一种火车车轮轮毂内孔直径激光测量传感器位置的标定方法与流程

技术领域：

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种火车车轮轮毂内孔直径激光测量传感器位置的标定方法，应用于内孔直径尺寸的非接触式测量。

背景技术：
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孔内径测量技术的研究具有较长的历史，测量方式主要可分为两大类，即基于坐标和基于专用量仪两种方式，其典型代表为三坐标测量仪和气动量仪。由于火车车轮轮毂内孔直径相对较大，而气动量仪测量范围较小，所以气动量仪很少被使用于火车车轮轮毂内孔的测量。三坐标测量仪采用探针进行接触式测量，存在划伤被测工件表面的可能性，且测量时间相对较长，因此三坐标测量仪在火车车轮轮毂内孔测量领域也没有得到应用。

针对火车车轮轮毂内孔直径的非接触式测量，中国专利cn105758321a公开了一种内孔直径激光测量系统，该专利通过精密制造测量装置零件和精心装配调试的方式，使测量系统中高精度激光测距传感器(以下简称为激光器)发出的激光线在测量火车车轮内孔时垂直于内孔圆柱面母线，因此将该测量简化为平面问题，在测量原理中，要求激光器发出的激光线与激光发出点到激光器旋转中心的连线相重合，发明者采用线绳等辅助工具连接激光线端头与旋转中心，通过调整激光器位置使该连线与激光线重合，因为手动调节激光器误差大，且激光器实际旋转中心很难用肉眼确定，同时需调节的激光线与激光发出点到激光器旋转中心连线间的夹角本就很小，所以这种调整方式具有较大的误差，整个测量装置系统测量精度也会随之降低。本发明正是针对此测量技术的不足之处而提供了一种新的激光器位置的标定方法，该标定方法具有操作简单、标定精度高等特点。

技术实现要素：
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本发明针对中国专利cn105758321a“火车车轮轮毂内孔直径激光测量系统及其测量方法”存在的技术不足，提供一种新的激光器位置标定方法。在中国专利cn105758321a中，内孔测量原理如图5所示，激光器发出的激光线cd与激光发出点c到激光器旋转中心o的连线co重合时，先放置已知内孔直径的标准样件到测量台上，激光器由精密油压分度台带动每旋转90度得到一个测距，利用内孔面上每个激光测点到被测内孔中心的距离均等于被测内孔半径的原理，联立方程求解出激光发出点c到激光器旋转中心o的距离a，再放上被测火车车轮，同样地激光器每旋转90°得到一个测距，再次利用所述联立方程求解出被测火车车轮内孔半径。

本发明的目的是，在中国专利cn105758321a中的激光测量装置中激光线cd与激光发出点c到激光器旋转中心o的连线co不重合时，即两者之间存在夹角α时，也能进行非接触式内孔测量。

本发明所提供的一种火车车轮轮毂内孔直径激光测量传感器位置的标定方法的具体步骤如下：

(1)如图2所示，将两块结构相同的标定板1通过螺栓组2平行固定于标定环3上表面构成标定装置4，并用200mm长的长方形钢制量块测量两块所述标定板1两端的内侧距离，使之均等于200mm；标定环3中的大环的上下端面互相平行，标定板1的内侧面与标定环3的上端面垂直。

(2)如图1所示，将所述标定装置4放置于火车车轮轮毂内孔直径激光测量系统的测量装置工作台5上，并使标定环3中大环的下端面紧贴测量装置工作台5台面，标定环3的下凸圆台与测量装置工作台5的止口对中。

(3)升降机构8工作，升起激光器6，打开激光器6，通过旋转机构7的微调，转动激光器6使激光线垂直于位于左侧的标定板1的内侧表面；在旋转机构7的微调过程中，激光器6的测距值不断变化并被显示出来，当激光器6的测距值显示为最小值时，即认为激光线垂直于位于左侧的标定板1的内侧表面，记录此时激光器6的测距值l1。

