出 中华人民共和国铁路主要技术政策【t 1 指出： 铁路是国家重要的基础设施，国民经济的大动脉，交通运输体系的骨干。为 贯彻国家可持续发展战略，适应和促进国民经济发展和社会进步，应充分发挥铁 路技术经济优势，积极发展铁路，满足运输市场需求 铁路技术发展的总原则是： 在国家发展战略指导下，加快科技进步，突出技术创新，以市场为导向，加 快科技进步，突出技术创新，以市场为导向，以经济效益为中心，以运输安全为 前提，不断提高运输能力、质量和效率。坚持自主开发与引进相结合，积极采用 高新技术，重视技术的综合集成。根据不同运输需求，采用不同层次的技术和装 备，系统配套，发挥整体效能。改革管理体制，制订相应的政策，推动新技术尽 快转化为生产力 铁路技术发展的总目标是实现铁路现代化。逐步建立客运快速、货运快捷和 重载、行车高密技术协调发展，商新技术与适用技术并重，不同层次技术装备并 存的具有中国铁路特点的技术体系。建成能力大、质量高、效益好、安全可靠、 全面信息化的现代化铁路。技术发展方向是：旅客运输高速化、快速化，货物运 输重载化、快捷化，运营管理信息化，安全装备系统化，建设技术现代化，经营 管理科学化 积极推进机车车辆修制改革，在预防修基础上，开展状态修、换件修和主要 零部件得专业化集中修，推广先进检测手段和维修装备，形成运用、维修的现代 化管理体系，建立和完善客车按走行公里检修模式 铁路运输生产必须坚持“安全第一”的原则，依靠先进技术和装备，保障行 车安全。以行车安全为核心，保障旅客运输安全为重点，系统配套发展铁路安全 技术与装备，制订、修订有关行车安全的规程、法规和标准，加强安全管理，完 善行车安全保障体系 大力发展安全检测技术，建立监测、控制和管理决策为一体的高度信息化的 安全监控网络 完善并推广机车和车辆故障检测珍断系统、对固定设施进行多层次多方位检 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第2 页 测的技术和装备、机车车辆安全运行的地面检测系统，研究采用固定设备在线自 动检测、远程诊断及故障预报预警技术，实现列车安全运行动态检测和行车主要 设备的实时监测与控制 从新颁布的我国铁路技术政策的有关条文不难看出，科学技术是现代生产力 最活跃的因素和最主要的推动力量。它不仅会导致社会生产力的迅速提高，也将 会引起人类社会生活进行深刻的变革。科技进步己成为国际经济竞争和综合国力 较量的焦点，科技的竞争将关系到国家兴衰和民族存亡。科学技术是第一生产力。 近半个多世纪以来，发达国家的铁路竞相采用高新技术，在货运重载、客运 高速和信息技术等方面取得了重大突破。实现了从传统产业向现代化产业的转 变，世界铁路依靠科技进步在各种现代化交通运方式的激烈竞争中得到了振兴和 发展，使曾经一度被称为夕阳产业的铁路，得到了再度兴盛，进入了一个新的大 发展时期。几十年来，我国铁路的科学技术也得到了很大的发展，取得了许多成 果，科学技术在铁路提高能力、保证安全、增加效益等方面起到了重大推动作用。 但是，从总体水平看，我国铁路运输能力不足，技术装备水平低，管理手段 落后，运输质量较差，不能适应市场经济发展的需要。客运高速技术研究处于初 级阶段，信息技术应用进展相对缓慢，运营管理和调度指挥基本沿用传统手段和 方法，我国铁路尚未完成从传统产业向现代化产业的转变。随着公路、民航系统 的迅速发展，铁路在国家运输工作总量中的份额在不断下降，出现了各种运输方 式相互竞争的局面，铁路面临着严峻挑战。 铁路作为我国国民经济的大动脉，综合运输体系中的骨干，对于实现国民经 济和社会发展目标，具有极为重要的作用。从现在起到本世纪2 0 2 0 年，是我国 铁路深化改革，加速发展，实现从“短缺型”向“适应型”、传统产业向现代化 产业转变的关键历史时期。为了实现顺应世界科技进步潮流，把握世界铁路发展 趋势，适应社会主义市场经济的特点，满足国民经济发展的需求，进一步扩大 运能，提高质量，改善服务，保证安全，增加市场竞争能力，就必须采用现代化 科学技术，依靠科技进步实现铁路科技进步历史性的飞跃。 