楊 霄,許 捷,尹 明
(馬鋼軌道交通裝備有限公司,安徽馬鞍山 243000)
在火車輪對(duì)壓裝工藝中,車輪輪轂孔和車軸輪座之間是過盈配合,在壓裝前需要對(duì)車輪輪轂孔和車軸輪座直徑進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,再根據(jù)過盈量要求進(jìn)行選配,使壓裝后的壓裝曲線滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前,現(xiàn)場(chǎng)采用外徑千分尺進(jìn)行測(cè)量,所讀數(shù)值因人而異,手工操作的差別不可避免地會(huì)帶來誤差。
采用非接觸方法測(cè)量直徑的應(yīng)用研究比較多,其中有用半導(dǎo)體激光器作為光源[1],以光柵尺作為傳感器來非接觸式測(cè)量火箭彈直徑,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,測(cè)量精度不高,為10 μm。采用多臺(tái)數(shù)字CMOS激光傳感器并行的測(cè)量方法進(jìn)行非接觸式自動(dòng)直徑測(cè)量[2],當(dāng)被測(cè)目標(biāo)物體在測(cè)量范圍內(nèi)時(shí),通過發(fā)射器的平行激光源發(fā)射激光照射到目標(biāo),被測(cè)目標(biāo)物體遮擋的光線射入接收器的CMOS傳感器上,接收器記錄激光點(diǎn)的像素位置和個(gè)數(shù),被測(cè)目標(biāo)直徑通過透光與不透光長(zhǎng)度進(jìn)行換算而得到,這種方法要求發(fā)射器和接收器嚴(yán)格平行,其不平行度未經(jīng)過標(biāo)定,另外CMOS傳感器量程0~35 mm,本身的測(cè)量精度5 μm,最終系統(tǒng)測(cè)量精度很難做到小于5 μm。利用線狀藍(lán)色激光經(jīng)透鏡形成平行光束[3-4],垂直照射在圓型工件上,再將工件成像投影在線陣CCD[5]上,系統(tǒng)進(jìn)行邊緣檢測(cè)得到圓型工件的直徑,最小誤差小于5 μm。本文設(shè)計(jì)將采用高精度激光測(cè)距傳感器構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng),構(gòu)建方便,測(cè)量精度高,使用可靠。
如圖1所示,將C6180型車床橫向溜板上的刀架卸下,換裝上一臺(tái)激光測(cè)距傳感器及其微調(diào)裝置,被測(cè)車軸裝在車床夾盤頂尖和車床尾架頂尖之間,激光線射出點(diǎn)與車軸軸線高度基本一致,移動(dòng)車床縱向溜板和橫向溜板使激光測(cè)距傳感器及其微調(diào)裝置移到軸的被測(cè)部分,并使激光測(cè)距值在其量程內(nèi)。
圖1 火車車軸外徑激光測(cè)量裝置
首先,裝上已知半徑為R01的1#標(biāo)準(zhǔn)量棒,轉(zhuǎn)動(dòng)激光測(cè)距傳感器微調(diào)裝置3的立向蝸桿,使立向蝸輪帶動(dòng)激光傳感器在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)激光光線在標(biāo)準(zhǔn)量棒圓周面上不斷上下掃描,得到一組距離數(shù)據(jù),當(dāng)測(cè)距為最小值時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)激光測(cè)距傳感器微調(diào)裝置3的水平蝸桿,使水平蝸輪帶動(dòng)激光傳感器在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)激光光線在標(biāo)準(zhǔn)量棒圓周面上不斷左右掃描,得到一組距離數(shù)據(jù),當(dāng)測(cè)距為最小值時(shí),重復(fù)激光線上下掃描和水平掃描,當(dāng)激光測(cè)距在兩個(gè)方向上均達(dá)到最小值時(shí),認(rèn)為激光光線幾乎通過量棒軸線,并記錄其值為L(zhǎng)01。
此后,激光測(cè)距傳感器的位置就固定不動(dòng)了,但是激光測(cè)距傳感器發(fā)出的激光線依然存在不通過車軸軸線的情況,如圖2所示,激光測(cè)距傳感器發(fā)出的激光線AD與OD之間存在夾角α,此夾角對(duì)測(cè)量誤差的影響比較敏感,所以必須對(duì)此角度進(jìn)行標(biāo)定。
