楊 霄，許 捷，尹 明

（馬鋼軌道交通裝備有限公司，安徽馬鞍山 243000）

0 前言

在火車輪對壓裝工藝中，車輪輪轂孔和車軸輪座之間是過盈配合，在壓裝前需要對車輪輪轂孔和車軸輪座直徑進(jìn)行實時測量，再根據(jù)過盈量要求進(jìn)行選配，使壓裝后的壓裝曲線滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。目前，現(xiàn)場采用外徑千分尺進(jìn)行測量，所讀數(shù)值因人而異，手工操作的差別不可避免地會帶來誤差。

采用非接觸方法測量直徑的應(yīng)用研究比較多，其中有用半導(dǎo)體激光器作為光源［1］，以光柵尺作為傳感器來非接觸式測量火箭彈直徑，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量精度不高，為10 μm。采用多臺數(shù)字CMOS激光傳感器并行的測量方法進(jìn)行非接觸式自動直徑測量［2］，當(dāng)被測目標(biāo)物體在測量范圍內(nèi)時，通過發(fā)射器的平行激光源發(fā)射激光照射到目標(biāo)，被測目標(biāo)物體遮擋的光線射入接收器的CMOS傳感器上，接收器記錄激光點的像素位置和個數(shù)，被測目標(biāo)直徑通過透光與不透光長度進(jìn)行換算而得到，這種方法要求發(fā)射器和接收器嚴(yán)格平行，其不平行度未經(jīng)過標(biāo)定，另外CMOS傳感器量程0～35 mm，本身的測量精度5 μm，最終系統(tǒng)測量精度很難做到小于5 μm。利用線狀藍(lán)色激光經(jīng)透鏡形成平行光束[3-4]，垂直照射在圓型工件上，再將工件成像投影在線陣CCD[5]上，系統(tǒng)進(jìn)行邊緣檢測得到圓型工件的直徑，最小誤差小于5 μm。本文設(shè)計將采用高精度激光測距傳感器構(gòu)建測量系統(tǒng)，構(gòu)建方便，測量精度高，使用可靠。

1 火車車軸輪座直徑測量方法

如圖1所示，將C6180型車床橫向溜板上的刀架卸下，換裝上一臺激光測距傳感器及其微調(diào)裝置，被測車軸裝在車床夾盤頂尖和車床尾架頂尖之間，激光線射出點與車軸軸線高度基本一致，移動車床縱向溜板和橫向溜板使激光測距傳感器及其微調(diào)裝置移到軸的被測部分，并使激光測距值在其量程內(nèi)。

圖1 火車車軸外徑激光測量裝置

首先，裝上已知半徑為R01的1#標(biāo)準(zhǔn)量棒，轉(zhuǎn)動激光測距傳感器微調(diào)裝置3的立向蝸桿，使立向蝸輪帶動激光傳感器在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動，此時激光光線在標(biāo)準(zhǔn)量棒圓周面上不斷上下掃描，得到一組距離數(shù)據(jù)，當(dāng)測距為最小值時，轉(zhuǎn)動激光測距傳感器微調(diào)裝置3的水平蝸桿，使水平蝸輪帶動激光傳感器在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，此時激光光線在標(biāo)準(zhǔn)量棒圓周面上不斷左右掃描，得到一組距離數(shù)據(jù)，當(dāng)測距為最小值時，重復(fù)激光線上下掃描和水平掃描，當(dāng)激光測距在兩個方向上均達(dá)到最小值時，認(rèn)為激光光線幾乎通過量棒軸線，并記錄其值為L01。

此后，激光測距傳感器的位置就固定不動了，但是激光測距傳感器發(fā)出的激光線依然存在不通過車軸軸線的情況，如圖2所示，激光測距傳感器發(fā)出的激光線AD與OD之間存在夾角α，此夾角對測量誤差的影響比較敏感，所以必須對此角度進(jìn)行標(biāo)定。

卸下1#標(biāo)準(zhǔn)量棒，裝上已知半徑為R02的2#標(biāo)準(zhǔn)量棒進(jìn)行測量，得到測量值L02。如圖2所示，在激光測距傳感器位置及角度不變的情況下，激光測距傳感器到量棒軸線的距離不變。