目前，我国铁路的安全技术装备落后于运输生产不断发展的要求，运量与运 能的尖锐矛盾，是我国铁路存在超负荷运用铁路设备的严重倾向，长此以往，必 将降低设备的安全系数，缩短使用寿命，危及行车安全。此外，铁路运输自身固 有的点多、线长、生产的连续性、协作性和全天候等特点，使铁路设备也具有种 类多、数量大、配置分散、连续运转、自然力影响大和有形损耗严重等特点，不 仅加大了保证设备技术状态经常性良好的难度，而且还不易使运用中的设备始终 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第3 页 处于有效的监控之下。所有这些，使铁路运输安全基础建设面临更为复杂和艰巨 的挑战。发达国家铁路技术发展的实践表明，随着现代铁路高速、熏载和信息技 术的应用与发展，安全技术己成为与一系列高新技术相互融合、彼此渗透、不可 分割的先导技术，研制和发展先进的高质量的运输基础设备和安全技术检测设备 已经成为铁路现代化的重要标志。因此，在我国铁路大发展的形势下。强调运输 设备的基础作用，不失时机地进行机辆设备的系统配套改进和安全技术装备的加 强，改善车辆状态，改善检测装备，提高安全保障能力，必将大大加强我国铁路 的安全基础设备。 车辆是铁路运输的重要工具，它和其他机械一样在运用中不可避免地要发生 损伤，需要检修。车辆运用的条件十分复杂，除了载重大、速度高、货物种类繁 杂、装卸方式多样以外，它运行的地区范围大，气候各异，使车辆更容易发生损 伤。车辆必须编挂成列车运行，有严格的运行时间表，运行的区段长，不可能随 时停车检修。只要一辆车发生故障进行修理，就会延长停站时间，或摘车作业， 影响整列车的运行。如果未能及时发现并消除故障会造成事故，轻者延误列车运 行，重者列车颠覆，造成人员伤亡和巨大经济损失等严重后果。3 。“1 。因此，要求 每一辆车的技术质量高，检修后的技术状态好，以保证铁路客货运输不间断地进 行。我国车辆数量很多，要使每辆车的技术状态都符合要求，是十分艰巨的任务。 尤其改革开放以来，社会主义市场经济的发展对铁路运输提出了更高的要求，车 辆除了向大型、重载、高速方向发展以外，客车要求运行平稳、设备先进、方便 舒适，车上的服务性设施必须保持状态良好，满足旅客需要；货车要保持车体状 态良好，保证所装运的货物不湿、不污、不漏失、不变质。这就使车辆检修工作 任务更加繁重。因此，当前车辆部门的主要任务是：提高车辆检修的质量和效率， 为铁路运输提供数量充足、技术状态良好的车辆，保证行车安全：研究修车方法， 增强修车能力，压缩检修车，增加运用车，不断提高经济效益；设计、制造出质 量更好的车辆。 因此，在铁路列车全面提速和铁道部以科技创新保安全的形势下，铁道部加 强了对铁路车辆的大、中、小修的工艺验收，以确保行车安全运输就成为必然。 我国铁路技术装备正处在全面升级换代的阶段，运用计算机控制技术实现生产一 线检测试验设备自动化、智能化是新形势下铁路行业生存发展的需要，可以更有 效地保证行车主要设备的质量和状态，消除人为主观因素影响，保证铁路行车安 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第4 页 全。中华人民共和国铁路主要技术政策m 指出；积极推进机车车辆修制改革， 在预防修基础上，开展状态修、换件修和主要零部件的专业化集中修，推广先进 检测手段和维修装备，形成运用、维修的现代化管理体系。 在我国铁路提速和重载和铁路信息化管理的发展过程中，车辆行驶的安全问 题日益突出，对货车轮对质量也提出了更高的要求。轮对是铁路车辆上重要的运 动部件，其状态直接影响到车辆的运行安全和速度。轮轨经过一段时间磨损后， 每个轮对外形特征均会发生变化，定期对轮对的各关键面尺寸、形状以及位置精 度的检测非常重要，检测数据的准确性将直接影响到轮对的检修质量，如车轮直 径、轮缘厚度、踏面剥离及擦伤等，并且难以找到其规律，其测量问题一直是铁 路行业的难题，而当前对轮对参数的检测和数据记录基本上还是靠手工完成，测 量工具采用特制量具( 车辆车轮第四种检查器) 和直尺等，而这些传统的手工轮 对测量装置w 因效率低、差错率高、不便于信息化管理而不能满足当前的需要。 