（机械设计及理论专业论文）机车轴瓦高出度及平行度非接触检测系统的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 机车轴瓦的高出度及平行度是影响轴瓦合格判定的重要因素，决定了轴瓦的 使用性能。目前国内大多数轴瓦生产厂家采用人工检测的方式，检测效率低，人 为因素大，容易受外界因素的影响。为提高轴瓦的检测精度和效率，有必要研究 开发一种机车轴瓦高出度及平行度自动检测系统。 轴瓦高出度及平行度自动检测检测系统主要包括机械结构模块，数据检测 模块，误差分析模块，控制系统模块，专家系统模块。硬件部分主要包括电涡流 传感器、可编程控制器( p l c ) 、标准的r s 2 3 2 串行通信接口、p c 机、机械执 行机构等部件。 本文采用电涡流传感器对轴瓦对口面进行数据采集：运用误差理论对采集 来的数据进行粗差剔除，用最小二乘法拟合直线，求出系统误差补偿，并用m a t l a b 对补偿结果进行了验证；数据经过分析处理之后直接存储在a c c e s s 数据库类型 的数据表中，系统设置了数据管理窗口，可以对检测结果可视化显示；机车轴瓦 高出度及平行度的检测是在外加载荷的作用下进行的，系统采用的圆柱形包容面 定位法保证机械定位精度，利用p l c 控制s p w m 信号实现电机的变频调速；采 用标准的r s 一2 3 2 串行通信接口保证上位机( 计算机) 、下位机( p l c ) ，和专家 系统之间通信的可靠性。 软件部分利用v i s u a l c + + 作为前台开发工具，开发了数据库管理程序、数据 采集程序、专家系统正向推理及数据库访问程序。系统开发了人机界面，操作人 员根据需要可以查看任何有关生产的情况，同时也可以对生产做出预测，实现轴 瓦实时跟踪，修复改意见反馈等功能。 机车轴瓦高出度及平行度自动检测系统采用非接触检测的方式对轴瓦对口 面进行检测，检测精度可以达到1 朋，检测效率为4 0 5 0 件分，能够满足轴瓦 实际生产对检测系统的要求。 关键词：轴瓦，高出度，平行度，电涡流传感器 机车轴瓦高出度及平行度非接触检测系统的研究 a b s t r a c t t h ed e g r e e so fd i f f e r e n t i a lh i g ha n dp a r a l l e la r et w oi m p o r t a n tf a c t o r st o i n f l u e n c et h ee l i g i b i l i t yo fb e a r i n go ft h el o c o m o t i v ee n g i n e l o t so ff a c t o r i e su s e m a n u a ls t y l et e s t i n gn o w ，w h o s ee f n c i e n c yi sl o w t h i s w a yw a se a s y t ob e i n n u e n c e db ye n v i r o n m e n ta n dc o n t r i v e df a c t o r i ti s n e c e s s a r yt 0r e s e a r c ha n d d e v e l o pa na u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e mo fd e g r e eo fd i f f e r e n t i a lo fh i g ha n dp a r a l l e lt o a d v a n c ee f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no ft e s t i n go ft h eb e a r i n g t h ea u t o m a t i o nt e s t i n gs y s t e mo fd i f f l 巴r e n t i ao fh i g ha n dp a r a l l e li n c l u d e s m e c h a n i c a lm o d u l e ，d a t at e s t i n gm o d u l e ，e r r o ra n a l y s i sm o d u l e ，c o n t r o ls y s t e m m o d u l ea n de x p e r ts y s t e mm o d u l e h a r d w a r ep a r t si n c l u d ee d d yc u r r e n ts e n s o r p l c ， n o r m a lr s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，p c ，m e c h a n i s ma n ds oo n u s ee d d yc u f r e n ts e n s o rt oc o l l e c td a t ao fs u r f a c eo fa x i st i l e ；a