高鐵抗側(cè)滾扭桿智能測量系統(tǒng)

張穎敏　陳永彬

摘要：針對高鐵抗側(cè)滾扭桿組件產(chǎn)品形狀復(fù)雜多樣、尺寸范圍大的特點(diǎn)，研發(fā)一種在生產(chǎn)現(xiàn)場使用的抗側(cè)滾扭桿無人化智能測量系統(tǒng)。構(gòu)建大行程精密三坐標(biāo)測量系統(tǒng)與數(shù)控夾具及機(jī)器人協(xié)同，通過企業(yè)MES讀取扭桿產(chǎn)品形位尺寸及公差參數(shù)、自動規(guī)劃測量項目、檢測路徑及軌跡，實現(xiàn)無人化全自動智能檢測。通過智能標(biāo)定及補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)，滿足車間現(xiàn)場下大尺寸復(fù)雜工件的精密形位尺寸測量。應(yīng)用結(jié)果表明系統(tǒng)能夠滿足軌道車輛抗側(cè)滾扭桿類產(chǎn)品的全自動檢測要求，檢測速度快、效率高。該系統(tǒng)技術(shù)還可以運(yùn)用在類似工況環(huán)境的大量程復(fù)雜工件智能精密尺寸檢測，通用性好。

關(guān)鍵詞：高鐵;抗側(cè)滾扭桿;智能測量;尺寸檢測

中圖分類號：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009—9492f2021）03—0167—04

0引言

近10年來，我國高速鐵路發(fā)展迅速，國家發(fā)布的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》（2016—2030年）規(guī)劃了新時期“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的宏大藍(lán)圖，高鐵、動車、城際列車、地鐵、有軌電車等軌道交通工具需求量日益劇增。

抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)是軌道車輛特別是高鐵中關(guān)乎舒適性和安全性的重要組件。扭桿組件由1根軸和2只臂通過熱裝配實現(xiàn)過盈配合而成，如圖1所示。不同長度、直徑的扭桿軸與不同形狀扭轉(zhuǎn)臂的組合類型超過300種，軸長800～3500 mm，軸徑35～80mm，臂長150～400mm，如圖2所示。目前依靠人工借助簡陋的裝置，通過熱套過盈組合工藝方式，完成軸和臂的組裝，并采用通用量具測量組裝后的扭桿工件的關(guān)鍵形位尺寸是否符合要求。這種方法存在效率低、裝配精度差、工人勞動強(qiáng)度大等問題。

某企業(yè)研發(fā)了“高鐵抗側(cè)滾扭桿智能組裝及自動檢測系統(tǒng)”，實現(xiàn)了高鐵抗側(cè)滾扭桿熱配組裝、極限載荷測試、尺寸測量等全工藝過程自動化。本文論述其中的尺寸智能測量子系統(tǒng)。

1扭桿測量特點(diǎn)

扭桿軸和扭轉(zhuǎn)臂的熱套組裝方式：將光桿形狀的扭桿軸固定在安裝平臺上，把加熱的扭轉(zhuǎn)臂從扭桿軸的兩端分別套進(jìn)V軸的指定位置，要保證安裝后的兩個扭轉(zhuǎn)臂之間的距離，精度±0.05 mm，兩扭轉(zhuǎn)臂中心平面與扭桿軸一致，高度差±0.05 mm。

通過對組裝后的扭桿組件進(jìn)行關(guān)鍵形位參數(shù)測量，判斷工件是否滿足裝配要求、是否為合格產(chǎn)品?？箓?cè)滾扭桿的扭轉(zhuǎn)臂的種類超過300種，每種扭轉(zhuǎn)臂和扭桿軸組裝后所形成的工件水平面、工件力學(xué)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的形位尺寸檢測點(diǎn)均不相同。圖3所示為某規(guī)格型號扭桿組件的形位尺寸檢測點(diǎn)，包括左端到臂外距離L、右端到臂外距離L、兩扭轉(zhuǎn)臂間上內(nèi)側(cè)距離L、兩扭轉(zhuǎn)臂間下外側(cè)距離L、扭桿軸總長距離L、兩扭轉(zhuǎn)臂間水平高度差△。圖4所示為不同型號扭轉(zhuǎn)臂的測量點(diǎn)示意圖。

2扭桿組件智能測量系統(tǒng)原理

本項目解決的關(guān)鍵問題：大量程范圍（桿長800～3 500mm）在線精密檢測;針對多規(guī)格、形狀各異、檢測形位各異的扭桿（圖2為其中常見形狀）測量，設(shè)計通用工裝并實現(xiàn)全自動測量。

（1）大量程范圍在線精密檢測系統(tǒng)

