基于激光位移傳感器的鐵路輪對測試設(shè)備

北京領(lǐng)邦儀器技術(shù)有限公司 武曉娟，陳明

1 引言

輪對是機(jī)車車輛轉(zhuǎn)向架的重要組成部件，在實(shí)際使用過程中,輪軌外形及輪對幾何狀態(tài)的偏差，會導(dǎo)致車輪踏面和輪緣的磨耗加劇而影響機(jī)車車輛的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此輪對的檢測對車輛運(yùn)行安全有著至關(guān)重要的意義。目前，國內(nèi)生產(chǎn)廠檢測輪對參數(shù)大致采用兩種方式：一是手工測量，測試過程勞動強(qiáng)度大，準(zhǔn)確度低；二是采用三坐標(biāo)機(jī)，該方法雖然測試精度高，但是由于采用的是接觸測量方式，對于輪對這樣的大型部件所消耗的測試時(shí)間較長。

激光位移傳感器是一種非接觸測量的元件，具有采樣速度快，測試精度高等優(yōu)點(diǎn)，可保證無磨損、高精度的測量。本文描述的鐵路輪對測試設(shè)備就是應(yīng)用了激光位移傳感器進(jìn)行輪對多參數(shù)的測量。

2 激光位移傳感器測量原理

激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下彈出到該光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號處理器就能計(jì)算出傳感器和被測物體之間的距離。圖1為激光位移傳感器工作示意圖。

圖 1 激光位移傳感器工作示意圖

3 測試設(shè)備結(jié)構(gòu)及測試方法

3.1 測量參數(shù)

根據(jù)檢測過程將檢測項(xiàng)目分為兩類：定點(diǎn)檢測和尺寸檢測。其中，定點(diǎn)檢測項(xiàng)目包括“車輪徑跳”、“車輪端跳”、“剎車盤端跳”，檢測過程中，檢測設(shè)備保持靜止，被測輪對沿軸線旋轉(zhuǎn)。尺寸檢測項(xiàng)目包括“內(nèi)側(cè)距”、“輪位”、“盤位”、“軸長”、“軸頸長”、“踏面直徑”、“踏面形狀”以及“車輪輪輞寬”，檢測過程中，被測輪對保持靜止，檢測輪對特征面（如軸端、軸肩、輪輞內(nèi)側(cè)面等）或特征點(diǎn)（如踏面上距內(nèi)側(cè)面70mm處等）之間的距離。

3.2 測試設(shè)備結(jié)構(gòu)

本輪對測試設(shè)備總體上分為硬件部分及軟件部分。

硬件部分按照功能共分為五個(gè)子系統(tǒng)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、運(yùn)動控制子系統(tǒng)、氣路控制子系統(tǒng)、機(jī)器視覺子系統(tǒng)、機(jī)械部件子系統(tǒng)，如圖2所示。

圖 2 硬件子系統(tǒng)劃分

軟件部分按照功能共分為三大模塊：測試控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析，如圖3所示。

圖 3 軟件系統(tǒng)模塊劃分

控制系統(tǒng)采用上下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)對測試過程的控制和對數(shù)據(jù)結(jié)果的分析。下位機(jī)負(fù)責(zé)對激光位移傳感器和光柵尺返回的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集以及測試過程的運(yùn)動控制。上位機(jī)安裝WINDOWS XP操作系統(tǒng)，下位機(jī)安裝LabVIEW RT操作系統(tǒng)。上下位機(jī)之間采用網(wǎng)線連接，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3.3 測試方法

輪對尺寸測量原理如圖4系統(tǒng)測量示意圖所示，當(dāng)激光傳感器沿車軸從左向右移動時(shí)，采集不同斷面的外徑數(shù)據(jù)，通過軟件計(jì)算處理可得到被測工件各點(diǎn)位置坐標(biāo)，復(fù)現(xiàn)被測工件的外形，如圖所示，計(jì)算機(jī)根據(jù)圖形數(shù)據(jù)，可精確計(jì)算出所有軸向尺寸。當(dāng)輪對以車軸為中心轉(zhuǎn)動一定角度（360°圓周等分選取轉(zhuǎn)動角度）時(shí)，激光傳感器沿軸向進(jìn)行再一次測量，這樣可以得到一組新的數(shù)據(jù)，可根據(jù)測試要求測得3組或以上數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、分析。

圖4 系統(tǒng)測量示意圖

3.4 設(shè)備外觀

該設(shè)備外觀如圖5所示，部件說明表如表1所示。軟件界面如圖6所示，測試完成后，系統(tǒng)將計(jì)算結(jié)果顯示在結(jié)果顯示區(qū)。

圖 5 輪對測量設(shè)備外觀

表 1 輪對測量設(shè)備部件表

圖 6 軟件界面示意圖

4 誤差概算

設(shè)備測量準(zhǔn)確性由三類精度指標(biāo)共同決定，分別為：隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差以及溫漂誤差。

為便于分析，約定坐標(biāo)系如下：輪對車軸方向?yàn)閄方向，鉛垂線方向?yàn)閅方向，垂直于XY平面的方向?yàn)閆方向。取車軸左側(cè)端面和X軸的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)。如圖 7所示。

圖 7 坐標(biāo)系定義

4.1 隨機(jī)誤差概算

設(shè)備隨機(jī)誤差主要由激光位移傳感器非線性誤差、光柵尺非線性誤差、導(dǎo)軌行走平行度（包括端面、側(cè)面行走平行度、DD馬達(dá)跳動、頂尖跳動)綜合構(gòu)成。