(4)如图4所示，以激光器6的旋转中心o为原点，以垂直于标定板1内侧表面的方向为x轴，建立平面直角坐标系。

(5)旋转机构7工作，使激光器6旋转180°，测出激光发出点到位于右侧的标定板1的内侧表面的距离l3，有方程：

2a·cosα+l1+l3＝l(1)

式中：a为激光发出点到激光器6旋转中心o的距离；

α为激光线与激光发出点到激光器6旋转中心o连线的夹角；

l为两块结构相同的标定板1之间的距离，为200mm；

由式(1)得到激光器6位置的标定值：

(6)取走标定装置4，升降机构8工作，降下激光器6到测量装置工作台5台面以下，将被测火车车轮10吊上测量装置工作台5上，由测量装置工作台5上四个90°均布的限位块使被测火车车轮10放在所述测量装置工作台5的正中；升降机构8工作使激光器6上升到被测火车车轮10内孔高度的设定位置处，每旋转90°测一次激光发出点到所述被测火车车轮10内孔壁的距离，分别为l01、l02、l03、l04。

(7)如图3所示，以激光器的旋转中心o为原点，平行于激光线为x轴，建立平面直角坐标系，被测火车车轮10的轮毂内孔半径r与l01、l02、l03、l04之间有以下关系式：

(-l01-acosα-x0)²+(asinα-y0)²＝r²(3)

(asinα-x0)²+(l02+acosα-y0)²＝r²(4)

(l03+acosα-x0)²+(-asinα-y0)²＝r²(5)

(-asinα-x0)²+(-l04-acosα-y0)²＝r²(6)

式中：x0、y0为火车车轮中心o′的坐标值；

为简化计算表达，令：

c1＝-l01-acosα；

c2＝l02+acosα；

c3＝l03+acosα；

c4＝-l04-acosα；

t＝asinα；

用上述参数简化公式(3)、(4)、(5)、(6)分别得到：

(c1-x0)²+(t-y0)²＝r²(7)

(t-x0)²+(c2-y0)²＝r²(8)

(c3-x0)+(-t-y0)²＝r²(9)

(-t-x0)²+(c4-y0)²＝r²(10)

式(7)至式(10)中共有四个未知数x0、y0、t、r，可联立求解，式(7)减去式(8)得：

c1²-c2²-2x0(c1-t)-2y0(t-c2)＝0(11)

式(7)减去式(9)得：

c1²-c3²-2x0(c1-c3)-4ty0＝0(12)

式(8)减去式(10)得：

c2²-c4²-2y0(c2-c4)-4tx0＝0(13)

式(9)减去式(10)得：

c3²-c4²-2x0(c3+t)+2y0(t+c4)＝0(14)

将公式(11)与公式(14)相加得：

c1²+c3²-c2²-c4²-2x0(c1+c3)+2y0(c2+c4)＝0(15)

由公式(15)得：

为简化计算表达，令：

k1＝c1²+c3²-c2²-c4²；

k2＝2(c1+c3)；

k3＝2(c2+c4)；

则(16)式可表达为：

将公式(12)、(13)、(17)联立可得：

为简化计算表达，令：

则公式(18)变为：

解公式(19)可得：

由上式可知y0存在两个值，分别令其为y01、y02，将y01、y02分别代入公式(17)中分别可求出对应x01、x02，再将(x01、y01)和(x02、y02)分别代入到公式(12)中，可得t的值分别为：

将t1、t2进行比较，将两者中绝对值小的t值(因为t＝asinα，α很小)和其对应的x0、y0的值代入到公式(7)中可得被测火车车轮的直径d为：

完成火车车轮轮毂内孔直径激光测量传感器位置的标定，并求解出被测火车车轮内孔直径d。

本发明在中国专利cn105758321a“火车车轮轮毂内孔直径激光测量系统及其测量方法”的基础上，通过本发明设计的标定装置，建立激光发出点到激光器旋转中心的距离a、激光线与激光发出点到所述旋转中心连线的夹角α与两平行标定板之间的距离l之间的关系，求出激光测量系统中激光器的位置参数acosα，进而与被测火车车轮位置关系建立方程组，求解出被测火车车轮内孔直径d，本标定方法简便易行，不要求激光器发出的激光线与激光发出点到激光器旋转中心的连线严格重合，保证了测量精度。

