一种高铁转向架在线自动检测装置的制作方法

本发明是一种高铁转向架在线自动检测装置，属于制造业检测领域。

背景技术：

高铁转向架是机车的最核心部件之一，是机车牵引、承载、行走和导向的最关键装置。转向架的生产装配工艺和最终装配精度直接影响了高铁的速度和平稳性，因此对新制造及大修后的转向架必须要进行轴距、对角线、轮对内侧面与基准块间隙等参数检测和调整。

传统的转向架的轴距、对角线、轮对内侧面与基准块间隙等参数的检测采用人工划线，卡尺测量的方法。其弊端如下：其一，轮对内侧面与基准块间隙在调整时不能实时显示，因此其间隙采用人工调整是其调整精度与调整效率难以提高；其二，对角线测量前须进行刻线影响检测效率，刻线后采用长度为近3m的卡尺测量对角线，卡尺自重变形及热涨本身就限制了检测的精度。

而近年来，随着列车运行的高速化，高铁的高安全性和良好的舒适性对转向架的装配质量提出了更高的要求。同时，在国家“一带一路”战略下，中国高铁已经成为走向全球的名片，为满足高铁国内与国际市场的旺盛需求，须进一步提高高铁及转向架的生产效率。故传统检测装配方法的低效率低精度的特点，无法满足现代高铁转向架自动装配线的生产要求，而目前国内外尚没有能够实现高铁转向架轴距、对角线、轮对内侧面与基准块间隙等参数自动在线检测的设备。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有的高铁转向架测量效率低，测量精度差，不能自动测量的不足，提供一种高铁转向架在线自动检测装置。该装置采用龙门梁双导轨结构，利用双电机闭合驱动技术同步驱动龙门梁，结合安装在龙门梁上的两组六个非接触激光位移传感器，配合两侧的光栅尺数据，实现轮对踏面数据的空间点坐标的数据采集，经处理后最终实现轴距、对角线、轮对内侧面与基准块间隙等参数的快速自动测量，并能够实现轮对调整中间隙的数字化实时显示。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种高铁转向架在线自动检测装置由五部分组成：可变轴距转向架支撑柱；导轨支撑梁；龙门梁及测量组件；控制及数据采集处理系统；现场参数校准架。

所述的高铁转向架自动在线检测装置的主体结构主要包括4个可变轴距转向架支撑柱，用于转向架的支撑并具有转向架的初定位功能；转向架定位后，轮对处于悬浮状态；两套导轨支撑梁安装在转向架的两侧用于支撑和安装龙门梁及测量组件，并保证导轨的刚度；龙门梁及测量组件安装在导轨的滑台上，用于实现非接触传感器位置数据、轴间距、轮间距、轴对角线长度及基准块与轮对内侧距离的尺寸数据的自动非接触测量；控制及数据采集处理系统实现在线检测装置的测量控制、数据采集及解算。需要校准时，将转向架用校准架替换，即校准架安装的位置与转向架相同。

所述的可变轴距转向架支撑柱的结构主要包括：底部安装板、限位块、导轨、定位块、第一滑台、中间柱、顶部定位块和滑块；

底部安装板用于安装导轨，导轨前后两端安装有限位块，限位块用于防止安装在滑块上的滑台滑落，第一滑台上安装有中间柱，中间柱用于将转向架定位后轮对处于悬浮状态；第一滑台侧面固定有“L”型定位块，定位块与底部安装板上的定位孔通过配合，实现前后两个可变轴距转向架支撑柱距离的调整。顶部定位块为凸字形结构，顶部定位块与中间柱活动连接，顶部定位块能够在中间柱顶部沿导轨的垂直方向移动，进而实现横向距离的调整，调整后能够放置不同轨距轮对的转向架。

所述前后两个可变轴距转向架支撑柱距离为2200mm～2800mm。

所述的导轨支撑梁包括：立梁底部安装板、立梁、横梁、直线导轨、第二滑台、直线度调整块、测量尺和电机系统；

立梁底部安装板用于安装时的高度调整及整体调平；立梁用于支撑横梁；直线导轨安装固定在支撑横梁上；直线度调整块固定安装在横梁和直线导轨之间；直线导轨通过导轨直线度调整块可实现直线导轨的直线度及平行度的调整；测量尺安装在直线导轨的侧面用于第二滑台位置的测量；第二滑台通过电机系统驱动丝杠或齿形带移动，从而实现第二滑台上安装龙门梁及测量组件到指定位置。