圖2 車軸輪座直徑激光測量原理圖

根據(jù)上式求解，得：

顯然，α=0時，公式（1）即可簡化為：

式（3）中：R01、R02分別為1#、2#標(biāo)準(zhǔn)量棒的半徑尺寸；L01、L02分別為激光測距傳感器到標(biāo)準(zhǔn)量棒圓周面的距離。

激光測距傳感器位置及偏角α標(biāo)定完成后，鎖定激光測距傳感器微調(diào)裝置，保證傳感器位置及偏角α不再變化。將被測車軸裝上車床，激光測距為L，同樣根據(jù)激光測距傳感器到車軸軸線的距離不變的原理，有：

則被測車軸輪座半徑為：

為了得出輪座平均直徑，利用車床夾盤撥叉使軸旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)90°對被測車軸進(jìn)行一次測量，得到一組距離值為Li（其中i=1、2、3、4）。將Li分別替換公式（5）中的L計算出Ri，則被測輪座的直徑尺寸為：

2 測量方法本身引起的誤差分析

測量系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因，可歸結(jié)為測量裝置、測量方法、測量環(huán)境、測量人員等幾個方面。

車軸同一被測量處在剛磨削后與壓裝前其值是不一樣的，同一被測處在一年四季不同時間內(nèi)其測量值也是不一樣的，對測量值進(jìn)行溫度補償采用常規(guī)方法即可，即對采用傳統(tǒng)方法測得的值怎么補償?shù)?，激光測量值也采用同樣方法補償。

高精度測距傳感器本身的測量精度很高且穩(wěn)定，但是激光器的位姿不可能完全處于理想狀態(tài)，激光線的仰角在測量方法中利用標(biāo)準(zhǔn)量棒進(jìn)行了標(biāo)定，而激光線水平面的擺角和工件歪斜未標(biāo)定，其產(chǎn)生的誤差需要探究。

2.1 激光線擺角β的影響

當(dāng)激光器發(fā)出的激光線與軸線在一個平面內(nèi)，但是不與軸線垂直，存在著一定的擺角β，仍用公式（5）進(jìn)行計算，將會引起一定的測量誤差。

圖3中D為激光發(fā)射點，DB、DA分別為發(fā)射到車軸、標(biāo)準(zhǔn)量棒的激光線，B、A分別為激光線與車軸、量棒的交點。激光線與OD之間的夾角就是激光線擺角β。

由于激光器固定好了，激光器到軸線的距離e也固定不變，同時β也不變?？梢约僭O(shè)第1節(jié)所述的激光線仰角α為0，這里只研究存在激光線擺角β對測量結(jié)果的影響。已知量棒半徑R0，分別測出量棒的激光測距L0和待測車軸的激光測距L，當(dāng)擺角β為0時，可以直接運用公式：

算出車軸的半徑R，當(dāng)擺角β不為0時，如果仍采用本公式計算，將產(chǎn)生誤差，為：

圖3 激光線擺角β產(chǎn)生的影響

式（8）中：R′——被測車軸實際半徑。

借助于Pro/E的草繪器來進(jìn)行仿真測量，首先，在Pro/E的草繪器中，固定好激光器到軸線的距離e（如400 mm）不變，激光線擺角β設(shè)為10′，量棒的半徑R0為100 mm，待測車軸的實際半徑R′為110 mm，分別放上量棒和車軸，激光測距分別為L0=300.001 mm、L=290.001 mm，經(jīng)公式（7）計算得R=110.000 mm，經(jīng)公式（8）計算得ΔR=0 μm，以10′為增量依次改變激光線擺角β，再按照上述方法分別進(jìn)行測量，結(jié)果列于表1。

表1 e為400 mm時擺角β產(chǎn)生的誤差

由表1可以看出，激光線的擺角即使大到1°所產(chǎn)生的誤差只有2 μm。因此當(dāng)e取400 mm時，在擺角小于40′時，可以忽略擺角產(chǎn)生的誤差。

