一种动车车轮外径和内径的测量检测装置及检测方法与流程

本发明涉及一种动车车轮外径和内径的测量检测装置及检测方法，是一种在线检测系统，属于机器视觉领域

背景技术：

随着我国铁路事业的发展，动车行驶速度不断提高，虽然给人们出行带来便利，但同时也给铁路的安全运行带来了巨大的挑战。车轮作为动车行进过程中的关键部件，其与轨道直接接触，直接决定着车辆运行的安全和品质的好坏。车轮用于车辆在轨道上的运行和转向，车轮外径关键尺寸直接关系到动车安全。铁路提速的迅猛发展及车辆的高密度运行，加快了车轮的磨损速度。因此对车轮制造质量提出了更高的要求。

目前，国内外对动车车轮的检测，多采用滚轮法测量、外径千分尺测量、气动法、激光测量等方式，但由于车轮形状及对测量部位的限制，车轮外径的测量都是通过专用车轮外径尺进行离线测量，既不能保证测量精度，更不能满足连续生产的要求，工人的劳动强度也很高。而滚轮法存在打滑问题，气动法、激光法等虽然可以达到很高的准确度，但这些方法实施困难，维护工作量大，成本高，难以在生产实践中推广应用。

如10021841(2011)01009503(新型多方向内径尺寸测量方法)，大尺寸内径测量中，由于圆心定位精度与内径拟合精度之间关系密切，多通过提高圆心定位精度来保证测量的合理性，提高内径测量精度；因此，对机构的圆心定位精度要求特别高。并且中轴常常需要进行旋转测量，产生的振动对整个测量过程产生不可忽视的作用，对测量精度产生不利的影响。

目前，多利用激光图像测量装置中的摄像机拍摄行进中车轮的外径图像，从而直接获取反映车辆车轮外径的轮廓曲线并进行有关车轮外径尺寸参数和外径曲线的测量。如中国专利cn1899904a(动车轮对尺寸在线检测方法及装置)利用四个基于psd的激光位移传感器，获得车轮端面到激光探测器的距离，再计算轮缘厚、轮缘高、轮径值。因为对安装角度的要求较为严格，且传感器价格昂贵，所以不利于推广。

技术实现要素：

根据上述问题，本发明的目的在于提供动车车轮外径和内径在线检测系统，采用以车轮车辋内侧面及制动盘侧面作为粗基准，车轮及制动盘内孔孔面作为精基准的2次定位方式；在完成精定位后，分别依靠定位臂、车轮的自重，保证测量的范围以及车轮旋转测量过程中不发生车轮位置偏移；通过水平检测平台运动，利用在同一直线上的两只激光位移传感器扫描获取直径最大点，不需要对传感器进行旋转。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，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；以车轮或制动盘的加工基准作为测量基准，完成对动车车轮外径的测量，以及对动车内径的测量，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“动车车轮外径和内径在线检测系统”机械部分由基座、定位支架、车轮(或制动盘)垂直检测平台、车轮(或制动盘)水平检测平台、车轮(或制动盘)精基准支撑装置、车轮(或制动盘)粗基准支撑装置、车轮(或制动盘)输送平台、车轮(或制动盘)旋转驱动装置组成。其特征在于：基座上安装定位支架、车轮(或制动盘)输送平台，车轮(或制动盘)输送平台上安装车轮(或制动盘)粗基准支撑装置、车轮(或制动盘)精基准支撑装置、车轮(或制动盘)旋转驱动装置安装于车轮(或制动盘)输送平台之下、定位支架上安装车轮(或制动盘)水平检测平台、车轮(或制动盘)垂直检测平台。

工作原理：①、激光位移传感器a、b(如图1所示)，沿着盘类零件径向水平位移一个△l，及从直径的一侧向另外一侧进行移动(如下图的移动方向)，将a、b两只激光位移传感器在△l中每一单位长度的扫描测量值记录在采集卡中，并对同一时刻a、b两只激光位移传感器所测量的值进行相加比较，选取最小值，然后跟标准件测量值进行比较计算。然后将盘类零件旋转60度再次重复上述步骤，经过多次测量后，获取最小值的平均值作为最终的直径测量值。

