張鵬飛，王曉林

(中國計量學(xué)院 機電工程學(xué)院，杭州 310018)

軸承是列車走行部分的重要部件。車輛行駛時，軸承內(nèi)圈隨車軸高速轉(zhuǎn)動，軸承與軸頸的過盈配合質(zhì)量直接影響車輛的行駛安全，特別是隨著列車的大幅度提速和高速鐵路的普及，更是給配合質(zhì)量提出了更高的要求。要保證最佳的過盈配合量，必須對軸承內(nèi)徑和車軸外徑進行嚴(yán)格可靠的尺寸測量。目前，各車輛段的軸承檢修仍普遍采用內(nèi)徑千分尺人工測量的方法，工人勞動強度大且隨機誤差較大。針對此問題，設(shè)計出了能滿足高精度、自動化檢測要求的軸承內(nèi)徑自動測量系統(tǒng)，測量精度滿足選配要求。

1 測量機功能

該設(shè)備采用氣動量儀，非接觸式測量鐵路車輛軸承內(nèi)徑。該設(shè)備中配套開發(fā)了專用的上位機軟件，可以實現(xiàn)測量人員的管理和測量操作。測量的參數(shù)為距軸承內(nèi)圈大擋邊15 mm處的平均直徑值[1]。氣動放大模塊的電子柱可以實時顯示測量的直徑值，便于讀數(shù)。設(shè)備可自動定位、自動測量，同時將測量數(shù)據(jù)上傳到上位機，上位機可實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的最大值、最小值、平均值、極差等統(tǒng)計計算并存儲到數(shù)據(jù)庫中。

2 測量機結(jié)構(gòu)

測量機的主體結(jié)構(gòu)為立式結(jié)構(gòu)。為解決測頭置入軸承內(nèi)圈時的對準(zhǔn)困難，設(shè)計了一種柔性承載平臺。

2.1 柔性承載平臺

柔性承載平臺是該測量裝置機械部分的主要設(shè)計內(nèi)容，如圖1所示。平臺主要由定位塊、支承平臺、支承鋼球、保持架、限位圓環(huán)、阻尼調(diào)節(jié)彈簧和預(yù)緊螺絲構(gòu)成。圓周均布的4個鋼球作為支承使承載平臺可以在底板上滑動。保持架是一個有4個圓孔的圓盤，其厚度小于鋼球直徑，安放鋼球的圓孔直徑比鋼球直徑稍大，支承平臺滑動時將鋼球限制在保持架的圓孔內(nèi)滾動。由于測頭外表面為錐面，因此當(dāng)軸承套放在定位塊上定位后，軸承中心沒有對準(zhǔn)承載臺的絕對中心時，測頭下降過程中軸承內(nèi)圈帶動柔性承載平臺滑動，使得測頭貼著軸承內(nèi)壁滑入軸承，完成測頭置入動作。彈簧的作用是調(diào)節(jié)滑動阻尼，滑動阻尼過小會造成測頭置入時軸承抖動不能迅速穩(wěn)定下來，影響測量效率；滑動阻尼過大會造成卡死現(xiàn)象。選擇不同剛度的彈簧并配合預(yù)緊螺絲調(diào)節(jié)可以實現(xiàn)良好的定位。彈簧的另一個作用是完成測量后使定位塊自動回到中心等待下一次測量，避免產(chǎn)生累積定位誤差。通過調(diào)節(jié)4個預(yù)緊螺絲可以確定承載平臺的定位中心。

1—氣動測頭；2—軸承內(nèi)圈；3—定位塊；4—支承臺；5—鋼球保持架；6—預(yù)緊螺絲；7—限位圓環(huán)；8—阻尼調(diào)節(jié)彈簧；9—支承鋼球

柔性承載平臺的作用有兩個：(1)由于測頭運動采用步進電動機驅(qū)動，沒有累計誤差，因此每次測量動作都能使測頭中心在z方向精確對準(zhǔn)承載臺的絕對定位中心。待測軸承的直徑為129.7～130.2 mm，定位塊的直徑為128.5 mm，上料時軸承不能精確地套放在定位塊上使其對準(zhǔn)承載臺的中心，而柔性平臺可以抵消這個定位誤差，起到一定的緩沖作用。試驗證明此平臺工作良好，對于套放在定位塊上任意位置的軸承，測頭都可以平滑穩(wěn)定地置入軸承；(2)采用非接觸式氣動測量，測量時測頭壁上的噴氣孔(圓周均布4個)對軸承內(nèi)壁噴氣時由于高壓氣體的流量特性強迫軸承中心對準(zhǔn)測頭中心，此時軸承帶動柔性平臺滑動可以提高測量精度。