需要指出的是，激光器到軸線的距離e發(fā)生變化時不同擺角對測量誤差的影響是不一樣的。經(jīng)同樣方法仿真計算，當(dāng)e取300 mm時，激光線擺角β達(dá)到20′時ΔR為1 μm ，當(dāng)e取200 mm時，激光線擺角β達(dá)到20′時ΔR為2 μm，可以看出，激光器到軸線的距離e越小，激光線擺角引起的測量誤差越大，所以在可能的情況下，激光測距傳感器離開被測車軸越遠(yuǎn)越好，但是要滿足所選傳感器的量程。

2.2 車軸在安裝時存在的偏角γ引起的誤差

量棒、車軸在安裝時可能會出現(xiàn)如圖4的偏角γ，即被測零件的軸線與頂尖連線不重合，這樣也會產(chǎn)生測量誤差。

圖4中OA表示量棒，OB表示被測車軸。由于激光器固定好了，激光器到軸線的距離e不變，同時γ也不變。已知量棒半徑R0，分別測出量棒的激光測距L0和待測車軸的激光測距L，當(dāng)偏角γ為0時，可以直接運用公式(7)計算，算出車軸的半徑R，當(dāng)偏角γ不為0時，如果仍采用本公式計算，將產(chǎn)生誤差，用公式(8)計算。

圖4 量棒、車軸安裝產(chǎn)生的偏角γ

同2.1節(jié)方法，借助于Pro/E的草繪器來進(jìn)行仿真測量，首先，在Pro/E的草繪器中，固定好激光器到軸線的距離e（如200 mm）不變，激光線偏角γ設(shè)為10′，量棒的半徑R0為100 mm，待測車軸的實際半徑R′為110 mm，分別放上量棒和車軸，激光測距分別為L0=300.622 mm、L=290.622mm，經(jīng)公式 （7） 計算得 R=110.000 mm，經(jīng)公式 （8） 計算得ΔR=0 μm，以10′為增量依次改變激光線偏角γ，再按照上述方法分別進(jìn)行測量，結(jié)果列于表2。

表2 e為200 mm時偏角γ產(chǎn)生的誤差

由表2可看出，在偏角γ較小的情況下，產(chǎn)生的偏差可以忽略不計。而在安裝量棒、車軸時，一般不會出現(xiàn)太大的偏角，因為是將車軸裝上車床的頂尖，除非與軸的中心孔連接的頂尖被破壞。因此可以不考慮量棒、車軸之間的偏角γ的影響。

3 測量裝置的構(gòu)成

根據(jù)測量原理及系統(tǒng)要達(dá)到的功能構(gòu)建測量系統(tǒng)，測量系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分，硬件部分由車床、激光測距傳感器及其微調(diào)裝置、數(shù)據(jù)采集卡、主控制器及顯示器、繼電器以及電纜組成；軟件部分由信號通訊模塊、驅(qū)動控制模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊組成。

測量系統(tǒng)的被檢零件直徑范圍? 170 mm～?205 mm，測量目標(biāo)精度為5 μm，選用德國SICK激光測距傳感器OD5-85W20[6]參數(shù)，見表3。

表3 SICK激光測距傳感器參數(shù)表

測量精度如要達(dá)到5 μm，則激光器精度要更高，但激光器對應(yīng)的量程小，如果測量范圍仍為?170 mm～?205 mm，則不可能一次標(biāo)定，需分幾個尺寸段進(jìn)行標(biāo)定，因為激光器橫向位置要移動。

激光測距傳感器位置微調(diào)裝置如圖5所示，激光測距傳感器1通過安裝板2固定在1＃分度盤3的轉(zhuǎn)盤上，1＃分度盤3通過連接板4與2＃分度盤5連接，2＃分度盤5與底座6剛性連接，底座可以安裝在車床的橫向托板上。