n a l y z et h ed a t a u s i n ge r r o rt h e o r y ；d a t at h r o u g ha n a l y z i n ga n dd i s p o s i n gi sd i r e c t l ya c c e s s e dt od a t a e x c e lo fa c c e s sd a t a - b a s e ，s y s t e ms e t sd a t ac o n t r o lw i n d o w s ，m a k et e s t i n gr e s u l tt o v i s u a ld i s p l a y ；t h et e s to fd i f f e r e n t i ao fh i g ha n dp a r a l l e lo fa x i st i l e i sb em a k i n g u n d e ra c t i o no fl o a di na d d i t i o n ， s y s t e mu s e so r i e n t a t i o no fc o l u m nt 0 a s s u r e m e c h a n i c a lo r i e n t a t i o np r e c i s i o n ，u s ep l ct oc o n t r o ls p w ms i g n a lt oc o m et r u e f r e q u e n c yc o n v e r s i o n 0 f e n g i n e ；a d o p tn o r m a l r s 一2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c et 0a s s u r er e l i a b i l i t y0 fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e r p l ca n de x p c r t s y s t e m u s ev i s u a lc + +t ob ed e v e l o p m e n tt o o lo nt h es t a g e ， d c v e l o pd a t a b a s e m a n a g e m e n tp r o g r a m ， d a t ac o l l e c t i o n p r o c e d u r e ，e x p e r ts y s l e m o fd a t a - b a s e a c c e s s i n gp r o c e d u r e s y n c h r o n o u s l ys y s t e md e v e l o p e di n t e r f a c eo fh u m a n 。c o m p u t e r ， w o r k e r sc o u l dl o o k0 v e rc i r c so fp r o d u c eb a s e do nr e q u i r e m e n t ，a n df b r e c a s tp r o d u c e ， a n di th a sf u n c t i o no ft a i l i n ga x i st i l ea ta n yt i m ea n da m e n d i n gf c e d b a c kf u n c t i o n s t h ea u t o m a t i o n t e s t i n gs y s t e m o fd i f f c r e n t i ao fh i g ha n dp a r a l l e lu s e s n o n c o n t a c tm e a s u r e m e n tw a yt ot e s tt h ei n t e r f a c eo fa x i st i l e ，p f e c i s i o no ft e s t i n g c a na c h i e v e 1 j 叫馆，e f ：f i c i e n c yo ft e s t i n gi s4 0 5 0 p s ，a n di tc o u l dm e e tr e q u i r e m e n t so f t e s t i n gs y s t e mo fp r o d u c t i o n k e yw o r d s ：b e a r i n g ；d i f f e r e n t i ao fh i g h ；d i f f e r c n t i ao fp a r a l l c l ；e l e c t r i c a lv 0 r t e x s e n s 0 r ： 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：b 尝、币 日期：砌嘶锌衫月力日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 赵走纬 日期：? 