王賀安

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數(shù)控型不落輪對車床的自動測量系統(tǒng)

王賀安

（南京安正軟件工程有限公司 南京 21009）

不落輪對車床適用于加工內(nèi)燃機車、電力機車、地鐵車輛及其它鐵路車輛用的輪對。由于輪對需求量大要求精度一致性高，所以開發(fā)了數(shù)控自動測量裝置。通過介紹測量系統(tǒng)的構(gòu)成，并結(jié)合實際說明了它的實用性，同時也提出了不落輪對車床的自動測量，對數(shù)控系統(tǒng)的一些特殊要求，為今后該類機床自動測量的軟件開發(fā)提供一種思路。

不落輪對 測量系統(tǒng) 車床

不落輪對車床是用于加工內(nèi)燃機車，電力機車，地鐵車輛以及其它鐵路車輛的輪對。加工時輪對不需做任何拆裝，把車輛通過活動軌道引入機床，在機床上夾緊并通過摩擦的方法使輪對旋轉(zhuǎn)起來后便可車削加工，非常方便、靈活。

工件（這里指輪對）無論是軸向還是徑向均無法在機床上精確定位；被加工的“輪對”在使用中磨損程度是隨機的，數(shù)控系統(tǒng)不可能而且也不應該按一個不變的程序進行加工；一副輪對的兩個輪子要同時進行左、右切削（兩個刀架），加工完輪對必須保證按坐標所定義的內(nèi)側(cè)距、輪徑差、輪緣厚度、高度等在規(guī)定的范圍內(nèi)。為了解決這些技術(shù)問題，設計了不落輪對車床的自動測量系統(tǒng)。

1 軸向定位測量系統(tǒng)

軸向定位測量有兩個目的：一是為了尋找工件（即被加工的左右輪對）在機床座標系下的軸向位置，二是為了計算內(nèi)側(cè)距AR（如圖1所示）。

圖1 軸向定位和磨損測量裝置在機床上的位置

測量時，安裝在刀架上的左、右測量裝置由原始位置沿+方向進入工作位置（M指令，液壓驅(qū)動），刀架帶著測量裝置先沿-方向運行，測頭B（左邊為B1、右邊為B2）與工件接觸后停止運動并清除剩余距離（通過接口信號來實現(xiàn)）。然后刀架向+Z方向運行，待軸向測量桿A（左邊為A1右邊為A2）與工件接觸后便產(chǎn)生偏移（圖2所示中的A2桿下端向右偏移），從而使A2桿下端的遮光片C2離開遮光位置，微型叉式光柵元件的光線通過光柵元件發(fā)出信號經(jīng)放大后（見圖3所示）送數(shù)據(jù)系統(tǒng)的接口（通過PC）使+方向的運行停止并清除剩余距離。

圖2 軸向和磨損測量裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

但此時還不能讀取軸向數(shù)值，因為測量裝置在向+方向的運行到停止的過程中會產(chǎn)生沖程；工件（輪對內(nèi)側(cè)面）原始加工中存在誤差；輪對上的裝夾會有誤差。因此刀架要低速向-方向退回。這一過程中只要有信號輸出，退回運動就產(chǎn)生，無信號輸出時運動停止（但不馬上清除剩余距離），只有待輪對轉(zhuǎn)過一圈以上且確無輸出信號時，才清除剩余距離。

圖3 微型叉式光柵放大電路

通過指令系統(tǒng)將Z方向?qū)嶋H值存貯器中的內(nèi)容讀到PC，在考慮了A桿的偏移之后便可以得出工件的軸向尺寸?？梢姡琙01+Z02=AR這便是鐵標所規(guī)定的內(nèi)側(cè)距，這一計算是在PC中完成的。

2 磨損測量系統(tǒng)

磨損測量系統(tǒng)由測頭B和數(shù)字式位移傳感器，（行程60 mm，分辨率±1 μm）構(gòu)成。磨損測量是要判定被加工輪對的磨損情況，為數(shù)控系統(tǒng)提供X方向坐標偏移，切深和分刀的數(shù)據(jù)。

