（载运工具运用工程专业论文）便携式铁道车轮外形测量仪的准确度研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 对车轮测量精度和速度的要求是随着列车速度的增加而提高的。尽管目 前的列车车轮自动检测装置可实现动态检测，但其条件是车轮必须经过特定 的区域。显然，对于不便拆卸与人工移动的铁道车轮，其测量工具主要还是 便携式仪器。鉴于激光三角传感器受踏面形貌、颜色及环境影响大，且价格 昂贵，所以接触式扫描测量方法仍然具有最高的性价比。为此，论文就提高 五连杆车轮外形测量仪准确度的相关问题，进行了全面的研究。 首先，通过对测量仪的组成、工作原理及测量程序( 流程) 的系统分析， 建立了测量的数学模型。针对测量的全过程，分析了测量系统的误差源，采 用全微分理论建立了测量误差解析模型，同时建立了全参数的m a t l a b 精 确数值模型，利用此数值模型分析了单因素误差，多因素误差交互作用对测 量结果的影响。结果表明：各因素在所涉及的范围内完全可认为是线性独 立的，这为不确定度的评定提供了依据；两编码器的量化误差为主要的误 差源，从而为仪器的标定和数据处理指明了方向。 为实现量值溯源，研究了由易到难，由粗到精，分层次，软件数值仿真 与硬件澳4 试相结合的标定检定方法：设计了相应的标定检定装置，研究了 检定装置的检定方法。多台仪器标定实验验证了该标定方法的可行性和可靠 性。标定后的仪器对瓜b 样板的形状测量误差小于0 0 2 r a m 。 最后，按( ( j j f l 0 5 9 - - - 1 9 9 9 测量不确定度的评定与表示及( ( j j f1 1 3 0 - 2 0 0 5 几何量测量设备校准中的不确定度评定指南分析了仪器的测量不确定度， 取置信概率p - - 0 9 9 ，包含因子k = 2 5 8 ，形状参数的扩展不确定度小于 0 0 3 m m ，直径的不确定度随被测车轮直径增加而变大，但适当增加仪器尺寸 后，可使测量不确定度保证在o 1 m m 以内。 对车轮外形测量仪准确度研究的结果表明：可通过适当的尺寸、位置参 数的标定，误差补偿和正确的操作来保证仪器的测量准确度。该类型车轮外 形测量仪的测量准确度能够满足高速动车的要求，该项研究具有重要的应用 价值。 关键词：误差分析几何参数标定准确度测量不确定度 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t t h et r a i ns p e e di sh i g h l ya s s o c i a t e dw i t ht h ea c c u r e n c ya n de f f i c i e n c yo ft h e m e a s u r e m e n tt ot h et r a i nw h e e l ，t h em o r ei t sh i g h e r ，t h eh i g h e rt h em e a s u r i n g r e q u e s t s a l t h o u g ht h ea u t o - m e a s u r i n ge q u i p m e n tc a nr e a l i z et h ed y n a m i c m e a s u r e ，t h et r a i nw h e e lh a st op a s st h eg i v e nr e g i o n o b v i o u s l y , t h eb e s t m e a s u r i n ge q u i p m e n ti sp o r t a b l ei n s t r u m e n tb e c a u s et h et r a i nw h e e li sh a r dt o m o v eo rt e a rd o w n a n o t h e r , t h ea c c u r e n c yo ft h el a s e rt r i a n g l es e n s o ri s i n f l u e n c e db yt h ef i g u r ea n dc o l o ro f t h et r a i nw h e e l ，e n v i r o n m e n t ，a n dt h ep r i c ei s v e r yh i g h , s ot h ec o n t a c tm e a s u r i n gm e t h o di sw o r t h yo fr e s e a r c h t h e r e f o r , s o m e r e s e a r c h e sa b o u tt h ef i v e - b a rp r o f i l o m e t e ra n dh o wt oi m p r o v et h em e a s u r e m e n t a c c u r e n c yo f t h ef i v e - b a rp r o f i l o m e t e ra r ea l li n t r u d u c e di nt h et h e s i s f i r s t l y , b ya n a l y z i n gt h ec o m p