与此同时，由于列车向高速重载方向发展，使得列车轮对的磨耗加剧，检修周期 缩短，导致各车辆段检修的工作量加大，因此及时准确地掌握车轮轮对的磨耗状 况是非常必要的。 我们根据轮对检修质量控制的需要，在调研国内外同类设备技术的基础上， 采用成熟的三坐标测量技术，开发研制了这套轮对参数全自动测量机( 以下简称 检测系统) 。该系统按照中华人民共和国铁道部铁路货车轮对和滚动轴承组装 及检修规则对工艺标准的要求，可自动测量铁路货车轮对参数并实现计算机自 动化管理的智能化设备，并能与h m i s 系统连网，可以对轮对多个参数实现动态 在线测量并按车统5 1 轮对卡片m 】输出，大大提高工作效率和检测精度，其应用必 将为列车轮对的测量和检修提供一种全自动、高精度、高效率的检测手段，对于 提商轮对的检修质量、推进铁路系统的计算机管理、保障铁路机车的安全运行具 有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 国外有使用轮对测量机的先例，但检测参数不多，功能比较简单，如美国， 是按照标准检查部分项目，包括轮对跳动、轮直径、轴偏心。而些轮对磨耗、 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第5 页 轮对轴部分参数等都由人工检测，检测要求的标准不高。而我国铁路轮对检修方 面有完善的技术规程，因此，要按照我国铁路规范，开发全功能、智能化，真工f 能提升现场制造、检测、管理水平的轮对测量装备。 国内部分研究单位采用c c d 成像技术【】9 j ，采用一个图像传感器，从轮对的一 端运行至另一端，读出相关数据。主要存在问题是：对参数的检测方法不符合部 颁规程，比如轮对磨耗、轮辋宽度、轴直径等都无法符合部检测标准；数据的重 复误差大，由于光散射、轮对表面不同粗糙度等，都将影响测试尺寸。因此采用 合理的检测方法是解决本课题的关键，为此我们借鉴三坐标测量机的成熟技术， 设计轮对参数全自动测量机，保证全部参数的检测方法都符合铁标的规定，参数 的精度都在测试范围。 1 3 传统轮对参数测量方式 国内铁路部门对于车轮的日常检测还停留在样板目测的人工检测阶段，极少 数单位使用了自动或半自动的电子量具。过去传统的测量方式是用铁路车辆专用 量具进行手工测量，下面是一些传统的测量工具的介绍。 13 1 磨耗形踏面检查样板 l i i i ： ： 图卜1磨耗形踏面检查样板 磨耗形踏面检查样板用于测量车轮及旋修后车轮的踏面外形。测量时将样板 放于踏面上，样板平面处于车轮直径方向，脚部紧靠车轮内侧面，如图l l 所示。 检查轮缘外侧及踏面部分的局部间隙不得超过0 5n l _ r n ，轮缘顶部间隙不得超过l 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第6 页 1 ，3 2 铁路车辆车轮轮径尺 图1 2 铁路车辆车轮轮径0 车辆车轮轮径尺用于测量客车、货车车轮直径及判定同一轮对两车轮直径差 的专用量具。该检查器测头采取连续可调式结构设计，当测头在使用过程中发生 磨损造成示值超差可调整测头修正示值，克服了不可调测头磨耗后，示值超差无 法修复的缺点从而大大延长了检查器的使用寿命，是目前国内车辆车轮直径测量 的最佳量具，如图l 一2 所示，测量范围：7 5 0 9 5 0 m m 分度值；0 1 m m 1 3 3 车辆轮对轴径中, l , l z f i 尺 图13 车辆轮对轴径中心距尺 轮对轴径中心距尺可对轮对各部位相关尺寸进行综合测量，人工测量如图 1 - 3 所示。 1 3 4 车辆轴径专用游标卡尺 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第7 页 图卜4 车辆轴径专用游标卡尺 车辆轴径专用游标卡尺，如图1 - 4 所示用于测量车辆轮轴轴径轴领、防尘 座和轮座的直径、轴径长度和轴领宽度尺寸等。