所述测量尺为磁栅尺或光栅尺；

所述的龙门梁及测量组件包括：运行指示灯、龙门梁、踏面激光测距传感器、基准块激光测距传感器、轮内侧激光测距传感器、传感器安装座、基准块和读数头；

龙门梁用于安装两组非接触测距传感器；非接触测距传感器由踏面激光测距传感器、基准块激光测距传感器和轮内侧激光测距传感器组成；传感器按照由内向外的顺序依次为轮内侧激光测距传感器、基准块激光测距传感器和踏面激光测距传感器；轮内侧激光测距传感器、基准块激光测距传感器和踏面激光测距传感器分别通过传感器安装座固定连接在龙门梁底面上；传感器安装座上安装有调节轮内侧激光测距传感器、基准块激光测距传感器和踏面激光测距传感器俯仰角和偏转角的调整机构；测量尺的读数头安装在龙门梁的两侧底面上。

踏面激光测距传感器用于获取轮子踏面数据Y₁；基准块激光测距传感器用于获取传感器距离转向架基准块的数据W₁；轮内侧激光测距传感器用于获取传感器距离左侧轮内侧数据W₂；基准块激光测距传感器与轮内侧激光测距传感器之间的距离为W₃；

则转向架基准块与轮对内侧之间距离为：

W₄＝W₂+W₃-W₁ (1)

左右两组非接触测距传感器获取并计算得到的转向架基准块与轮对内侧之间距离W₄做差则可获取间隙值，间隙值通过数据实时显示在控制及数据采集处理系统上安装的显示器上方便对轮对间隙的调整。

所述的现场参数校准架包括：校准件横梁、校准件支撑柱、车轮模拟件、基准块模拟件；校准件支撑柱顶端固定连接车轮模拟件，车轮模拟件最高点处安装有基准块模拟件；所述车轮模拟件为半圆形结构；两个校准组件对称固定在校准件横梁上。

校准过程：现场参数校准架校准使用时安放到可变轴距转向架支撑柱上，之后采用激光跟踪仪测量分别测量两个车轮模拟件内侧距离为L₁，左侧校准组件的基准块模拟件内侧与车轮模拟件内侧面的距离为L₂，右侧校准组件的基准块模拟件内侧与车轮模拟件内侧面的距离为L₃；以测得的L₁、L₂、L₃作为理论值。通过数据L₁及轮内侧激光测距传感器获取的传感器距离基准块模拟件的左侧数据及右侧数据可计算出左右两轮内侧激光测距传感器之间的安装距离W₅；通过数据L₂、L₃及基准块激光测距传感器获取传感器距离基准块模拟件的左侧数据及右侧数据可计算出基准块激光测距传感器与轮内侧激光测距传感器之间的左侧距离

计算出基准块激光测距传感器与轮内侧激光测距传感器之间的右侧距离

该位置关系获取后取下校准架，校准架只作为设备安装及定期校准使用，平时操作无需使用，激光位移传感器位置关系确定后方可开始转向架的测量。

定义X方向为轮对轴距方向，Y方向为竖直方向，则根据右手法则轮距方向为Z轴方向。

测量过程：首先龙门测量梁及非接触测距组件回零，运动到最左侧的电机处，调整变轴距转向架支撑柱到指定轴距位置，通过起重设备吊装转向架，安放到导轨支撑梁后开始测量过程。龙门测量梁及非接触测距组件沿着X方向的导轨移动，移动距离通过加装在X方向的磁栅测量，当龙门梁及测量组件移动到基准块位置时，龙门测量梁及非接触测距组件停止移动，脉冲信号触发，同时采集并保存磁栅尺数据x1及踏面激光测距传感器y1；数据采集完成后，激光测距传感器移动到预先设定的下一位置2，激光测距传感器停止移动，脉冲信号触发，同时采集并保存磁栅尺数据x2及激光测距传感器数据y2；前轮完成5～9组数据的采集后，激光位移传感器移动到后轮，并完成对后轮的数据采集，得到一组离散测量点集(x_i,y_i),(i＝1,2,3,…,k)。设拟合圆的圆心及前轮圆心坐标为P₁(m₁,n₁)，半径为r，通过二次拟合获取圆心距离即是轮距尺寸。通过校准组件获取两组踏面传感器之间的距离后，再结合两组磁栅尺数据则可实现转向架轮对对角线测量。

整体系统测量转向架测量结果与激光跟踪测量测量转向架的测量结果进行比对最大误差≤0.1mm，优于现有的长卡尺测量划线点测量手段的0.5mm误差。在时间上，传统测量时间为45分钟，此装置测量时间为15分钟，提高了测量效率。

