开题报告-列车车轮直径检测机构设计

CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 开题报告设计题目： 列车车轮直径检测机构设计 学生姓名： 学院名称： 机电学院 专业名称： 机械电子工程 班级名称： 机电1442 学 号： 指导教师： 教师职称: 学 历： 2018年03 月12日、课题论证1.1课题研究的目的与意义列车车轮在列车的运行中承担重要的角色。负责承受自身重量，传递车身与轨道之间的全部作用力。制动时产生的制动力，拐弯时产生的离心力也由轮对承担。因此车轮的好坏直接关系到列车是否能安全运行。所以对列车车轮直径的测量对保障列车高速安全运行有着重大意义。列车车轮必须定期检修，它关系到列车是否能安全行驶，也对列车提速有重大影响。对车轮的综合参数的测量是保障列车安全行驶的重要措施。我国现阶段的测量技术还比较落后，依然是工作量巨大的手工测量，费时费力得到的结果也是误差非常大的。我国的高铁时代已经来临，列车大部分已经提速，落后的测量技术已经满足不了当前列车车轮对精度的要求。我们现在迫切的需要一种高精度、高效、高可靠行的检测装置来适应列车提速的趋势。设计新的检测机构以实现对列车车轮高精度、高效率检测，提高检修效率、质量、及时准确的发现运行故障、改善运行条件、降低检测人员工作强度、加强铁路系统对列车运行状态的管理、保障行车安全，都有重大的意义。所以列车车轮的非接触、高精度、高效测量仪器的设计迫在眉睫。1.2文献综述（相关课题国内外研究的现状）列车对几何参数的检测主要分为静态检测和动态检测。1.2.1静态检测列车轮的静态检测是在检修期，将车轮对卸下来，对列车轮参数进行统一检测，国内外的静态检测方法主要啊 有以下几种:（1）专用卡尺法现在应用的铁道车辆轮对检测器多为型号为llj-4d四代检查器，采用了国际通用标准，将轮缘厚度的测量以踏面基准向上12mm处，采用游标原理，将轮缘和踏面的测量分度值提升到0.1mm，测量精度可以控制在0.2m以内。优点是操作简单、稳定性高、成本低、携带方便；缺点就是测量人员会对游标读数产生影响，并且轮缘磨耗情况也会影响测量精度（2）电子式测量量具各国利用迅速发展的电子技术和传感技术相继研发了许多电子测量设备，用于列车轮对各参数的测量。90年代末，美国国际电子机械有限公司研制了电子测量仪和车轮轮廓测量仪。现在，国际上还有许多地方广泛的应用这些设备对列车轮对进行检测。我国成都主导科技有限责任公司和北京天威科技发展有限公司引进了一些国外公司的技术，把它应用于火车测量器具领域，分别研制出了lyi-610系列的便携式轮轨外形尺寸检测仪和轮对自动检测系统，将我国的列车轮对检测技术提高到了一个新的阶段。它们都是通过各种检测探头对车轮的轮缘踏面部分进行扫描，通过电子装置对获得的数据进行分析处理，最后得到我们所需要的列车轮对的各种参数。这些电子测量设备的优点是利用电子元器件代替了机械式测量，实现了机械化向电子化、自动化的转变，开创了自动检测系统的先河，减轻操作人员的工作强度的同时也提高了检测效率。由于检测仪器与被检测体是零距离接触，因此测量精度无法准确把握，但仍然有少数铁路部门在使用这种测量方式。（2）CCD非接触式测量工具CCD技术就是ccd成像技术中电荷耦合器件英文名的简称。它原来是数码相机里的一个重要器件。Ccd非接触式测量量具在工作时，由ccd设备自己发出光束对被测物体进行照射，ccd设备与被测物体始终保持距离，不想电子式测量那样，通过接触式探头对被测装置进行扫描，来获得被测物体的图像，这就避免了列车车轮转动对仪器的磨损，长时间的磨损，必然会对电子式测量量具的测量数据造成影响，而ccd非接触式测量仪能始终保障测量数据的准确无误。