o s i n g , o p e r a t i o np r i n c i p l ea n dm e a s u r i n g p r o c e s s ，m e a s u r i n gm a t h e m a t i c a lm o d e li sm a d e a i m i n ga tt h ep r o c e s so ft h e m e a s u r e m e n t ，t h ee r r o rs o u r c e so ft h em e a s u r i n gs y s t e ma r ea n a l y s e d , a n dt h e e r r o ra n a l y t i cm o d e lo f t h ep r o f i l o m e t e ri sa l s om a d eb yd i f f e r e n t i a lt h e r o ya n dt h e a c c u r a t ep a r a m e t e rm o d e lb ym a t l a b f u r t h e r m o r e ，t h ei n f l u e n c e st ot h e m e a s u r er e s u l ta b o u tt h ei n t e r a c i o nb e t w e e ns i n g l e - f a c t o re l t 0 ra n dm u l t - f a c t o r e r r o ra t ea n a l y s e d t h er e s u l t so f t h ea n a l y s i s e sp r o v et h a te a c hf a c t o ri sl i n e a ra n d u n a t t a c h e d , t h ea n g l eo f t h et w oe n c o d e r si st h eb i g g i s hf a c t o ro f t h ei n f l u e n c e st o t h em e a g r er e s u l t t h e s er e s u l t sp r o v i d e st h eg i s tt ot h ed e m a r c a t em e t h o r do ft h e i n c e r t i t u d ea n dt h ea c e u r e n c y s e c o n d l y , t oa c c o m p l i s ht h ea f f i l i a t i o no f g a u g e , c a l i b r a t i o nm e t h o dw h i c hi s f r o me a s yt oh a r d ，a p p r o x i m a t et o p i n p o i n t ，l a y e r e d , a n dh a r d w a r et e s t c o m b i n a t i o nw i t hs o f t w a r ee m u l a t ei ss t u d i e di nt h et h e s i s t e s t i n gi n s t r u m e n to f t h ef i v e - b a rp r o f i l o m e t e ri sd e s i g n e da n das i m p l ea n dr e a s o n a b l ec a l i b r a t i o n m e t h o di ss e t t h ef e a s i b i l i t yo f t h ec a l i b r a t i o nm e t h o di sv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s a sar e s u l to f m e a s u r i n gj m 3m o d e l e r r o ro f s h a p eb e l o w 0 0 2 m m f i n a l l y , a c c o r d i n gt oj j f l 0 5 9 - - - 1 9 9 9e s t i m a t i o na n dd e m o n s t r a t i o no f m e a s u 曲gu n c e r t a i n t ya n dj j f1 1 3 0 - 2 0 0 5g u i d et ot h ee s t i m a t i o no f u n c e r t a i n t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 i nc a l i b r a t i o no fg e m e t r i c a lm e a s u r i n ge q u i p m e n t t h em e a s u r i n gu i l c e r t a i l n yo f p r o f i l o m e t e ri sa n a l