一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统及方法与流程

本发明涉及一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统及方法，属于一种机车轮对几何参数检测装置的二维轴联动定位误差补偿及大跨距横梁挠曲度变形的动态补偿技术。

背景技术：

机车轮对参数自动检测的研究，在提升列车产品质量和安全性方面的关键作用已经越来越受到重视。从国际方面来看，日本、美国、英国和法国等在轮对自动检测方面进行了大量的研究，并研制出各种类型的检测装置，在铁路交通部门得到了广泛的应用，产生了可观的经济和社会效益。我国在轮对自动化检测领域已经有过应用案例，但由于受到多种因素制约，均没有较为理想的测量设备。其中一个重要原因是由于轮对自身跨度较宽，而且其尺寸范围变化较大，因此，对轮对测量设备的尺寸(有效行程3米左右)和精度要求均较高。尤其对于检测轮轴的二维大跨距设备，不仅对于单、双轴各自精度有较高要求，其自身的挠度变形量也较大，导致在二维双轴精度较高的情况下，测量结果仍然出现较大的偏差(个别偏差在毫米级别)。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统及方法，具有高精度、大量程二维轴及其定位精度和横梁挠度补偿功能，采用大理石和直线电机相结合形式，利用激光干涉仪提供高精度补偿数据，通过光栅尺、位移控制系统和软件补偿系统对机车轮对检测设备的二维轴进行实时动态补偿。

本发明提供的技术方案如下：一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统，结构采用特殊设计的高精度、高稳定性的大理石结构，二维轴系导轨采用直线电机，利用激光干涉仪结合有限元分析结果对系统横梁挠度进行高精度测量和二维数学模型的建立，通过对两次单方向位移精度进行补偿和调整，对数学模型的初始状态进行赋值；然后，利用动态规划最优补偿算法技术，对运动状态下的装置横梁进行动态实时补偿。

本发明的一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统，包括：大理石水平横梁1，坦克链拖动带2，配有光栅尺的直线电机3，支撑柱4，x轴5，配有光栅尺的z轴6，激光干涉仪7，用于装夹高精度位移传感器的z轴装夹板8，位移闭环控制系统9，工控机10；

大理石水平横梁1作为主横梁，经过有限元分析后设计出尺寸模型，经过研磨加工后，实现2μm高精度平面度和2μm直线度指标；

坦克链拖动带2，与大理石水平横梁1通过连接器连接，起到保护系统线缆和实现跟随系统移动的作用；

直线电机3，作为运动部件载体，和大理石水平横梁1通过精密装调配合，实现x轴的±5μm定位精度；

支撑柱4，采用符合力学原理的铸铁结构，与大理石水平横梁1连接，支撑大理石水平横梁1；

x轴5，由大理石水平横梁1、坦克链拖动带2和直线电机3三者组成，实现(0～3000)mm水平位移定位功能；

配有光栅尺的z轴6，通过与x轴5连接，实现(0～700)mm垂直位移定位功能；

激光干涉仪7，测量水平x轴5和垂直轴z轴6的定位误差，计算出位移补偿值，并将补偿值输入到位移闭环控制系统9中，同时分别测量水平x轴5和垂直z轴6的水平直线度和垂直直线度，通过综合上述两轴的定位精度和几何位置精度，绘制水平x轴5和垂直轴z轴6和附加几何误差的三维补偿表,并将补偿值输入到位移闭环控制系统9中；

z轴装夹板8，安装到z轴金属平板上，其上装夹2μm精度的位移传感器，用于测量机车轮对几何尺寸；

位移闭环控制系统9，实现定位精度±5μm的高精度位移控制，通过动态规划算法实时计算pid参数的方法，对二维轴运动进行了优化协调控制；根据轮对几何参数测量要求，在测量轮对轮廓尺寸时，通过实时动态调控二维轴定位精度，实现机车轮对端面尺寸和轮廓尺寸的高精度测量；