北京凯瑞德图像技术有限公司开发的轮对图像自动检测系统，大连理工大学开发的基于ccd的火车轮对智能测量系统等都是应用不同种类的ccd、数据采集技术与图像处理技术相结合开发出来的产品。CCD非接触式测量仪器提高检测精度的同时实现了检测自动化，由于其非接触的特点，使得检测设备的寿命得以延长。随着科技的发展与可编程控制技术的应用，机械量具和接触式量具已退出历史舞台，取而代之的是非接触的电子量具，下面介绍国外几种典型的电子式测量产品：美国便携式车轮断面测量仪：美国国际电子机械有限公司研制的便携式车轮断面测量仪，使用方便，可以在两2 秒内完成轮缘厚度和踏面磨耗等数据的测量，还可以将测量结果打印出来。在测量时，车轮断面测量仪的两种控制机构可以将测量仪与车轮精确定位，保证了测量车轮断面测量仪的高精度。这种仪器可用于各种有轨车辆车轮参数的测量，不受环境和测量条件的影响。测量数据被自动储存在仪器内部的计算机系统中，他能帮助检修人员降低旋轮和换轮的成本源自于其内部的编制的维修程序。该公司还成功的研制了便携式的轮径电子测量仪能在不拆卸轮对的情况下精确测出车轮的直径，测量误差不超过076 mrl l 。当同一轮对的车轮直径差超限和同一转向架的车轮直径差超限时，仪器将发出报警；通过预编程序可以将不同车轮的类型的直径和公差储存在轮径测量仪中，定位机构根据设定的车轮类型，仪器可以在车轮的测量位置准确定位，获得精确的数据。芬兰车轮外形测量仪：芬兰铁路成功研制的车轮外形测量仪将测得的磨耗车轮的外形数据与仪器内部系统储存的标准轮对的参数比较，计算出车轮外形参数并对近限或超限车轮发出旋修指令f11。仪器测量1000个点仅需要3秒钟，相邻的两个测量点间的距离只有001mm。测量装置利用传感器采集数据传输给控制系统，控制系统可以将车轮外形放大，以数字或图像形式显示和储存，还可以从控制系统调出储存的数据，绘制出轮对的形状，显示和打印。日本轮对自动检查装置：日本铁路研制成功轮对自动检查装置由两个平行光源、两台CCD摄像机、外部设备和控制系统组成。可以同时检测对同一转向架两个轮对的外形参数。当转向架解体后轮对升高时，CCD摄像机对轮对的外形轮廓进行拍摄，将信息交给计算机进行处理后，把轮廓图像和轮对参数显示出来，该装置可测量轮缘厚度、踏面磨耗和车轮内距等数据，当有参数超过系统设定的极限时，结果以红色字显示。该装置的测量误差能控制在 020衄以内，一小时内能够测量三组轮对，这套装置不仅实现了检修作业自动化，提高了检测精度和可靠性，而且极大地改善了作业环境。1.2.2动态检测动态检测则是指铁路车辆在运行时对列车轮对参数进行的测量，随着近些年CCD技术的发展，基于图像处理的自动检测方法逐渐成熟，很多发达国家都已经研出了一些利用图像处理方法的自动检测设备。动态检测有以下优点：自动化程度高、机构简单、在线检测速度快、采样率高、不占用列车周转时间、便于存储轮对信息等。在动态检测中，基于图像的自动检测方法可以实现列车轮对的在线快速非接触检测，随着数字图像处理技术的进一步发展，其可靠性和精度会大大提高。因此受到国内外专家的广泛关注，成为国内外研究的重点。1.2.3国内外技术现状（1）国外技术现状国外发达国家，如德国、日本、瑞士和美国等国在非接触激光测量技术领域开展的研究比较广泛，技术发展较为成熟，在精度方面可以实现纳米级，同时，精度为微米级的测试系统已成功应用于多个领域。目前世界激光测量仪器优势企业主要有瑞士徕卡( ELAG) 、美国光动公司(Optodyne，Inc)、日本拓普康、美国Coherent、德国Trumpf等公司。美国光动公司(Optodyne，Inc)一直致力于科研、开发以及生产激光勘测类产品。该公司生产的设备，适用于CNC机床的检测、误差分析和工件生产等。美国光动公司有世界领先的LICS100型和MCV- 5000型激光多普勒测量系统。