一种列车轮对尺寸及跳动公差在线检测系统的制作方法

本发明涉及一种列车轮对尺寸及跳动公差在线检测系统，属于列车轮对在线非接触测量技术领域。

背景技术：

列车轮对是车辆转向架中的重要部件，轮对不仅仅要承受高速重载列车的所有静、动载荷，还直接决定着影响到车辆运行的安全和品质的好坏。在铁路车辆向高速度、大载重、轻结构方向发展的今天，对轮对制造质量提出了更高的要求。

目前，国内轨道客车生产企业在列车轮对制造质量检测方面大都处在手工测量阶段。列车轮对检测过程中的车轮旋转和轮对参数记录也是靠手工完成，人工测量不仅繁琐、劳动强度大，而且测量工具落后，不能消除人为的测量误差。

现有的轮对自动测量装置基本都以轮轴二端的中心孔作为定位基准，从而实现轮对轴向和径向的定位，但采用中心孔作为检测基准来检测轮对径向跳动的结果与轮车轮对的实际工况不符，有不确定的径向定位误差。

现有基于结构光条法的轮对自动测量装置，其测量原理是：在车轮行进的过程中通过CCD摄像头，将车轮某一断面的图像及时采集下来，然后对所获得的图像进行分析，以提取轮缘和踏面的实测曲线，经校正后与已建立的标准车轮曲线比较，从而得出轮缘踏面的磨耗状况等各个参数。该检测装置在工作时CCD摄像头所采集的光带(光截面与车轮的交线)图像在理论上应是一条曲线，而实际上CCD 摄像机所采集的图像是一条较宽的光带，其中不可避免地包含了许多噪声，这就使得测量结果存在较大的检测误差。

技术实现要素：

根据上述问题，本发明的目的在于提供列车轮对尺寸及跳动公差在线检测系统，采用以轴颈外表面作为径向定位基准，更符合列车运行实际工况；采用轴向自锁装装置，保证轮对旋转测量过程中不发生轮对位置偏移；控制系统中采用伺服电机控制与绝对光栅位移反馈系统构成闭环控制系统，保证精确控制激光位移传感器的测量位置，提高系统的重复定位精度；测量系统中采用10只点激光位移传感器，采用符合实际工况的定位基准，完成对不同类型的列车轮对的尺寸及跳动公差的测量，能够保证高检测精度、高重复定位精度和满足企业生产节拍的目的。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：列车轮对尺寸及跳动公差在线检测系统，机械系统由基座、龙门框架、轮对输送装置、轮对定位基准支撑装置、轮对旋转驱动装置、高精度移动检测装置组成。其特征在于：基座上安装龙门框架、轮对输送装置、轮对定位基准支撑装置、轮对旋转驱动装置；龙门框架上安装有高精度移动检测装置；

所述的轮对输送装置由V型支撑座、直线轴承、轴承支撑框架、电推缸、移动框架、线性导轨和气缸组成；线性导轨对称安装于基座上，负责被测轮对的直线运动。在两侧的线性导轨滑块上固定安装轴承支撑框架，轴承支撑框架上安装直线轴承，负责被测轮对垂直运动；在直线轴承上端安装V型支撑座，负责被测轮对上升或下降时轮轴的定位，电推缸安装在轴承支撑框架上并与V型支撑座连接，移动框架上对称安装轴承支撑框架，气缸安装于移动框架之下；

所述的轮对定位基准支撑装置左右对称安装在基座上，包括底座、轴承支架和两对轴承。底座安装在基座上，负责整个装置的支撑；轴承支架安装在底座上，轴承安装在轴承支架上，负责支撑旋转的轮轴；

两个轴承采用呈“V”字布置，并以两个轴承外圆作为轮对在线检测的径向定位基准，保证轮对检测结果更能真实反映出轮对实际的运行状态。

所述的轮对旋转驱动装置包括减速电机、万向联轴器、轴向自锁装置、电机支撑座。万向联轴器安装在减速电机输出轴上，减速电机安装在轴向自锁装置上，轴向自锁装置安装在电机支撑座上，电机支撑座安装在基座上；其中轴向自锁装置由移动块、线性导轨、第一随动压块、第二随动压块、手柄组成，负责减速电机与万向联轴器的轴向调节。所述的线性导轨装在电机支撑座上；移动块安装于线性导轨滑块上；第一随动压块一端安装在移动块，另一端与第二随动压块一端相连；第二随动压块一端安装在电机支撑座的立板上，另一端与手柄连接；手柄在移动块上。