彬僻易月纱日 日材6 月渺 硕士学位论文 第1 章绪论 根据轴承中摩擦性质的不同，可以把轴承分为滑动轴承和滚动轴承。滚动轴 承由于摩擦系数小，起动阻力小，而且它已经标准化，维修润滑都很方便，因而 在机器中应用广泛。滑动轴承本身具有一些独特的优点，使它在某些不能或不便 使用滚动轴承的场合( 主要包括工作转速特高、特大冲击与振动、径向安装尺寸 受到限制或必须剖分安装等条件下) ，仍占有重要地位。滑动轴承广泛应用于轧 钢机、汽轮机、内燃机、铁路机车及车辆、金属切削机床、航空发动机附件等机 械设备中。 轴瓦是滑动轴承中的重要部件，其结构设计对轴承的性能影响很大。轴瓦应 具有一定的强度和刚度，在轴承中定位可靠，便于输入润滑剂，便于散热，拆卸、 调整方便。按照轴瓦的构造不同，可将其分为整体式和对开式两种。本文主要讨 论对开式轴瓦。 1 1 课题研究背景与意义 机车轴瓦是机车发动机中的重要部件。由于其工作载荷大，所受冲击和振动 大，转速高，因此对其制造精度和材质有较高要求。轴瓦高出度及平行度是轴瓦 质量的关键参数，也是轴瓦合格判定的重要指标，直接决定了轴瓦工作性能。轴 瓦的平行度可以控制轴瓦配对组装后的圆柱度，避免两端过盈量不等造成切向应 力沿轴向界面分布。高出度可以控制轴瓦对口面应力分布：如果轴瓦高出度过大， 就会使瓦背压力超过屈服极限，造成永久变形，甚至导致烧瓦事故；如果轴瓦高 出度过小，将不能保证轴瓦与轴瓦座孔内壁紧密配合，轴瓦的承载能力就会降低 1 1 1 。因此，必须对轴瓦的高出度及平行度进行严格控制，确保机车工作的可靠性。 许多机车生产商要求轴瓦供应商按轴瓦高出度及平行度尺寸经行分组，以便于装 配。 国外先进的轴瓦生产企业，除了实验室、检测部门和研究机构拥有先进的功 能强大的精密检测仪器外，生产中普遍采用专用的高效率精密检测机进行在线检 测，从而确保产品质量。目前，国内轴瓦生产企业中，对轴瓦高出度及平行度的 检测，绝大多数是采用千分尺手工检测的方式。这种方式存在着仪器误差和人为 误差，而且检测效率低，只适合对轴瓦进行抽检，而不适合1 0 0 检验，不能满 足大规模批量生产的要求。一些大型轴瓦生产企业从国外进口自动检测设备，但 面临成本高，升级困难，维护不方便的困难。为此有必要研究开发一套轴瓦自动 检测系统。 机车轴瓦高出度及平行度非接触检测系统的研究 1 2 非接触检测 1 2 1 非接触检测研究进展 传统检测方式主要采用机械探针检测的方法，这是开发较早，研究最充分的 一种接触检测方法。利用机械探针接触被测物表面，当物体表面移动时探针沿被 测物体表面也相应的移动，其移动量由与探针组合在一起的位移传感器检测，所 测得的数据经过适当的处理就得到了被测表面的移动量。常见的机械探针式检测 仪，检测较为准确、可靠、易于操作，但同时也存在许多局限性，主要表现在： 1 接触式检测不适于检测软质材料和易被探针划伤材料的表面，检测光洁度 要求很高的表面或具有腐蚀性材料的表面。 2 探针式检测仪的调整和检测时间长，需要过多的人工干预，从而带来不必 要的人为误差，不适于高精度、高速度的自动化系统： 3 对落差大、非连续的回转体表面，接触式检测方式无法进行检测，因而检 测范围有限。 非接触检测方式可以很好的克服接触式检测方法的不足。对于各种检测目标 都可以提供高灵敏度、高精度、高效率的数据采集，从而实现对被测物各种参数 的非接触检测。它不会造成被测物表面的划伤或损坏，对各种材料制成的工件均 可实现检测。非接触检测的最大优点是在被测物加工过程中便可对其进行检测， 即在线实时检测，从而实现对加工过程的控制，这是接触式检测所无法比拟的。 随着新技术的发展，非接触检测方法得到了越来越广泛的应用，我国的非 接触检测技术，在建立计量基准、标准方面，在某些高精度零部件的测试与仪器 的研制等方面，有些已达到或接近国际先进水平【3 1 。 1 2 2 非接触检测的主要方法 非接触检测是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下， 得到物体表面参数信息的检测方法。非接触检测方法主要包括激光检测法、超声 波检测法、图象技术检测法以及电涡流检测法等。 1 激光检测法 利用受激发射原理和激光腔的滤波效应使所发光波具有方向性好、亮度高、 单色性好的优点。基于激光的这些特点形成了多种激光检测方法，主要有激光干 涉法、激光扫描法、光纤法和激光三角法等【1 6 】。 ( 1 ) 激光干涉法。激光光源克服了单色光源对干涉仪的限制，提高了干涉 信号的处理精度和速度，在微电子、机械工程等众多的领域有广泛应用，其检测 微变量原理图如图1 1 所示： 2 硕士学位论文 1 激光器2 ，3 ，1 2 反射镜4 会聚物镜5 小孔光阑 6 准直物镜 7 ，8 半透半反分光镜9 角锥棱镜( 动镜) 1 0 ，1 3 狭缝 1 1 ，1 4 光电接收器 图1 1 激光干涉法检测微变量原理图 ( 2 ) 激光扫描法。激光扫描法是1 9 7 2 年发展起来的一种技术，有人称之为 l a s e rs h d o wg a u g e 。其工作原理为激光束经过透镜后被反射镜反射，由于同步 位相马达的转动而形成扫描光束，扫描光束经过透镜后变成平行的扫描光束，平 行扫描光束在扫描过程中被遮挡，光束经过另一个透镜后被位于焦平面上的探测 器接收，得到一个随时间变化的光电信号，经过后续的信号处理电路，可以得到 工件的检测值。 