附图说明：

图1为本发明中的标定装置应用示意图；

图2为本发明中标定装置的三维结构图；

图3为本发明内孔直径测量原理图；

图4为本发明中标定原理图；

图5为中国专利cn105758321a中内孔直径测量原理图。

图中：1：标定板；2：螺栓组；3：标定环；4：标定装置；5：测量装置工作台；6：激光器；7：旋转机构；8：升降机构；9：激光线；10：被测火车车轮。

具体实施方式：

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步详述：

参见附图1～4所示，本发明所提供的标定方法具体步骤如下：

(1)如图2所示，制作标定装置4，即将两块结构相同的标定板1通过螺栓组2平行地固定于标定环3上表面，并用200mm长的长方形钢制量块测量两块标定板1两端的内侧距离，使之均等于l＝200mm；标定环3中的大环的上下端面互相平行，标定板1的内侧面与标定环3的上端面垂直。

(2)如图1所示，将所述标定装置4放置于火车车轮轮毂内孔直径激光测量系统的测量装置工作台5上，并使标定环3中大环的下端面紧贴测量装置工作台5台面，标定环3的下凸圆台与测量装置工作台5的止口对中。

(3)升降机构8工作，升起激光器6，打开激光器6，通过旋转机构7的微调，转动激光器6使激光线垂直于位于左侧的标定板1的内侧表面；在旋转机构7的微调过程中，激光器6的测距值不断变化并被显示出来，当激光器6的测距值显示为最小值时，即认为激光线垂直于位于左侧的标定板1的内侧表面，记录此时激光器6的测距值l1＝31.2274mm。

(4)如图4所示，以激光器6的旋转中心o为原点，以垂直于标定板1内侧表面的方向为x轴，建立平面直角坐标系。

(5)旋转机构7工作，使激光器6旋转180°，测出激光发出点到位于右侧的标定板1的内侧表面的距离l3，l3＝28.4674mm，由下式计算得激光器位置参数acosα＝70.1526。

(6)取走标定装置4，升降机构8工作，降下激光器6到测量装置工作台5的台面以下，将被测火车车轮10吊上测量装置工作台5上，由测量装置工作台5上四个90°均布的限位块(已根据被测火车车轮最大轮缘直径尺寸预先调好位置)使被测火车车轮10放在所述测量装置工作台5的正中；升降机构8工作使激光器6上升到被测火车车轮10内孔高度的设定位置处，每旋转90°测一次激光发出点到所述被测火车车轮10内孔壁的距离，分别为l01＝29.9826mm、l02＝28.5456mm、l03＝29.6850mm、l04＝31.1385mm。

(7)依次按照以下公式计算：

c1＝-l01-acosα＝-100.1352；

c2＝l02+acosα＝98.6982；

c3＝l03+acosα＝99.8376；

c4＝-l04-acosα＝-101.2911；

由c1、c2、c3、c3可求得k1、k2、k3为：

k1＝c1²+c3²-c2²-c4²＝-6.6170；

k2＝2(c1+c3)＝-0.5952；

k3＝2(c2+c4)＝-5.1858；

由k1、k2、k3和c1、c2、c3、c3可得：

将b1、b2、b3代入下式：

解得：y01＝-1.2578，y02＝-1.2947；

将y01、y02分别代入下式：

得：x01＝0.1584、x02＝-0.1631；

将(x01，y01)、(x02，y02)分别代入下式：

c1²-c3²-2x0(c1-c3)-4ty0＝0

解得：t1＝-24.4102、t2＝1.0891，由于|t1|＞|t2|，取t＝t2＝1.0891，y0＝y02＝-1.2947，x0＝x02＝-0.1631，则被测火车车轮中心坐标为(-0.1631，-1.2947)，由此可求得被测火车车轮轮毂内孔直径d为：

用传统方法测量该火车车轮轮毂内孔直径为φ200.000mm，测量误差为1.4μm＜5μm，达到了现场测量精度要求。