系統(tǒng)采用大理石材料構(gòu)建檢測平臺，進(jìn)行受力分析、設(shè)計，保證加工形位尺寸加工精度和溫度穩(wěn)定性。采用直線電機(jī)及伺服控制系統(tǒng)、精密直線絕對值光柵，精密觸頭在大理石平臺上構(gòu)建大行程三坐標(biāo)精密測量系統(tǒng)，附加機(jī)器視覺系統(tǒng)，多傳感器融合滿足各種形位尺寸測量檢測需要。尺寸測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

機(jī)器人根據(jù)不同長度和重量的扭桿組件調(diào)整姿態(tài)，將工件轉(zhuǎn)運(yùn)到尺寸檢測系統(tǒng);根據(jù)扭桿長度，檢測平臺自動調(diào)位機(jī)構(gòu)把v型活動放置塊調(diào)整到合適位置，然后夾緊工件。尺寸檢測完畢后，機(jī)器人抓取扭桿工件放置到下料軌道小車上面。

工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的檢測系統(tǒng)補(bǔ)償機(jī)制。系統(tǒng)通過在線標(biāo)定補(bǔ)償機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動偏差和溫度變化偏差。在大理石平臺上構(gòu)建X、Y、Z三坐標(biāo)移動模組，采用三軸光柵尺模塊輔助測量校準(zhǔn)，同時采用精密三次元測頭及機(jī)器視覺系統(tǒng)，自動校準(zhǔn)塊及自動調(diào)位機(jī)構(gòu)，如圖5所示。其中，尺寸檢測系統(tǒng)大理石平臺上面安裝4個固定尺寸長寬高尺寸的校準(zhǔn)塊，如圖6所示，用于檢測和調(diào)校三坐標(biāo)機(jī)構(gòu)中模組三個軸向的定位精度及整體的檢測精度，可定期對校準(zhǔn)塊進(jìn)行計量認(rèn)證。大理石臺面上安裝校準(zhǔn)塊的位置開直角坐標(biāo)槽，以保證校準(zhǔn)塊的安裝重復(fù)性。

（2）多規(guī)格復(fù)雜零件智能化檢測方案

每個型號扭桿組件的扭桿軸長度、直徑以及扭轉(zhuǎn)臂形狀、軸和臂組合方式、位置都不一樣，因此，檢測系統(tǒng)三坐標(biāo)移動模組運(yùn)行軌跡、扭桿軸形位尺寸測量點(diǎn)、扭轉(zhuǎn)臂高度差測量方式均不一樣。

項目采用企業(yè)MES系統(tǒng)、本地數(shù)據(jù)庫、本地控制系統(tǒng)三者結(jié)合，控制操作完成多規(guī)格全自動智能化檢測。企業(yè)MES系統(tǒng)管理產(chǎn)品組裝批次、產(chǎn)品編號及條碼、扭桿軸和扭轉(zhuǎn)臂的各尺寸參數(shù)和配對關(guān)系等信息，存儲在本地數(shù)據(jù)庫。本地數(shù)據(jù)庫根據(jù)MES系統(tǒng)的產(chǎn)品信息，讀取工件CAD電子圖檔進(jìn)行檢測路徑規(guī)劃，制定各批次扭桿軸和扭轉(zhuǎn)臂的測量工藝操作方案。控制系統(tǒng)采用工控機(jī)+運(yùn)動擴(kuò)展卡，實現(xiàn)對整個測試系統(tǒng)和測控過程的操作，工控機(jī)依據(jù)本地數(shù)據(jù)庫有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)定工藝操作，包括自動運(yùn)行檢測路徑、參數(shù)補(bǔ)償、自動記錄、自動判定、自動保存數(shù)據(jù)。并在運(yùn)行過程中實時上傳測量系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)、參數(shù)、檢測工件結(jié)果等信息至本地數(shù)據(jù)庫和企業(yè)MES系統(tǒng)。

3測量方法

3.1采用光柵傳感器對X、Y、Z三軸進(jìn)行校準(zhǔn)

采用光柵傳感器對X、Y、Z三軸進(jìn)行校準(zhǔn)，具體如下。

（1）利用激光干涉儀分別對三軸光柵尺進(jìn)行節(jié)點(diǎn)測量（節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間假設(shè)線性），根據(jù)各軸的長度，設(shè)置X軸上每100 mm為一節(jié)點(diǎn)，Y軸上每40 mm為一節(jié)點(diǎn)，Z軸上每20mm為一節(jié)點(diǎn)，對光柵進(jìn)行分段校準(zhǔn)。

（2）利用檢測平臺上的大理石標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行光柵校準(zhǔn)，將大理石標(biāo)塊放置不同位置（要求放置時標(biāo)塊需和平臺垂直面垂直），用通過測量標(biāo)塊的相應(yīng)尺寸，得出當(dāng)前位置光柵的實際精度，如圖7所示。

3.2對X、Y、Z三軸間測量值進(jìn)行補(bǔ)償

分別校準(zhǔn)各軸光柵后，再對三個軸之間的關(guān)系進(jìn)行補(bǔ)償，用于補(bǔ)償三個軸由于安裝時兩兩不垂直導(dǎo)致的誤差，如圖8所示，通過打表測出三軸之間的相互關(guān)系。