这种方法主要用于检测工件的几何尺寸，如长度、厚度、外径等。优点是检 测速度快、非接触检测、可测运动物体、能实现在线检测，而且不受被测件的温 度，测遥场所的光线等环境因素的影响。缺点是量程受透镜尺寸的限制，存在非 线性原理误差，需要校正或采用特殊设计的透镜来补偿，并且对后续电路要求较 高。 ( 3 ) 激光三角法。激光三角法光路按检测方式分为反射型与透射型：若按 入射光线与被测工件表面法线的关系分为直射式和斜射式；按入射光束的形态来 分，又可分为单束光和片光。 反射型直射式三角法检测等效光路如图1 2 所示。激光器发出的光束，经会 聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上，物体移动或表面变化导致入射光点沿 入射光轴移动，接收透镜接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光电接收 元件敏感面上。其物象关系为： 6 ，望( 1 1 ) 厶 上述方法中，被测物面的入射光束与光敏面平行，并垂直于成像透镜光轴， 被测点的位移与光电探测器上光斑的位移为线性关系，可用于检测相对或绝对位 移。但其光敏面要求很大，而且被测点在成像面的像并不清晰，因此检测精确度 3 机车轴瓦高出度及平行度非接触检测系统的研究 不高。 激光 被测 区 图1 2 激光三角法检测光路图 2 超声波检测法 超声波是指人耳能感受到的一种纵波，一般把频率在2 k h z 到2 5 m h z 范围 的声波叫做超声波。超声波检测的方法主要有共振法、干涉法、脉冲回波法等， 其工作原理如图1 3 所示。超声探头与被测体表面接触，主控制器控制发射电路， 图1 3 超声波工作原理图 使探头发出的超声波达到被测物体底面反射回来，该脉冲信号又被探头接收，经 放大器放大到示波器垂直偏转板上。标记发生器输出时间标记脉冲信号，同时加 到该垂直偏转板上，而扫描电压则加在水平偏转板上。因此，在示波器上直接读 出发声波与接收超声波之间的时间间隔t ，被测物体的厚度h 为：h = c t 2 ，c 为超 声波的传播速度。 由超声波检测法的检测原理知道超声波主要应用在检测物体的厚度，表面与 内部缺陷、组织变化等；油位，水位等的液体的液位；流动体的流量等。优点是 适用范围广、灵敏度高、设备简单、操作方便，并可以现场检测。超声波检测是 依据声速检测距离的，存在一些固有的缺点，不能用于以下场合：( 1 ) 待测目标 与传感器的换能器不相垂直的场合，因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂 4 硕士学位论文 直方位偏角不大于1 0 0 角以内：( 2 ) 需要光束直径很小的场合。因为一般超声波 束在离开传感器2 m 远时直径为0 7 6 c m ；( 3 ) 温度梯度较大的场合；( 4 ) 需要快 速响应的场合。轴瓦高出度及平行度自动检测系统要求响应速度快，待测目标与 传感器垂直，且检测位置在微米级，因此超声波检测法不能满足系统的要求。 3 图像技术检测法 图像技术检测法就是检测被测对象时，把图像当作检测和传递信息的手段或 载体加以利用的检测方法，其目的是从图像中提取有效的信号，工作流程如图 1 4 所示： 图1 4 图像技术检测法工作流程 图像检测方法主要有光学图样法( 干涉法、莫尔法、相位法等) 和基于图像传 感器( c c d ) 的光电法。数据采集包括原始图像的采集以及初始值的采集；数据处 理是利用图像检测原理和图像处理的各种技术，计算二维空间物体的几何参数坐 标，t 并以要求的形式显示。 图像技术检测具有非接触、高速度、动态范围大、信息量丰富、成本相对低 廉等诸多优点。广泛用于各种实时、在线的精密检测，如航空遥感检测、精密复 杂零件的微尺寸检测和外观检测、以及光波干涉图、应力应变场状态分布图等。 但在检测位移上确有很大的局限性，尤其是小尺寸位移检测方面，成像模糊，检 测精度较低。 4 电涡流传感器检测法 电涡流传感器是一种非接触的线性化计量工具。能实现静态和动态地非接 触，可以高线性度，高分辨力地检测被测金属导体距探头表面的距离。电涡流传 感器能准确检测被测体与探头端面之间静态或动态的相对位移变化。探头、延伸 电缆、前置器以及被测体构成传感器基本工作系统( 如图1 5 ) 。 图1 5 涡流传感器的工作原理图 5 机车轴瓦高出度及平行度非接触检测系统的研究 前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头，线圈在探头头部的线圈中产 生交变的磁场，如果在这一交变的磁场的有效范围内没有金属材料靠近，则这 磁场就能量就会全部损失；当有被测金属靠近这一磁场，则在金属表面产生感应 电流，电磁学上称为电涡流。与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方 向相反的交变磁场，由于其反作用是头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变 ( 线圈的有效阻抗) ，这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几 何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面距离等参数有关。 