高鐵轉(zhuǎn)向架在線自動測量系統(tǒng)的研制

（中航工業(yè)北京長城計量測試技術(shù)研究所，北京 100095）

0 需求背景

高鐵轉(zhuǎn)向架是機車的重要核心部件之一，是機車牽引、承載、行走和導(dǎo)向的關(guān)鍵裝置。轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)裝配工藝和最終裝配精度直接影響高鐵的速度和平穩(wěn)性，因此對新制造及大修后的轉(zhuǎn)向架必須要進行軸距、對角線、輪對內(nèi)側(cè)面與基準(zhǔn)塊間隙等參數(shù)檢測和調(diào)整[1～5]。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向架軸距、對角線、輪對內(nèi)側(cè)面與基準(zhǔn)塊間隙等參數(shù)的檢測采用人工劃線，卡尺測量的方法[6～10]。其弊端如下：其一，輪對內(nèi)側(cè)面與基準(zhǔn)塊間隙在調(diào)整時不能實時顯示，因此其間隙采用人工調(diào)整時，調(diào)整精度與調(diào)整效率難以提高；其二，對角線測量前須進行刻線影響檢測效率，刻線后采用長度為近3m的卡尺測量對角線，卡尺自重變形及熱漲本身就會限制檢測精度。而近年來，隨著列車運行的高速化，高鐵的高安全性和良好的舒適性對轉(zhuǎn)向架的裝配質(zhì)量提出了更高的要求。同時，在國家“一帶一路”戰(zhàn)略下，中國高鐵已經(jīng)成為走向全球的名片，為滿足高鐵國內(nèi)與國際市場的旺盛需求，須進一步提高高鐵及轉(zhuǎn)向架的生產(chǎn)效率，故傳統(tǒng)檢測裝配方法的低效率低精度的特點，無法滿足現(xiàn)代高鐵轉(zhuǎn)向架自動裝配線的生產(chǎn)要求。針對此需求，本文開展轉(zhuǎn)向架裝配后的幾何尺寸自動檢測系統(tǒng)研究，系統(tǒng)介紹系統(tǒng)檢測原理、結(jié)構(gòu)組成、補償方案及試驗結(jié)果，實現(xiàn)高鐵轉(zhuǎn)向架軸距、對角線、輪對內(nèi)側(cè)面與基準(zhǔn)塊間隙等參數(shù)自動在線測量。

1 自動測量系統(tǒng)功能及指標(biāo)設(shè)計分析

1.1 功能設(shè)計分析

轉(zhuǎn)向架在線自動測量系統(tǒng)用于生產(chǎn)線上產(chǎn)品的自動幾何尺寸檢測，首先，節(jié)奏需滿足生產(chǎn)線節(jié)拍需求；其二，根據(jù)產(chǎn)品類型不同可進行軸距變化及測量程序的自動調(diào)整計算；其三，檢測內(nèi)容需涵蓋所有手工檢測尺寸；其四，具備自校準(zhǔn)功能。依據(jù)以上要求確定如下指標(biāo)。

1）適用于轉(zhuǎn)向架裝配生產(chǎn)線上復(fù)合生產(chǎn)節(jié)拍的節(jié)奏需求；

2）軸距范圍（2200～2800）mm，可以設(shè)定A=2200、2400、2500、2800四種固定軸距；

3）檢測內(nèi)容包括前后輪對的軸間距A1、A2、四個輪子中心對角線的長度C1、C2、輪子相對于轉(zhuǎn)向架定位基準(zhǔn)的距離B1、B2、B3、B4；

4）采用非接觸測量、測量過程中無需工裝、無需人工干預(yù)；

采用標(biāo)準(zhǔn)器進行自校準(zhǔn)，滿足現(xiàn)場校準(zhǔn)與溯源需求。

1.2 技術(shù)指標(biāo)設(shè)計分析

作為檢測設(shè)備，技術(shù)指標(biāo)設(shè)計上根據(jù)工藝要求的指標(biāo)的1/3～1/10進行確定。根據(jù)工藝要求軸間距尺寸A±1.5mm，要求兩側(cè)尺寸之差≤1mm；兩對角線尺寸之差≤1mm；構(gòu)架基準(zhǔn)塊與輪對內(nèi)側(cè)尺寸，要求同一輪對兩側(cè)尺寸之差≤1mm，再綜合現(xiàn)有傳感器及成本考慮確定以下技術(shù)指標(biāo)：