②、激光位移传感器c、d(如图2所示)，沿着盘类零件径向水平位移一个△x，及从直径的一侧向另外一侧进行移动(如下图的移动方向)，将c、d两只激光位移传感器在△x中每一单位长度的扫描测量值记录在采集卡中，并对同一时刻c、d两只激光位移传感器所测量的值进行相加比较，选取最大值，然后跟标准件测量值进行比较计算。然后将盘类零件旋转60度再次重复上述步骤，经过多次测量后，获取最大值的平均值作为最终的直径测量值。

车轮(或制动盘)垂直检测平台由：z轴支撑架、u形板2，垂直直线导轨滑台、“背靠背”激光位移传感器、标定板组成。u形板安装在z轴支撑架上，垂直直线导轨滑台安装在u形板上，“背靠背”激光位移传感器与垂直直线导轨滑台联结，实现内径检测；标定板固定在z轴支撑架上，负责对测量直径的标定，确定测量系统的静态特性指标，消除系统误差。

车轮(或制动盘)水平检测平台由：激光位移传感器、z轴支撑架、月牙形板、传感器定位板、单轴导块、线性导轨、水平检测平台伺服电机、丝杠副组成。月牙形板对称安装在z轴支撑架两侧，传感器定位板安装在月牙形板末端，激光位移传感器通过单轴导块安装在传感器定位板上；水平检测平台伺服电机安装在z轴支撑架后方，通过丝杠副驱动z轴上的线性导轨，使激光位移传感器水平移动，负责动车车轮外径检测。

车轮精基准支撑装置由：定位臂、定位支架、定心轴、直线轴承和气缸组成；定位臂依靠轴连接在定位支架上，构成定位臂组件；气缸安装在定心轴下20～40mm处且固定在气缸垫上，负责给予定心轴一定力；在直线轴承上安装定心轴，控制定位臂组件的上升或下降，负责被测车轮精基准的定位；完成车轮精基准定位后，定位臂依靠自重，自行落下，保证定位臂不会对测量区域干涉。

车轮(或制动盘)粗基准支撑装置由：①组仿形块、②组仿形块和回转部件组成；①组仿形块和②组仿形块旋转阵列分布在回转部件上，①组仿形块负责动车车轮的粗基准定位，而②组仿形块负责动车车轮制动盘的粗基准定位。

车轮(或制动盘)输送平台由：移动支架、输送平台伺服电机、丝杠副、滑轨、滑块组成。滑轨安装在基座ⅰ上，负责平台运动导向和支撑；滑块安装在滑轨上；滑块与移动支架结合，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；输送平台伺服电机安装在丝杠端部。

车轮(或制动盘)旋转驱动装置由：旋转驱动装置减速电机、回转底板、轴套、轴承套、直线轴承和链轮旋转机构组成；旋转驱动装置减速电机安装电机支撑座上，电机支撑座依靠连接装置安装在轴套上；直线轴承和链轮旋转机构相连，通过电机旋转，带动链轮旋转机构，经直线轴承带动回转底板，使被测动车车轮(或制动盘)进行旋转运动，负责实现车轮多点检测。

车轮水平检测平台和垂直检测平台上分别安装一条绝对式光栅尺。

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，再由伺服驱动器控制车轮水平检测平台和垂直检测平台，两者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控制系统控制车轮(或制动盘)水平输送平台的气缸、车轮(或制动盘)旋转驱动装置的伺服电机、气缸及车轮(或制动盘)水平检测平台的伺服电机、旋转驱动装置减速电机。测量数据采集系统通过数据采集卡采集4只激光位移传感器的数据，即左/右月牙板末端传感器、“背靠背”的激光位移传感器组。