电涡流位移传感器以其长期工作可靠性好、检测范围宽、灵敏度高、分辨率 高、响应速度快、抗干扰力强，不受油污等介质的影响、结构简单等优点。因此， 本系统选用电涡流传感器作为检测元件。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 欧美国家在轴类零件自动化检测起步早，典型是三坐标轴瓦检测机，其精 度可以达到1 肛m ，短期稳定性达到1 p p m ，线性度达到了o 5 p p m ；国外生产制造 的l d m 2t e r r a m e t e f ，利用多普勒频移效应测定位移的双频激光干涉仪h p 5 5 2 6 a 及h p 5 5 2 5 b 的检测精度可达0 5 肛m 【1 2 以引。 英国u n i s c a ni n s t r u m e n t s 公司已研制开发出一种可以极高的数据密度进行 快速大面积非接触检测的新型o s p 5 0 0 l m 光学表面轮廓检测系统【1 1 】。该系统被 设计用于包括模具制造、内盘检测及大型零部件检测的表面数字化等在内的扫描 区域为5 0 0 m m x 5 0 0 m m 的微米级表面检测中。o s p 5 0 0 l m 采用精密线性马达驱动 高精密激光位移装置对被检测的表面进行扫描，在整个被测表面上，每英寸可采 集1 2 0 0 个数据点，数据采集速度为l m s 。这意味着可以每线2 5 6 0 0 样本点的数 据密度标示被测表面轮廓和结构。该系统利用w i n d o w sn t 9 5 9 8 环境下运行的 3 2 位m d i 控制及分析软件对所有扫描及数据采集参数进行控制，并以线扫描和 区域图的形式实时提供数据，同时附有可由操作者定义的彩色轮廓线。 德国米铱测试技术公司开发的v i s i o n 视觉几何量传感器系统，其分辨率优于 o 1 ，精度优于0 2 【1 4 。15 1 。美国3 ds c a n n e r 公司研制的r e v e r s a 激光侧头 扫描速度达到1 5 0 0 0 点秒，检测精度可达1 3 弘m 【1 6 ，1 7 ，1 引。 1 3 2 国内研究现状综述 1 非接触检测技术研究现状 苏波【4 】研究了一套c c d 高精度测径系统，他们利用线阵c c d 和插值技术， 使检测范围在1 0 m m 以内，精度可以达到微米数量级。 清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室的程晓辉【5 j 通过精心设计和 加工f p 标准具、腔镜和干涉仪结构，采用折叠式f f 腔、共焦f p 腔等形式， 采用控温系统和补偿技术等方法能够建立起稳定可靠的高精度检测系统，应用在 6 硕士学位论文 纳米检测中，收到了很好的效果。 清华大学博士生韩劲松1 6 l 在“大型精密离心机静态臂长检测系统”的研究中 采用半导体激光二极管和f p 干涉仪系统配合进行高精度定位的研究取得了很 好的成果，零点动态定位精度达到0 0 5 m 。 随着新技术的发展，非接触检测方法得到了越来越广泛的应用，我国的非 接触检测技术，在建立计量基准、标准方面，在某些高精度零部件的测试与仪器 的研制等方面，有些已达到或接近国际先进水平。 2 轴瓦检测研究进展 钱晓耀，周铭，单越康【7 l 研究了轴瓦壁厚自动检测分选系统的p l c 控制， 采用气动触头非接触检测方式，它可以对轴瓦按不同尺寸进行分选，其重复精度 为1 微米，分选精度为1 微米，检测效率为4 2 0 件小时。 郑俊丽，赵学增【8 l 等利用激光技术实现可工件表面粗糙度的非接触检测，该 方法使检测精度在水平方向上达到了1 微米，垂直方向上为1 纳米。缺点是此方 法不能获得被测表面的轮廓，不能用与非高斯分布的表面粗糙度检测。 金万里，卢耀【9 】将超声波技术应用到汽轮机轴瓦检测中，利用超声波的探伤 功能可以检测轴瓦合金层的脱落情况。 张玉柱，孙明明，杨克己【1 0 】利用光栅尺采集数据，开发了基于a r m 核芯片 的轴瓦壁厚平行度自动检测系统，该系统检测范围可达5 0 m m ，分辨率达o 1 胛， 最大误差为1 胛，而平行度最大误差为0 0 0 5 0 。 国内外学者在轴瓦自动检测系统方面做了大量的研究，主要集中在轴瓦自动 分选，轴瓦壁厚检测，轴瓦探伤等方面。轴瓦高出度及平行度自动检测系统方面 研究较少，在轴瓦平行度检测上还没有统一的方法。轴瓦高出度及平行度检测本 质上是高精度位移非接触检测的问题。目前国内外研究在位移检测方面的检测精 度已经达到了微米级，但许多研究只针对的是检测问题，不具备信息反馈功能， 不能对被测工件提出修复意见，也不能实现轴瓦在线监控的功能。本文在轴瓦高 出度及平行度自动检测上做了大量工作，结合专家系统实现了上述功能。 1 4 主要研究内容和方法： 本文在兰州铁路电机厂原有轴瓦检测机的基础上，研究开发一种机车轴瓦高 出度及平行度自动检测系统，主要包括机械本体结构、控制系统、数据采集与处 理系统、专家系统等四部分。 