一种火车车轴轴颈轴座外径的激光测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种火车车轴轴颈轴座外径的激光测量装置及其测量方法，是一种外径尺寸非接触式测量技术。

背景技术

火车轮对压装属于过盈配合，是火车轮生产过程中一项重要的加工工艺，为了满足国标规定的压装曲线，压装时对火车车轴和火车轮或轴承的配合尺寸有着严格的要求，在进行压装之前应将准备压装的火车轮和火车车轴静置24小时，然后实时测量火车轮内径和火车车轴轴座的外径，将测量过后的火车轮和车轴轴座尺寸上传到系统，系统选配合适的轮对进行压装。目前，大部分工厂在测量时仍使用大游标卡尺、外径千分尺等专用机械量具的方式进行人工测量，这种测量方式读出的数值因人而异，会产生一定的人工误差，影响轮对的压装质量，而且人工测量的方式效率较低，无法满足自动化数字化工厂的生产要求。

文献“光透射式大尺寸车轴视觉测量技术”([D].吉林大学,2017)采用了单光双反射镜结构。解决了单光束透射式测量因车轴直径增大而使得透镜不断增大的问题。但是该方法结构比较复杂、成本比较高，且对测量环境要求较高。另有专利“火车车轴轮座直径非接触式测量系统及其测量方法”(201310611448.2[P].2013.11.26)，使用激光测距传感器实现了对火车车轴轴座的外径尺寸的非接触式测量，但是该方法未标定激光线在水平面内的偏角α，测量精度稍低，且无法对两对轴颈两对轴座进行同时测量。

在火车轮对压装车间的数字化工厂建设过程中，需要同时对火车车轴的两个轴颈(装轴承处)和两个轴座(装车轮处)的外径尺寸实现快速无接触式的测量，测量精度要达到10μm，并把测量结果和对应的车轴ID号上传车间的MES系统。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明针对现有火车车轴轴颈轴座外径尺寸测量中存在的技术问题，提出了一种火车车轴轴颈轴座外径的激光测量装置及其测量方法，可以有效提高检测精度。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种火车车轴轴颈轴座外径的激光测量装置，包括电动分度盘1、顶针2、左溜板3、床身4、右溜板6、电动尾座7、第一激光测距传感器组件8、第二激光测距传感器组件9、第三激光测距传感器组件10、第四激光测距传感器组件11、丝杠机构12、数据采集卡、控制器及显示器、继电器以及电缆电源；床身4具体采用C6140床身，且床身4上设有导轨，床身4一端安装有电动分度盘1，顶针2与电动分度盘1的转盘刚性连接，顶针2的轴线与电动分度盘1的转盘轴线重合且与床身4的导轨平行，电动尾座7安装在床身4的另一端导轨上，电动尾座7所带顶针轴线与顶针2轴线重合，左溜板3和右溜板6安装在床身4的导轨上并位于电动分度盘1和电动尾座7之间，第一激光测距传感器组件8和第二激光测距传感器组件9并列安装在左溜板3上，第三激光测距传感器组件10和第四激光测距传感器组件11并列安装在右溜板6上，各激光测距传感器组件发射的激光线均指向顶针2的轴线；右溜板6与连接板22刚性连接，连接板22与丝杠机构12的螺母21刚性连接，丝杠机构12的左轴承座19和右轴承座23通过螺钉组固定在床身4侧面；各激光测距传感器通过信号线与数据采集卡相连，控制器通过电缆及信号线分别与电动分度盘、电动尾座、数据采集卡、显示器和继电器相连。

具体地，如图3所示，本发明中各激光测距传感器组件包括激光测距传感器13、第一L形板14、第一高精度分度台15、第二L形板16、第二高精度分度台17和底座18，激光测距传感器13安装在第一L形板14的顶侧面，第一L形板14的另一侧面固定在第一高精度分度台15的旋转盘上，第一高精度分度台15通过螺钉固定安装在第二L形板16的立侧面上，第二L形板16另一个面固定在第二高精度分度台17的旋转盘上表面，第二高精度分度台17固定在底座18上。