y s e d w h e nt h eb e l i e v ep r o b a b i l i t yi so ，9 9a n dc o v e t g c n ei s 2 5 8 ，t h ee x p a n du n c e r t a i l 蚵a sf o l l o w s ，s h a p ep a r a m e t e rl e s st h a n 0 0 3 r a m t h e u n c e r t a i n t yo f t h ed i a m e t e ro f w h e e lw i l le x p a n da st h ei n c r e a s eo f r h o w e v e r , b y i n c r e a s i n gt h eg e o m e t r yd i m e n s i o no ft h ep r o f i l o m e t e r , w ec a l l m a k et h e u n c e r t a i n t y w i t h i n0 1 n n n t h es n l d yo ht h ea c c u r e n c yo ft h ef i v e - b a rp r o f i l o m e t e ri n d i c a t e st h a ti tc a n i n s u r et h ep r o f d o m e t e rh a st h ee l i g i b l em e a s u r e m e n ta c c u r c n c yb yc a l i b r a t i n g p r o p e rd i m e n s i o np a r a m e t e r sa n dl o c a t i o n a lp a r a m e t e r s c o m p e n s a t i n g 艄fa n d o p e r a t i n gc o r r e c t l y t h em e a s u r e m e n ta c c u r e n c yo ft h ef i v e - b a rp m f i l o m e t e rc a n m e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h eh i g h - s p e e dt r a i n t h i ss t u d yh a sv i t a lp r a t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：e r r o ra n a l y s i s ，g e o m e t r i cp a r a m e t e rc a l i b r a t i o n ，a c c u r e n c y , m e a s u r i n gu n c e r t a i n t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 研究意义及现状 铁路列车在沿两条钢轨滚动行驶过程中，轮对借助摩擦传递牵引、制动 及导向力，必然产生磨耗，直接影响轮对的踏面形状及左右轮径差，从而影 响了列车运行的安全、平稳性。准确地检测列车车轮的轮缘厚度、轮缘高度、 垂直磨耗、踏面磨耗、车轮直径等参数，确保列车车轮踏面形状参数及同轴 左右轮径差符合相关的规程和标准 1 1 ，对于保障列车运行安全、顺利完成铁 路运输计划是非常重要的。同时，随着铁路重载和高速技术的发展，轮轨关 系科学研究、列车安全监控等领域对车轮外形及车轮直径测量的准确度与效 率的要求也日益提高。因此，非常有必要研制高准确度、高效率的车轮外形 测量装置。 由于铁路车轮分布广阔，一般采用便携式量具在车轮静止的情况下对车 轮踏面及直径进行测量。目前，我国铁路机车车辆的轮对检测装置主要为第 四种检查器及轮径尺，此检测工具测量准确度不高，而且需要人工读数、记 录，劳动强度大，容易出错，测量时不可避免地引入了人员误差，直接影响 了检测的可靠性。 国内外在车轮外形参数检测方面进行了大量的探索和研究，研制出多种 铁路车轮外形测量装置 2 - 3 0 l 。其中，采用光学原理的车轮外形自动检测装置 的研究取得了突破性的进展。这种装置可在列车低速或中速运行时，通过路 旁设置专用设备，对运行中的车轮外形进行动态测量，其形状参数尺寸测量 误差0 2 m m ，采用三点法测直径，其测量误差为1 5 m i n t 4 。此方法也被用 于轮对自动检修线，可以采用两点法测量直径，测量直径误差为0 2 r a m l 5 。 但是自动检测装置只能安装在固定位置，只有当车轮经过时才能进行测量。 同时便携式车轮测量仪器的研究也取得了进步，如，丹麦g r e e nw o o d 公 司于1 9 9 1 年研制了m i n i p r o f 便携式轮廓曲线测量仪【3 】、美国i e m 公司的 w p 0 0 5 9 1 、上海凯力博电器仪表成套有限公司提出的地铁车轮踏面形状检测方 案【姗、上海同济大学和华星测控设备制造有限公司研制的w r s 2 0 0 0 型铁道车 辆轮踏面钢轨轨头外形快速测录诊断仪【l ”、西南交通大学光电所研制的l y - - 6 1 0 型手持式车轮外形检测仪0 4 1 都是采用二连杆机构进行测量。 