2.2 主機結(jié)構(gòu)

測量主機為搖臂結(jié)構(gòu)[2]，測頭可以在搖臂和升降機構(gòu)組成的柱坐標(biāo)系內(nèi)運動。升降機構(gòu)可在搖臂上滑動調(diào)節(jié)半徑r，同步帶輪帶動搖臂旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)搖臂與定位中心的夾角φ(0°<φ<180°)，升降絲杠的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)闇y頭在z方向的直線運動，結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

1—搖臂支架；2—51101型推力球軸承；3—滾珠絲杠；4—升降導(dǎo)軌；5—升降支架；6—測頭夾持座；7—氣動測量頭；8—待測軸承；9—柔性承載臺；10—主軸墊塊；11—主軸；12—電子柱；13—導(dǎo)氣軟管；14—帶輪支承板；15—從動帶輪；16—51111型推力球軸承；17—同步帶

裝置左側(cè)測量頭升降部分整體可以在搖臂支架上橫向滑動以調(diào)節(jié)測量半徑，滑動定位后用鎖死螺釘鎖死定位，再配合更換柔性承載平臺中的定位塊可以測量不同直徑規(guī)格的軸承，使本機具有一定的通用性。搖臂支架和搖臂凸緣用螺栓連接，從動帶輪與搖臂凸緣用銷釘連接使其同步運動。軸向上下各裝一個推力球軸承和一對帶輪支承板，最上面用螺母鎖死使機構(gòu)在軸向固定。帶輪支承板也是搖臂步進電動機的安裝座。圖2所示為測量工位，測量完成后測頭升降電動機帶動滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)提升測頭，搖臂帶輪順時針旋轉(zhuǎn)90°使之回到待機工位等待下一次測量。在搖臂和測頭處分別安裝待機位和零位光電開關(guān)以產(chǎn)生控制電動機的開關(guān)信號。

氣動測量頭經(jīng)調(diào)壓噴嘴、導(dǎo)氣軟管和放大器相連，放大器完成測量氣室的氣壓和電壓的轉(zhuǎn)換并將電壓信號顯示在電子柱上。氣動測量頭為圓周均布4噴嘴設(shè)計，根據(jù)氣體的流量特性，此方法測得的是內(nèi)徑的平均值。放大器后面相連的部分是空氣濾清器、空氣穩(wěn)壓器和高壓氣泵(圖中未畫出)。

3 控制部分

3.1 硬件部分

系統(tǒng)的硬件由工控機、電源模塊、通信模塊、步進電動機及其驅(qū)動和控制模塊、光電開關(guān)、電磁控制閥等部分組成。電路的硬件連接[3]示意圖如圖3所示。

圖3 硬件連接示意圖

系統(tǒng)上電后單片機循環(huán)檢測軸承上料傳送線的到位開關(guān)，當(dāng)有軸承到位后開關(guān)置位，此上升沿脈沖使軸承搬運機械手動作，將軸承從傳送線搬運到柔性承載臺上，此時觸發(fā)軸承定位光電開關(guān)置位，單片機內(nèi)部使這2個信號做與運算，運算結(jié)果作為搖臂驅(qū)動電動機的開關(guān)信號，這樣的邏輯判斷可以保證傳動線的運動和測量過程節(jié)拍一致。

步進電動機[4]驅(qū)動模塊需要從控制模塊得到方向信號和驅(qū)動脈沖，本機采用細(xì)分驅(qū)動，可以使電動機旋轉(zhuǎn)更穩(wěn)定、定位更精確。測頭在z軸的零點定位是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，即如何保證搖臂電動機旋轉(zhuǎn)到位后測頭在z方向是對準(zhǔn)承載臺的絕對零點。解決思路如下：首先單片機檢測零位開關(guān)，如果為低電平說明搖臂已經(jīng)到達零位。若搖臂不在零位，電動機控制模塊輸出DIR=1，CP=1，在程序中循環(huán)執(zhí)行此語句控制搖臂順時針旋轉(zhuǎn)(如圖2視角)直到到達待機位，此時待機位光電開關(guān)置1，此信號控制步進電動機控制器向驅(qū)動器輸入DIR=0，CP=YB_STOP(YB_STOP為試驗確定的常數(shù)，電動機從待機位轉(zhuǎn)動到零位需要的絕對脈沖數(shù))，搖臂逆時針旋轉(zhuǎn)指定脈沖數(shù)YB_STOP后停止，此時零位開關(guān)置位。測頭升降電動機的控制方法和搖臂旋轉(zhuǎn)電動機類似。搖臂零位和測頭零位信號作與運算后點亮準(zhǔn)備測量指示燈，同時測頭向軸承內(nèi)壁噴氣開始測量。

