动车车轴关键尺寸高精度测量平台设计

王海 姚迪 高思军

摘要 随着我国高铁技术飞速发展，高铁关键组件的精度要求愈加严格，传统的人工测量已经不能满足高精度的要求，因此设计一套自动化高精度的车轴测量平台。采用激光传感器测车轴各个位置的直径，光栅尺测量车轴长度。高精度车轴测量平台的硬件部分包括车轴进给装置、液压升降装置、车轴定位装置，激光传感器和光栅位移传感器。软件部分根据测量流程编写了软件控制系统，并且将测量的结果输入到数据库中进行信息化管理。测量平台的软硬件设计完成之后，对软硬件进行联调，针对实际加工的车轴成品进行实际测量试验，得到测量参数，获得的测量参数满足给定的精度要求，说明了高精度测量平台的实用性。同时自动化的测量方案也提高了测量的效率。

【关键词】动车车轴 非接触式测量 测量平台激光扫面测量

1 引言

随着高铁技术的不断发展，复兴号动车组的发车成功，并且于2017年9月起，复兴号将提速至350公里的时速，我国的动车组列车已经达到世界领先水平。在列车高速运行的过程中，列车车轴会飞速旋转，如果制造精度不够，可能会导致动车车体的震动和车轴本身的磨损，在严重的时候甚至会引发特大事故，所以在车轴的质量检测工作尤为重要。

目前高铁零件的精度测量都是由检测人员手持检测工具进行接触式的测量，并将测量结果记录到纸质文档中，其测量过程中的测量仪器也可能会导致被测量工件不同程度的损伤，并且人工测量会由于测量人员的技能水平、疲劳状态和注意力集中程度的不同而导致不同的测量误差。

本论文提出一套自动化车轴测量系统，采用全自动的夹持测量流程、高精度的传感器、信息化的测量结果记录，实现高效、高精度的车轴测量。本论文主要采用光学测量方法，利用双向激光扫描的原理测量直径，利用光栅尺测量轴长。得到车轴的直径、圆柱度、径向圆跳动、轴长等关键参数。

2 动车车轴关键尺寸

检测内容主要为车轴工作配合面尺寸及其形位公差，如图l所示A、B、C、D等为车轴检测的关键位置，要求公差等级均为IT6和IT7。

列车车轴检测平台主要测量车轴全长，关键位置处的直径、圆柱度和跳动。车轴的精度要求如表1所示。

3 激光扫描和光栅测量原理

3.1 激光扫描测量直径

本文主要采用如图2所示KEYENCE的激光测微仪测量车轴直径，由于该激光测微仪的量程范围为0.5mm-65mm而一般情况下待测量的车轴的直径为230mm，所以用一个传感器无法达到测量量程，采用如图3所示的测量方案，用两个传感器上下摆放且间隔固定距离h。上端传感器和下端传感器分别测量车轴的上半部分和下半部分，其中待测车轴的轴心线必须垂直于激光面，得到间隔dl和间隔d2。间隔dl和d2为传感器被遮挡的部分。根据h，dl，d2，三个变量可以计算得到车轴的直径为：

D=h+d1+d2

（1）

公式（1）中的参数dl，d2为测量值，h为两传感器固定距离，h参数可以通过测标准件方法获得，测量过程如下：取一己知直径为D的车轴，放在如图3所示的位置，得到测量值为dl与d2，则所求的h可以表示为：

3.2 圆柱度的测量

圆柱度的是指对于一个待测圆柱面，它的公差带是以公差值t为半径差的两个同轴圆柱面之间的区域。圆柱度的示意如图4所示。

在待测圆柱带内，如图l所示的Al圆柱带，从Al圆柱带的左侧开始选取一段横截面采用3.1节的方法测得其直径，然后将车轴沿轴线转动一定角度后在测其直径，如此转动3600得到一组直径测量值，再将传感器沿着滑轨方向移动一段距离再得到一组直径测量值，如此下去传感器一直从Al圆柱带的左侧一直滑动到Al圆柱带的右侧，得到多组直径测量值，取其中最大的直径Dmax，和Dmin，由于圆柱度误差是采用半径差计算，所以要求的圆柱度误差为：

3.3 径向圆跳动测量

径向圆跳动类似于圆柱度的测量，主要是测量同一截面内的圆度，在一个界面内待测工件若满足公差要求，则该工件的截面应该在公差带要求范围内的圆环内部。如图5为径向圆跳动的示意图。

测量的方法是将光幕激光传感器通过滑轨滑动到待测界面，测量该界面的直径，然后在转动车轴一定角度得到另一组直径，重复上述测量后得到多组直径的测量值，则径向圆跳动的计算公式为：