丹麦m i n i p r o f 测量仪可在2 s 的时间内测出轮缘厚度和踏面磨耗等数据， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 并能打印记录测量结果，其重复性误差为2 0 u m ，最大误差为3 6 u m ，8 0 h m 处的误差为5 p m ，测量直径误差为2 删n 【埘。w r s 2 0 0 0 诊断仪用于检测高速、 准高速、机车车辆和快速货车轮踏面外形及钢轨表面外形，能测量轮缘高度、 厚度和斜度，其测量最大偏差不大于0 0 5 m m ，平均典型偏差0 0 3 m m 。l y 一6 1 0 检测仪，可以测量车轮轮缘高度和厚度、踏面等效斜度、轮缘磨耗和踏面磨 耗，其测量误差为0 0 3 m m ，最大误差为0 0 6 m m 1 3 1 4 】。 便携式车轮直径测量仪器主要为欧洲p d f f e k 的i d k 手持式火车轮径测 量仪、波兰g 1 l a ：w 公司的w m 3 型轮径测量仪及柳州铁路局计量所研制的 轮径测量仪。i d k 的测量误差为0 ，5 m m ，显示误差为+ 0 1 m m 1 习；w m - 3 测量直径的误差为0 0 5 r a m t t ；柳州的轮径测量仪，其“同轴左右轮径差” 测量极限误差不大于0 0 9 r a m ，其绝对尺寸测量极限误差不大于 o 51 r a m 1 6 1 。 近几年随着激光技术的发展，r i f t e k 生产的i k p 5 手提式车轮轮缘轮廓 测量仪采用激光位移传感器，能测量轮缘厚度、轮缘高度和轮缘斜面，其误 差分别为0 1 咖、o 1 m m 、0 2 m 【l “。但激光传感器价格昂贵，且其测 量误差受车轮踏面表面粗糙度和测量环境的影响很大。 采用接触式二连杆测量机构的测量仪连架杆端部有光电编码器，其较大 的体积和重量以及连接电缆均影响测量的灵活性，手工测量需要的操作力较 大，引起的弯曲变形直接导致角度测量误差。 虽然二连杆机构车轮外形测量仪测量车轮踏面参数的准确度已达到要 求，但测量直径的准确度很低，不能满足实际使用要求。国外的轮径测量仪 的测量准确度能满足测量要求，但其价格昂贵，在我国不能广泛使用。 2 0 0 7 年，西南交通大学牵引动力实验室研制了w p c 型便携式车轮外形 测量仪【l7 删，采用并联五连杆机构，轻巧灵活，没有电缆的约束，测量力引 起的机构变形误差较小，操作更加方便；采用“踏面”定位，避免了二连杆 机构因重量、形变等因素对准确度的影响，排除了轮缘定位弊端。且该仪器 能同时测量车轮踏面外形和车轮直径。因此，该仪器有望满足高准确度、高 效率的测量要求，而得到推广使用。 坐标测量机c m m ( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ) 是一种借助机构实现 的三维柔性测量设备，测量范围广、准确度高，目前已成为高准确度、高效 率获取物体几何数字信息的主要手段【z “。1 9 9 5 年德国z e i s s 公司h e r z o g 等 人提出了基于s c a r a 机器人的c m m 方案啪】，其产品s c a n m a x 的水平工作 范围为r = 5 0 0 ，极限误差为51 t “硐；目前美国的r o m e r 、c i n c o r e 、意大 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 利的g o o r d 3 等公司均有产品，其最大测量范围为3 o 4 ，0 m ，测量误差为 0 0 3 + 0 0 8 r a m 2 3 1 。 本文将借鉴坐标测量机的误差理论，对w t - c 型便携式车轮外形测量仪 进行准确度研究和优化改进，使其测量准确度符合铁道部检测标准，成为一 种好用可靠的测量仪器。 1 2 本论文的工作 本论文完成的主要工作是： 1 对便携式测量系统进行深入的分析； 2 全面分析测量系统的误差； 3 为实现量值溯源，研究测量仪的检定装置，提出了简单合理的标定方 法，对仪器的几何参数进行标定从而提高测量仪器的准确度； 4 按最新标准对测量仪器的不确定度进行评价。 论文除了第一章绪论外，还包括如下4 章： 第二章分析测量仪器的组成、工作原理和测量程序，建立测量模型； 第三章依照测量模型分析测量系统的误差，为仪器的标定和不确定度的 评定提供依据。 1 分析测量系统的误差源，确定影响测量系统误差源： 2 采用全微分理论建立测量仪器的误差解析模型和全参数的m a t l a b 数 值模型，分析单因素误差以及多因素误差共同作用对测量结果的影响，找出 影响测量误差的主要因素，并对各因素的线性和相关性进行研究。 3 分析数据采集和数据处理对测量结果的影响。 4 。分析各误差因素对直径测量的影响。 第四章在分析测量仪器组成和运动关系的基础上，设计合理科学的仪器 检定装置，对测量仪器进行几何参数标定，通过实验验证标定方法的可行性。 第五章按最新标准要求分析测量仪器的测量不确定度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章便携式车轮外形测量系统的分析 本章对便携式车轮外形测量系统进行分析，介绍了其机械结构组成和电 气组成，分析了测量系统的测量过程和工作原理，并建立t n 量模型。 