主要内容包括： ( 1 ) 改进检测系统的机械结构，分析检测力臂垂直度对检测结果的影响。 ( 2 ) 选择p l c 为控制硬件。气缸的动作，电机的停转，接近开关的信号控 制及传感器检测头的运动都有p l c 控制。 ( 3 ) 选择v i s u a lc + + 对控制软件编程。主要程序为据采集程序；c + + 对数据 库的访问程序；c + + 对专家系统的访问程序。 7 机车轴瓦高出度及平行度非接触检测系统的研究 ( 4 ) 人机界面的设计。 ( 5 ) 数据采集及处理。通过误差理论分析处理检测数据，完成粗差剔除、误 差分析：利用最小二乘法拟合系统误差曲线，求出系统误差补偿。 ( 6 ) 检测值在公差带位置分布可视化，进行判断，提出修复意见。 ( 7 ) 绘制质量控制图，对生产现场实时监控。 机车轴瓦高出度及平行度自动检测系统采用非接触检测的方式对轴瓦对口 面进行检测，检测精度可以达到1 m ，检测效率为4 0 5 0 件分，能够满足轴瓦 实际生产对检测系统的要求。 8 硕士学位论文 第2 章轴瓦自动检测系统方案 2 1 轴瓦高出度及平行度检测与评定方法 轴瓦高出度及平行度检测与评定方法，本文采用i s 0 6 5 2 4 8 3 “滑动轴承薄 壁轴瓦周长的检测方法和g b 3 1 6 2 8 2 “滑动轴承一薄壁轴瓦尺寸、结构要素 与公差。i s 0 6 5 2 4 8 3 不包括轴瓦对口面平行度的检测。 2 1 1 轴瓦高出度的检测方法 2 1 1 1 轴瓦高出度检测方法的选择 薄壁轴瓦具有挠性，在自由状态下不是绝对的圆柱形。因此轴瓦高出度只能 在一定的载荷下，用专门检测设备检测。根据i s 0 6 5 2 4 标准，轴瓦高出度定义 为：将轴瓦安装在直径为d 。b 的检验模中，在检验载荷f 作用下，轴瓦超出规定 的检验模孔周长的尺寸s n 【”1 ( 如图2 1 ) 。 图2 1 轴瓦的高出度检测 f = f l = f 2 ：检验载荷( n )d 。b ：检验模孔直径( m m ) 对于轴瓦高出度值的检测，常用的检测方法有两种：一种是有标准瓦的批量 检验模的检测方法【2 0 】；另一种方法是用标有修正值的批量检验模的检测方法1 2 训。 前者用标准瓦作为检测基准，被检轴瓦在检验模中通过与标准瓦相比较来判定其 高出度是否合格，而并不直接测出高出度值。这是国内目前普遍采用的方法。第 后者用检验模作为检测基准，直接在检验模中测出被检轴瓦的高出度值。在这两 种检测方法中，前者的标准瓦用静应力电测法标定，后者的检验模用标准模标定。 显然，这两种方法由于量值传递的基准不一致，将使检测结果有可能出现较大差 异。i s 0 6 5 2 4 国际标准规定，当采用标准瓦作为检测基准时，标准瓦必须用标准 模标定，并标有修正值。i s 0 6 5 2 4 国际标准自1 9 8 3 年发布后，得到了世界许多 9 机车轴瓦高出度及平行度非接触检测系统的研究 国家的高度重视，我国于1 9 8 6 年发布了相应的g b 6 4 1 5 8 6 国家标准。g b 6 4 1 5 - 8 6 对老标准作了多处修改，特别是对检测设备的一些过高的技术要求作了一些调 整。国标规定的检验方法【1 9 l 为以下两种： 检验方法a 检验载荷f 通过带有一个旋转压板的检测头直接施加在轴瓦的一个对口面 上，而另一个对口面则与固定压板相接触( 见图2 2 ) 。 测徼表 s n = 高出度 图2 2 检验方法a 的原理示意图 检验方法b 检验载荷f 。和f2 分别通过检测头的两块压板施加在轴瓦的两个对口面上 ( 见图2 3 ) 。 f lf 2 s n l + s n 2 = 高出度 图2 3 检验方法b 的原理示意图 1 0 硕士学位论文 检验方法的选择： 根据被检轴瓦的尺寸，由表2 1 中选择方法a 或方法b 。根据生产商和用户 之间的协议，任意尺寸的轴瓦都可以用两种方法中的一种来进行检验。在这种情 况下，由两种方法得出的高出度之间的关系为：s ；s 。，+ s 。：+ 6 。其中修正值6 为方法a 和方法b 间在对口面上加载时弹性变形差异的实际补偿。( 在检验方法 a 中，靠固定压板生成所需所的反作用力；在检验方法b 中，是通过两压板由 检测设备直接施加。) 表2 1 轴瓦的检测方法选择标准 检验方法 抽瓦外径d b ( m m ) l s 0 6 5 2 4 8 3 g b 6 4 1 5 8 6i s 0 6 5 2 4 9 2 d b 。1 6 0 aa a 或b 1 6 0 d b 。2 0 0 a 或ba 或b 2 0 0 d b s 3 4 0 b 3 4 0 d b 。5 0 0 bb 注：检验方法a 是指单面加载检测法：检验方法b 是指双面加载检测法。 2 1 1 2 轴瓦高出度的判定 半圆周向过盈量与轴瓦检测高出度的关系为 矗a | 1 1 + 矗2 l 一 一也 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 甄一预定检验载荷( f ) 作用下，轴瓦检测的高出度( m m ) ； 屯一预定检验载荷( ，) 作用下，轴瓦半圆周向压缩量( m m ) ； ”6 1 旷d o 云 q 3 ) p 一检验载荷； b 一轴瓦宽度； d 口一轴承座孔直径基本尺寸； 一等效厚度： 检测高出度允许范围：啊曲啊一 式中： 啊一一j i l 一一也 一啊一一丛 幽一轴瓦半圆周长公差( m m ) 。 