圖5 激光測距傳感器及其微調(diào)裝置結(jié)構(gòu)圖

1＃分度盤3與2＃分度盤5結(jié)構(gòu)相同，均為高精度銑床分度盤，分度精度和重復(fù)精度相同。1＃分度盤3的旋轉(zhuǎn)軸線與2＃分度盤5的旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直；1＃分度盤3的手輪和2＃分度盤5的手輪在本微調(diào)裝置的同一側(cè)。

激光測距傳感器1激光線的發(fā)出方向是從本裝置向外，通過旋轉(zhuǎn)1＃分度盤3的手輪，可調(diào)整激光線在水平面內(nèi)的方位角度，通過旋轉(zhuǎn)2＃分度盤5的手輪，即可調(diào)整激光線在垂直面內(nèi)的俯仰角度，這兩種角度可反復(fù)調(diào)整，調(diào)好后用分度盤上的鎖鈕鎖住手輪，通過分度盤上的鎖柄鎖住轉(zhuǎn)盤。

4 測量仿真實驗

利用Pro/E三維環(huán)境，在虛擬C6180型車床橫向溜板上裝上激光測距傳感器及其微調(diào)裝置，激光傳感器的測距要在其量程內(nèi)，本實驗為85 mm左右，距離車床主軸180 mm左右，鎖定傳感器微調(diào)裝置，保證其位置及偏角α不變。將半徑為R01的1#標(biāo)準(zhǔn)量棒(本實驗對應(yīng)直徑為?200.010 mm)裝上虛擬車床頂尖位置，通過激光測距傳感器微調(diào)裝置兩個擺角的調(diào)整，使激光光線在棒材圓周面上不斷上下左右掃描，得到一組距離數(shù)據(jù)，其中距離為最小值時認(rèn)為光線近似通過量棒軸線，即激光線正對被測輪座，記錄其值為L01(本實驗中為79.999 mm)；將半徑為R02的2#標(biāo)準(zhǔn)量棒（本實驗對應(yīng)直徑為?170.002 mm)裝上車床虛擬車床頂尖位置，測量得值L02(本實驗中為95.004 mm)，按式（2）計算激光測距傳感器激光線偏角α，本實驗為22.2′。

將被測火車車軸裝上虛擬車床頂尖位置，每旋轉(zhuǎn)90°對被測火車車軸的輪座進(jìn)行測量，得到 距 離 值 L1(86.989 mm)、 L2(86.993 mm)、 L3(86.990 mm)、L4(86.985 mm)。按式（5）計算出被測火車車軸的輪座半徑分別為：93.015 mm、93.011 mm、93.014 mm、93.019 mm，按式 （6）計算出被測火車車軸的輪座平均直徑尺寸為?186.030 mm，并記錄其數(shù)值。用其他手工方法實測此處火車車軸的輪座直徑尺寸為186.034 mm，誤差為4 μm，小于5 μm。

5 結(jié)論

本文提出的基于激光測距的測量方法能實時測量中大型軸類零件的直徑尺寸，并自動記錄測量數(shù)據(jù)，如果在橫向溜板上靠近地并行放置三臺激光器，則可同時測量三個位置的實時尺寸及圓柱度。根據(jù)現(xiàn)場需求，可以在車床床鞍上另加溜板，在其上安裝配備數(shù)臺激光測距傳感器，實現(xiàn)多直徑的同時快速測量。

通過對兩根標(biāo)準(zhǔn)量棒的測量，對激光線在垂直面內(nèi)的上下仰角α進(jìn)行了標(biāo)定，利用幾何關(guān)系消除了仰角α產(chǎn)生的誤差；討論了激光線在水平面內(nèi)的擺角β對誤差的影響，當(dāng)激光器到軸線的距離取200 mm時，激光線擺角β達(dá)到20′時，它引起的誤差為2 μm；討論待測工件在安裝時存在的偏角γ對誤差的影響，在車床頂尖和車軸中心孔良好的情況下，可以不考慮偏角產(chǎn)生的誤差。

仿真實驗表明，本文所提測量方法能夠滿足較高精度直徑的測量要求（誤差小于5 μm），有效地減少了人工測量帶來的偶然誤差，降低了人工檢驗成本。當(dāng)然本方法有待于進(jìn)一步實物驗證。

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