2 1 便携式车轮外形测量系统的组成 图2 - 1 为测量系统的组成，包括操作者、测量对象车轮、测量仪器 ( 数据采集器和p d a 完成数据分析、显示和存储功能) 图2 1 测量系统的组成 2 1 1 车轮几何特征与检测要求 车轮几何参数包括车轮直径尺寸和车轮 踏面形状有关尺寸，t b t 4 4 9 2 0 0 3 规定了机 车车辆车轮踏面外形的类型和轮廓尺寸，图 2 2 为车轮踏面尺寸定义；根据u i c 5 1 0 - 2 ， 车轮踏面外形曲线的术语尺寸定义如图2 3 所示。 图2 - 2 踏面尺寸定义 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 l 轮辋箍内应；2 - 韶缘内侧面：3 _ 轮缘顶；4 轮缘外侧面；5 - 啦踏面过渡圊：6 车轮踏面；7 车轮踏面外段斜面；8 _ 车轮踏面外侧倒角；9 _ 舵辋箍外面 图2 - 3 轮缘踏面外形术语 1 车轮测量仪可测量的参数定义 ( 1 ) 车轮直径d ：指从踏面上距轮辋内面7 0 7 3 m m 处的直径。因为多次镟 修、磨耗车轮直径范围是：客车9 1 5 - - 8 2 9 m m ，货车8 4 0 - - - 7 5 4 m m ，半径磨 耗大约4 0 m 1 l l , ：内燃机车车轮直径1 0 5 0 ，而电力机车车轮直径1 2 5 0 。轮对左 右轮径差别直接影响轮对左右轮缘与钢轨的游间，要求不超过0 5 r a m 。由于 车轮的磨耗使车轮不同位置7 0 7 3 m m 的磨耗不同，造成车轮的不圆度，所以 车轮直径应为两测点成9 0 0 时测得的直径的平均值。 ( 2 ) 踏面尺寸参数如图2 - _ 2 所示：曲线1 表示车轮踏面原型外形曲线， 曲线2 表示踏面磨耗后外形曲线的一个特例，有关尺寸参数包括： 轮缘厚度c ：指从踏面基准点处，向外1 2 l o m m 到轮辋内侧的水平距 离。轮缘厚度最对小尺寸为3 2 2 2 衄。 轮缘高度：指从踏面基准点到轮缘最高点的垂直距离。 垂直磨耗：实际上是在用第3 个参数对轮缘的形状进行描述和限制。 踏面磨耗b ：踏面基准点与标准踏面对应点问的距离，最大为9 r a m 。 轮辋厚度a ：指从基准点处到轮辋内侧倒角处的垂直距离，即车轮半 径与轮辋内侧倒角圆半径之差。 轮辋宽度e ：指轮辋内、外侧面间的水平距离。 踏面锥度：在车辆动力学中有定义，但难以实用。定义基准点左右 l o m m 为计算范围，定义其高宽比例。 2 检测准确度的要求分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 根据参数的定义，对测量的准确度要求如下： ( 1 ) 车轮直径按j j g ( 铁道) 1 1 1 2 0 0 2 规定同一轮对左右直径差不大于 0 5 m m ，对应1 6 0 k m h 以下和大于2 0 0 k m h 的车轮，按j j g ( 铁道) 1 1 1 2 - 2 0 0 2 检定规程要求，车轮直径测量相对示值误差从0 1 5 提高到 4 - o 0 7 m m 。 ( 2 ) 踏面尺寸参数踏面尺寸中，轮缘厚度和踏面磨耗最重要也比较复杂， 厂修时的轮缘厚度允许公差为3 m ，目前第四种检查器的极限总误差为： 7 4 0 l o - 2 m ，轮缘高度检修限度公差为2 m ，检查器为5 4 l o - 2 a u n 。对应 确定便携式仪器的不确定度为5 0 l o - 2 m m ，考虑到自动检测装置的复杂性 确定为0 2 t m ，如果按1 3 规则考虑极限误差，则可以放宽到- 4 - o 6 哪。 3 车轮轮缘踏面外形曲线仪器准确度 按u i c 5 1 沪2 车轮踏面形状制造或镟修的偏差不大于0 5 m ，由于采用 快速一次测量的方法，因此仪器的极限误差不大于0 0 5 0 1 5 m m 。 2 1 2 车轮外形测量系统的机械组成 测量系统的机械部分由机架、横板、定位支架、测头、五连杆测量机构 以及数据采集盒等组成，如图2 - 4 所示。 图2 4 车轮外形测量系统的机械组成图2 - 5 五连杆机构 机架与横板成“十”字连接，机架两头分别设有磁性可调的球形测头， f 测量时测头紧贴在车轮踏面上；三个并行的定位支架固定连接在机架内侧， 支架下部内侧分别嵌有磁铁和滚轮，测量时支架吸附在轮辋内侧面上；横板 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 两侧分别装有编码器和五连杆机构，数据采集盒设在机架的顶部。 五连杆机构的结构特点为：两只光电编码器固定在横板上，连杆1 和连 杆3 的一端分别固定在两个编码器的轴上，另一端分别与连杆2 和测量杆的 一端铰接，其中连杆2 的另一端铰接在测量杆的中部，测量杆的另一端安装 测量轮，测量轮带适当的磁性。各杆之间的连接和测量轮都采用精密轴承， 使各连杆之间的连接可靠且运动灵活。横板上设有一个停靠位，在不工作或 运输过程中，测量轮处于停靠位，靠磁力固定，便于运输和存放，测量前后， 测量轮均处于停靠位，停靠位也是测量轮的初始位置。如图2 _ - 5 所示 2 1 3 车轮外形测量系统的电气组成 测量系统的电气部分包括：光电编码器、t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，“蓝牙”模块、 温度传感器等( 如图2 - 6 所示) 。 