卸下1#標(biāo)準(zhǔn)量棒,裝上已知半徑為R02的2#標(biāo)準(zhǔn)量棒進(jìn)行測(cè)量,得到測(cè)量值L02。如圖2所示,在激光測(cè)距傳感器位置及角度不變的情況下,激光測(cè)距傳感器到量棒軸線的距離不變。
圖2 車軸輪座直徑激光測(cè)量原理圖
根據(jù)上式求解,得:
顯然,α=0時(shí),公式(1)即可簡(jiǎn)化為:
式(3)中:R01、R02分別為1#、2#標(biāo)準(zhǔn)量棒的半徑尺寸;L01、L02分別為激光測(cè)距傳感器到標(biāo)準(zhǔn)量棒圓周面的距離。
激光測(cè)距傳感器位置及偏角α標(biāo)定完成后,鎖定激光測(cè)距傳感器微調(diào)裝置,保證傳感器位置及偏角α不再變化。將被測(cè)車軸裝上車床,激光測(cè)距為L(zhǎng),同樣根據(jù)激光測(cè)距傳感器到車軸軸線的距離不變的原理,有:
則被測(cè)車軸輪座半徑為:
為了得出輪座平均直徑,利用車床夾盤撥叉使軸旋轉(zhuǎn),每旋轉(zhuǎn)90°對(duì)被測(cè)車軸進(jìn)行一次測(cè)量,得到一組距離值為L(zhǎng)i(其中i=1、2、3、4)。將Li分別替換公式(5)中的L計(jì)算出Ri,則被測(cè)輪座的直徑尺寸為:
測(cè)量系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因,可歸結(jié)為測(cè)量裝置、測(cè)量方法、測(cè)量環(huán)境、測(cè)量人員等幾個(gè)方面。
車軸同一被測(cè)量處在剛磨削后與壓裝前其值是不一樣的,同一被測(cè)處在一年四季不同時(shí)間內(nèi)其測(cè)量值也是不一樣的,對(duì)測(cè)量值進(jìn)行溫度補(bǔ)償采用常規(guī)方法即可,即對(duì)采用傳統(tǒng)方法測(cè)得的值怎么補(bǔ)償?shù)?,激光測(cè)量值也采用同樣方法補(bǔ)償。
高精度測(cè)距傳感器本身的測(cè)量精度很高且穩(wěn)定,但是激光器的位姿不可能完全處于理想狀態(tài),激光線的仰角在測(cè)量方法中利用標(biāo)準(zhǔn)量棒進(jìn)行了標(biāo)定,而激光線水平面的擺角和工件歪斜未標(biāo)定,其產(chǎn)生的誤差需要探究。
當(dāng)激光器發(fā)出的激光線與軸線在一個(gè)平面內(nèi),但是不與軸線垂直,存在著一定的擺角β,仍用公式(5)進(jìn)行計(jì)算,將會(huì)引起一定的測(cè)量誤差。
圖3中D為激光發(fā)射點(diǎn),DB、DA分別為發(fā)射到車軸、標(biāo)準(zhǔn)量棒的激光線,B、A分別為激光線與車軸、量棒的交點(diǎn)。激光線與OD之間的夾角就是激光線擺角β。
由于激光器固定好了,激光器到軸線的距離e也固定不變,同時(shí)β也不變??梢约僭O(shè)第1節(jié)所述的激光線仰角α為0,這里只研究存在激光線擺角β對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。已知量棒半徑R0,分別測(cè)出量棒的激光測(cè)距L0和待測(cè)車軸的激光測(cè)距L,當(dāng)擺角β為0時(shí),可以直接運(yùn)用公式:
算出車軸的半徑R,當(dāng)擺角β不為0時(shí),如果仍采用本公式計(jì)算,將產(chǎn)生誤差,為:
圖3 激光線擺角β產(chǎn)生的影響
式(8)中:R′——被測(cè)車軸實(shí)際半徑。
借助于Pro/E的草繪器來進(jìn)行仿真測(cè)量,首先,在Pro/E的草繪器中,固定好激光器到軸線的距離e(如400 mm)不變,激光線擺角β設(shè)為10′,量棒的半徑R0為100 mm,待測(cè)車軸的實(shí)際半徑R′為110 mm,分別放上量棒和車軸,激光測(cè)距分別為L(zhǎng)0=300.001 mm、L=290.001 mm,經(jīng)公式(7)計(jì)算得R=110.000 mm,經(jīng)公式(8)計(jì)算得ΔR=0 μm,以10′為增量依次改變激光線擺角β,再按照上述方法分別進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果列于表1。
表1 e為400 mm時(shí)擺角β產(chǎn)生的誤差
由表1可以看出,激光線的擺角即使大到1°所產(chǎn)生的誤差只有2 μm。因此當(dāng)e取400 mm時(shí),在擺角小于40′時(shí),可以忽略擺角產(chǎn)生的誤差。