主要技术指标：1 分度值：0 1 m m ： 2 撷0 量范围：o 3 0 0 m m 。 1 3 5 车辆轮对轴颈尺 图卜5 车辆轮对轴颈尺 轮对轴颈尺是用于车辆辅修、轴检、临修时，测量轮对轴颈的专用量具，如 图1 - 5 所示。主要技术指标：分度值：0 1 m m ；测量范围：8 0 1 8 0 m m 。 1 36 车辆轮对内距尺 图卜6 车辆轮对内距尺 用于测量机车、车辆轮对内距尺尺寸。测量方法如图1 - 6 所示。1 尺杆平行 车轴中心线；2 检查尺甲部贴紧轮缘内侧；3 检查尺乙部游标尺与另一侧轮缘 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第8 页 内侧贴紧，读游标刻线与乙部游标尺刻度对准数即为轮背内侧距离：4 沿轮周 测量三处之差不得大于3 m m 。测量范围：1 3 4 5 1 3 6 5 m m ；分度值：l m m 。 1 3 7 轮缘垂直磨耗检查器 围1 7 轮缘垂直磨耗检查器 测量方法如图1 7 所示。1 主尺靠紧轮缘内侧游标尺落于踏面：2 推动游 标尺使底部与轮缘根部接触；3 1 5 m m 刻度线与轮缘外侧密贴为到限。 1 3 8 铁道车辆车轮第四种检查器 图卜8 铁道车辆车轮第四种检查器 l l j 一4 a 型铁道车辆车轮第四种检查器是国内测量车轮轮辋、踏面及相关缺 陷尺j 。的种新型测量工具，它具有1 1 个测量功能( 原l l j 一4 型只有9 种功能) 。 主要特点是根本改变了原我国铁路以车轮轮缘顶点为基点测量轮缘厚度的方法， 浚种检查器以车轮踏面滚动圆( 即距车轮内侧7 0m n l 处的基线) 为基点测量轮缘厚 度，车辆轮对的轮缘厚度测点始终距车轮滚动圆保持恒定距离值( 踏面滚动圆向上 1 2n u n 。) ，不会因踏面磨耗而改变。该种车轮检查器测量数据准确，对保证行车安 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第9 页 全，检查脱轨的安全性，延长车轮使用寿命以及减少人、财、物的浪费起到重要 作用。 该种检查器具有测量车轮踏面圆周磨耗、轮缘厚度、轮缘高度、轮辋宽度、 车轮外侧碾宽、轮辋厚度、踏面擦伤深度和长度、踏面剥离深度和长度、车轮轮 缘垂直磨耗等功能。 列车车辆行车的安全与车辆轮对的质量息息相关，在货车定期检修中，轮对 踏面的几何尺寸以及位置准确度的检测十分重要，检测数据是否正确直接影响轮 对的检修质量，关系到行车安全。传统检测方法显得效率低下，劳动强度大，错 差率高，人为产生检测误差，检测数据的准确性将直接影响到轮对的检修质量， 同时也不便于信息管理。为了实现轮对自动测量，变人控为机控，测量轮对踏面 形状及位置尺寸，使之自动化、智能化和信息化，为此轮对参数全自动检测系统 应运而生了。 1 4目前国内其他轮对参数自动测量方式 目前国内研制轮对尺寸自动检测的单位也不少，8 0 年代石家庄车辆段进行研 制，由于它应用接触式测量，受到了各种环境的影响，精度达不到要求，不能使 用。最近两年北京、广州、上海、郑州、江岸等单位陆续研制自动检测系统，所 应用的方法分别为：光栅检测技术、激光测距装置、接触式高精度测位移装置、 无接触位移检测装置、c c d 计算机图像自动检测装置等。但采用以上方式应用高 精密设备，造价高，使用环境要求苛刻，测量周期长，测量参数不够全面等缺点， 不能满足我国铁路快速发展的需要。 1 4 1 光栅检测技术 该系统以工业控制计算机为核心，通过使用电涡流位移传感器、光栅位移传 感器、摄像机、精密光电开关和旋转编码器、交流变频调速、步进电动机细分驱 动以及各种先进的测试和控制技术，对包括轮对外形尺寸、轮对踏面擦伤深度、 剥离长度以及车轴、轮对和标记板的标记等2 0 多个参数实现动态在线测量和识 别。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 0 页 图1 - 9 光栅检测系统组成图 图1 _ 1 0 光栅检测系统工作原理 轮对参数自动检测系统主要由运动控制、数据采集和处理、图像处理和检测 结果输出等部分组成并通过工控机组成一个整体其工作原理如图1 - 9 和图1 1 0 所示。