图2 - 6 钡4 量系统的电气组成框图 1 光电增量编码器 光电增量编码器主要由光源、码盘、光敏元件以及相关电路等组成，一 般码盘只需三条码，在码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光 的扇形区，用来产生计数脉冲，码道扇形区的多少决定了编码器的分辨率， 扇形区越多，分辨率越高。中间一圈码道上有与外圈码道相同数目的扇形区， 但错开半个扇形区，作为辨向码道。在编码器正转时，增量计数脉冲波形超 前辨囱脉冲波形石2 ；反转时，增量计数脉冲滞后r r 2 。其辨向原理与光栅 尺一样。同样，利用这两个相位差为石2 的脉冲输出可进一步作细分，提高 系统的分辨率。 2 蓝牙模块 数据采样后，利用“蓝牙”模块，d s p 采用中断方式将数据发送到p d a ， p d a 接收到数据后经过一些算法处理，将踏面外形曲线及踏面磨耗、车轮直 径等指标参数显示出来。p d a 中嵌入了蓝牙芯片并兼容蓝牙技术，所以通过 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 开发工具对p d a 进行二次开发，模拟出r s 2 3 2 串行通信序列，即可完成数据 的无线传输。 3 温度传感器 温度会影响装置的测量准确度，不同的温度引起的材料的变形也不同， 软件计算中需要对温度引起的误差进行补偿，因此需要每次测量时都要测量 环境温度。考虑到电路设计、编程方便性等方面，选用带内部a d 转换器的 温度传感器。 4 t m s 3 2 0 u 砣4 0 7 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7d s p 芯片为该测量系统的核心，它控制信号的采集及与p d a 的通信。 因为测量装置中有两个光电编码器，每个光电编码器输出的脉冲信号分 三相信号，即a 、b 和z 相。其中z 相是零位信号，用于清零；a 、b 相是两 个正交的脉冲序列( 即相位相差9 0 。) 。t h i s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 中有两个事件管理器 e v a 和e v b ，每个e v 模块都有一个正交编码脉冲电路，可对光电编码器产生 的正交脉冲序列进行计数和解码。测量手臂的旋转方向可通过检测两个序列 中的哪一列先到来确定，角度和转速可由脉冲数目和脉冲频率来确定。 2 1 4 测量系统的特点 根据上面对测量系统机械和电气组成的分析，得到便携式车轮外形测量 系统的特点为： 1 操作方便，能够同时测量车轮踏面参数和车轮直径，且能得到车轮踏 面外形曲线； 2 采用并联五连杆测量机构，刚度好、运动灵活、重复误差小；减小了 测量过程中由于力变形而引起的测量误差； 3 测量轮旋转结构运动灵活，适合于复杂曲线的扫描测量，测量轮带有 磁性，其在车轮踏面上滚动，避免了测量轮在滚动过程中的跳动问题； 4 踏面定位，同时测量头的磁性可调，便于测量仪器在车轮上的安装和 拆卸； 5 应用“蓝牙”技术，实现了数据的无线传输。 2 2 测量仪器的测量程序 i 安装 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 ( a )( b ) 保证球面测头距车轮踏面约5 c m ，测量机架横向右移使三个支架贴靠轮辋内面如( a ) 将测量仪沿轮径方向即箭头方向靠近车轮，使球面测头紧帖车轮踏面 2 测量 ( c ) 同时按下仪器上“开始+ 电源” 按钮2 秒：等“工作”指示灯亮， 并在松开 ( e ) 手握测量轮轴端使测量轮沿仪器中间支架下滑与轮 缘贴靠，等待“蓝牙”指示灯亮，且p d a 的声音提示 或画面中部出现“开始采集数据”字样。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ( f )( g )( h )( i ) 使测量轮沿轮缘均匀滑动到轮缘内侧位置后，用指尖沿图( h ) 箭头方向轻推关节使测量轮 沿踏面滚动到右侧边缘，再握住测量杆沿轮辋外侧面下滑到测量轮将要脱离车轮为止。( 数据 采集过程) 用手握住测量杆将测量轮沿原路返回到停靠位放好，当再次听到声音或看到面板上 指示灯熄灭，本次测量结束。 2 3 车轮外形测量系统的工作原理 本测量系统测量车轮踏面外形与测量直径的测量模型不同。车轮踏面外 形的工作原理如图2 7 ( a ) 所示，分为两个部分，i 是数据采集部分，测量时 两个编码器输出的角度( c l ，c 2 ) 。i i 为对( c l ，c 2 ) 进行数据处理得到要求的 车轮参数，在p d a 中完成。已知( c 1 ，c 2 ) ，根据测量模型得到测量轮心的轨 迹曲线，对轮心坐标点进行数字滤波和半径补偿得到测量轮下包络线，最后 根据车轮踏面参数的定义计算踏面各参数。图2 7 ( b ) 为本测量系统测量车轮 直径的原理，测量得到车轮7 0 m m 处的y 坐标值h ，测量不同车轮直径时，h 值不同，如图2 7 ( b ) 采用定弦长测弓高的方法测量车轮直径。