列車車輪檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計

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列車車輪檢測機(jī)構(gòu)設(shè)計摘要車輪是火車行駛過程的一個關(guān)鍵的組成部分,其直接接觸軌道,決定了列車運行的安全和質(zhì)量是好是壞。車輪用于操作列車在跑軌道上的轉(zhuǎn)向。車輪形狀的關(guān)鍵尺寸直接與車輪行駛安全相關(guān)。隨著我國鐵路事業(yè)的發(fā)展以及車輛運行密度的大幅度增加，車輪的磨損速度也不斷加快。所以需要進(jìn)一步提高車輪的制造質(zhì)量。本設(shè)計內(nèi)容主要對列車車輪滾動圓直徑和車輪及制動盤大孔直徑檢測，其中細(xì)致劃分工作步驟，對每一步工作狀態(tài)分解。可以分為三個步驟，第一步是運輸，第二步是定位，最后一步是檢測，檢測技術(shù)的好壞起到一個非常重要的作用。采用以車輪車輞內(nèi)側(cè)面及制動盤側(cè)面作為粗基準(zhǔn)，車輪及制動盤大孔孔面作為精基準(zhǔn)的 2 次定位方式；在完成精定位后，分別依靠爪臂、車輪的自重，保證測量的范圍以及車輪旋轉(zhuǎn)測量過程中不發(fā)生車輪位置偏移；通過檢測平臺運動，光柵尺掃描獲取直徑最大點，不需要對傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。關(guān)鍵詞：車輪、直徑、檢測裝置Abstract: The wheel as a key component of the process of the train, its direct contact with the track, directly determines the safety and quality of vehicle operation is good or bad. The wheel is used for the operation and steering of the vehicle on the track. The key dimensions of the wheel shape are directly related to the safety of the train. The rapid development of railway speed and the high-density operation of the vehicle to speed up the wheel wear speed. So the wheel manufacturing quality put forward higher requirements.The design of the main wheel of the rolling wheel diameter and wheel and brake disc hole diameter detection, which detailed division of the work steps, the decomposition of each step of the working state.Can be divided into three steps, the first step is to transport it, the second step is to locate it, the last step is to detect it, the most important part is the detection layout. The wheel side of the wheel and the side of the brake disc as a rough reference, the wheel and the brake disc macro hole surface as a fine reference to the second positioning method； in the completion of fine positioning, respectively, rely on the claw arm, the wheel's own weight, The range of the measurement and the wheel positional deviation do not occur during the wheel rotation measurement. By detecting the motion of the platform, the grating scale acquires the maximum diameter and does not need to rotate the sensor.Keyword: Wheel, diameter, detection device前言車輪是列車運行系統(tǒng)的重要組成部分,是火車和鐵軌接觸的部分,也就是該行業(yè)所說的輪對。而車輪直徑作為列車運行的一項重要參數(shù)，關(guān)系到列車行車安全，車輪直徑偏離值太大將會導(dǎo)致列車斷軸、側(cè)翻、脫軌等事故，因此，對列車車輪直徑進(jìn)行精確的測量使保證列車安全行駛的關(guān)鍵所在之一。