具体的检测过程如下：

(1)车轮或制动盘通过天车吊放到设备的粗定位支承装置上；

(2)车轮输送平台上的电动机驱动滚珠丝杠带动平台上的车轮移动到指定位置；

(3)指定位置下方的气缸，推动定心轴向上运动，在定心轴的作用下定位臂张开，实现对车轮的精确定位；

(4)定位臂依靠自重落下，不干涉测量范围；

(5)车轮(或制动盘)正上方的垂直直线导轨滑台产生向下的运动，带动激光位移传感器c、d下降到a测量位置；

(6)水平检测平台伺服电机驱动检测平台，实现z轴支撑架的水平移动，并带动安装在该支撑架上的激光位移传感器a、b和c、d一起运动，以20mm为一移动单位；

(7)运用上述工作原理(如图1、图2所示)，获得所需的测量值，如测量数值偏差过大，则进行警报；

(8)完成一次检测之后，激光位移传感器回到初始位置；

(9)车轮旋转装置驱动车轮旋转一定角度，车轮(或制动盘)正上方的垂直直线导轨滑台产生向下的运动，带动激光位移传感器c、d再次下降到a测量位置；重复上述检测过程，实现多点测量；

(10)完成a位置的检测后，”背靠背”激光位移传感器继续下降，到达b测量位置，根据a位置的测量过程，完成b位置的检测。之后，再进行c位置的检测；

(11)再完成三个位置的检测之后，车轮输送平台电机驱动滚珠丝杠使其滑块上的车轮(或制动盘)回到初始位置。

本实验新型的积极效果是其只需要采用通过检测平台运动，扫描获取直径最大点，不需要对传感器进行旋转，一方面降低了机构本身对本测量精度的影响，另一方面减少了因运动产生的不确定项，仅通过平移运动，使检测过程减少误差，能保证非常高的精度要求；采用合理的定位装置与定位臂装置，保证车轮(或制动盘)测量过程中不发生位置偏移，并依靠定位臂的自重来实现测量范围要求；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，提高系统的测量精度；测量系统中采用4只点激光位移传感器，采用符合实际工况的定位基准，完成对不同类型的动车车轮外径和内径的测量，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为本发明激光位移传感器a、b扫描示意图。

图2为本发明激光位移传感器c、d扫描示意图。

图3为本发明车轮内径检测时专用的标定块。

图4为本发明车轮内径扫描截面位置图。

图5为本发明车轮内、外径测量时每个截面的三个旋转检测位置。

图6为本发明的车轮检测机械系统等轴测图。

图7为本发明的车轮(或制动盘)垂直检测平台ⅲ等轴测图。

图8为本发明的车轮(或制动盘)水平检测平台ⅳ等轴测图。

图9为本发明的车轮(或制动盘)粗基准支撑装置ⅴ等轴测图。

图10为本发明的车轮(或制动盘)精基准支撑装置ⅵ等轴测图。

图11为本发明的车轮(或制动盘)输送平台ⅶ等轴测图。

图12为本发明的车轮(或制动盘)旋转驱动装置ⅷ等轴测图。

图13为本发明的车轮(或制动盘)外径检测原理图。

图14为本发明的内径检测原理图。

具体实施方式

参阅图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14所示，对本发明做进一步的详细描述：动车车轮外径和内径在线检测系统，机械系统如图6所示，由基座ⅰ、定位支架ⅱ、车轮(或制动盘)垂直检测平台ⅲ、车轮(或制动盘)水平检测平台ⅳ、车轮(或制动盘)精基准支撑装置ⅴ、车轮(或制动盘)粗基准支撑装置ⅵ、车轮(或制动盘)输送平台ⅶ、车轮(或制动盘)旋转驱动装置ⅷ组成。其特征在于：基座ⅰ上安装定位支架ⅱ、车轮(或制动盘)输送平台ⅶ，车轮(或制动盘)输送平台ⅶ上安装车轮(或制动盘)粗基准支撑装置ⅵ、车轮(或制动盘)精基准支撑装置ⅴ、车轮(或制动盘)旋转驱动装置ⅷ安装于车轮(或制动盘)输送平台ⅶ之下、定位支架ⅱ上安装车轮(或制动盘)水平检测平台ⅳ、车轮(或制动盘)垂直检测平台ⅲ。