所述的高精度移动检测装置，由5个水平移动平台和3个垂直移动平台组成，5个水平移动平台分别为左轴肩移动平台、右轴肩移动平台、检测横梁、左qR移动平台、右qR移动平台，3个垂直移动平台分别为第一Z向移动平台,第二Z向移动平台,第三Z向移动平台。

所述的移动平台由移动支架、伺服电机、丝杠副、滑轨、滑块组成。滑轨安装在移动支架上，负责平台运动导向和支撑；滑块安装在滑轨上，在滑块上安装传感器；丝杠副安装在支架上并连接移动支架，负责平台的运动传动；伺服电机安装在丝杠端部。

所述的左轴肩移动平台安装在龙门框架的左立柱上，右轴肩移动平台安装在龙门框架的右立柱上，检测横梁安装在龙门框架横梁上，第一Z向移动平台、第二移动平台和第三移动平台安装在检测横梁上，左qR移动平台安装在第一Z向移动平台上，右qR移动平台安装在第三Z向移动平台上。

所述的5个水平移动平台和3个垂直移动平台上分别安装一条绝对式光栅尺。

所述的左轴肩移动平台和右轴肩移动平台分别安装2只激光位移传感器，为左轴肩基准传感器/右轴肩基准传感器和左轴径基准测量传感器/右轴径基准测量传感器，左轴肩基准传感器/右轴肩基准传感器可以实时进行轴向补偿，实现轴向定位精确测量，并可以完成测量的功能；左轴径基准测量传感器/右轴径基准测量传感器可以实时监测轴颈表面相对中心孔的跳动值进行补偿，实现精确测量径向跳动值；

所述的左qR移动平台和右qR移动平台分别安装1只激光位移传感器，为可以完成轮对车轮滚动圆直径、qR、车轮滚动圆径向跳动的测量；

所述的第一Z向移动平台和第三Z向移动平台上分别安装1只激光位移传感器，可以完成轮对内侧距、车轮端跳的测量；

所述的第二Z向移动平台安装2只激光位移传感器，可以完成轮对制动盘端跳的测量。

所述的在线检测系统是采用PMAC伺服电机控制与光栅位移反馈系统构成闭环控制系统，用于精确控制激光位移传感器的测量位置，该控制系统共分为四部分，PMAC伺服电机控制，光栅位移反馈控制，PLC控制以及测量数据采集系统；工控机发出指令给PMAC运动控制卡，PMAC运动控制卡发出信号给伺服驱动器1~8，再由伺服驱动器1~8分别控制安装在左轴肩移动平台、右轴肩移动平台、检测横梁、左qR移动平台、右qR移动平台、第一Z向移动平台,第二Z向移动平台,第三Z向移动平台上的8个伺服电机旋转移动；高精度移动检测装置的8个移动平台的移动距离由光栅尺测得并反馈给PMAC运动控制卡，再由控制卡计算出补偿量实现移动平台的精确位置控制。保证系统的高重复定位精度。PLC控制系统控制轮对输送装置的左右2个伺服电推缸、气缸以及轮对旋转驱动装置的减速电机。测量数据采集系统通过数据采集卡采集10只激光位移传感器的数据，即左/右轴肩基准传感器、左/右轴径基准传感器、左/右qR传感器、第一Z向移动平台和第三Z向移动平台上的传感器、第二Z向移动平台的传感器。

具体的检测过程如下：

①轮对输送装置的气缸将被测轮对水平输送到检测位置；

②轮对输送装置两端的伺服电推缸将被测轮对举升使被测轮对脱离铁轨；

③伺服电推缸平稳的将被测轮对放在轮对定位基准支撑装置上；

④减速电机驱动万向联轴器使被测轮对在轮对定位基准支撑装置上匀速旋转，8个移动平台运动到指定位置，完成被测轮对的各参数检测；

⑤当被测轮对检测完成时，伺服电推缸将被测轮对举升使被测轮对脱离轮对定位基准支撑装置；

⑥轮对输送装置的气缸将被测轮对送至初始位置；

⑦伺服电推缸使被测轮对落在铁轨上，完成一个轮对的检测工序。通过同样顺序进行下一个轮对的检测工作。

本发明的积极效果是其采用以轴颈外表面作为径向定位基准，更符合列车运行实际工况；采用轴向自锁装装置，保证轮对旋转测量过程中不发生轮对位置偏移；控制系统中采用伺服电机控制与绝对光栅位移反馈系统构成闭环控制系统，保证精确控制激光位移传感器的测量位置，提高系统的重复定位精度；测量系统中采用10只点激光位移传感器，采用符合实际工况的定位基准，完成对不同类型的列车轮对的尺寸及跳动公差的测量，能够保证高检测精度、高重复定位精度和满足企业生产节拍的目的。