如图4所示，本发明中丝杠机构12包括左轴承座19、丝杠20、螺母21、连接板22、右轴承座23、锁紧盘24和手轮25，左轴承座19和右轴承座23通过螺栓组与C6140床身4刚性连接；丝杠20与两轴承座旋转副连接，丝杠20能在轴承座内做旋转运动；螺母21与丝杠20螺纹连接；连接板22与螺母21通过螺栓组刚性连接；手轮25与丝杠20刚性连接，转动手轮25可以带动丝杠20转动，使螺母21左右移动，从而使右溜板6通过刚性连接的螺母21和连接板22带动实现沿C6140床身4的导轨移动，调整好右溜板6位置后，锁紧锁紧盘24。

如图5所示，P

本发明的一种火车车轴轴颈轴座外径的激光测量方法，激光测量装置的两组溜板上各固定有两个激光测距传感器组件，可对两对轴颈轴座直径实现同时测量；；转动丝杠机构12的丝杠20调节右溜板6的横向位置，使第三激光测距传感器组件10和第四激光测距传感器组件11的激光线正对着车轴右端的轴座和轴颈；待测轴5安装在电动分度盘1和电动尾座7的顶针之间，电动分度盘1可以精准的使待测轴5每转90°进行一次测量；

首先，将已知半径R1的1#标准棒放置在电动分度盘1和电动尾座7的顶针之间，待其稳定后通过电动尾座7将1#标准棒顶起，转动激光测距传感器组件中第一高精度分度台15的蜗杆带动激光测距传感器13在垂直平面内转动，激光束在1#标准棒的外表面上下来回扫描，记录扫描的数值，待扫描的距离达到最小时，锁定第一高精度分度台15的蜗杆；然后转动激光测距传感器组件中第二高精度分度台17的蜗杆带动激光测距传感器13在水平平面内转动，激光束在1#标准棒的外表面左右来回扫描，记录扫描的数值，待扫描的距离达到最小时，锁定第二高精度分度台17的蜗杆；这时可近似的认为激光测距传感器13发射的激光束与待测轴5轴线相交，且垂直于待测轴5轴线；采用同样方法，调整其他三个激光测距传感器13的位姿；

上述激光线与待测轴5轴线相交且与其垂直仅是理论状态，故需对激光线在水平面和垂直面内的偏角α和偏角β进行标定，记录下激光测距传感器13读数L

由式(1)利用MATLAB数学工具求出第一激光测距传感器组件8的激光线偏角sinβ、cosα的值；

在对第一激光测距传感器组件8的激光线偏角进行标定的同时，记录下其余激光测距传感器13的读数，采用同样方法对第二激光测距传感器组件9、第三激光测距传感器组件10、第四激光测距传感器组件11的激光线偏角进行标定；

将各激光测距传感器13的位置固定不变，卸下标准棒，放上待测轴5，可同时得出两个轴颈和两个轴座对应的读数L

由读数L

分别将L

同法，利用另外三组数据代入式(2)，同时在公式中代入各激光测距传感器13对应的标准棒参数和激光线角度标定值，可得左轴座直径D

具体测量步骤如下：

S1、根据火车车轴长度，通过丝杠机构12中的手轮25调整右溜板6的位置，锁紧锁紧盘24；

S2、将已知半径R1的1#标准棒吊起至电动分度盘1与电动尾座7之间，电动尾座7的顶针伸出将1#标准棒顶起；

S3、转动第一激光测距传感器组件8中的第一高精度分度台15的蜗杆，带动激光测距传感器13在竖直平面内转动，激光束在1#标准棒的外表面上下来回扫描，记录扫描的数值，待扫描的距离达到最小时，锁定第一高精度分度台15的蜗杆；然后转动第一激光测距传感器组件8中的第二高精度分度台17的蜗杆带动激光测距传感器13在水平平面内转动，激光束在1#标准棒的外表面左右来回扫描，记录扫描的数值，待扫描的距离达到最小时，锁定第二高精度分度台17的蜗杆；

S4、重复步骤S3，分别对其他三个激光测距传感器13的位姿进行调整；

S5、记录下此时四个激光测距传感器13测得的到1#标准棒表面的距离L

S6、卸下1#标准棒，分别安装2#标准棒和3#标准棒，重复步骤S5，测量记录下此时激光测距传感器13测得读数L

S7、将测得的L

S8、采用同样方法对第二激光测距传感器组件9、第三激光测距传感器组件10、第四激光测距传感器组件11的激光线偏角进行标定，卸下标准棒；

S9、安装上直径未知的待测轴5，每测一次数值电动分度盘1旋转90°，得到四组数据L

S10、根据式(2)、(3)、(4)求得待测轴外径尺寸D

S11、卸下已测车轴，装上后续待测轴5，重复S9、S10，对后续车轴进行测量。

本发明的测量装置能够自动测量并显示火车车轴两处轴座和两处轴颈的外径，且能够自动计算各测量读数，记录相应的测量值，并将数据传入MES系统，与轴的ID号对应。其主要技术指标如下表：