測量裝置的氣動傳感器采用E9300氣電轉(zhuǎn)換放大模塊，該模塊采用差壓式測量，LED電子柱示值，具有超差報警的功能，并配置串行接口可將測量數(shù)據(jù)上傳至上位機。

3.2 軟件部分

測量機的軟件部分由上位機監(jiān)控軟件和單片機控制程序組成，通信采用RS232串口通信。上位機軟件界面友好，操作簡便。

3.2.1 上位機程序

上位機程序采用LabVIEW圖形化程序設(shè)計語言開發(fā)[5]，主要功能模塊有：測量人員管理、測頭控制、測頭校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、報表打印。上位機軟件的界面有登陸界面、歡迎界面和主界面。主界面的整體結(jié)構(gòu)采用狀態(tài)機的方式設(shè)計，狀態(tài)機是LabVIEW的一種程序結(jié)構(gòu)，設(shè)計前將系統(tǒng)的工作流程劃分為不同的狀態(tài)，只要滿足各狀態(tài)的轉(zhuǎn)換條件，系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài)就可以在預(yù)先設(shè)定好的狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，只要增加新的狀態(tài)就可以方便地擴展系統(tǒng)的功能。本系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件就是功能按鈕的單擊事件。

系統(tǒng)的主界面默認(rèn)為手動控制界面，主要用于測頭的校準(zhǔn)，手動調(diào)整測頭使其置入到上下限校準(zhǔn)環(huán)規(guī)內(nèi)，點擊自動測量界面內(nèi)的校準(zhǔn)按鈕可以對上下限校準(zhǔn)，并可設(shè)定上下限報警值。手動控制界面也是各功能界面之間的轉(zhuǎn)換界面，單擊按鈕就可以轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的界面。界面如圖4所示，點擊界面內(nèi)的搖臂左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)按鈕可實現(xiàn)搖臂的手動調(diào)整，右側(cè)的搖臂位置顯示窗口可以實時顯示搖臂的當(dāng)前位置，測頭調(diào)整同理。通信設(shè)置窗口可設(shè)置工控機和單片機的通信參數(shù)，參數(shù)有波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗位等。數(shù)據(jù)采集界面內(nèi)波形顯示的是采樣時間為500 ms的軸承內(nèi)徑值(10個)，點擊確定按鈕接受此測量值。當(dāng)前測量值界面顯示的是已接受的10個測量值和最大值、最小值、平均值、極差等統(tǒng)計計算數(shù)據(jù)，為避免頻繁讀取數(shù)據(jù)庫，當(dāng)已測軸承數(shù)達到5個時自動寫入數(shù)據(jù)庫存儲。生成報表界面記錄測量人員信息、測量時間、軸承信息、測量數(shù)據(jù)等，可保存為WORD，EXCEL，HTML格式并打印報表。管理員權(quán)限還可以按時間和軸承編號查看歷史測量記錄。

圖4 上位機軟件主界面

3.2.2 下位機程序

下位機程序包括步進電動機的控制程序和上位機通信程序。測頭的運動過程在前面的硬件部分已經(jīng)做了詳細(xì)的說明，單片機控制程序[3]的設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 測頭動作流程圖

4 結(jié)束語

目前正是我國鐵路車輛軸承升級換代的時候，同時隨著列車運行的提速，列車的檢修越來越頻繁和重要。作為車輛檢修重要環(huán)節(jié)的軸承內(nèi)徑測量，需要測量精度和智能化程度更高的檢測儀器。本測量機采用非接觸式測量，檢測過程對軸承無損傷，測量動作自動完成，可自動打印測量報表，樣機測量速度為90 s/個，精度為1 μm，可以滿足各車輛段的檢修需要，具有推廣和規(guī)?；a(chǎn)的價值。