車輪直徑是車輪狀態(tài)檢測的關(guān)鍵參數(shù)之一，由于其尺寸大，輪型不同，直徑大，難以直接使用普通測量刀具進(jìn)行測量，難以準(zhǔn)確測量車輪幾何參數(shù)。盡管目前盤類零件測量方式多種多樣，如滾輪法測量、外徑千分尺測量、氣動法、光柵測量、激光測量等方式，但由于車輪形狀及對測量部分的限制，目前，車輪外徑的測量都是通過專用車輪外徑尺進(jìn)行離線測量，測量誤差在 0.1mm 以上；而且，人工使用車輪外徑尺對車輪外徑進(jìn)行測量，不能保證測量精度的同時，連續(xù)生產(chǎn)的要求也同樣不能達(dá)到要求，也加強(qiáng)了工人的勞動強(qiáng)度。而氣動法雖然可以實現(xiàn)高精度測量，但這些存在操作困難，維護(hù)工作量大，成本高，難以推廣應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中。第一章 緒論到目前為止，我國檢測車輪的條件相對落后，主要依靠靜態(tài)接觸檢測，檢測效率低，占用車輛周轉(zhuǎn)時間長，不能及時正確地了解車輪的狀態(tài)及運行的質(zhì)量，不可避免會出現(xiàn)極限的車輪仍在使用這種問題。針對上述問題，對傳統(tǒng)列車車輪滾動圓直徑、車輪及制動盤大孔直徑的機(jī)械結(jié)構(gòu)、檢測方法進(jìn)行了研究，將兩種不同的檢測結(jié)合；有利于集成檢測系統(tǒng)，在提高檢測系統(tǒng)的精度的同時，為進(jìn)一步自動化檢測奠定了良好的基礎(chǔ)。1.1 課題的來源及意義隨著中國高鐵、動車行業(yè)的迅猛發(fā)展，以及高鐵、動車零部件不斷走出國門，輪轂生產(chǎn)市場前景廣闊。車輪作為列車行進(jìn)過程中的關(guān)鍵部件，其與軌道直接接觸，車輛運行過程中的安全問題以及品質(zhì)的好壞都與其有直接的的關(guān)系。車輪用于車輛在軌道上的運行和轉(zhuǎn)向的操作，車輪形狀的關(guān)鍵尺寸與列車的安全性直接相關(guān)。隨著我國鐵路事業(yè)的發(fā)展以及車輛運行密度的大幅度增加，車輪的磨損速度也不斷加快。因此對車輪制造質(zhì)量提出了更高的要求。綜上所述，對列車車輪滾動圓直徑、車輪及制動盤大孔直徑檢測具有重要意義。1.2 文獻(xiàn)綜述（相關(guān)課題國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀）根據(jù)火車運行情況，國內(nèi)外車輪幾何參數(shù)檢測方法是靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗。靜態(tài)試驗處于車輛非運行狀態(tài)，雖然這種方法精度高，但測試效率非常低。而在車輛運行狀態(tài)下進(jìn)行動態(tài)試驗，其特點是精度高，檢測速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)高自動化，減少對車輛周轉(zhuǎn)時間的占用，但由于其技術(shù)難度比較高，難以在實際生產(chǎn)中實現(xiàn)大規(guī)模推廣。到目前為止，我國檢測車輪的條件相對落后，主要依靠靜態(tài)接觸檢測，檢測效率低，占用車輛周轉(zhuǎn)時間長，不能及時正確地了解車輪的狀態(tài)及運行的質(zhì)量，不可避免會出現(xiàn)極限的車輪仍在使用這種問題。目前，對列車車輪的檢測，多采用滾輪法測量、外徑千分尺測量、氣動法、激光測量等方式，但由于車輪形狀及對測量部位的限制，車輪外徑的測量都是通過專用車輪外徑尺進(jìn)行離線測量，既不能保證測量精度，更不能滿足連續(xù)生產(chǎn)的要求，工人的勞動強(qiáng)度也很高。而滾輪法存在打滑問題，氣動法、激光法雖然可以實現(xiàn)高精度測量，但這些方法存在操作困難，維護(hù)工作量大，成本高，難以推廣應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中。目前，通過使用激光圖像測量裝置中的攝像機(jī)記錄車輪在圖像中的外觀，可以因此完成對車輪輪廓曲線、尺寸參數(shù)、形狀曲線形狀等的直接測量。如中國專利 CN1899904A（列車輪對尺寸在線檢測方法及裝置）利用四個基于 PSD 的激光位移傳感器，獲得車輪端面到激光探測器的距離，再計算輪緣厚、輪緣高、輪徑值。因為對安裝角度的要求較為嚴(yán)格，且傳感器價格昂貴，所以不利于推廣。在國外，德國、日本的有關(guān)公司在激光三角測量原理的基礎(chǔ)之下，運用非接觸式測量的方法實現(xiàn)了在大間隙情況下的高精度測量，并將其成品運用與工業(yè)生產(chǎn)中，可以高精度測量保證其不確定度在 1μm，但其具有小型化、自動化程度高，價格昂貴等特點。1.3 列車車輪檢測的發(fā)展趨勢自動控制、光柵技術(shù)的應(yīng)用：基于光纖光柵波長敏感于溫度和應(yīng)變兩個物理量，并且溫度和應(yīng)變甚至能夠造成光纖光柵耦合波長的移動，僅僅依靠光纖光柵耦合波長的移動是無法分辨溫度和應(yīng)變這兩個物理量的。因此，要想實現(xiàn)兩者的區(qū)分，必須首先解決交叉靈敏度這一問題。可以在一定技術(shù)中測量，通過測量應(yīng)力和溫度的變化來區(qū)分應(yīng)力和溫度。存在多種方法解決該問題，但各種方法各有優(yōu)缺點，我國企業(yè)正在不斷增強(qiáng)自主研發(fā)能力。