附图说明

图1为本发明的列车轮对机械系统等轴测图。

图2为本发明的轮对输送装置等轴测图。

图3为本发明的轮对定位基准支撑装置等轴测图。

图4为本发明的轮对旋转驱动装置等轴测图。

图5为本发明的高精度移动检测装置组成等轴测图。

图6为本发明的高精度移动平台等轴测图。

图7为本发明的传感器布置等轴测图。

图8为本发明的列车轮对控制系统原理图。

图9为本发明的车轮滚动圆直径工作原理示意图。

图10为本发明轮位差、内侧距工作原理示意图。

图11为本发明盘位值工作原理示意图。

图12为本发明的qR值测量要求示意图。

图13为本发明的qR工作原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述：列车轮对尺寸及跳动公差在线检测系统，机械系统如图1所示，由基座Ⅰ、龙门框架Ⅱ、轮对输送装置Ⅲ、轮对定位基准支撑装置Ⅳ、轮对旋转驱动装置Ⅴ、高精度移动检测装置Ⅵ组成；其特征在于：基座Ⅰ上安装龙门框架Ⅱ、轮对输送装置Ⅲ、轮对定位基准支撑装置Ⅳ、轮对旋转驱动装置Ⅴ；龙门框架Ⅱ上安装有高精度移动检测装置Ⅵ。

如图2所示所述的轮对输送装置Ⅲ，由V型支撑座1、直线轴承2、轴承支撑框架3、电推缸4、移动框架5、线性导轨6和气缸7组成，线性导轨6对称安装于基座Ⅰ上，负责被测轮对的直线运动。在两侧的线性导轨滑块上固定安装轴承支撑框架3，轴承支撑框架3上安装直线轴承2，负责被测轮对垂直运动；在直线轴承2上端安装V型支撑座1，负责被测轮对上升或下降时轮轴的定位，电推缸4安装在轴承支撑框架3上并与V型支撑座1连接，移动框架5上对称安装轴承支撑框架3，气缸7安装于移动框架5之下；

其中 V型支撑座1、直线轴承2、轴承支撑框架3和电推缸4组成升降机构，完成对轮对的升、降动作。升降机构安装在移动框架5上。移动框架5、线性导轨6和气缸7组成输送平台，完成对轮对的前后移动动作。

如图3所示所述的轮对定位基准支撑装置Ⅳ分左右各1套，包括底座8、轴承支架9和两个轴承10组成。底座8安装在基座Ⅰ上，负责整个装置的支撑；轴承支架9安装在底座8上，轴承10安装在轴承支架9上，负责支撑旋转的轮轴；两个轴承10采用呈“V”字布置，并以两个轴承外圆作为轮对在线检测的径向定位基准，保证轮对检测结果更能真实反映出轮对实际的运行状态。由此实现轮轴轴颈的外表面作为径向定位基准，使得在此基准上测得的数据更符合列车运行的实际工况。

如图4所示所述的轮对旋转驱动装置Ⅴ包括减速电机11、万向联轴器12、移动块13、第一块随动压块14、第二块随动压块15、手柄16、线性导轨17、电机支撑座18组成，万向联轴器12安装在减速电机11输出轴上，减速电机11安装在轴向自锁装置上，轴向自锁装置安装在电机支撑座18上，电机支撑座18安装在基座Ⅰ上；其中轴向自锁装置由移动块13、线性导轨、第一随动压块、第二随动压块、手柄组成，负责减速电机11与万向联轴器12的轴向调节。所述的线性导轨17装在电机支撑座18上；移动块13安装于线性导轨滑块上；第一块随动压块14一端安装在移动块13，另一端与第二块随动压块15一端相连；第二块随动压块15一端安装在电机支撑座18的立板上，另一端与手柄16连接；手柄16在移动块13上。实现轮对旋转并且保证测量过程中轮对不发生轴向窜动。

如图5所示，所述的高精度移动检测装置Ⅵ由左轴肩移动平台19、右轴肩移动平台20、检测横梁21、左qR移动平台22、右qR移动平台23及第一Z向移动平台24、第二Z向移动平台25、第三Z向移动平台26组成。左轴肩移动平台19安装在龙门框架Ⅱ的左立柱上，右轴肩移动平台20安装在龙门框架Ⅱ的右立柱上，检测横梁21安装在龙门框架Ⅱ横梁上，第一Z向移动平台24、第二Z向移动平台25和第三Z向移动平台26安装在检测横梁21上，左qR移动平台22安装在第一Z向移动平台24上，右qR移动平台23安装在第三Z向移动平台26上。