其设备是基于LDDM专利开发技术的，成功融合了流行的激光理论和光电技术，电脑技术等。从最初在中国成立到如今，光动公司在中国立足达到12年之久，其生产的设备被广泛投入到我国的国防科技、太空技术、民用、重点院校以及科研基地等。该公司的激光系统可满足美国NIST可探测的精度范围。产生激光的抗干扰能力在01PPM以上，精度可到10PPM，分辨率可达11000000英寸的高度。激光设备自身可实现环境补偿功能，能在非控制下补偿由于温差、气压差和材料散热所产生的误差，同时还可补偿由于自身发热所产生的误差。从技术角度来说，光电尺寸检测技术可实现很多功能，大到接收光电信号，d, N获得信号以后的处理以及运算，都可应用该技术。但在这些领域应用该技术时，没有固定的使用方法，而且搭配起来也不尽相同。在满足技术要求的基础上，想要设计出满足各种要求的最优解决办法，例如测试精度以及精度范围等，是我们需要继续研究的阎。现如今，光电尺寸检测技术的特点显著，精度高，已被越来越多的场合使用。发5 达国家的光电位置检测设备产业的发展迅猛，越来越多的光电位置检测设备正在投入生产。同样的检测设备，用于不同用途的测量工具时，我们通常会采用不同的理论以及检测方法。很多国家研究人员致力于研究光电检测技术，花费巨大的金钱与时间，并最终取得了丰厚的成果，很多想法已经变为了现实，效果明显。如美国AEROEL公司开发的ALS40型高精度在线非接触式激光测微仪，应用激光扫描方法，其测量范围为0223mm，分辨率为O1 p m，测量精度为 O2 u m；有用分光法研制的ALSl 3xY型双向测微仪，测量范围为巾O110mm，重复精度可达 03 u m，可同时测量相互垂直两个方向的不圆度；日本Keyence公司开发一款VG CCD激光微测计，应用技术包括：激光扫描测量技术、数字信号处理技术和电脑开发技术。可进行快速、空间以及准确的检测，分析出被测零件的位置和尺寸等。己成功的应用于机械制造、电力电缆、挤压成型产品、钢棒和钢管、抽拉加工线材、钢索和钢丝、磁性(漆包)线材、光纤、医疗管材等生产中。以上几个例子，某种程度上已经是如今的全球领先水平，从侧面体现了激光测量技术的普遍性和方便性。在满足精度以及速度的要求下，人们会更多的朝柔性研究改革，采用软件更新以及模块化的便利，最快速、最方便的完成误差等数据的检测。在国际轨道交通应用领域，在专用轨道检测车上应用的车轨动态参数检测技术主要有：激光伺服技术和激光视像技术。它们在检测基本参数时，可达到同样的效果。后者比前者优秀，稳定性较高，在实现高精度检测，其设备的模块化较为容易成形，能够对钢轨的全断面进行检测、钢轨的波磨面进行检测，对高铁的轨道以及精度检测精度较高的轨道，都是很方便的。特别是瑞士徕卡( ELAG) 公司生产的OPTIMESS系列非接触激光测量技术产品，已经成功应用于铁路轮对踏面测量、接触网测量、轨道测量等方面。其中车轮外形测试整个的轮对踏面，应用到2个OPTIMESS 2D激光传感器来检测，第一个传感器检测从轮对内表面到轮缘项部的踏面，第二个传感器检测与钢轨接触的轮对踏面。利用计算机软件，将之前获得的参数进行合成，实现Sd，Sh，Qr等踏面参数的拟合。（2）国内技术现状我国基于图像处理的自动化检测起步较晚，但是发展迅速。经过近二十年的发展，现在已经有了长足的进步。非接触激光测量技术在高精度和自动化方面尚与国外有一定的差距，开展的工作也不如国外广泛，由于产业化程度较低，没有形成具有国际竞争力的完整产业。采用激光技术实现微距测量、速度测量、物表粗糙度测量等高精度测量仪器设备目前在我国还很少，而且精度等指标上与国外产品相比还相差甚远。哈尔滨工业大学在“ 超精密特种形状测量技术与装置” 研究方面达到国际先进水平，主要解决不规则工件高精度检测问题，一般用于实验室环境下测量，不适于机车运动中测量。