工控机10，属于上位机，其安装轮对尺寸测量软件系统用于汇总和调度位移闭环控制系统9的数据、高精度位移传感器数据和安装在x轴5和z轴6内部相关接近开关数据，最终给出轮对尺寸误差及打印检测记录；

安装在x轴上的导轨通过精密装配完成后，使用激光干涉仪7测量水平x轴5和垂直轴z轴6的定位误差，激光干涉仪7计算出位移补偿值，并将补偿值输入到位移闭环控制系统9中，实现2个轴位移的单轴精度补偿；通过激光干涉仪7，分别测量水平x轴5和垂直轴z轴6的水平直线度和垂直直线度；最后，通过汇总上述两轴的定位精度和几何位置精度，绘制水平x轴5和垂直轴z轴6和附加几何误差的三维补偿表；通过位移闭环控制系统9中的动态规划最优算法实时计算pid参数的方法，对二维轴运动进行优化协调控制；根据机车轮对几何参数测量要求，在测量轮对轮廓尺寸时，通过实时动态调控二维轴定位精度，实现机车轮对端面尺寸和轮廓尺寸的高精度测量。

所述对于机车轮对测量的有效范围达3m跨距。

所述的直线电机3中，配有示值误差达mpe:1μm的高精度光栅尺。

所述z轴6有效行程(0～700)mm，采用伺服电机加双丝杠导轨结构。

配有光栅尺的直线电机和大理石水平横梁提供大跨距即3m测量范围、2μm直线度、2μm平面度和±5μm定位精度的二维联动平台，其中大理石水平横梁通过有限元分析，计算出挠度最小的结构形式；直线电机在水平和垂直直线度、平面度指标上较传统的机械式导轨具有较大的优势，通过光栅尺的实时反馈，保证在(0～3000)mm测量时的精度指标。

z轴装夹板8通过换用不同形式的位移传感器，对(0～3000)mm的大尺寸机械加工部件进行端度、轮廓、沟痕深度和表面粗糙度的测量。

本发明的一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿方法，包括以下步骤：

(1)首先，采用直线电机、大理石水平横梁和带光栅尺的直接电机，提供3m大跨距、高精度直线度、平面度和定位精度的二维联动平台，其中大理石水平横梁通过有限元分析，计算出挠度最小的结构形式；直线电机在水平和垂直直线度、平面度指标上较传统的机械式导轨具有较大的优势，通过光栅尺的实时反馈，保证在大尺寸测量时的精度指标；

(2)然后，通过调整激光干涉仪7，使其在x轴方向调整至最佳信号位置，精确测量水平x轴5各点的定位误差，应用同样的方法精确测量垂直轴z轴6各点的定位误差；同样，通过调整激光干涉仪7，使其在x轴方向调整至最佳信号位置，精确测量水平x轴5各点的水平直线度和垂直直线度，应用同样的方法精确测量垂直轴z轴6各点的水平直线度和垂直直线度，得到x轴和z轴的位移误差、直线度，再将位移误差、直线度实际测量结果通过激光干涉仪软件计算出位移补偿值，为简化系统调制难度，将x轴和z轴的平面度、垂直直线度忽略，仅保留x轴垂直方向的直线度作为误差源，绘制x轴和z轴位移补偿值并与x轴垂直方向直线度三者汇总，绘制三维补偿表，并将其输入到位移闭环控制系统9中，实现x轴和z轴定位精度补偿；

(3)最后，利用位移闭环控制系统9中的动态规划最优算法将存入计算机中的三维补偿表导入位移闭环控制系统9中，对初始控制参数进行实时计算；通过动态规划最优算法，将机车轮对检测过程的位移定位精度控制转化为一系列单阶段位移补偿和精度控制过程，对运动状态下的x轴和z轴进行动态精度实时补偿，实现x轴的定位精度为±5μm，z轴的定位精度为±5μm；

(4)在测量机车轮对轮缘形貌、内测距，轮缘直径时，在二维层面上开展测量，二维联动轴通过安装在z轴装夹板8的2μm精度的位移传感器，利用高速的数据实时检测和反馈计算系统，即可实现上述参数的高精度实时反馈测量。