有益效果

采用龙门测量梁上安装的两组六只非接触测距传感器实时采集轮对内侧面、踏面、转向架基准块的数据，通过PLC控制双驱动单元驱动龙门测量梁到指定规划位置，同时利用双导向导轨侧面安装的磁栅尺或光栅尺采集龙门梁上安装的非接触测距传感器的位置数据，以此为基数实现轴间距、轮间距、轴对角线长度，基准块与轮对内侧距离等尺寸的自动采集与解算。龙门测量梁运动到转向架基准块位置时配合显示器可实时显示间隙的调整量指导调整。该装置安装的可变轴距转向架支撑柱可实现2200mm、2400mm、2500mm、2800mm不同轴距转向架的检测。该套系统克服现有轮对内侧面与基准块间隙在调整时不能实时显示的弊端，实现了调整时间隙的实时数据显示；同时采用解算方法可自动实现轴间距、轮间距、轴对角线长度，基准块与轮对内侧距离等尺寸的自动采集与解算避免了对角线测量须事先进行刻线的工序，提高了检测效率。设备采用磁栅尺或光栅尺及非接触传感器等高精度测量传感器提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明的主体结构示意图；

图2是本发明的可变轴距转向架支撑柱结构示意图；

图3是本发明的导轨支撑梁及导向导轨和纵向测量组件；

图4是龙门测量梁及非接触测距组件结构与测量示意图；

图5是本发明的校准架结构示意图。

其中，1—可变轴距转向架支撑柱、2—导轨支撑梁、3—龙门梁及测量组件、4—控制及数据采集处理系统、5—现场参数校准架、6—转向架、7—底部安装板、8—限位块、9—导轨、10—定位块、11—第一滑台、12—中间柱、13—顶部定位块、14—滑块、15—立梁底部安装板、16—立梁、17—横梁、18—直线导轨、19—第二滑台、20—直线度调整块、21—测量尺、22—电机系统、23—运行指示灯、24—龙门梁、25—踏面激光测距传感器、26—基准块激光测距传感器、27—轮内侧激光测距传感器、28—传感器安装座、29—基准块、30—读数头、31—校准件横梁、32—校准件支撑柱、33—车轮模拟件、34—基准块模拟件。

具体实施方式

以下结合附图和实施实例对本发明进一步说明。

实施例1

一种高铁转向架在线自动检测装置由五部分组成：可变轴距转向架支撑柱1；导轨支撑梁2；龙门梁及测量组件3；控制及数据采集处理系统4；现场参数校准架5。

参见附图1所示，本发明所述的高铁转向架自动在线检测装置的主体结构主要包括4个可变轴距转向架支撑柱1，用于转向架6的支撑并具有转向架6的初定位功能；转向架6定位后，轮对处于悬浮状态；两套导轨支撑梁2安装在转向架6的两侧用于支撑和安装龙门梁及测量组件3，并保证导轨的刚度；龙门梁及测量组件3安装在导轨的滑台上，用于实现非接触传感器位置数据、轴间距、轮间距、轴对角线长度及基准块与轮对内侧距离的尺寸数据的自动非接触测量；控制及数据采集处理系统4实现在线检测装置的测量控制、数据采集及解算。需要校准时，将转向架用校准架5替换，即校准架5安装的位置与转向架相同。

参见附图2所示，所述的可变轴距转向架支撑柱1的结构主要包括：底部安装板7、限位块8、导轨9、定位块10、第一滑台11、中间柱12、顶部定位块13和滑块14；

底部安装板7用于安装导轨9，导轨9前后两端安装有限位块8，限位块8用于防止安装在滑块14上的滑台11滑落，滑台11上安装有中间柱12，中间柱12用于将转向架定位后轮对处于悬浮状态，；滑台11侧面固定有“L”型定位块10，定位块10与底部安装板7上的定位孔通过配合，实现前后两个可变轴距转向架支撑柱1距离的调整，从而实现2200mm、2400mm、2500mm、2800mm不同轴距转向架的支撑。顶部定位块13为凸字形结构，顶部定位块13与中间柱12活动连接，顶部定位块13能够在中间柱12顶部沿导轨9的垂直方向移动，进而实现横向距离的调整，调整后能够放置不同轨距轮对的转向架。

参见附图3所示，所述的导轨支撑梁2包括：立梁底部安装板15、立梁16、横梁17、直线导轨18、第二滑台19、直线度调整块20、测量尺21和电机系统22；

立梁底部安装板15用于安装时的高度调整及整体调平；立梁16用于支撑横梁17；直线导轨18安装固定在支撑横梁17上；直线度调整块20固定安装在横梁17和直线导轨18之间；直线导轨18通过导轨直线度调整块20可实现直线导轨18的直线度及平行度的调整；测量尺21安装在直线导轨18的侧面用于第二滑台19位置的测量；第二滑台19通过电机系统22驱动丝杠或齿形带移动，从而实现第二滑台19上安装龙门梁及测量组件3到指定位置。