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的激光测量装置，在C6140床身上安装四个平行布置的激光测距传感器组件，实现了对火车车轴的两个轴颈两个轴座的同时在线测量，解决了实际生产中因人工测量导致的测量误差，提高了火车轮对压装过程中的压装准确性和效率。为实现数字化车间建设打下了基础。

本发明的激光测量方法，采用非接触式测量，提高了测量的精度，避免了测量装置对被测工件表面的损伤，对影响测量精度的激光线水平偏角α和垂直偏角β进行了标定，进一步减少了误差，提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明的一种火车车轴轴颈轴座外径的激光测量装置结构示意图；

图2是本发明中测量装置的系统示意图；

图3是本发明的激光测距传感器组件结构示意图；

图4是本发明的丝杠机构结构示意图；

图5是本发明的激光线在垂直平面和水平平面内的投影图。

图中：1：电动分度盘；2：顶针；3：左溜板；4：床身；5：待测轴；6：右溜板；7：电动尾座；8：第一激光测距传感器组件；9：第二激光测距传感器组件；10：第三激光测距传感器组件；11：第四激光测距传感器组件；12：丝杠机构；13：激光测距传感器；14：第一L形板；15：第一高精度分度台；16：第二L形板；17：第二高精度分度台；18：底座；19：左轴承座；20：丝杠；21：螺母；22：连接板；23：右轴承座；24：锁紧盘；25：手轮。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

本实施例的一种非接触式火车车轴轴颈轴座外径尺寸测量装置，包括硬件部分和软件部分，硬件部分主要包括电动分度盘1、顶针2、左溜板3、C6140床身4、待测轴5、右溜板6、电动尾座7、第一激光测距传感器组件8、第二激光测距传感器组件9、第三激光测距传感器组件10、第四激光测距传感器组件11、丝杠机构12、数据采集卡、控制器及显示器、继电器以及电缆电源；软件部分包括信号通讯模块、驱动控制模块、数据采集与处理模块，激光测距传感器通过信号线与数据采集卡相连，控制器通过电缆及信号线分别与数据采集卡、显示器和继电器相连。

本实施例的测量装置所用激光测距传感器13的型号为OD5-500W200，德国SICK品牌，其主要参数见下表。

本实施例的测量装置的实施过程如下：

根据轴长，通过丝杠机构12中的手轮25调整右溜板6的位置，锁紧锁紧盘24；

将已知半径R1的1#标准棒吊起至电动分度盘1与电动尾座7之间，电动尾座7的顶针伸出将1#标准棒顶起；

转动激光测距传感器组件中的第一高精度分度台15的蜗杆，带动激光测距传感器13在竖直平面内转动，激光束在1#标准棒上下来回扫描，记录扫描的数值，待扫描的距离达到最小时，锁定第一高精度分度台15的蜗杆，锁定垂直偏角β，不再让垂直偏角β发生改变；然后转动激光测距传感器组件中的第二高精度分度台17的蜗杆，带动激光测距传感器13在水平平面内转动，激光束在1#标准棒左右来回扫描，记录扫描的数值，待扫描的距离达到最小时，锁定第二高精度分度台17的蜗杆，锁定水平偏角α，不再让水平偏角α发生改变；

将1#标准棒、2#标准棒、3#标准棒分别装上测量装置，四个激光器的读数代入公式(1)计算得到的四个激光器发出的激光线标定值如表1所示；卸下标准棒；

表1四个激光器的标定值

安装上直径未知的待测轴5，每测一次数值旋转90°，得到四组数据L

L

根据式(2)、(3)、(4)求得待测轴直径尺寸D

表2

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卸下已测车轴，装上后续待测轴重复测量，可对后续车轴进行测量。

本激光测距测量方法的实施示例中，最大误差为3μm，小于10μm。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，只是本发明的实施方式之一，实际并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。