1）系統(tǒng)測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.25mm；

2）每個測量節(jié)拍時間不超過10min。

2 系統(tǒng)設(shè)計思想及原理

2.1 輪對相對于轉(zhuǎn)向架定位基準(zhǔn)的距離測量

根據(jù)轉(zhuǎn)向架在線自動檢測功能及指標(biāo)設(shè)計要求，轉(zhuǎn)向架在線測量系統(tǒng)采用非接觸激光位移傳感器作為測量器件，以適應(yīng)不同類型轉(zhuǎn)向架的快速測量需求。首先解決間隙測量問題，間隙是輪內(nèi)側(cè)面與轉(zhuǎn)向架定位基準(zhǔn)之間的距離，控制左右側(cè)的間隙差值就可以控制輪對在轉(zhuǎn)向架中間的對稱位置，為此可對稱布置方案如下，圖1所示的傳感器2和傳感器3用于測量輪對內(nèi)側(cè)面與轉(zhuǎn)向架定位基準(zhǔn)面，兩個傳感器的位置L0確定后即可計算出一個間隙B1=L2+L0-L3，通過對稱放置的一組相同傳感器即可獲取同一輪對另一側(cè)的間隙B2。

圖1 間隙測量原理圖

2.2 前后輪對的軸間距測量

輪對與轉(zhuǎn)向架裝配完成后軸部全部被遮擋，只能通過測量輪對踏面數(shù)據(jù)獲取軸距，且考慮到方便自動測量，本方案設(shè)計豎直踏面測量傳感器1結(jié)合磁柵尺（如圖1所示）數(shù)據(jù)進行軸距測量。此種方法需具備兩個條件：首先需要有基準(zhǔn)保證傳感器1沿軸距方向移動時測量的基準(zhǔn)是一致的，為此設(shè)計龍門結(jié)構(gòu)架并安裝精密導(dǎo)軌用于龍門梁的導(dǎo)向，保證測量基準(zhǔn)的統(tǒng)一；其次，裝配后轉(zhuǎn)向架需要與傳感器1測量基準(zhǔn)保持平行，故設(shè)計的以軸箱體下部加工平面為定位基準(zhǔn)進行支撐的四個支撐腳需充分調(diào)平。定義X方向為輪對軸距方向，Y方向為豎直方向。傳感器1能夠沿著X方向的導(dǎo)軌移動，移動距離通過加裝在X方向的磁柵尺測量。定距離的采集并保存磁柵尺數(shù)據(jù)xi及激光測距傳感器數(shù)據(jù)yi；前輪完成5～9組數(shù)據(jù)的采集后，傳感器1移動到后輪，并完成對后輪的數(shù)據(jù)采集，得到前后組離散測量點集（xi，yi），（i=1，2，3，…，k），將數(shù)據(jù)二次擬合求取最高點的距離即時所求的軸距位置A1，左右各設(shè)計一個則傳感器，可同時實現(xiàn)A1，A2的測量。

圖2 前后輪軸間距測量原理圖

2.3 對角線長度的測量

輪對裝配后對角線是指對角輪的內(nèi)側(cè)偏移固定量的面與輪對踏面相交圓的最高點的距離。本文利用測量間隙的傳感器3的數(shù)據(jù)測量輪內(nèi)側(cè)面位置，利用軸距傳感器1的及磁柵尺數(shù)據(jù)獲取最高點位置，事先標(biāo)出傳感器1、3兩組傳感器之間的距離，則可實現(xiàn)對角線長度測量，如圖3所示。

圖3 對角線測量示意圖

具體原理如圖3所示。1號、3號傳感器位置如圖4所示，傳感器1A、1B之間的距離W1，傳感器3A、3B之間的距離W2事先標(biāo)出，則1號、3號傳感器位置完成圖3所示的掃描過程后輪對在軸向上的距離則可測出，結(jié)合擬合數(shù)據(jù)則可求出空間坐標(biāo)P1(m1,n1,k1)，P2(m2,n2,k2)，P3(m3,n3,k3)，P4(m4,n4,k4)。利用點到點的距離即可求出對角線長度。