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 7 测量系统的测量原理 2 3 1 车轮外形的测量模型 车轮外形测量装置采用五连杆测量机构，其测量模型如下： 理想状况下，机构的运动模型如图2 - 8 所示，右边两个测量臂的长度分 别是l l 和l 2 + l 3 ，o i c q 在一条直线上，左边两个测量臂长度分别是k 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 和l 5 ，o o ( x o ，y o ) 和a ( x a ，y a ) 分别为编码器l 和2 的轴心点，测量臂l i 和 l 5 对x 轴的转角为d 和b ，则o l 和b 点的坐标为： 仁确j 咖口( 2 - 1 ) 【y i ：y o + 厶s i n a x b = 训x a + l 厶5c o s y bys i n f l ( 2 - 2 ) 【= + 厶 、 因此，s o l 的距离及夹角y 的表达式 如下： b d l = 厄i 万i 而( 2 - 3 ) 利用q 占c 可求出q 0 2 - 与o , s 的夹角o = y + 万： 呻伽一。s f 篙1 ( 2 5 ) l2 厶b d lj 因此，磁性测量轮轮心的坐标为： 铲矿学掣啷! ( 2 - 6 ) 【y 2 = y l 一( 厶+ 厶) s i n 万 所以，在已知d 0 和4 坐标、转角口和以及各连杆长度的情况下，对磁 性测量轮轮心坐标的计算，然后通过补偿法，即可得到外形曲线的坐标。 2 3 2 测量轮半径补偿原理 为了得到被测曲线，必须对测量轮半径进行补偿，即求出其等距离曲线。 采用两点法进行测量轮半径的补偿( 如图2 - 9 所示) ，只要知道测量轮中心两个 相邻点坐标，如c l 和c 2 点的坐标( x l ，y 1 ) 与( x 2 ，y 2 ) ，将c l q 当成一段直线， 过c l 作c l c 2 的垂直线与被测量的廓线相交于0 3 ，c 2 点相对于c i 的坐标增量 分别是x 、y a ，因a c l c 2 b 与a c l 0 3 c 相似，可得出点如的坐标( x 3 ，y 3 ) 的计 算公式： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 川斗丽r ( 2 7 ) 0 3 为c i 上补偿后的点。 在实际的测量中，对相邻的点取一定 的步长，以此步长为基准，对这些进行最 小平均值处理，以便采集到间隔均匀的点。 取c 卜0 2 为前、后6 点的平均值，则c 2 相对于c l 的坐标增量分别是x c l x c 2 ， y c l y c 2 ，则式2 - - 7 即为： 、 松，二 ( x l ，y 。 p 戮蝴，一)弋 一一，一一一。一。， 图2 - 9 测轮半径补偿 i + 而面r 雨面曙- 喝x c z ) 2 3 3 车轮直径的测量模型 车轮直径定义为与轮辋内面相距l o ( 典型值为7 0 ) 的基准平面截踏面 圆直径，本仪器采用定弦长测弓高的方法测量，其原理如图2 - 1 0 ( a ) 所示。 。 乃 二至迭( 兴 泠 、 、 ，厅 皿 、1 图2 1 0 直径测量原理图 图中g 点为所测外形曲线与基准面的交点，d 、e 分别是位于基准面内 的两个等效支撑圆的圆心，坐标系原点0 0 与直线d e 的距离为h 0 。等效圆 半径求解如图2 - 1 i ( b ) ，图( b ) 也是通过图( a ) 的d 、0 点的径向剖面图，c 点是 半径为r 2 的标准球的球心，与图( a ) 对应的d 点是c 在基准平面上的投影， 为了便于仪器检定，标准球被偏置p ，以使在测量理想车轮时，切点t 落在 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 基准面内t o 。但实际测量的踏面锥度k 是随机变化的，例如当动车组车轮踏 面基准圆附近的锥度变大后，切点t 的实际位置变成 。切线与过球心c 的铅垂线的交点也由国移动到g ，点，与基准面的交点也由岛移动到一点， 因此等效支撑圆的半径为： 吨届i p k ( 2 - 8 ) 由图( a ) 可求出车轮半径 肛罐等群一r2 ( 足+ 风一1 1 ) ( 2 9 ) 上面建立的理想的测量模型，实际测量中不可避免的存在误差，对于实 际测量中存在的误差将在下面的章节中进行分析和介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章测量仪器的误差分析 本章分析了测量仪器的误差来源、建立了误差模型，对单因素和多因素 共同作用引起测量结果误差进行仿真，找出了影响测量准确度的主要因素， 为提高仪器的测量准确度提供了理论依据。分析了单因素引起测量直径的误 差。 根据文献【3 2 】- 3 4 1 中的误差分析理论，对车轮外形测量仪器的误差进行 如下分析。 3 1 测量仪器的误差源分析 根据测量系统的工作原理，可将测量仪器的误差源分为使用过程中的误 差、测量仪器本身的误差及软件误差三类，如图3 1 所示 韫度误差： r 。j 1 藿面谣 ：差 ： 图3 1 测量系统的误差源模型 瞄 i 陂 雹 l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 3 1 1 仪器使用中的误差 测量仪器在实际使用过程中，不可避免的要受到被测车轮表面状况、测 量环境及测量人员带来的误差，主要表现在以下3 方面： 1 仪器的定位误差 测量仪器的定位主要是支架在轮辋内面的定位以及测量头在车轮踏面上 的定位。