針對本文第1 節(jié)中歸納的數(shù)字化唐卡圖像面臨的未經(jīng)授權(quán)的復制、傳播和假冒、以次充好等問題，用魯棒水印技術(shù)，將標識唐卡圖像作品所有者的相關(guān)信息，如作者簽名、企業(yè)Logo、圖像序列碼等作為水印，嵌入數(shù)字化唐卡圖像中，將含水印的唐卡圖像用于宣傳展示。當該含水印圖像被非法復制、傳播或被假冒時，從侵權(quán)者非法復制或假冒的圖像中能提取出合法擁有者的水印信息，就可以證明侵權(quán)者其侵權(quán)行為成立并可作為追責證據(jù)。

圖4 磨損測量的測量點

這里需要說明的是，磨損測量點數(shù)及軸向坐標值的選擇與輪形的幾何模型及輪對在使用中易磨損的部位有關(guān)。在易磨損的部位測量點的布置要相對多一些，在同一輪形的不同幾何曲線處一般都應設置測量點。

在電氣控制硬件上，數(shù)字位移傳感器發(fā)生的信號要先經(jīng)過一個EXE801變換器處理后再送往PC高速計數(shù)組件。

3 直徑測量系統(tǒng)

如圖5所示，輪對旋轉(zhuǎn)時經(jīng)摩擦帶動直徑測量盤旋轉(zhuǎn)，直徑測量盤的軸徑傳動箱使編碼器旋轉(zhuǎn)，編碼器的輸出直接送入PC的高速計數(shù)組件。在輪對一邊的外側(cè)面安裝一個反射式光束開關(guān)（可見單色光或紅外光），反光紙貼在輪對外側(cè)面，輪對每轉(zhuǎn)一圈光束開關(guān)發(fā)送一個脈沖信號給PC。

圖5 直徑測量系統(tǒng)簡圖

這里所述的直徑測量是一種間接的測量，其測量精度與下列因素有關(guān)：

⑵ 量盤的安裝位置精度；

⑶ 對自身的不圓度；

⑷測量盤與車輪之間的摩擦狀況（二者必須無滑動，這與二者的材質(zhì)極為相關(guān)）；

⑸高速計數(shù)器的累計計數(shù)精度（與PC程序的掃描時間及主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)）。

⑹輪對圈數(shù)的計算精度（與PC程序掃描時間及主軸轉(zhuǎn)速有關(guān)）。

由此可見，在技術(shù)條件允許的情況下，盡可能的減小測量盤的直徑，增大編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)及增加直徑測量時輪對的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)可以減小測量誤差，提高測量精度。在實線中，取=140 mm，1=5 000 p/r，n=3，輪徑的測量誤差均在±0.03 mm以內(nèi)，加工完畢后左右輪子的輪徑差在0.07 mm左右。

4 測量系統(tǒng)軟件設計的主要思路

數(shù)控型不落輪對車床的自動測量系統(tǒng)是一個典型的與電氣控制為主體的機電一體化部件，有些控制和計算在CNC中完成而有些控制和計算在PC中完成，二者必須緊密聯(lián)系相互照應。測量系統(tǒng)各部軟件設計的思路如下（框圖中粗虛線框為CNC完成，其余由PC來完成）。

4.1 軸向定位測量

4.2 磨損測量

4.3 直徑測量

結(jié)語

由本文的分析可見，要實現(xiàn)數(shù)控型不落輪對車床的自動測量，對數(shù)控系統(tǒng)有一些特殊的要求，這主要是：

⑴具有獨立的雙刀架控制功能；

⑵具有清除剩余距離的接口功能；

⑶具有讀取實際值貯存器內(nèi)部的功能以及讀取刀具偏移值的功能；

⑷具有利用NC程序和外部進行數(shù)據(jù)交換的功能（包括從數(shù)據(jù)接口上讀取或傳送加工的數(shù)據(jù)——在NC程序執(zhí)行中進行）；

⑸具有隨機變量（R序數(shù)）編程功能；

⑹具有子程序多成套用的功能；

⑺至少具有算術(shù)運算（直接數(shù)值運算或利用R參數(shù)計算）的功能；

⑻具有有條件判跳（＞、＝、≠、＜）或元條件轉(zhuǎn)移功能；

不落輪對車床對加工的程序要求相對較低，運行速度也不高（因受刀架行程的限制，一般在2.5m/min以下），若采用通用的車床數(shù)控系統(tǒng)來配套并不適合。希望生產(chǎn)價格低廉、運行穩(wěn)定，能滿足使用要求的專用數(shù)控系統(tǒng)，以促進我國數(shù)控型不落輪對車床的不斷完善和發(fā)展。