2.4 考慮到實際轉(zhuǎn)向架安裝位置時的測量

實際測量過程中，轉(zhuǎn)向架通過輸送系統(tǒng)自動進入調(diào)整臺位并定位，其放置方向與測量導(dǎo)軌方向存在夾角，該值直接影響測量結(jié)果。本文采用算法補償方式進行測量值的修正。

圖4 轉(zhuǎn)向架實際放置情況示意圖

由于前后輪對在調(diào)整前安裝位置并不對稱，分別采用前輪對和后輪對中兩個輪子的最高點計算轉(zhuǎn)向架安裝時相對于導(dǎo)軌的偏角α。計算方法是根據(jù)二次擬合值獲取最高點所對應(yīng)的導(dǎo)軌位置：XL、XR，則有：由于有前后兩個輪對，考慮到安裝時的誤差，可分別計算前輪對和后輪對的安裝角αF、αB，對二者取平均，得出輪子相對于轉(zhuǎn)向架定位基準(zhǔn)的距離、前后輪對的軸間距、對角線長度測量值均需根據(jù)偏轉(zhuǎn)角進行修正，才能作為給出的實際測量值。

3 系統(tǒng)的研制

3.1 整體系統(tǒng)構(gòu)架

根據(jù)前節(jié)論述原理，研制的轉(zhuǎn)向架測量系統(tǒng)包括龍門運動單元、運動控制單元、掃描測量單元、自校準(zhǔn)單元、定位支撐單元、數(shù)據(jù)采集處理單元及自動測量軟件單元，整體測量系統(tǒng)構(gòu)架如圖5所示。龍門運動單元用于安裝掃描測量單元，并根據(jù)自動測量軟件單元傳輸?shù)竭\動控制單元的指令自動執(zhí)行測量任務(wù)，數(shù)據(jù)采集處理單元則將掃描測量單元采集的數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理后傳輸?shù)阶詣訙y量軟件單元進行數(shù)據(jù)分析并顯示測量結(jié)果。定位支撐單元用于轉(zhuǎn)向架及自校準(zhǔn)單元的支撐。自校準(zhǔn)單元為模擬輪對及轉(zhuǎn)向架基準(zhǔn)塊尺寸的標(biāo)準(zhǔn)器，尺寸通過三坐標(biāo)測量，用于轉(zhuǎn)向架測量系統(tǒng)的標(biāo)定。

圖5 整體系統(tǒng)構(gòu)架

3.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)要求，定位支撐單元首先需要滿足變軸距需求，用于轉(zhuǎn)向架的測量支撐。本文設(shè)計的四個獨立的轉(zhuǎn)向架定位支撐柱裝置分布在前后兩個水泥臺上，高度經(jīng)調(diào)整后固定鎖緊，保證支撐穩(wěn)定性，每個定位支撐柱底部設(shè)計有精密導(dǎo)軌并采用銷定位結(jié)構(gòu)實現(xiàn)軸距的調(diào)整。測量系統(tǒng)的龍門運動單元采用龍門結(jié)構(gòu)設(shè)計，被測轉(zhuǎn)向架放置在中間，六只傳感器構(gòu)成的掃描測量單元分兩組對稱安裝在測量龍門架中間，測量龍門架通過精密導(dǎo)軌安裝在縱梁上，兩側(cè)縱梁分布有三根縱梁支柱支撐，縱梁支柱固定安裝在已調(diào)平的支撐座上，兩側(cè)縱梁經(jīng)精加工并在安裝時調(diào)整平行等高，保證導(dǎo)軌運行測量基準(zhǔn)不發(fā)生變化。龍門量兩側(cè)采用雙磁柵尺進行同步閉環(huán)反饋，確保測量龍門梁同步驅(qū)動，整體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