当车轮轮辋内侧面有油漆或是油漆不均匀则可使仪器倾斜或偏移， 测量得到的曲线偏移，从而使测量结果产生误羞，如图3 - 2 所示。所以在进 行测量前必须将仪器定位处的车轮轮辋内侧面的油漆清除干净。 同时定位误差还表现在车轮踏面表面的粗糙度较大，而使测量头与踏面 定位不可靠，从而弓f 起测量仪器偏移或倾斜，如图3 3 所示，踏面定位不可 靠最终导致车轮直径测量的偏差。所以在测量前必须除去踏面与测量头接触 位置的杂质，而且接触面必须选择粗糙度较小的位置。 图3 - 2 车轮轮辋内侧面引起的定位误差 图3 - 3 测量仪踏面定位误差 建厘 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 温度误差 温度是影响测量准确度的一个重要因素，温度误差主要表现在测量装置 处于温度偏离2 0 0 c 的环境中或局部受到的温度偏离环境温度引起的其几何 参数的长度变化而导致的测量误差。 物体的尺寸随温度而变化，当环境温度偏离标准温度2 0 0c 时，测量仪 器的测量机构的杆件长度和机架都要发生变化。当测量装置只有简单热变形 误差，即只有线膨胀而不存在弯曲、扭曲等复杂变形时，由于热效应引起的 测量误差，= ，( 口，f ，一q ) ，式中，为被测尺寸；口，、吒为被测件及标 尺的线膨胀系数( 1 ，。c ) ；。、出。为被测件及标尺相对于2 0 。c 的温度偏差。 温度偏离2 0 。c 引起的误差通过软件补偿来减小，而对于线膨胀系数口 不同引起的误差，则在设计测量装置时，被测件为车轮，应选用瓴于车轮材 料线膨胀系数相近的材料。还应 该指出的是，当测量仪器从一个 环境拿到另一个环境进行测量 时，必须使测量仪器的各几何参 数的尺寸受温度影响到一固定值 方可进行测量。 测量温度不均主要表现在人 员在测量过程中由于操作不当， 长时间的握着测量仪器的某一部 受热部位 图3 4 局部温度不均引起的尺寸变形 分引起该部分温度与其它部位的温度不同导致局部的尺寸变形，如图3 - 4 所 示，当测量仪器的主机架受到手温的影响，引起主机架变形，使两测量头的 距离改变。 3 力变形误差 对于手持式测量仪器，要求小巧， 因此不适当的操作可能造成过大的误 差，力变形仍然是影响测量准确度的一 个重要因素。 力变形的主要影响因素有： ( 1 ) 测量车轮不同位置时，其重力不 同引起测量装置的变形，主要是主机架 的变形；如图3 - 5 ，当测量仪器处于测 图3 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 量轮的不同位置，由于其受到的重力不同而引起测量仪器力变形的程度也不 同，而这种力变形是不可避免的； ( 2 ) 测量力不同引起的测量机构的变形； ( 3 ) 由于工件刚度不足引起的变形误差。 测量仪器在使用中由于温度不均和由于测量力引起的力变形导致的测量 结果的误差只能通过在测量过程中尽量减小，而由于温度偏离2 0 0 c 引起的误 差则通过软件中的温度补偿来减小。 3 1 2 测量仪器结构的误差 当测量仪器在实验室使用或标定时，则不存在使用中的误差，根据测量 仪器特有的结构特点，测量仪器的结构误差可分为模型误差、轴承间隙引起 的误差、五连杆的定位误差、测量头误差。 1 仪器的测量模型误差 仪器结构误差主要是测量模型误差。当测量模型中的各几何参数与仪器 结构中各几何参数不同时，即引起测量结果误差。几何参数的误差主要是连 架杆和机架的长度误差、杆件的直线度误差和两编码器安装位置误差( 各几何 参数引起的误差将在3 2 节中详细介绍) 。 2 轴承间隙误差 五连杆机构的各连架杆是靠轴承连接的，而轴承的内部存在游隙的，从 而引起在不同测量位置时连架杆的长度不同。 3 五连杆的定位误差 五连杆的定位误差主要是五连杆的初始位置的定位误差。当五连杆机构 的测量轮处于不同的初始位置时，引起测量结果也不同。五连杆的定位误差 只能通过可靠的机械定位结构来减小。 4 测头误差 车轮外形测量仪的测头是用拾取信号的，测头主要是两边的定位测量头 和测量机构的测量轮。两边的测量头是静态的，主要是用来解决测量仪器在 车轮踏面上的点，其定位的可靠性直接影响测量仪测量车轮直径的准确性。 测头半径的大小及测头之间的距离直接影响测量直径的结果。而测量轮选用 精密轴承，其引起的误差表现为轴承内部的间隙。 5 软件误差 测量仪器的软件误差表现为数据采集和数据处理误差。数据采集的误差 即是编码器的量化误差，数据处理误差则是数据处理中采用的滤波方法引起 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 的结果误差。 3 2 测量模型误差分析 测量模型是仪器的核心，测量模型的误差主要是测量模型中的几何参数 与仪器结构的实际参数不同而引起的误差。模型误差是仪器的主要误差，其 误差大小直接影响测量准确度，同时由于其复杂性，所以测量模型误差分析 是车轮外形测量仪误差分析的主要工作和难点部分。 3 2 1 误差模型的建立 经典的误差模型是对测 量模型进行一阶全微分( 见 附录) 得到的，但是该方法去 除了测量模型的高次项只保 留了一次项，这样的误差模 型不能全面反映非线性的测 量系统的误差，因此本文参 考机器人的误差分析建立与 其类似的误差模型。 1 测量模型的逆解方程 设当前测量点为 图卜