所述动态规划是解决多阶段决策过程中优化问题的一种数学方法。其核心思想是把多阶段决策过程转化为一系列单阶段问题，用于机车轮对检测的高精度大跨距二维位移精度补偿系统可归为动态规划问题，可将其分成若干互相联系的阶段，在它的每个阶段都需要做出决策，从而使整个过程达到最优的效果，各阶段决策的选取不是任意确定的，它依赖于当前的状态，又给以后的位移反馈控制施加影响。在位移精度反馈控制的多阶段决策过程中，各个阶段的决策是与时间有关，决策依赖于当前的状态，而它随即引起新的状态转移，一个决策序列就在状态的运动变化中产生，把处理多阶段决策问题的方法称为动态规划，利用动态规划最优补偿算法，以给定补偿值的三维表为基础，对运动状态下的装置进行x轴的定位精度、z轴的定位精度和x轴水平直线度进行动态实时精度补偿，

具体过程如下：

(1)利用激光干涉仪的补偿数据建立起三维补偿表：

内容包括：

1)x轴测量位置，共7点，每间隔500mm测量一点，并给出误差值；

2)x轴挠度,共7点，每间隔500mm测量一点，并给出挠度值；

3)z轴测量位置，共7点，每间隔100mm测量一点，并给出误差值；

(2)建立适用于机车轮对检测系统的动态规划最优算法数学模型：

x1为x轴位移，x2为z轴位移,u为控制参数；

(3)上述数据作为位移控制控制系统9的初始值，将机车轮对检测过程的位移定位精度控制转化为各个位移区间段的动态精度控制，各区间段的初始为x轴误差、z轴误差和x轴挠度；

(4)将事先规划好的位移控制区域内应用动态规划最优算法，在位移精度反馈控制的多阶段决策过程中，各个阶段的决策是与时间有关，决策依赖于当前的状态，而它随即引起新的状态转移，一个决策序列就在状态的运动变化中产生计算出位移定位精度最优位置并实时进行反馈控制；最后，通过控制系统9，使x轴和z轴的位置定位精度达到±5μm以内，从而实现了二维联动精确控制。

本发明的原理在于：

首先，采用直线电机、大理石横梁和光栅尺，提供(0～3000)mm大跨距、2μm平面度和2μm直线度指标和±5μm定位精度的二维联动系统。其中大理石横梁通过有限元分析，计算出挠度最小的结构形式；直线电机在水平和垂直直线度、平面度指标上较传统的机械式导轨具有较大的优势，通过光栅尺的实时反馈，可以保证在大尺寸测量时的精度指标。

然后，通过激光干涉仪测量x轴和z轴的位移误差、直线度、平面度，将实际测量结果通过软件计算出位移补偿值，并将补偿值输入到位移闭环控制系统中，绘制水平轴、竖直轴和附加补差几何误差的三维补偿表，实现2个轴位移的单轴精度补偿。

最后，利用动态规划最优算法对位移控制闭环控制参数进行实时调制的途径，对x轴和z轴运动进行了优化协控制。

该平台可以通过换用不同形式的位移传感器，对大尺寸机械加工部件进行高精度端度、轮廓、沟痕深度和表面粗糙度的测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)传统的大跨距横梁类检测装置，由于结构限制问题，中间无法加入支撑梁，导致挠度在0.1mm以上，致使整个系统精度等级只能在0.1mm以下精度量级。本发明采用直线电机、大理石横梁和高精度光栅尺，可提供大跨距、高精度直线度、平面度和定位精度的二维联动平台。技术指标表1所示。

表1

(2)提出利用动态规划最优算法对位移控制闭环控制参数进行实时调制的途径，对x轴和z轴运动进行了优化协控制，可根据轮对几何参数测量要求，在测量轮对轮廓尺寸时，通过实时动态调控二维轴定位精度，从而实现了机车轮对轮廓的高精度测量。