轉(zhuǎn)向架自動測量軟件是面向轉(zhuǎn)向架自動生產(chǎn)的自動檢測分析軟件，功能上實現(xiàn)運動的控制、測量數(shù)據(jù)的分析管理及報告生成等。軟件共分為登錄，控制及測量，數(shù)據(jù)管理及分析三個界面?？刂萍皽y量界面負(fù)責(zé)對系統(tǒng)進行運動控制，確認(rèn)所有設(shè)備能否正常連接，導(dǎo)軌運行狀態(tài)是否正常，并完成對轉(zhuǎn)向架等對象的測量任務(wù)；數(shù)據(jù)管理及分析界面負(fù)責(zé)對全部測量數(shù)據(jù)進行管理，具有自動保存功能、測量結(jié)果分析功能、測量報告生成功能。

圖7 系統(tǒng)軟件

4 系統(tǒng)測量不確定度分析與試驗

4.1 系統(tǒng)測量不確定度分析[11]

根據(jù)系統(tǒng)原理及構(gòu)造，系統(tǒng)測量不確定度主要源于以下原因：磁柵尺本身誤差及龍門梁直線度誤差引入的測量不確定度、傳感器測長誤差引入的不確定度、傳感器位置校準(zhǔn)誤差引入的測量不確定度和材料溫度測量點與整體溫度不一致誤差引入的測量不確定度等?，F(xiàn)就不同測量參數(shù)進行誤差分析。

表1 測量誤差分項表

表2 測量值對比分析結(jié)果

輪對相對于轉(zhuǎn)向架定位基準(zhǔn)的距離測量由傳感器2、3完成，其測量誤差包括傳感器2、3的測量誤差及位置校準(zhǔn)誤差，則其合成不確定度為：

由此得到的擴展不確定度為：U=2u=0.14mm，（k=2）。滿足設(shè)計要求。

前后輪對的軸間距測量由傳感器1，傳感器3及測長磁珊尺完成，其測量誤差包括傳感器1、3的測量誤差、磁柵尺及龍門梁的直線度誤差引起的測長誤差, 溫度補償時材料溫度變化不一致引入的熱漲誤差，則其合成不確定度為：

由此得到的擴展不確定度為：U=2u=0.16mm，（k=2）。滿足設(shè)計要求。

對角線長度的測量由傳感器1，傳感器3及測長磁珊尺完成，其測量誤差包括傳感器1、3的測量誤差、磁柵尺及龍門梁的直線度誤差引起的測長誤差, 溫度補償時材料溫度變化不一致引入的熱漲誤差，則其合成不確定度為：

由此得到的擴展不確定度為：U=2u=0.22mm，（k=2）。滿足設(shè)計要求。

4.2 試驗

為驗證系統(tǒng)精度，采用經(jīng)標(biāo)定的模擬輪對及轉(zhuǎn)向架基準(zhǔn)塊的一體標(biāo)準(zhǔn)器進行比對測量，轉(zhuǎn)向架在線測量系統(tǒng)測量6組數(shù)據(jù)，與跟蹤儀測量的值進行分析，測量數(shù)據(jù)表明輪對相對于轉(zhuǎn)向架定位基準(zhǔn)的距離測量誤差為0.10mm，滿足設(shè)計分析需求。

5 結(jié)論

本文分析了高鐵轉(zhuǎn)向架傳統(tǒng)檢測方法的不足，并以檢測工藝指標(biāo)為切入點分析轉(zhuǎn)向架自動化檢測的功能需求及技術(shù)指標(biāo)；系統(tǒng)介紹輪對相對于轉(zhuǎn)向架定位基準(zhǔn)的距離、前后輪對的軸間距、對角線長度及考慮到實際轉(zhuǎn)向架安裝位置時的測量方法；之后從系統(tǒng)研制角度介紹系統(tǒng)構(gòu)架、結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計方案，最后分析系統(tǒng)測量誤差，并給出了實際測量結(jié)果，測量結(jié)果表明測量不確定度滿足設(shè)計需求，測量節(jié)拍小于10min，實現(xiàn)高鐵轉(zhuǎn)向架輪對內(nèi)側(cè)面與基準(zhǔn)塊間隙、軸距、對角線等參數(shù)在線自動測量，滿足現(xiàn)場在線自動化檢測需求。