只要测得轴瓦高出度啊满足j i l l 曲s 啊sj l l l 叫， 1 1 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 轴瓦的高出度就是合格的。 机车轴瓦高出度及平行度非接触检测系统的研究 2 1 2 轴瓦平行度的检测方法 2 1 2 1 平行度偏差类型 机车轴瓦对口面平行度是指沿轴瓦全长测得的轴瓦对口面与检验座对口面 的平行度的差值，即：= i ，一：l 。 检验该值的目的，是用控制轴瓦两端周长之差的方法，来控制两片轴瓦配对 组装后的圆柱度，防止两端过盈量不等造成的切向应力沿轴向截面分布不均的现 象。在假设轴瓦两端面是完全平行的前提下，就轴瓦对口面不平行的状态而言， 有四种类型【2 1 】： ( 1 ) 对接面平行度误差为零，其展开平面是一矩形，这是理想状态，如图 2 4 ( a ) 。 ( 2 ) 对接平面一个平行，另一个倾斜其展开平面是一梯形，如图2 4 ( b ) ， 称为“单边倾斜 。 ( 3 ) 两个对接平面都向同一方向倾斜，其展开平面是一梯形，如图2 4 ( c ) ， 称之为“同向倾斜”。 ( 4 ) 两个对接平面倾斜方向相反，其展开平面近视平行四边形，如图2 4 ( d ) ，称之为“异向倾斜 。 国标g b 6 4 1 5 滑动轴承薄壁轴瓦周长的检验方法明确指出：g b 6 4 1 5 不 包括对接平面对外圆母线的平行度检测，所以采用单摆动压块检测法和双摆动压 块检测方法都是允许的。关键是对三种类型的偏差能否真实的检测出来。 i a ) 理想状态 口 ( c ) 同向倾斜d ) 异向倾斜 图2 4 轴瓦对口面不平行的类型 1 2 硕士学位论文 2 1 2 2 轴瓦平行度检测方法的选择 轴瓦平行度检测方法的特征是在单边加载移动测头下设置摆动压块，在移动 检测头上装两只千分表，表的检测脚压紧在摆动压块上，进行间接接触检测。其 检测过程是将浮动压板与检测轴瓦周长所需要同样大小的压力压在检验模基准 面上，将两千分表对零。当被检轴瓦装入检验模中时，如果轴瓦对口面存在平行 度误差，浮动压块必然会随轴瓦对口面的倾斜而转动，使两只千分表偏离零位而 出现一个读数值。读数大小不等，令其差值为口，两表中心距为l ，轴瓦宽度为 b ，则平行度误差为：一衄r 三。 轴瓦是一薄壁弹性体，容易变形，如果轴瓦有一个对接平面与外圆母线的平 行度误差为零，如上图2 4 ( b ) 所示的单边倾斜，且这一端又正好顶在固定压板 上，那么测得的另一端平行度误差是实际值。如果轴瓦出现同向倾斜时或异向倾 斜时( 上图2 4 c 、d ) ，其顶在固定压板下面的对口面平行度误差会通过变形叠加 到浮动压板端，使量表的读数值不能真实地反映轴瓦某一端对口面的平行度误 差，它反映的只是轴瓦两个对接面的平行度零误差叠加后的情况。 当轴瓦为同向倾斜时，量表所测得的是平行度误差为两对接平面平行度误差 之和，即一1 + 2 。由于存在摩擦力，顶在固定压板下面的那个对口面的平行 度不会全部叠加到浮动压板端，所测得的平行度误差就会减小。 当轴瓦为异向倾斜时，量表所测得的平行度误差为两个对接平面平行度误 差之差，即，i 。一，i ，只要，与，之差在公差范围之内就误判为合格。 综上所述，单端加压检测轴瓦对口面平行度误差存在不合理之处。因此本 系统采用两端加压检测，在两端各放置浮动压块与量表，分别检测各自一端的平 行度误差。根据i s 0 6 5 2 4 滑动轴承薄壁轴瓦周长检验方法所设计的国内首台 双面加载式高出度检测机上，采用了两边设置摆动压块检测平行度的方法，如图 2 5 【2 0 1 。 l 图2 5 双摆动压块检测法 1 ，2 一高出度检测仪表( 6 只) 3 一摆动压块 4 一被测轴瓦；5 一检验模 机车轴瓦高出度及平行度非接触检测系统的研究 这种方法是将两摆动压块下平面压在检验模检测基准面的上平面上，分别将 四只平行度量表校零。检验时，两摆动块安装座作微量旋转，从而使装在座体上 的检测表之表杆随摆动块上平面的倾斜而伸缩，前后两表读数的代数和，即为所 对应瓦口的平行度误差。 2 2 自动检测系统基本结构 检测系统在检测过程中，首先由传感器将被测物理量从研究对象中检测出来 并转换成电量，然后输出。现代检测技术包含了更多的后续处理技术，如根据需 要对第一次变换后的电信号进行时域或频域处理，最后以适当形式输出。信号的 这种变换、处理和传输过程决定了检测系统的基本组成和它们的相互关系，检测 系统及其组成如图2 6 。 非电量电信号 电信号 图2 6 检测系统及其组成 现代检测系统的应用类型大致可分为：检测型和控制型两类，检测型又可分 为基本型和标准接口型。检测型完成对被测参量的检测任务，对检测的准确度要 求较高；控制型一般应用于闭环控制系统中，对快速、实时和可靠性要求较高。 基本型一般由传感器、信号调理电路、采样保持、和模数转换、数字信号处 理、数模转换电路等组成，完成对多点多种参量的动态和静态检测的任务。 传感器完成信号的获取任务。它将被测参量( 一般为模拟量) 转换成相应的 便于处理的电信号输出。