（1）Y和Z在X軸方向的補(bǔ)償

千分表頭測量平臺垂直面，移動X軸，得出X軸前后波動的偏差（XY）;千分表頭測量平臺底面，移動X軸，得出X軸上下波動的偏差（XZ）。

（2）X和Z在Y軸方向的補(bǔ)償

千分表頭測量大理石標(biāo)塊側(cè)面，移動Y軸，得出Y軸左右波動的偏差（YX）;千分表頭測量平臺底面，移動Y軸，得出Y軸上下波動的偏差（YZ）。

（3）X和Y在Z軸方向的補(bǔ)償

千分表頭測量豎直大理石標(biāo)塊側(cè)面，移動Z軸，得出Z軸左右波動的偏差（ZX）;千分表頭測量豎直大理石標(biāo)塊正面，移動Z軸，得出Z軸前后波動的偏差（ZY）。

3.3坐標(biāo)的設(shè)定和計算

3.3.1系統(tǒng)坐標(biāo)設(shè)定

（1）坐標(biāo)原點(diǎn)

本系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)在X軸的最左側(cè)，Y軸最后側(cè)，Z軸最上側(cè)，電機(jī)回原后程序?qū)⒐鈻庞嫈?shù)器清零。

（2）測量相對原點(diǎn)

由于測量都是通過計算相對坐標(biāo)值，得出測量值，因此，當(dāng)觸針碰到桿左端（第1點(diǎn)）時（如圖9所示），設(shè)置為測量的相對零點(diǎn)，建立測量坐標(biāo)系。

3.3.2測量坐標(biāo)計算

圖9所示測量點(diǎn)中，以觸碰第一點(diǎn)為相對原點(diǎn)的坐標(biāo)系。

3.4測量形位尺寸

設(shè)備從原點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)AC型或B型的扭桿組件結(jié)構(gòu)，按照第一點(diǎn)、第二點(diǎn)至最后一點(diǎn)的順序逐個記錄每點(diǎn)的X軸、Y軸、Z軸位移值，計算各段形位尺寸L、L、L等的數(shù)值。

4使用情況

為了驗證設(shè)計的系統(tǒng)以及工藝流程是否能夠滿足抗側(cè)滾扭桿組件生產(chǎn)行業(yè)的真正需求，設(shè)備進(jìn)行了大量實驗來檢驗系統(tǒng)的性能。

系統(tǒng)在國內(nèi)某軌道車輛生產(chǎn)基地進(jìn)行了2年的試運(yùn)行，對該基地多個批次型號的扭桿組件進(jìn)行關(guān)鍵形位尺寸檢測試驗，設(shè)備綜合檢測精度為±0.05 mm，檢測節(jié)拍小于或等于2min。目前設(shè)備運(yùn)作良好，得到客戶廣泛認(rèn)可。表1所示為該生產(chǎn)基地扭桿組件型號規(guī)格情況。設(shè)備在客戶現(xiàn)場運(yùn)行情況如圖11所示。

5結(jié)束語

本文針對軌道車輛800～3500mm的尺寸范圍大、產(chǎn)品復(fù)雜形狀多的抗側(cè)滾扭桿組件，設(shè)計了一套高鐵輛抗側(cè)滾扭桿復(fù)雜工件無人化智能測量系統(tǒng)。系統(tǒng)采用大理石材料構(gòu)建穩(wěn)定和標(biāo)準(zhǔn)的檢測平臺;采用直線電機(jī)及伺服控制系統(tǒng)、精密直線絕對值光柵及精密觸頭在大理石平臺上構(gòu)建大行程三坐標(biāo)精密測量系統(tǒng)，附加機(jī)器視覺系統(tǒng)，多傳感器融合滿足多種形位尺寸測量檢測需要;通過讀取工件CAD電子圖檔進(jìn)行復(fù)雜工件檢測路徑規(guī)劃，實現(xiàn)全自動檢測;通過在線標(biāo)定補(bǔ)償機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)動偏差和溫度變化偏差。經(jīng)過客戶現(xiàn)場近2年的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，本系統(tǒng)能很好地代替人工在工況生產(chǎn)現(xiàn)場實時在線進(jìn)行大量程復(fù)雜工件的多參數(shù)關(guān)鍵形位尺寸全自動測量，而且速度快，效率高，檢測效果準(zhǔn)確。本項目的技術(shù)方法可拓展運(yùn)用在多種領(lǐng)域、多種工況環(huán)境的大量程工件三坐標(biāo)多參數(shù)智能精密尺寸檢測，對企業(yè)將勞動工人從復(fù)雜工況環(huán)境中解放出來，幫助企業(yè)高效、精準(zhǔn)生產(chǎn)起了很好的示范作用。