所述的5个水平移动平台和3个垂直移动平台上分别安装一条绝对式光栅尺。

所述的左轴肩移动平台19和右轴肩移动平台20分别安装2只激光位移传感器，为左轴肩基准/右轴肩基准和左轴径基准测量传感器/右轴径基准测量传感器，左轴肩基准传感器/右轴肩基准传感器可以实时进行轴向补偿，实现轴向定位精确测量，并可以完成测量的功能；左轴径基准测量传感器/右轴径基准测量传感器可以实时监测轴颈表面相对中心孔的跳动值进行补偿，实现精确测量径向跳动值；

所述的左qR移动平台22和右qR移动平台23分别安装1只激光位移传感器，为可以完成轮对车轮滚动圆直径、qR、车轮滚动圆径向跳动的测量；

所述的第一Z向移动平台24和第二Z向移动平台23上分别安装1只激光位移传感器，可以完成轮对内侧距、车轮端跳的测量；

所述的Z向移动平台2安装2只激光位移传感器，可以完成轮对制动盘端跳的测量。

如图6所示的移动平台由移动支架27、伺服电机28、丝杠副29、滑轨30、滑块31组成；滑轨30安装在移动支架27上，负责平台运动导向和支撑；滑块31安装在滑轨30上，在滑块30上安装传感器；丝杠副29安装在支架上并连接移动支架27，负责平台的运动传动；伺服电机28安装在丝杠端部。

如图7所示在高精度移动检测装置Ⅵ上安装10只传感器，左轴肩移动平台19/右轴肩移动平台20分别安装2只激光位移传感器，为左轴肩基准传感器32/右轴肩基准传感器33和左轴径基准测量传感器34/右轴径基准测量传感器35，左qR移动平台36/右qR移动平台37分别安装1只激光位移传感器，第一 Z向移动平台38和第三Z向移动平台39上分别安装1只激光位移传感器，第二 Z向移动平台40安装2只激光位移传感器。通过移动平台的平移，使传感器到达指定的测量位置，完成相应的测量。

如图8所示PMAC伺服电机控制系统，光栅位移反馈控制系统，PLC控制系统以及测量数据采集系统构成控制系统；其中PMAC运动控制系统由PMAC运动控制卡发出伺服命令，用以控制高精度移动检测装置Ⅵ的8个运动平台的动作，即左轴肩移动平台19、右轴肩移动平台20、检测横梁21、左qR移动平台22、右qR移动平台23及第一Z向移动平台24、第二Z向移动平台25、第三Z向移动平台26的8个伺服电机；光栅位移反馈系统将高精度移动检测装置Ⅵ的8个运动平台的光栅尺，将其测得平台的移动数据返回到PMAC运动控制卡，由控制卡计算出补偿量实现激光位移传感器的精确位置控制。保证测量系统的高重复定位精度。

PLC控制系统控制轮对输送装置的左右2个伺服电推缸4、气缸7以及轮对旋转驱动装置的减速电机11。测量数据采集系统通过数据采集卡采集10只激光位移传感器的数据，即左轴肩基准传感器32/右轴肩基准传感器33、左轴径基准传感器34/右轴径基准传感器35、左qR传感器36/右qR传感器37、第一Z向移动平台38和第三Z向移动平台39上的传感器、第二Z向移动平台40的传感器。

具体的检测过程如下：

（1）尺寸测量：

1）车轮滚动圆直径

激光位移传感器按图9所示的①和②位置采集车轮滚动圆直径数据，并将测量数据与校准数据进行差值来计算车轮的直径。分别测出左右车轮滚动圆直径。公式如下：

D=D0-(SensorDetect-SensorDetect0)*2

式中：D：被测车轮滚动圆直径，D0：校准车轮滚动圆直径，SensorDetect0：激光位移传感器在①或②位置测量校准轮对测量值，SensorDetect：激光位移传感器在①或②位置测量被测轮对测量值。

以①位置测量车轮直径实际测量数据阐述测量直径的方法。

2）轮位差

激光位移传感器按图10所示的③、④、⑤和⑥位置处采集点的数据，与校准数据进行差值来计算轮位差值。公式如下：

Dow=ABS(DowL-DowR)