需要指出的是,激光器到軸線的距離e發(fā)生變化時(shí)不同擺角對(duì)測(cè)量誤差的影響是不一樣的。經(jīng)同樣方法仿真計(jì)算,當(dāng)e取300 mm時(shí),激光線擺角β達(dá)到20′時(shí)ΔR為1 μm ,當(dāng)e取200 mm時(shí),激光線擺角β達(dá)到20′時(shí)ΔR為2 μm,可以看出,激光器到軸線的距離e越小,激光線擺角引起的測(cè)量誤差越大,所以在可能的情況下,激光測(cè)距傳感器離開被測(cè)車軸越遠(yuǎn)越好,但是要滿足所選傳感器的量程。
量棒、車軸在安裝時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)如圖4的偏角γ,即被測(cè)零件的軸線與頂尖連線不重合,這樣也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。
圖4中OA表示量棒,OB表示被測(cè)車軸。由于激光器固定好了,激光器到軸線的距離e不變,同時(shí)γ也不變。已知量棒半徑R0,分別測(cè)出量棒的激光測(cè)距L0和待測(cè)車軸的激光測(cè)距L,當(dāng)偏角γ為0時(shí),可以直接運(yùn)用公式(7)計(jì)算,算出車軸的半徑R,當(dāng)偏角γ不為0時(shí),如果仍采用本公式計(jì)算,將產(chǎn)生誤差,用公式(8)計(jì)算。
圖4 量棒、車軸安裝產(chǎn)生的偏角γ
同2.1節(jié)方法,借助于Pro/E的草繪器來進(jìn)行仿真測(cè)量,首先,在Pro/E的草繪器中,固定好激光器到軸線的距離e(如200 mm)不變,激光線偏角γ設(shè)為10′,量棒的半徑R0為100 mm,待測(cè)車軸的實(shí)際半徑R′為110 mm,分別放上量棒和車軸,激光測(cè)距分別為L(zhǎng)0=300.622 mm、L=290.622mm,經(jīng)公式 (7) 計(jì)算得 R=110.000 mm,經(jīng)公式 (8) 計(jì)算得ΔR=0 μm,以10′為增量依次改變激光線偏角γ,再按照上述方法分別進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果列于表2。
表2 e為200 mm時(shí)偏角γ產(chǎn)生的誤差
由表2可看出,在偏角γ較小的情況下,產(chǎn)生的偏差可以忽略不計(jì)。而在安裝量棒、車軸時(shí),一般不會(huì)出現(xiàn)太大的偏角,因?yàn)槭菍④囕S裝上車床的頂尖,除非與軸的中心孔連接的頂尖被破壞。因此可以不考慮量棒、車軸之間的偏角γ的影響。
根據(jù)測(cè)量原理及系統(tǒng)要達(dá)到的功能構(gòu)建測(cè)量系統(tǒng),測(cè)量系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分,硬件部分由車床、激光測(cè)距傳感器及其微調(diào)裝置、數(shù)據(jù)采集卡、主控制器及顯示器、繼電器以及電纜組成;軟件部分由信號(hào)通訊模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊組成。
測(cè)量系統(tǒng)的被檢零件直徑范圍? 170 mm~?205 mm,測(cè)量目標(biāo)精度為5 μm,選用德國(guó)SICK激光測(cè)距傳感器OD5-85W20[6]參數(shù),見表3。
表3 SICK激光測(cè)距傳感器參數(shù)表
測(cè)量精度如要達(dá)到5 μm,則激光器精度要更高,但激光器對(duì)應(yīng)的量程小,如果測(cè)量范圍仍為?170 mm~?205 mm,則不可能一次標(biāo)定,需分幾個(gè)尺寸段進(jìn)行標(biāo)定,因?yàn)榧す馄鳈M向位置要移動(dòng)。
激光測(cè)距傳感器位置微調(diào)裝置如圖5所示,激光測(cè)距傳感器1通過安裝板2固定在1#分度盤3的轉(zhuǎn)盤上,1#分度盤3通過連接板4與2#分度盤5連接,2#分度盤5與底座6剛性連接,底座可以安裝在車床的橫向托板上。
圖5 激光測(cè)距傳感器及其微調(diào)裝置結(jié)構(gòu)圖