3.4 车轴长度测量

车轴的长度测量采用的传感器为光栅尺，光栅尺的滑动头通过固定装置与激光传感器连接，同时光栅尺的滑动头能够以一定的速度相对于固定端进行滑动。

光栅尺的测量主要是根据光的干涉和衍射原理，当光通过两个有一定角度的缝隙的时候会产生莫尔条纹的移动，用光敏传感器记录光栅的移动方向和移动宽度并用计数器记录再乘以步长就能得到位移的大小。

以测量车轴全长为例，若光栅尺的量程允许则用单个光栅尺配合光幕激光传感器测量，如果量程太小则可以采用两个光栅尺测量。两个光栅尺中间段间隔固定长度，该固定长度可用标准件测量得到，采用的方法和公式（2）的方法一样。两个光栅尺则分别测量车轴的左右两端长度即可，中间段由于长度己知则不用测量，最终的测量值为三段长度相加即可。由于两个光栅尺的测量和一个光栅尺的测量方法基本相同，所以展示一个光栅尺用于测量车轴全长的流程：

（1）将待测车轴放到測量台并固定，并将光栅读数头置到原点。

（2）缓慢移动光栅读数头，并查询光幕激光传感器，一旦到达车轴边缘，读数会由0跳变到车轴直径。此时记录光栅头读数为LO。

（3）继续缓慢移动光栅读数头，查询光幕激光传感器，到达车轴另一个边缘时，激光读数会跳变到O，此时记录下光栅头读数为Ll，车轴的长度就是Ll-LO。

4 车轴测量软硬件平台

要搭建自动化车轴测量平台需要软件系统和硬件系统相结合。硬件系统包括被测工件进给装置、被测工件液压升降系统和被测工件装夹定位系统。工件检测运动流程如下所示：

（1）首先将工件放到待测区，当上一个工件检测完毕后使用工件进给装置将工件移动到安装位置;

（2）用液压缸推动工件上升到檢测位;

（3）液压顶尖系统对车轴定位并夹紧;

（4）对工件进行检测;

（5）松开夹具取消定位并松开，液压缸带动工件下降。

硬件系统搭建完毕之后需要设计检测系统的软件方案，测量系统首先检测定位是否准确，如果定位不准确，则通过微调移动液压缸直到工件定位到预定位置才开始测量。开始测量之后分别进行直径测量、圆柱度测量、径向圆跳动子程序，最后再测量工件的总长度。

测量子程序通过移动到图1所示需要测量的A，B，C，D点，进行参数的测量，过程中需要对运动控制系统有高精度和高效率的控制能力。如此才能快速精确地运动到给定的测量位置点。主体软件控制流程如图6所示。

5 实验结果

为了验证车轴测量平台的精度是否满足车轴测量的要求和验证自动化测量和信息化记录检测结果的功能，对公司的车轴的直径、圆度、跳动进行了测量，同时也验证了自动化进给和定位功能的实用性。

硬件平台采用了搭建的自动化测量装置系统，光幕激光传感器采用的是基思士LS-7000系列CCD激光测微计，光栅尺采用的是Renishaw公司生产的RG2或者RG4系列直线光栅系统逻辑控制器为工业计算机，搭载windows7操作系统和c++语言编写的测量控制交互软件，进行了实验。

实验对各个测试点处的直径、圆度、和跳动进行了测量，测量结束后软件将测量结果记录到数据库中，通过查询车轴编号可以得到测量车轴的实测参数。由于实测参数是在误差允许的范围内，系统自动将车轴检测完成后放到合格区。测得的轴颈位置处的参数如表2所示。

实验在轴颈处取3个截面测量，每个截面转动到3个角度，分别是0，120，240度。试验中测得直径误差也为0.0001，圆柱度误差为0.005，满足规定的圆柱误差为0 005的要求，所以所测得的车轴为合格品，与程序判断的结果一致。

参考文献

[1]韩迪.列车车轴多参数非接触检测系统研究[D].长春理工大学，2016.

[2]王一，程大林，任永杰，叶声华.透射式激光扫描测径技术[J].光电工程，2011（07）.

[3]肖作江，韩迪，安志勇，朱海滨，柳鸣.基于双CCD的大型轴类零件直径非接触检测方法研究[J].光学技术，2015 （05）.

[4]袁炜.论直线光栅尺及使用方法[J].金属加工（冷加工），2013 （11）.

[5]罗炳军，陈健，樊亚妮，基于运动控制器的开放式运动控制系统研究与应用[J]，工业仪表与自动化装置，2006 （03）：10-11.