Dow：被测轮对轮位差，DowL：被测轮对左侧轮位差，DowR：被测轮对右侧轮位差；

DowL=DowL0+(SensorDetect1L-SensorDetect1L0)+(SensorDetect2L-SensorDetect2L0)

式中，DowdL0：校准轮对左侧轮位差，SensorDetect1L：左侧激光位移传感器在位置③测量被测轮对测量值，SensorDetect1L0：左侧激光位移传感器在位置③测量校准轮对测量值，SensorDetect2L：左侧激光位移传感器在位置④测量被测轮对测量值，SensorDetect2L0：左侧激光位移传感器在位置④测量校准轮对测量值；

DowR=DowR0+(SensorDetect1R-SensorDetect1R0)+(SensorDetect2R-SensorDetect2R0)

式中，DowR0：校准轮对右侧轮位差，SensorDetect1R：右侧激光位移传感器在位置⑥测量被测轮对测量值，SensorDetect1R0：右侧激光位移传感器在位置⑥测量校准轮对测量值，SensorDetect2R：右侧激光位移传感器在位置⑤测量被测轮对测量值，SensorDetect2R0：右侧激光位移传感器在位置⑤测量校准轮对测量值。

以轮对左侧位置③、④测量左侧轮位差值阐述测量方法。

3）轮对内侧距离

激光位移传感器按图10所示的④、⑤位置处采集点的数据，与校准数据进行差值来计算轮对内侧距离。

Dbw=Dbw0-((SensorDetect2L0+ SensorDetect2R0)-( SensorDetect2L+SensorDetect2R))

式子中，Dbw：被测轮对内侧距，Dbw0：校准轮对内侧距，SensorDetect2L：左侧激光位移传感器在位置④测量被测轮对测量值，SensorDetect2L0：左侧激光位移传感器在位置④测量校准轮对测量值；SensorDetect2R：右侧激光位移传感器在位置⑤测量被测轮对测量值，SensorDetect2R0：右侧激光位移传感器在位置⑤测量校准轮对测量值。

以轮对位置④、⑤测量轮对内侧距阐述测量方法。

4）盘位值

激光位移传感器按图11所示的③、⑥、⑦、⑧处采集点的数据，与校准数据进行差值来计算轮对盘位值。图10所示有3个轴装制动盘，就有3个盘位值。按图箭头方向进行先后测量。制动盘在A、B和C三个位置，以A位置阐述测量方法。公式如下：

E1=E10+(SensorDetect1L-SensorDetect1L0)+( SensorDetect3R-SensorDetect3R0)

E1：被测轮对A位置盘位值，E10：校准轮对A位置盘位值，SensorDetect1L：左侧激光位移传感器在位置③测量被测轮对测量值，SensorDetect1L0：左侧激光位移传感器在位置③测量校准轮对测量值；SensorDetect3R：右侧激光位移传感器在位置⑧测量被测轮对测量值，SensorDetect3R0：右侧激光位移传感器在位置⑧测量校准轮对测量值。

以轮对位置③、⑧测量轮对盘位值阐述测量方法。

5）qR值

轮对每旋转120°激光位移传感器如图12所示方向进行一次轮缘轮廓扫描，每0.05mm获取一个轮廓点的数据，扫描结束后获得完整的车轮轮缘数据，得到如图13所示的qR测量曲线，从而能够计算qR值。

跳动公差

1）车轮滚动圆径向跳动

激光位移传感器按图9中的①、②位置采集数据。处理步骤如下：

步骤1：激光位移传感器采集车轮踏面直径处转动3圈的数据（4800个点）；

步骤2：对点数据进行滤波处理，清除车轮踏面直径处上的干扰点，如小颗粒点、小凹坑等；

步骤3：车轮滚动圆径向跳动= 点数据的最大值-点数据的最小值。

2）车轮端跳

激光位移传感器按图10中的④、⑤位置采集数据。处理步骤如下：

步骤1：激光位移传感器采集车轮端面转动3圈的数据（4800个点）；

步骤2：对点数据进行滤波处理，清除车轮端面上的干扰点，如小颗粒点、小凹坑等；

步骤3：车轮端跳=点数据的最大值-点数据的最小值。

3）制动盘端跳

激光位移传感器按图11中的⑦、⑧位置采集数据。处理步骤如下：

步骤1：激光位移传感器采集制动盘端面转动3圈的数据；

步骤2：对点数据进行滤波处理，清除车轮端面上的干扰点，如小颗粒点、小凹坑等；

步骤3：制动盘端跳=点数据的最大值-点数据的最小值。