(3)通过平台自身硬件精度等级的提升，再配合软件、控制算法的动态补偿，该平台定位精度在(0～3000)mm范围可达±5μm以内，并且可以通过换用不同形式的位移传感器，对大尺寸机械加工部件进行高精度端度、轮廓、沟痕深度和表面粗糙度的测量，填补了该技术领域的空白。

附图说明

图1为本发明的一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统示意图；

图2为本发明的电气原理框图；

图3为x轴补偿前精度；

图4为z轴补偿前精度；

图5为x轴补偿后精度；

图6为z轴补偿后精度；

图7为x轴挠度补偿数据。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统，包括：大理石水平横梁1，坦克链拖动带2，配有光栅尺的直线电机3，支撑柱4，x轴5，配有光栅尺的z轴6，激光干涉仪7，z轴装夹板8，位移闭环控制系统9，工控机10；

通过调整激光干涉仪7，使其在x轴方向调整至最佳信号位置，精确测量水平x轴5各点的定位误差，应用同样的方法精确测量垂直轴z轴6各点的定位误差。同样，通过调整激光干涉仪7，使其在x轴方向调整至最佳信号位置，精确测量水平x轴5各点的水平直线度和垂直直线度，应用同样的方法精确测量垂直轴z轴6各点的水平直线度和垂直直线度。得到x轴和z轴的位移误差、直线度，再将位移误差、直线度实际测量结果通过激光干涉仪软件计算出位移补偿值，这里为简化系统调制难度，将x轴和z轴的平面度、垂直直线度忽略(误差影响可忽略)，仅保留x轴垂直方向的直线度(横梁挠度)作为误差源，研发人员绘制x轴和z轴位移补偿值并与x轴垂直方向直线度三者汇总，绘制三维补偿表，并将其输入到位移闭环控制系统9中，最后，利用植入位移闭环控制系统9的动态规划最优算法，将存入计算机中的三维补偿表导入位移闭环控制系统9中对其初始控制参数进行实时整定；通过动态规划最优算法，对运动状态下的x轴和z轴进行动态精度实时补偿，实现x轴的定位精度为±5μm，z轴的定位精度为±5μm。

如图2所示，电气原理图。

(1)工控机作为系统核心，接收来自高精度位移传感器和位移控制系统的数据，并进行处理；

(2)位移控制系统接收来自x轴和z轴的数据，并进行位移控制；

(3)x轴和z轴包含有光栅尺、直线电机、导轨和接近开光等。

该x轴和z轴二维联动轴工作方式如下：

步骤一、通过调整型号为xl80的雷尼绍激光干涉仪7，使其在机车轮对测量系统x轴方向，起始端和末尾端位移光强值信号为最佳值，从而精确测量x轴32个定位点的定位误差，如图3所示，图3中的各点是将x轴的3米长大理石导轨进行30点细分，即每段距离为100mm，分别测量出每段的定位误差值；应用同样的方法精确测量z轴16个定位点的定位误差，如图4所示，图4中的各点是将z轴的700米长大理石导轨进行14点细分，即每段距离为50mm，分别测量出每段的定位误差值，分别测量x轴和z轴定位误差后，利用激光干涉仪7自带软件，选择iso230-2-1997标准定位误差评价方法，分别计算出两个轴的位移补偿值；

步骤二、通过调整激光干涉仪7，使其在机车轮对测量系统x轴方向，起始端和末尾端位移光强值信号为最佳值，从而精确测量x轴32个定位点水平直线度和垂直直线度，应用同样的方法精确测量垂直轴z轴16个定位点的水平直线度和垂直直线度；通过分析水平直线度和垂直直线度测量结果，并结合机车轮对测量系统特性，为简化系统调制难度，将x轴和z轴的平面度、垂直直线度忽略(误差影响可忽略)，仅保留x轴垂直方向的直线度(横梁挠度)作为误差调制参数；