随着科学技术的进一步发展，融合计算机技术、自动控制、激光检测、激光扫描等技术精密机械、可以实现对多尺寸、形状和形位误差进行测量。随着这种综合测量仪器的有效应用，传统的检测手段必将被更高性能的激光检测仪器所取代，激光检测技术必定成为检测仪器的主要发展趋势2、设计内容：利用CATIA等软件设计列车车轮检测机构用于检测车轮滚动圆直径、车轮及制动盘大孔直径。总体设计要做到：适用性、布局合理、使用方便、易于维修和维护，满足需要，实行机械化、自动化和使用监视管理系统。 3、设计要求：系统测量精度0.08mm；系统测量重复精度0.05mm；测量传感器精度0.03mm；车轮孔测量时间节拍5min；设备载重20KN；车轮滚动圆直径（滚动圆距车辋内侧面距离为70和73.5mm） 830-920mm；车轮及制动盘大孔直径187-199mm。4、总体方案设计：为了满足以上要求，我采用激光测量的方法测出列车车轮滚动直径和车轮及制动盘最大内孔直径。主要有升降装置，旋转装置，定位装置，检测装置。升降装置、旋转装置都由三项步进电机提供动力，带动升降、旋转确定工件位置。检测装置用激光位移检测器，检测被测工件与标准工件的位移尺寸从而得出被测件的尺寸。大致框架如下图所示图1测量机构简图5、技术路线5.1 激光测距原理如下图所示激光经会聚透镜照到工件上，以一定角度反射，经接收透镜照射到CCD上，形成一个点。当工件移动，激光就以不同的角度反射到CCD上，形成另外一个点。CCD上两点之间的距离配合光反射之间的关系就能算出工件的位移X。 图2传感器内部原理5.2 机电部分电机的输出转角与控制器提供的脉冲有正比的关系，电机转速与脉冲频率有正比关系，因此在精度要求不是非常高时，使用伺服电机是合理的。5.3 机械总装配设计机械部分主要有激光测距装置的装夹装置，升降装置，旋转装置，工件的定位和夹紧装置。（1）激光测距装置用专门的装夹装置固定在升降装置上和工作台两边。左右边的保证发射的激光与工件的工作台平行。升降装置上发射的激光保证与工作台垂直。（2）升降、旋转装置用步进电机带动，选出合适的联轴器，丝杠。（3）工件的定位以车轮的底面为基准（4）工件夹紧使用手动夹紧5.4 注意存在的问题（1）激光测距装置发出的激光要与工作台平行。（2）测最大孔直径的激光测距装置不能过大，防止不能在孔内旋转。（3）在标准件测过标准距离后，被测工件要与其放置的位置一致。（4）为保证测量的精度，要多次测量，去大去小得平均值。（5）测最大孔直径的激光升降装置的位置要合适，保证能进入内孔并能旋转。（6）滚珠丝杆的行程要合适，确保距离能进入内孔 。（7）工作台要能承受车轮及制动盘的重量，不歪不扭。 5.5 进度计划 时间设计任务及要求 第1周分析、查阅资料，熟悉设备技术要求、背景，学习与毕业设计相关知识，做好前期准备工作。第2周撰写开题报告 和外文翻译。准备开题报告答辩PPT 第3-4周总体方案设计，方案草图绘制，并进行测量装置的有关机械部分的计算，对测量装置结构进行设计，确定总体尺寸。完成丝杠，电机，联轴器等外购件型号初选。 第5周绘制测量装置结构草图，计算并校核有关尺寸。 第6-8周三维设计 第9周三维设计，绘制一张0的装配图。 第10周二维工程图设计，手绘一张1的图。计算机3张0的零件图。 第11周检查设计，撰写说明书，修改设计图纸。 第12周整理编写设计说明书，交指导老师审定，制作答辩提纲，设计定稿，打印，准备毕业设计答辩。 第13周进行毕业设计答辩。 6 参考文献1 涂军.基于并联机构的坐标测量系统研究. .四川：西南交通大学.20042 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