被测参量范围很广，可以是电参量或非电参量。紧接其 后的信号调理电路将微弱信号放大到与数据采集版中a d 转换器的转换电压范 围相适配，通过滤波抑制干扰噪音信号的高频分量，将信号频带压缩以降低采样 频率，避免在模数转换中产生混叠。利用磁性变压器、光电或电容性器件等，耦 合传输有用信号，阻隔高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员 也保护了昂贵的检测设备。同时输出规范化的标准传输信号。数据采集卡( 板) 将采样后的信号进行模数转换成为幅值离散的数字量。将其送入计算机、单片机 和单片机系统等各类微处理器。通过软件编程实现高速数据运算等数字处理工作 以及完成智能化信息处理的功能。将运算结果以c i 汀显示或数字显示等多种形 式输出给用户，也可通过数字接口实现与其他计算机的数据交换，或通过网络进 行远程交换。 自动检测系统的工作原理为：首先被测物成为采集系统的目标物i 传感器 获取被测目标的信号，并转换为电信号传送给数据采集卡，数据采集卡将信号进 行d 转换、数据存储。数据采集的输入与输出可以同时进行。计算机也同步 1 4 硕士学位论文 接收数据采集器输出的信号。采集完所有数据点后，通过计算机进行数据的计算 与评定，并输出定结果及报表。 2 3 轴瓦检测系统的组成 2 3 1 机械本体结构 针对检测要求，轴瓦平行度和高出度自动精密检测线受控元件有控制气缸运 动的电磁阀1 3 个，生产线驱动电机3 个，接近开关2 个，磁性开关3 2 个，检测 传感器6 个，操作面板开关1 0 个。整个检测系统的机械布局示意图如图2 7 。其 中c 1 c 1 0 是1 0 个气缸，每个气缸上面有两个磁性开关，并由一个电磁阀控制。 电磁阀和p l c 在控制柜内，所以气动的动作有p l c 控制，完轴瓦的检测后，按 照检测结果经行分组，对可修复的轴瓦提出修复建议。 传 v 传送税目田 牮单副弦媛； 乃 u v uy丫 j 占。占 l上 誓 c ，口 厂h 。 u 一 i出c l 鹭 c - c ， 田 工作台 电机 j 图2 7 机械布局示惹图 系统工作流序如下： 传输带1 将轴瓦零件运送过来，经过c 1 、c 2 两个气缸的瓦配合动作后，零 件被分成前后之间有一定间距的排列在传输带上向前运送。零件在传输带1 的尾 部碰到倾斜挡板，靠传输带1 的摩擦力，使着轴瓦零件沿着倾斜挡板滑到传输带 2 上。 轴瓦零件在传输带2 上的位置排列如图2 7 所示。c 3 、c 4 两气缸的配合作用， 使得零件每次只能有一个被运送到c 5 气缸所对应的位置，并被c 5 气缸控制的活 塞杆挡住不动。 c 5 、c 6 、c 7 三个气缸的配合动作，c 5 气缸所对应位置上的零件被移到检测台 上，同时检测位置上原来的零件则被移到传输带3 上。安装在检测台上的电涡流 传感器检测头对轴瓦两对口面上选择不同的点进行检测，完成检测工作。 检测完毕后，轴瓦被移到传输带3 上，随着传输带3 向前移动。根据检测的 结果在公差带的分布情况将轴瓦分成三组。当零件运输到相应位值时，c 8 、c 9 机车轴瓦高出度及平行度非接触检测系统的研究 和c 1 0 三个气缸之中会有一个将活塞杆伸出，把零件从传输带3 推到工作台的相 应位置上。 除了这1 0 个气缸以外，检测立柱上还有3 个气缸，如图2 8 。这三个气缸中 两个是竖直运动的，一个是水平运动的。当轴瓦送到检测作台上时，气缸1 带动 与之相连的零件和气缸2 、气缸3 一起向下运动，等移动到规定的位置时，气缸 3 水平运动，带动检测臂，与传感器配合，实现轴瓦高出度及平行度原始数据的 采集。 图2 8 检测立柱示意图 所有气缸的动作有p l c 控制，p l c 控制梯形图如图2 9 ： 一卜一仁十卜叫3 叫卜_ j f 1 怎玉 叫卜坍_ o _ 1 卜_ 1 十一工l t ly l l “ 一卜o 一卜_ _ 一o 一卜一卜_ o 计一卜_ o 一卜坍 一卜_ 一卜3 一卜卜_ o 图2 9p l c 控制梯形图 1 6 硕士学位论文 2 3 2 数据采集与处理系统 2 3 2 1 数据采集系统的基本结构 数据采集与处理是指将现场的电压、电流、压力、流量、温度、角度等模拟 信号和一些开关量信号进行采集，转变成数字量，再根据不同的需要对这些数字 量进行相应的计算和处理，得到所需的数据，然后将这些计算结果反馈给用户或 被控系统，达到监测和控制的目的【2 5 1 。 一个典型的数据采集与处理系统应该具备如下三部分：1 数据采集部分( 采 样保持器及模数转换器( a d c ) 、开关量信号调理器等) ；2 处理器( 微型计算机、 单片机等) 3 数据输出部分( 模数转换器、数字信号调理器等) ，数据采集与处 理系统的结构图2 1 0 所示。 计算机一 图2 1 0 数据采集与处理系统一 2 3 2 2 数据采集与处理的基本原理 数据采集的基本原理1 2 2 】是：被测信号通过传感器送到a d 转换板，然后计 算机通过d 转换板把被测信号转换成数字信号，最后进行标度转换，将数字 量转换成被测信号的工程单位。一个典型的数据采集程序通常具有数据采集、数 据滤波、标度转换、数据处理、数据显示、数据保存等功能。 数据处理的基本原理【2 3 】：将模拟量转换为数