【行业应用】应用激光传感器测量轮辋尺寸的试验研究

2023-12-29
摘 要：介绍了国内外关于轮对几何参数测量的概况，给出了激光位移传感器扫描测量轮辋尺寸的方案，并进行了试验研究。
目前，在货车轮对的段修线上，用第四种检查器测量轮辋参数；用专用量具检测车轮直径和轮对内侧距。测量时，先将结果用粉笔记在轮对上，再抄录在车统一51C卡片上，最后由人工录入微机，测量方式中间环节多，实测结果人为误差大。随着列车提速，车轮踏面和轮缘磨耗日益加剧，及时准确检测轮对的几何参数十分重要。
1 轮对几何参数自动测量方法概述
车轮踏面外形参数定义如图1所示：图中曲线1表示轮辋原形轮廓线，2表示轮辋磨耗后轮廓线的一种形式。轮辋厚度定义为A、车轮踏面磨耗为B、车轮直径为C、轮缘厚度为D、轮辋宽度为E，其中以轮缘厚度D最为关键，也最难测量。实际测量时，上述参数通过间隔的3个断面求平均来确定。
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对于轮对几何参数的自动测量，各铁路发达国家研制开发的装置大致有利用超声波技术和利用CCD技术2种。俄 罗 斯在1995年前后采用超声波测 量方法，研制成功自动检测装置车辆以不大于5km/h的速度运行，用传感器组测出车轮各特征表面，经处理得出数据的轮径误差不大于1mm轮缘厚度误差不大于0.5mm，踏面磨耗误差不大于0.30mm；其他国家均采用CCD技术进行轮对外形尺寸的自动检测，概括起来如表1。
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近20年来，我国也开展了车轮踏面检测技术的研究，并取得部分成果：如新型轮对外形测量仪；车轮磨耗参数的线阵CCD检测装置以及线阵面阵测 CCD量装置，文献中对接触式、CCD、激光传感器3种方案进行了分析和 比较，选中线阵和面阵CCD技术研制了轮对自动检测装置，给出的精度为：轮辋厚度、轮辋宽度、轮座轴直径、轮对内侧距、踏面磨耗的精度为 0.1mm，轮辋厚度的精度为1mm但该装置结构复杂、成本高，此外，线阵 CCD光源无法预先标定，系统调试困难。文献认为，用激光传感器的方案成本比CCD更高，如果采用多点直接测量方案大约需10个传感器，情况的确如此。但如采用扫描式测量方案，即使考虑测量时间因素，激光传感器数目也仅需2个，可大大降低成本。由于激光传感器用于扫描测量的实例较少，本文为此进行了试验研究。
2 激光位移传感器的扫描测量方案
激光位移传感器工作原理如图2所示。从半导体激光源射出的光束由聚光棱镜聚焦成光点，照射到被测对象上，其表面上的一部分反射光从受光棱镜聚焦，在位置检测元件上形成光点。当被测对象从O点移动到A或B时。位置检测元件上的光点也相应地从O'点移动到A'或B'。根据光位置检测元件上光点的位置就可以计算出被测对象的位移量。由于该光学系统采用了高精度的非球面棱镜，处理电路具有线性化功能，因此，可以得到输出电压与距离成正比的高可靠性的检测系统。
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试验采用的激光位移传感器技术指标见表2。
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设环境温度变化10℃引起的传感器误差为:
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传感器输出的线性特性>角度特性曲线见图3。由图可知，传感器线性及测量光线与被测点局部不垂直引起的最大误差分别是：
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因此，试验中，传感器的总误差为：
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根据激光传感器的上述特性，构造的轮辋扫描测量方案为：采用高精度的伺服控制系统调整传感器方向，使发射光线与被测表面尽量垂直，同时保证传感器与被测表面保持适当间距。测量原理如图4所示：P点为传感器上某点的轨迹，Q点表示轮辋表面任一被测点，e、a分别表示P点到传感器发射光线和传感器端面的距离，b表示传感器与被测表面间距，表示激光传感器光线与X轴的夹角，由三角形关系可得，被测面任一点Q的坐标为：
