楊 霄，許 捷，尹 明

（馬鋼軌道交通裝備有限公司，安徽馬鞍山 243000）

0 前言

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。

1 火車車軸輪座直徑測(cè)量方法

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：

2 測(cè)量方法本身引起的誤差分析

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。

2.1 激光線擺角β的影響

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。

2.2 車軸在安裝時(shí)存在的偏角γ引起的誤差

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。

3 測(cè)量裝置的構(gòu)成

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。

4 測(cè)量仿真實(shí)驗(yàn)

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。

5 結(jié)論

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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