测量系统共使用8 个电涡流、1 0 个光栅传感器和2 0 个光电开关等装置进 行信息采集。整个系统能够实现轮对参数自动检测和计算机全自动化管理用户 通过输入车轴号可以方便地从轮对数据库中查询每个轮对的检测结果并可通过 打印机将测量结果输出打印。测量装置通过控制系统各个部分的协调运动完成轮 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 1 页 对参数的测量。 1 4 2 c c d 计算机图像自动检测 图1 - 1 1c c d 计算机图像自动检测原理 在整个测量系统中，为了满足生产率以及测量准确度等要求，整个测量系统 使用了高精度面阵c c d 及进口精密传感器，所有上述测量系统均为非接触式并 相应安装于轮对所需检测尺寸的范围内固定不动，不存在因测量元件的运动而产 生的误差。 由图1 1 1 可知c c d 5 用以测量轮座轴直径和轮中轴直径，g 1 、g 2 、g 3 、g 4 等高精度传感器完成轮对内侧距及内侧距差值，在为测量系统提供测量踏面尺寸 的计算基准和轮辋宽度。 c c d 7 和c c d 8 两台摄像机将轮对轴头标志的图像输入计算机。 图中c c d l 、c c d 2 、c c d 3 、c c d 4 用以测量轮对踏面几何尺寸，即滚动圆 直径，踏面圆周磨耗，轮缘厚度。为了检测踏面表面质量以及轮对内侧距三等分 的测量和轮对中心线同轴度的要求，该检测系统设计一个旋转驱动装置，由磨擦 轮驱动轮对旋转，这样来实现轮对擦伤、剥离及偏心的测量。 图中c c d 6 用以测量轮辋厚度，当轮对旋转时还可测出轮辋内侧直径与滚动 圆直径的偏心，从而测出轮辋厚度的最危险截面尺寸。 整个测量过程全部数据的测量和自动测量全部动作均在计算机控制下完成， 5 1 c 卡上的测量录入尺寸由计算机输出，非测量内容由测试人员直接录入，其测 量内容及报警修程提示由计算机自动完成。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 2 页 1 4 3 激光测距装置 幽l 1 2 激光删e e 装置工作原理 被测轮对与激光传感器之间的距离为一设定值( 此设定值对应于激光传感器 线性测量段的零点1 。在测量过程中，激光传感器沿着滑动导轨运动，当被测轮对 尺寸发生变化时，激光传感器与工件的距离也将改变，其输出电压信号也随之改 变，经过a d 转换单元采样后送入下位机，此为轮对的径向( y ) 数据。 与此同时，下位机同步计数来自伺服电机控制器的反馈脉冲数，单片机以此 计算激光传感器沿滑动导轨运动的位移，此为轮对的轴向数据。 伺服电机根据设定的运动速度运行，同时电机控制器把电机上光电编码器输 出的一定频率的反馈脉冲送入下位机。下位机对该脉冲进行计数，每隔2 0 个计 数脉冲( 对应于轴向的o 1 m m ) ，通过a d 转换器对激光传感器的测量输出数据 进行采样。这样就实现了同步采样。 下位机通过基于r s 4 2 2 a 标准的串行接口将数据高速传输到上位机。上位机 融合径向和轴向数据后，即可画出被测工件的二维图像并计算出相关的轮对外形 几何参数。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 3 页 1 5 本文研究的主要内容、目标与方法 轮对参数全自动测量机是按照如下需求研制的：一、轮对参数全自动测量机 应能满足客货车轮对检测的需要：二、符合铁道部铁路货车备用轮轴管理办法 新车统标准的要求；三、实现轮对尺寸参数的全自动测量及各设备之问数据共享 作为全新概念的轮对全自动测量机的使用价值。 1 能够改善传统的人工轮对数据测量方式； 2 能够提高检测精度和质量检测水平，变“人控为机控“1 ”，保证轮对出 厂( 段) 质量： 3 能与铁路信息化结合起来，作为智能终端直接联入轮轴现场的车轮厂级理 系统( h m i s ) ，真正实现用信息技术改造传统产业，与技术进步的大方向相吻合。 