如图7所示的车轮(或制动盘)垂直检测平台ⅲ由：z轴支撑架26、u形板28，垂直直线导轨滑台29、“背靠背”激光位移传感器30、标定板31组成。u形板28安装在z轴支撑架26上，垂直直线导轨滑台29安装在u形板28上，“背靠背”激光位移传感器30与垂直直线导轨滑台29联结，实现内径检测；标定板31固定在z轴支撑架上，负责对测量直径的标定，确定测量系统的静态特性指标，消除系统误差。

如图8所示的车轮(或制动盘)水平检测平台ⅳ由：激光位移传感器22、z轴支撑架26、月牙形板20、传感器定位板24、单轴导块23、线性导轨21、水平检测平台伺服电机27、丝杠副25组成。月牙形板20对称安装在z轴支撑架26两侧，传感器定位板24安装在月牙形板20末端，激光位移传感器22通过单轴导块23安装在传感器定位板24上；水平检测平台伺服电机27安装在z轴支撑架26后方，通过丝杠副25驱动z轴上的线性导轨21，使激光位移传感器22水平移动，负责动车车轮外径检测。

如图9所示的车轮(或制动盘)粗基准支撑装置ⅵ由①组仿形块6、②组仿形块7和回转部件8组成；①组仿形块6和②组仿形块7旋转阵列分布在回转部件8上，①组仿形块6负责动车车轮的粗基准定位，而②组仿形块7负责动车车轮制动盘的粗基准定位。

如图10所示的车轮(或制动盘)精基准支撑装置ⅴ由定位臂9、定位支架10、定心轴12、直线轴承11和气缸13组成；定位臂9依靠轴连接在定位支架10上，构成定位臂组件；气缸13安装在定心轴12下方20～40mm处固定在气缸垫上，负责给予定心轴一定力；在直线轴承11上安装定心轴12，控制定位臂组件的上升或下降，负责被测车轮(或制动盘)精基准的定位；完成车轮(或制动盘)精基准定位后，定位臂9依靠自重，自行落下，保证定位臂9不会对测量区域干涉。

如图11所示的车轮(或制动盘)输送平台ⅶ由移动支架3、输送平台伺服电机1、丝杠副2、滑轨5、滑块4组成。滑轨5安装在基座ⅰ上，负责平台运动导向和支撑；滑块4安装在滑轨5上；滑块4与移动支架3结合，丝杠副2安装在支架上并连接移动支架3，负责平台的运动传动；输送平台伺服电机1安装在丝杠端部。

如图12所示的车轮(或制动盘)旋转驱动装置ⅷ由旋转驱动装置减速电机19、回转底板16、轴套17、轴承套14、直线轴承15和链轮旋转机构18组成；旋转驱动装置减速电机19安装电机支撑座上，电机支撑座依靠连接装置安装在轴套17上；直线轴承15和链轮旋转机构18相连，通过旋转驱动装置电机19旋转，带动链轮旋转机构18，经直线轴承15带动回转底板16，使被测动车车轮进行旋转运动，负责实现车轮多点检测。

车轮水平检测平台和垂直检测平台上分别安装一条绝对式光栅尺。

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，再由伺服驱动器控制水平和垂直检测平台，两者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控制系统控制车轮水平输送平台的气缸、车轮或制动盘旋转驱动装置的伺服电机、气缸及水平和垂直检测平台的伺服电机。测量数据采集系统通过数据采集卡采集4只激光位移传感器的数据，即左/右月牙板末端传感器、“背靠背”的激光位移传感器组。

具体的检测过程如下：

(1)标定过程：

本设计中外径的检测，采用与校准车轮进行比对的方法来对车轮滚动圆外径进行检测。先选取一个外径为880mm的校准车轮，将其输送到指定位置，两个激光位移传感器a、b采用上述图1的检测原理，沿着校准车轮以20mm为一单元进行径向移动，从直径的一侧向另一侧扫描，记录扫描获得的最小值。例如：a激光位移传感器扫描记录的数值为4.998mm；b激光位移传感器扫描记录的数值为6.001mm；以此两值作为880mm校准车轮滚动圆外径的校准值。