將上述隨機(jī)誤差源列于表2。

表2 隨機(jī)誤差源列表

Z方向誤差會造成測試曲面時(shí)存在Y方向誤差，經(jīng)核算此誤差可忽略，下面推導(dǎo)設(shè)備在X、Y方向上的測量誤差。

表中各項(xiàng)誤差源互不相關(guān)，采用矢量和方式進(jìn)行誤差概算。

X方向誤差概算:

式中：

ax--水平光柵尺線性度，μm，ax= 9；

bx--豎直導(dǎo)軌側(cè)面行走平行度，μm，bx= 4；

cx--DD馬達(dá)徑向跳動，μm，cx= 10；

dx--激光位移傳感器非線性誤差，μm，dx= 3；Y方向誤差概算:

式中：

ay--水平導(dǎo)軌端面行走平行度，μm，ay=6.5；

by--豎直光柵尺線性度，μm，by=3；

cy--DD馬達(dá)徑向跳動，μm，cy=10；

dy--激光位移傳感器非線性誤差，μm，dy=3；

ey--頂尖徑向跳動，μm，ey=10；

定點(diǎn)檢測誤差概算

檢測輪對跳動量時(shí)輪對旋轉(zhuǎn)，激光測頭保持靜止。定點(diǎn)檢測誤差僅與激光測頭和兩端頂尖相關(guān)。定點(diǎn)檢測誤差按下式概算。

式中：

at--激光位移傳感器隨機(jī)誤差，μm，at= 3；

bt--頂尖徑向跳動，μm，bt= 10。

4.2 系統(tǒng)誤差概算

此設(shè)備的系統(tǒng)誤差主要由各裝配體的裝配關(guān)系造成。受限于裝配方法、裝配工具工藝，各裝配體裝配后不可能處于完全理想位置；受限于檢測工具、參考標(biāo)準(zhǔn)的水平、工藝，各裝配體的裝配偏差不可能零誤差的被檢測，從而無法使用軟件完全消除此偏差造成的系統(tǒng)誤差。

將設(shè)備各項(xiàng)系統(tǒng)誤差及相應(yīng)消除效果列如表3所示，部分誤差定義如圖8所示。系統(tǒng)誤差通過安裝保證、硬件調(diào)節(jié)以及軟件修正消除，圖8中的α、β、γ分別表示前視圖、左視圖和俯視圖的角度。

表3 系統(tǒng)誤差列表

圖 8 系統(tǒng)誤差示意圖

4.3 溫漂誤差概算

本設(shè)備測量由光柵尺和激光位移傳感器配合進(jìn)行，通過選擇光柵尺基材可控制光柵尺熱膨脹系數(shù)，使光柵尺熱膨脹系數(shù)和被測輪對相同，不需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償；激光位移傳感器與被測輪對熱膨脹系數(shù)之差為10-5/K級，需要補(bǔ)償?shù)臏y量值為30~40mm，若溫度傳感系統(tǒng)測量精度為1℃，補(bǔ)償誤差＜1μm（熱膨脹系數(shù)之差×需補(bǔ)償測量值）。

綜上，經(jīng)溫度補(bǔ)償后，溫漂誤差可忽略不計(jì)。

4.4 總誤差

（1）尺寸測量誤差

尺寸測量各項(xiàng)誤差列如表4所示。

計(jì)算總誤差時(shí)，采用下述方式進(jìn)行：各項(xiàng)同方向系統(tǒng)誤差進(jìn)行相加，系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差進(jìn)行相加。

表 4 尺寸測量誤差統(tǒng)計(jì)

另外，本設(shè)備所用光柵尺精度為3μm/m。

綜上，系統(tǒng)尺寸檢測精度為（24.4+3L/1000）μm。

（2）定點(diǎn)測量誤差

定點(diǎn)測量誤差為10.4μm（計(jì)算過程詳見本文4.1）。

5 測試效率計(jì)算

效率評估對象為帶有三個(gè)剎車盤的車輛輪對，由于外形最復(fù)雜，所需檢測時(shí)間最長，其檢測過程各步驟所需時(shí)間如表5所示。

表5 各環(huán)節(jié)時(shí)間

由上表可知，設(shè)備完成一次輪對測量共需約157s。

6 結(jié)論

（1）該設(shè)備是基于激光位移傳感器開發(fā)的非接觸式測試設(shè)備，根據(jù)上述分析可知，該設(shè)備測試精度及測量效率都很高，而且由于測量過程中傳感器與被測件無實(shí)際接觸，所以不會對被測件造成磨損，也不會對測試過程產(chǎn)生干擾。

（2）該設(shè)備可按車統(tǒng)51—C 卡輸出數(shù)據(jù), 也可以與HMIS系統(tǒng)連接, 能進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸出、儲存、傳輸, 還可以滿足檢修過程中的管理要求, 全面提高工作效率，具有很高的自動化程度。于解決目前輪對測量手段落后、測量誤差大、勞動強(qiáng)度高等問題具有一定的實(shí)際意義。

[1]章薇. 鐵道車輛輪對輪位差的測量[J]．鐵道技術(shù)監(jiān)督，2007，35：36–37.

[ 2 ]李德維, 朱萍, 戚小萍, 張麗. 基于坐標(biāo)測量機(jī)的鐵路輪對參數(shù)的測量方案[J]．中國測試技術(shù)．2007，33：42–44.

[ 3 ]吳學(xué)軍,王欽, 段鳴華, 殷宗剛, 陳洪波. 輪對自動檢測裝置[J]．鐵道車輛 2003，41：35–36.