1 5 1 基本设计思想 1 主体结构合理。由设计保证主体结构的合理和稳定，同时要保证辅助上下 料装置、定位、升降机构、检测机构等与主体相适应，保证检测精度、检测方式 及测量顺序满足现场工艺要求。 2 适用范围广。扩展适用范围和使用功能，使其适用于r d 2 、r e 2 、r c 3 、r d 3 、 r d 4 、r d 3 t 、r d 3 a 等型轮对。该装置要适应进厂轮对检测及出厂轮对检测两种使 用环境。 3 网络通讯。能够从d a i s 管理系统接收数据并可将检测的轮对参数直接传 送到h m i s 信息管理系统。 4 检测全面。要求能够检测轮对涉及车统5 l 要求记录的所有参数，而且检 测精度达到铁标规定。 5 自动化。全自动运行，彻底解决手工测量缺陷。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 4 页 第2 章轮对参数自动检测系统的方案设计 2 ，1 概述 轮对各种修程中的各工序均应按预先规定的工艺规程及技术要求完成，并应 符合乍辆轮对、轴承组装及检修规则的规定。轮对在外观检查后必须测量各 部尺寸，并按规定建立轮对卡片，确定旋修范围。应用第二( 或第四) 种检查器、 轮对内距尺、车轮直径尺、外卡钳、钢直尺及弧度样板测量轮对下述各部尺寸： 轴颈直径、轴颈长度( 测量滑动轴承车轴轴颈长度时，应以轴颈内侧面至后部轴肩 棱线处为准) 、轴颈厚度、轮座较原型减小量、轮座前肩弧度最小半径、轴颈后肩 弧度最小半径、轮辋厚度、踏面圆周磨耗深度、擦伤及局部凹入深度、轮缘厚度、 车轮直径及同轮对轮径之差、轮对内侧距离及内距三处最大差和轮位差。测量 时应将以上尺寸记录在轮对卡 上“。“。 为适应铁道部轮对组装和提速的需要，满足铁路货车备用轮轴管理办法 新车统5 l 标准的要求，实现轮对尺寸参数自动测量及各设备之间实现数据共享， 提高设备检测水平，保证轮黯检修及组装质量。我们在调研国内外同类设备技术 的基础上，采用成熟的三坐标测量技术，开发研制了轮对参数全自动测量机。该 测量机适用于轮对进厂分解检验、轮对出厂参数检验，足轮对组装自动化车间的 必备核心设备，通过对轮对参数的自动测量，解决了传统人工测量存在的问题： 同时可与其它工序共享所检测的数据，而且实现数据全双工通讯，可将测量数据 直接存入轮轴h m i s 系统。 2 2 三坐标测量机的选型 从1 9 5 0 年英国f e r r a n t i 公司制造出第一台数字式测头移动型三坐标测量 机、1 9 7 3 年前西德o p t o n 公司完成三维测头设计并与电子计算机配套推出第一 个三坐标测量系统毗来，经过儿十年的快速发展，坐标测量技术己臻成熟，测量 精度得到极大提高，测量软件功能更加强大，操作界而也日盏完善，乍产厂家遍 靠全球，开发了适于小同用途的三坐标测量机型。几十年的发展先分证明，现代 三坐标测量系统打破了传统的测量模式，具有通用、灵活、高效等特点，可以通 = 坐标测量系统打破了传统的测量模式，具有通用、灵活、高效等特点，可以通 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 4 页 第2 章轮对参数自动检测系统的方案设计 2 1 概述 轮对各种修程中的各工序均应按预先规定的工艺规程及技术要求完成，并应 符合车辆轮对、轴承组装及检修规则的规定。轮对在外观检查后必须测量各 部尺寸，并按规定建立轮对卡片，确定旋修范围。应用第三( 或第w ) e e 检查器、 轮对内距尺、车轮直径尺、外卡钳、钢直尺及弧度样板测量轮对下述各部尺寸： 轴颈直径、轴颈长度( 测量滑动轴承车轴轴颈长度时，应以轴颈内侧面至后部轴肩 棱线处为准) 、轴颈厚度、轮座较原型减小量、轮座前肩弧度最小半径、轴颈后肩 弧度最小半径、轮辋厚度、踏面圆周磨耗深度、擦伤及局部凹入深度、轮缘厚度、 车轮直径及同一轮对轮径之差、轮对内侧距离及内距三处最大差和轮位差。