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这样，根据模板形状，确定传感器多个测量位置的P点坐标和方位角θ后，移动传感器到相应位置并调整方位，可得到轮辋踏面的其他点坐标，再根据 轮辋几何尺寸的定义，可计算出轮辋厚度、车轮踏面磨耗、轮缘厚度以及轮辋宽度等参数值。
该方案的测量误差由测量机构、传感器和数字化误差等引起，根据式(2)可知，被测面Q点的坐标测量误差由坐标点P的误差，激光传感器的旋转角θ的误差，传感器的特性误差，a和e的标定差引起。设它们的偏差分别为ΔXP、ΔYp、Δθ、Δa、Δb和Δe，被测面任一点Q坐标的偏差为ΔXQ和ΔYQ。根据式(2)的偏导数可得最大误差估计式：
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3 试验与结果
试验装置由测量头、牛头刨、轮辋模板、2个光栅尺及测量微机组成，测量头包括由同一根轴连接的激光传感器、步进电机和光电编码器，微机内有 计数卡、AD模块。测量头固定安装在牛头刨刀架上。激光传感器可旋转，其旋转角度由光电编码器测量；轮辋断面模板则固定在牛头刨的平台上，通过牛头刨的手摇机构可使模板在铅垂面的X、Y方向移动，其移动量由安装在牛头刨上的光栅尺精确测量。测量试验的实施情况如下：
(1) 激光传感器的标定直接采用轮辋模板作目标，以光栅尺的读数为真值，得出测量距离b与传感器电压u之间的关系为：
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(2) 轮辋模板按照磨耗型踏面标准加工，将模板轮廓线的离散数据导入计算机，通过牛头刨的手摇机构移动轮辋模板到预定位置，同时控制步进电机使激光传感器旋转相应的角度，以等间隔的测量方式，测量轮廓的其他点，最后用300多个点的坐标值表示模板踏面和基准面的轮廓线。
测量过程模板的移动为手动，其余的操作和处理都由计算机控制：通过记数卡采集光栅尺和光电编码器的输出，用AD模块将激光传感器的模拟输出转换为数字信号，再通过软件进行测量点平面位置的计算，并记录结果。
测量结果如图5所示：图中点线为轮辋模型的实测结果，虚线为标准的磨耗型踏面曲线，实线为测量偏差曲线&由图可知，最大的测量误差出现在轮缘内侧部分，其最大偏差为±0.3mm，踏面上的测量偏差为±0.1mm。
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根据式(3)分析测量误差：由于Xp、Yp、θ分别光栅尺和光电编码器测量，光栅尺的测量精度5μm，可以忽略，光电编码器的精度为3.14*10-4rad,试验中e为0.57mm，a和b长度之和在85mm~100mm之间，故式(3)中第4项引起的误差不大于0.0314mm；传感器的安装轴到发射光线的距离e和到传感器端面的距离a是用游标卡尺测量的，测量误差为0.01mm，由于传感器安装轴的间隙引起的误差为0.05mm；由轮辋模型加工引起的误差为±0.1mm，由激光传感器特性引起的误差Δb=±0.22mm。由式(3)得试验测量的总误差为:
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综上所述，理论分析与实际测量结果基本一致。
试验中还发现：物体表面颜色的变化对测量精度有较大影响，如果物体表面颜色接近黑色，采用无颜色自动补偿功能的激光传感器可能因接收不到反射光而无法正常工作。因此，测量表面颜色差别较大的物体，应选择具有颜色自动补偿功能的激光传感器，最好是用CCD作位置敏感元件的激光传感器。
4 结论
（1）利用激光位移传感器扫描测量轮辋尺寸是切实可行的方案，能够满足轮对检测的需要。
（2）利用激光位移传感器进行扫描测量时，误差主要由传感器非线性和角度特性引起，因此，应尽量使光线与被测表面垂直。
（3）对检修线轮对进行扫描测量，应选用具有颜色自动补偿功能的激光传感器，以减少表面颜色引起的误差。
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