步骤三、将步骤一、二的测量结果，输入到上位机的excel表格，通过系统软件，建立起x轴、z轴与各自直线度和平面度的关系图表。为简化系统调制难度，将x轴和z轴的平面度、垂直直线度忽略(误差影响可忽略)，仅保留x轴垂直方向的直线度(横梁挠度)作为误差源，从而建立起x轴、z轴位移定位误差与x轴垂直方向的直线度的三维补偿表，如表2所示；

表2典型位置三维补偿表

步骤四、动态规划是解决多阶段决策过程中优化问题的一种数学方法。其核心思想是把多阶段决策过程转化为一系列单阶段问题。用于机车轮对检测的大跨距二维位移精度补偿系统可归为动态规划问题，可将其分成若干互相联系的阶段，在它的每个阶段都需要做出决策，从而使整个过程达到最优的效果，各阶段决策的选取不是任意确定的，它依赖于当前的状态，又给以后的位移反馈控制施加影响。在位移精度反馈控制的多阶段决策过程中，各个阶段的决策是与时间有关，决策依赖于当前的状态，而它随即引起新的状态转移，一个决策序列就在状态的运动变化中产生，因此把处理多阶段决策问题的方法称为动态规划。

根据理论数学模型，将机车轮对大跨距x轴和z轴的位移精度补偿简化为下面的模型：

x1为x轴位移，x2为z轴位移,u为控制参数。

性能指标为：

j[u(t)]为性能指标，t为时间。

根据动态规划最优控制算法，得：

式中：v为控制结果，a＝[-1,1],f＝-1,f,▽x,为中间过渡参数，所以：

由于x轴和z轴精度补偿满足动态规划最优控制，所以有：

规划区域

规划区域

代入上式得到：

因此，以给定补偿值的三维表为基础，系统中位机为高速dsp技术的位移闭环控制系统，以初始运动状态下，装置x轴定位精度、z轴定位精度和x轴水平直线度作为初始调制参数，利用上述动态规划最优补偿算法，进行动态实时精度补偿，补偿结果如图3、图4、图5、图6和图7。

由图3可知，在未采用动态规划最优算法时，各x轴的定位精度为36.3μm，定位误差较大，无法满足测量要求；由图4可知，z轴的定位精度为11.2μm，定位误差相对较大，无法满足测量要求；由图7线1可知，x轴水平直线度为55.3μm，中部位置大理石横梁的挠度最大，远超过定位误差精度，由于其属于系统误差，可等待系统稳定后予以补偿。上述测量结果的各项误差较大，不适用于机车轮对的高精度测量，需进行精度补偿。

如图5所示，采用动态规划最优算法后，通过三维补偿表的修正数值，对x轴的定位精度为7.9μm，减小了28.4μm，可满足机车轮对高精度检测需求；如图6所示，z轴的定位精度为6.6μm，减小了4.6μm，可满足机车轮对高精度检测需求；由图7线2,可知x轴水平直线度为4.5μm，直线度误差减小了50.8μm，减小程度较为可观。由此分析，动态规划最优算法，可在x轴、z轴的联动状态下，对上述2轴的定位精度和挠度进行联动补偿。

步骤五、对于机车轮对轮缘形貌、内测距，轮缘直径时，其实质是要在二维层面上开展测量；以测量机车轮对轮缘形貌为例，x轴和z轴二维联动轴，需通过安装在z轴装夹板8的白光共聚焦位移传感器(测量范围为0～10mm，测量精度为2μm)，和x轴的光栅尺进行联动测量；当系统要测量轮对轮缘形貌时，上位机发出测量信号，启动位移控制系统9控制驱动器将系统运行至测量起始位移，此时，开启光栅尺与白光共聚焦传感器的同步信号，即在x轴和z轴的二维平面内对轮缘表面进行实时测量。驱动系统带动x轴、z轴和白光共聚焦位移传感器，聚焦被测机车轮缘表面进行测量；此时，高速dsp将位移的动态最优补偿值实时补偿至轮廓表面测量结果中，并将修正后的测量结果通过中位机传输给上位机，最后，通过上位机将全部测量点拟合成轮缘表面与理论轮缘表面进行比较，从而计算出轮缘形貌误差。