测量 时应将以上尺寸记录在轮对卡片上“7 。 为适应铁道部轮对组装和提速的需要，满足铁路货车备用轮轴管理办法 新车统5 1 标准的要求，实现轮对尺寸参数自动测量及各设备之间实现数据共享， 提高设备检测水平，保证轮对检修及组装质量。我们在调研国内外同类设备技术 的基础上，采用成熟的三坐标测量技术，开发研制了轮对参数全自动测量机。该 测量机适用于轮对进厂分解检验、轮对出厂参数检验，是轮对组装自动化车间的 必备核心设备。通过对轮对参数的自动测量，解决了传统人工测量存在的问题； 同时可与其它工序共享所检测的数据，而且实现数据全双工通讯，可将测量数据 直接存入轮轴h m i s 系统。 2 2 三坐标测量机的选型 从1 9 5 0 年英国f e r r a n t i 公司制造出第一台数字式测头移动型三坐标测量 机、1 9 7 3 年前西德o p t o n 公司完成三维测头设计并与电子计算机配套推出第一 个三坐标测量系统以来，经过几十年的快速发展，坐标测量技术己臻成熟，测量 精度得到极大提高，测量软件功能更加强大，操作界面也日益完善，生产厂家遍 布全球，开发了适于不同用途的三坐标测量机型。几十年的发展充分证明，现代 三坐标测量系统打破了传统的测量模式，具有通用、灵活、高效等特点，可以通 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 5 页 过计算机控制完成各种复杂零件的测量，符合机械制造业中柔性自动化发展的需 要，能够满足现代生产对测量技术提出的高精度、高效率要求。除用于空间尺寸 及形位误差的测量外，应用坐标测量机对未知数学模型的复杂曲面进行测量，提 取复杂曲面的原始形状信息，重构被测曲面，实现被测曲面的数字化，不仅是坐 标测量机应用的一个重要领域，也是反求工程中的关键技术之一，近年来也得到 快速发展l ”。 测量头作为测量传感器，是坐标测量系统中非常重要的部件。三坐标测量机 的工作效率、精度与测量头密切相关，没有先进的测量头，就无法发挥测量机的 卓越功能。按测量方法，可将测头分为接触式( 触发式) 和非接触式两大类。触 发式测量头又分为机械接触式测头和电气接触式测头；非接触式测头则包括光学 显微镜、电视扫描头及激光扫描头等。 常规接触式测头是由红宝石材料做成，优点是接触变形和侧向摩擦小，缺点 是接触力造成的局部弹性变形及安装测球的测杆产生的弯曲变形很大，以及存在 ”各向异性”，”开关行程”，”开关行程分散性”，”复位死区”等误差。目前市售的这 类测头的重复性精度只能达到微米及零点几微米，使测量机整体测量的精度不能 再得到提高。 非接触测量的最大特点就是测量力为零，但光学式非接触式测头由于光线的 干涉和衍射现象，其测头精度只在微米量级。目前出现的几种非接触式光学测头 如瞄准显微镜测头，光学点位测头和电视扫描测头都是现有技术在三坐标测量机 上的应用，其结构复杂，应用范围非常狭小。 正确选择和使用测头是影响坐标测量机的测量精度的重要因素。测针安装在 测头上，是测量系统中直接接触工件的部分，它与测头的通讯式连接渠道称作触 发信号。如何选用合适的测针类型和规格取决于被测工件的特征，但是在任何情 况下，测针的刚性和测球的球度都是不可或缺的。工业用红宝石是高硬度的陶瓷 材料，红宝石测球具有很好的球度，测量时红宝石测球的球头磨损可忽略不计。 测针针杆一般用非磁性的不锈钢针杆或碳钨纤维针杆，以保证测针的刚性。 测针的有效工作长度( e w l ) 使得测针接触工件时可获得精确的测点位置。球头尺 寸和测针有效工作长度的选取取决于被测工件。可能的情况下，选择球头直径尽 可能大、测杆尽可能短的测针，以保证最大的球头测杆距，获得最佳的有效工作 长度和测针刚性。需要时可加长测杆以增大探测深度，但值得注意的是，使用测 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 6 页 针加长杆会降低刚性，从而降低测量精度。 2 3 轮对参数自动测量机的系统设计方案 自动按照铁标要求检测轮对相关参数并进行数据分析计算、实现数据存储和 打印，并将所测数据自动填写到车统报表中，实现了“变人控为机控”的目标。”