内径的检测，则设计一个长、宽都为190mm，高为100mm的标定块(如下图3)。两个“背靠背”的激光位移传感器c、d在标定块内垂直移动，记录两个传感器的扫描获得的数值，c激光位移传感器记录的数值为5.001mm；d激光位移传感器记录的数值为5.998mm。以此两值作为190mm校准车轮内径校准值。

(2)车轮或制动盘通过天车吊放到设备的粗定位支承装置上，车轮输送平台上的电动机驱动滚珠丝杠带动平台上的车轮移动到指定位置，指定位置下方的气缸，推动定心轴向上运动，在定心轴的作用下定位臂张开，实现对车轮的精确定位。然后，定位臂依靠自重落下，不干涉测量范围。车轮(或制动盘)正上方的垂直直线导轨滑台产生向下的运动，带动激光位移传感器c、d下降到①测量位置；然后，水平检测平台伺服电机驱动检测平台，实现z轴支撑架的水平移动，并带动安装在该支撑架上的激光位移传感器a、b和c、d一起运动，以20mm为一移动单位，运用上述工作原理(如图1、图2所示)，获得所需的测量值，如测量数值偏差过大，则进行警报。完成一次检测之后，激光位移传感器回到初始位置，车轮旋转装置驱动车轮旋转一定角度，车轮(或制动盘)正上方的垂直直线导轨滑台产生向下的运动，带动激光位移传感器c、d再次下降到a测量位置；重复上述检测过程，实现多点测量。完成a位置的检测后，“背靠背”激光位移传感器继续下降，到达b测量位置，根据a位置的测量过程，完成b位置的检测。之后，再进行c位置的检测。再完成三个位置的检测之后，车轮输送平台电机驱动滚珠丝杠使其滑块上的车轮(或制动盘)回到初始位置。

(3)尺寸测量：

1)车轮外径

月牙板末端安装的激光位移传感器按图13所示的位置采集车轮外径数据，并将测量数据与校准数据进行差值来计算车轮的直径。分别测出左右车轮外径。

公式如下：

d＝d0-(sensordetectmin-sensordetect0)×2

式中：d：被测车轮外径，d0：校准车轮外径，sensordetect0：激光位移传感器在图所示位置测量校准轮对测量值，sensordetectmin：激光位移传感器在扫描记录△l中每一单位时，取得的最小值。

先驱动车轮旋转驱动装置，使其旋转一定角度；再驱动车轮水平检测检测平台，使传感器a、b，沿着动车车轮径向水平位移一个△l，激光位移传感器扫描记录△l中每一单元测得的值，并将测量值进行比较，选取最小值；然后跟标准件测量值进行比较计算。

以上述测量车轮直径实际测量数据阐述测量直径的方法。

2)内径

“背靠背”位移传感器组按图14所示的位置采集车轮内径数据，并将测量数据与校准数据进行差值来计算车轮内径。分别测出此处车轮内径。公式如下：

d＝d0-(sensordetectmax-sensordetect0)×2

式中：d：被测车轮外径，d0：校准车轮外径，sensordetect0：激光位移传感器在图示位置测量校准轮对测量值sensordetectmax：激光位移传感器在扫描记录△x中每一单位时，取得的最大值。

先驱动车轮旋转驱动装置，使其旋转一定角度；驱动垂直检测平台，

使其下降到要检测的位置，再驱动车轮水平检测检测平台，使传感器c、d，沿着动车车轮轴向垂直位移一个△x，光栅尺扫描记录△x中每一单元测得的值，

并将测量值进行比较，选取最大值；然后跟标准件测量值进行比较计算。

重复上述操作，实现车轮内孔内各处直径的测量。

以上述测量内径实际测量数据阐述测量直径的方法。