1#分度盤3與2#分度盤5結(jié)構(gòu)相同,均為高精度銑床分度盤,分度精度和重復(fù)精度相同。1#分度盤3的旋轉(zhuǎn)軸線與2#分度盤5的旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直;1#分度盤3的手輪和2#分度盤5的手輪在本微調(diào)裝置的同一側(cè)。
激光測(cè)距傳感器1激光線的發(fā)出方向是從本裝置向外,通過旋轉(zhuǎn)1#分度盤3的手輪,可調(diào)整激光線在水平面內(nèi)的方位角度,通過旋轉(zhuǎn)2#分度盤5的手輪,即可調(diào)整激光線在垂直面內(nèi)的俯仰角度,這兩種角度可反復(fù)調(diào)整,調(diào)好后用分度盤上的鎖鈕鎖住手輪,通過分度盤上的鎖柄鎖住轉(zhuǎn)盤。
利用Pro/E三維環(huán)境,在虛擬C6180型車床橫向溜板上裝上激光測(cè)距傳感器及其微調(diào)裝置,激光傳感器的測(cè)距要在其量程內(nèi),本實(shí)驗(yàn)為85 mm左右,距離車床主軸180 mm左右,鎖定傳感器微調(diào)裝置,保證其位置及偏角α不變。將半徑為R01的1#標(biāo)準(zhǔn)量棒(本實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)直徑為?200.010 mm)裝上虛擬車床頂尖位置,通過激光測(cè)距傳感器微調(diào)裝置兩個(gè)擺角的調(diào)整,使激光光線在棒材圓周面上不斷上下左右掃描,得到一組距離數(shù)據(jù),其中距離為最小值時(shí)認(rèn)為光線近似通過量棒軸線,即激光線正對(duì)被測(cè)輪座,記錄其值為L(zhǎng)01(本實(shí)驗(yàn)中為79.999 mm);將半徑為R02的2#標(biāo)準(zhǔn)量棒(本實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)直徑為?170.002 mm)裝上車床虛擬車床頂尖位置,測(cè)量得值L02(本實(shí)驗(yàn)中為95.004 mm),按式(2)計(jì)算激光測(cè)距傳感器激光線偏角α,本實(shí)驗(yàn)為22.2′。
將被測(cè)火車車軸裝上虛擬車床頂尖位置,每旋轉(zhuǎn)90°對(duì)被測(cè)火車車軸的輪座進(jìn)行測(cè)量,得到 距 離 值 L1(86.989 mm)、 L2(86.993 mm)、 L3(86.990 mm)、L4(86.985 mm)。按式(5)計(jì)算出被測(cè)火車車軸的輪座半徑分別為:93.015 mm、93.011 mm、93.014 mm、93.019 mm,按式 (6)計(jì)算出被測(cè)火車車軸的輪座平均直徑尺寸為?186.030 mm,并記錄其數(shù)值。用其他手工方法實(shí)測(cè)此處火車車軸的輪座直徑尺寸為186.034 mm,誤差為4 μm,小于5 μm。
本文提出的基于激光測(cè)距的測(cè)量方法能實(shí)時(shí)測(cè)量中大型軸類零件的直徑尺寸,并自動(dòng)記錄測(cè)量數(shù)據(jù),如果在橫向溜板上靠近地并行放置三臺(tái)激光器,則可同時(shí)測(cè)量三個(gè)位置的實(shí)時(shí)尺寸及圓柱度。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求,可以在車床床鞍上另加溜板,在其上安裝配備數(shù)臺(tái)激光測(cè)距傳感器,實(shí)現(xiàn)多直徑的同時(shí)快速測(cè)量。
通過對(duì)兩根標(biāo)準(zhǔn)量棒的測(cè)量,對(duì)激光線在垂直面內(nèi)的上下仰角α進(jìn)行了標(biāo)定,利用幾何關(guān)系消除了仰角α產(chǎn)生的誤差;討論了激光線在水平面內(nèi)的擺角β對(duì)誤差的影響,當(dāng)激光器到軸線的距離取200 mm時(shí),激光線擺角β達(dá)到20′時(shí),它引起的誤差為2 μm;討論待測(cè)工件在安裝時(shí)存在的偏角γ對(duì)誤差的影響,在車床頂尖和車軸中心孔良好的情況下,可以不考慮偏角產(chǎn)生的誤差。
仿真實(shí)驗(yàn)表明,本文所提測(cè)量方法能夠滿足較高精度直徑的測(cè)量要求(誤差小于5 μm),有效地減少了人工測(cè)量帶來的偶然誤差,降低了人工檢驗(yàn)成本。當(dāng)然本方法有待于進(jìn)一步實(shí)物驗(yàn)證。
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