。 采用三维坐标系统，解决了轮对测量过程中轴向数据检测的定位问题，提高了检 测精度。具有网络智能接口，可直接实现与其它工序数据交换，同时数据传入车 间h m i s 系统，提高了工作效率。全自动控制，智能提示，操作简单，便于掌握。 高可靠性设计标准，核心器件全部选用进口部件。适用于r d 2 ，r d 3 ，r b 2 ，r c 3 ， r e 2 ，r d 3 a ，r d 3 b ，r d l 3 ，r d l 4 等轴型，以及d ，k d ，h d s ，h b s ，h e s 等轮型“。 2 3 1 自动测量机的功能设计 自动测量轮对尺寸，减少人为测量的劳动强度，避免人为测量的误差和数据 波动；自动从其它工序读取轮对信息，并将测量数据存储到本工位计算机和数据 中心数据库中，保证了轮对数据的可靠保存和网络共享。 2 3 2 检测参数及精度要求 根据车统5 1 - c 的要求“1 需检测以下内容，如图2 1 所示： 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 - i 车统5 1 一c 检测参数示意图 1 一轮座直径；2 一轴身直径；3 一车轮直径；4 一蹬面磨耗：5 - 轮辋厚度：6 - 轮缘厚：7 - 踏面宽；8 一内 侧距及三点差。 根据车统5 1 一c 的要求，设计该系统检测参数如下： 表2 - 1 检测参数( 12 个) 序号参数名称测量精度 l 车轮直径 0 2 m m 2 轮对内距 0 1 m m 3 轮位差 0 1 m m 4轮辋宽 0 1 m m 5 轮辋厚 0 2 m m 6轮缘厚度 0 1 m m 7车轮偏心0 2 m m 8 车轴全长 0 1 m m 9 轴颈直径 0 0 0 5 m m lo防尘座直径0 0 0 5 m m 1 l轴身直径 0 。2 m m l2 踏面磨耗 0 1 m m 西南交通大学工程硕士研究生学位论文第18 页 2 3 3 检测系统部分设计方案及要求 根据轮对检测参数的特点，采用不同的检测方式对轮对的全部参数进行检 测。轮对轴颈部分参数测量采用接触式进口高精度传感器、轴向部分参数测量采 用三维坐标定位测量系统、车轮部分参数检测采用非接触式进口高精度激光传感 器作为检测的核心部件。 轮对参数全自动测量机是按照如下需求研制的：一是轮对参数全自动测量 机应能满足客货车轮对检测的需要；二是符合铁道部铁路货车备用轮轴管理办 法新车统标准的要求：三是实现轮对尺寸参数的全自动测量及各设各之间数据 共享“。1 。 全新概念的轮对全自动测量机的使用价值：第一，能够改善传统的人工轮对 数据测量方式；第二，能够提高检测精度和质量检测水平，变“人控为机控”， 保证轮对出厂( 段) 质量：第三，能与铁路信息化结合起来，作为智能终端直接 联入轮轴现场的车轮厂级理系统( h m i s ) ，真正实现用信息技术改造传统产业，与 技术进步的大方向相吻合。 设计的基本原则是： 1 主体结构合理。由设计保证主体结构的合理和稳定，同时要保证辅助上下 料装置、定位、升降机构、检测机构等与主体相适应，保证检测精度、检测方式 及测量节拍满足现场工艺要求。 2 ，适用范围广。扩展适用范围和使用功能，使其适用于r d 2 、r e 2 、r c 3 、r d 3 、 r d 4 、r d 3 t 、r d 3 a 等型轮对。该装置要适应进厂轮对检测及出厂轮对检测两种使 用环境。 3 网络通讯。能够从h m i s 管理系统接收数据并可将检测的轮对参数直接传 入h m i s 信息管理系统。 4 检测全面。要求能够检测轮对涉及车统5 l 要求记录的所有参数，而且检 测精度达到铁标规定。 5 自动化。全自动运行，彻底解决手工测量缺陷。 西南交通大学工程硕士研究生学位论文 第1 9 页 第3 章轮对参数全自动测量机的工程设计 轮对参数全自动测量机主要由主机、液压系统、数据采集通讯系统和控制检 测系统等组成，其组成如图3 - 1 所示。 3 1主机部分 图3 - 1轮对检