所述测量尺21为磁栅尺或光栅尺；

参见附图4所示，所述的龙门梁及测量组件3包括：运行指示灯23、龙门梁24、踏面激光测距传感器25、基准块激光测距传感器26、轮内侧激光测距传感器27、传感器安装座28、基准块29和读数头30；

龙门梁24用于安装两组非接触测距传感器；非接触测距传感器由踏面激光测距传感器25、基准块激光测距传感器26和轮内侧激光测距传感器27组成；传感器按照由内向外的顺序依次为轮内侧激光测距传感器27、基准块激光测距传感器26和踏面激光测距传感器25；轮内侧激光测距传感器27、基准块激光测距传感器26和踏面激光测距传感器25分别通过传感器安装座28固定连接在龙门梁24底面上；传感器安装座28上安装有调节轮内侧激光测距传感器27、基准块激光测距传感器26和踏面激光测距传感器25俯仰角和偏转角的调整机构；测量尺21的读数头30安装在龙门梁24的两侧底面上。

踏面激光测距传感器25用于获取轮子踏面数据Y₁；基准块激光测距传感器26用于获取传感器距离转向架基准块29的数据W₁；轮内侧激光测距传感器27用于获取传感器距离左侧轮内侧数据W₂；基准块激光测距传感器26与轮内侧激光测距传感器27之间的距离为W₃；

则转向架基准块29与轮对内侧之间距离为：

W₄＝W₂+W₃-W₁ (1)

左右两组非接触测距传感器获取并计算得到的转向架基准块29与轮对内侧之间距离W₄做差则可获取间隙值，间隙值通过数据实时显示在控制及数据采集处理系统4上安装的显示器上方便对轮对间隙的调整。

参见附图5所示，所述的现场参数校准架5包括：校准件横梁31、校准件支撑柱32、车轮模拟件33、基准块模拟件34；校准件支撑柱32顶端固定连接车轮模拟件33，车轮模拟件33最高点处安装有基准块模拟件34；所述车轮模拟件33为半圆形结构；两个校准组件对称固定在校准件横梁31上。

现场参数校准架5校准使用时安放到可变轴距转向架支撑柱1上，之后采用激光跟踪仪测量分别测量两个车轮模拟件33内侧距离为L₁，左侧校准组件的基准块模拟件34内侧与车轮模拟件33内侧面的距离为L₂，右侧校准组件的基准块模拟件34内侧与车轮模拟件33内侧面的距离为L₃；以测得的L₁、L₂、L₃作为理论值。通过数据L₁及轮内侧激光测距传感器27获取的传感器距离基准块模拟件34的左侧数据及右侧数据可计算出左右两轮内侧激光测距传感器27之间的安装距离W₅；通过数据L₂、L₃及基准块激光测距传感器26获取传感器距离基准块模拟件34的左侧数据及右侧数据可计算出基准块激光测距传感器26与轮内侧激光测距传感器27之间的左侧距离

计算出基准块激光测距传感器26与轮内侧激光测距传感器27之间的右侧距离

该位置关系获取后取下校准架，校准架只作为设备安装及定期校准使用，平时操作无需使用，激光位移传感器位置关系确定后方可开始转向架4的测量。

定义X方向为轮对轴距方向，Y方向为竖直方向，则根据右手法则轮距方向为Z轴方向。

整个测量过程如下首先龙门测量梁及非接触测距组件5回零，运动到最左侧的电机处，调整变轴距转向架支撑柱1到指定轴距位置，通过起重设备吊装转向架4，安放到导轨支撑梁2后开始测量过程。龙门测量梁及非接触测距组件5沿着X方向的导轨18移动，移动距离通过加装在X方向的磁栅21测量，当龙门梁及测量组件3移动到基准块29位置时，龙门测量梁及非接触测距组件5停止移动，脉冲信号触发，同时采集并保存磁栅尺21数据x1及踏面激光测距传感器25y1；数据采集完成后，激光测距传感器移动到预先设定的下一位置2，激光测距传感器停止移动，脉冲信号触发，同时采集并保存磁栅尺数据x2及激光测距传感器数据y2；前轮完成5～9组数据的采集后，激光位移传感器移动到后轮，并完成对后轮的数据采集，得到一组离散测量点集(x_i,y_i),(i＝1,2,3,…,k)。设拟合圆的圆心及前轮圆心坐标为P₁(m₁,n₁)，半径为r，通过二次拟合获取圆心距离即是轮距尺寸。通过校准组件获取两组踏面传感器之间的距离后，再结合两组磁栅尺21数据则可实现转向架轮对对角线测量。

整体系统测量转向架测量结果与激光跟踪测量测量转向架的测量结果进行比对最大误差≤0.1mm，优于现有的长卡尺测量划线点测量手段的0.5mm误差。在时间上，传统测量时间为45分钟，此装置测量时间为15分钟，提高了测量效率。