列車車輪檢測設(shè)備,因為沒有現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品供參考,但也需滿足用戶的特定需求,要求設(shè)計師不僅要準(zhǔn)確把握客戶的需求,不能盲目地迎合顧客,要將成本及實用性進(jìn)行考慮。如果你不能掌握客戶的需求,產(chǎn)品的設(shè)計必定不能達(dá)到客戶滿意度,業(yè)務(wù)訂單業(yè)不能實現(xiàn)。但盲目跟隨客戶的想法,產(chǎn)品的設(shè)計往往是技術(shù)不成熟,實用性并不令人滿意,產(chǎn)品生產(chǎn)存在問題,然后,仍然不能滿足客戶的需要。要求行業(yè)的設(shè)計人員,從專業(yè)的角度和客戶的角度來看,進(jìn)行兩者之間的平衡設(shè)計,從而為企業(yè)贏得利益和聲譽(yù)。提高產(chǎn)品質(zhì)量的控制。加強(qiáng)產(chǎn)品的售后服務(wù)。制作者加工技術(shù)的水平和質(zhì)量對于夾具機(jī)械運行的穩(wěn)定性與可靠性起著很大的作用。企業(yè)想生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品，在設(shè)備的設(shè)計、裝配和加工階段，必須提高水平。技術(shù)人員也必須在設(shè)備設(shè)計階段，多與設(shè)備接觸用戶進(jìn)行聯(lián)系，雙方對設(shè)計的進(jìn)展都有所把握，這個項目還不清楚的地方及時溝通,找出對方的請求。畫紙完成后,技術(shù)人員應(yīng)與用戶進(jìn)行交流,雙方應(yīng)達(dá)成共識,在總體設(shè)計、關(guān)鍵部件和過程需求。在設(shè)備生產(chǎn)過程中,派人監(jiān)視,在處理加工進(jìn)展,外購零部件的質(zhì)量,關(guān)鍵部件,等的處理應(yīng)該把好關(guān)。設(shè)備組裝后,應(yīng)測試設(shè)備的整體裝配質(zhì)量，確認(rèn)設(shè)備是否已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)要求,并盡快改善和調(diào)整設(shè)備。在此期間,詳細(xì)記錄每個檢驗和改進(jìn)是必需的。要對技術(shù)研發(fā)的投資和人員培訓(xùn)加大力度，對于從事非標(biāo)準(zhǔn)件機(jī)械設(shè)備制造的公司，為了繼續(xù)做大做強(qiáng),我們必須繼續(xù)增加投資在技術(shù)研究和開發(fā)。當(dāng)前市場需求的行業(yè)是一個快速發(fā)展的時期, 有大量企業(yè)從事行業(yè),但單個企業(yè)規(guī)模很小,產(chǎn)品的技術(shù)含量并不是很高。有時公司會失去大訂單,因為自己的技術(shù)達(dá)不到。在把握整個行業(yè)的發(fā)展前景的同時，企業(yè)必須加大技術(shù)的研究和開發(fā)工作的力度，不斷努力提高自身的核心技術(shù)水平。同時,企業(yè)獲取可持續(xù)發(fā)展必須重視技術(shù)人員的培養(yǎng)和使用。技術(shù)人員可以表示非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械和設(shè)備制造企業(yè)的骨干企業(yè)競爭的核心競爭力。1.4 本文主要技術(shù)參數(shù)系統(tǒng)測量精度≤0. 08mm系統(tǒng)測量重復(fù)精度≤0. 05mm測量傳感器精度≤0. 03mm車輪孔測量時間節(jié)拍≤5min設(shè)備載重≥20KN車輪滾動圓直徑（滾動圓距車輞內(nèi)側(cè)面距離為 70 和 73.5mm） 830-920mm車輪及制動盤大孔直徑 187-199mm1．5 本章總結(jié)在國外有很多列車車輪方面的檢測，我們應(yīng)該學(xué)習(xí)的地方很多，尤其是在檢測精度方面。本課題是對列車車輪滾動圓直徑、車輪及制動盤大孔直徑的檢測。車輪滾動圓直徑、車輪及制動盤大孔直徑是一個非常重要的性能指標(biāo)，列車運行時的穩(wěn)定性和可靠性很大程度上取決于此。從而可以看出，車輪滾動圓直徑、車輪及制動盤大孔直徑起著決定性作用，加工裝配精度要更高，因為它可直接影響到列車的安全運行。因此對車輪滾動圓直徑、車輪及制動盤大孔直徑的品質(zhì)要求越高，我們的檢測也就越困難。第二章 總體方案設(shè)計2.1 設(shè)計思想本發(fā)明的目的在于提供列車車輪滾動圓直徑和車輪及制動盤大孔直徑在線檢測系統(tǒng)，采用以車輪車輞內(nèi)側(cè)面及制動盤側(cè)面作為粗基準(zhǔn)，車輪及制動盤大孔孔面作為精基準(zhǔn)的 2次定位方式；在完成精定位后，分別依靠爪臂、車輪的自重，保證測量的范圍以及車輪旋轉(zhuǎn)測量過程中不發(fā)生車輪位置偏移；通過檢測平臺運動，對傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn),光柵尺掃描獲取直徑最大點。采用伺服電機(jī)控制與絕對光柵位移反饋系統(tǒng)作為閉環(huán)控制系統(tǒng)，在提高系統(tǒng)的重復(fù)定位精度的同時保證精確控制激光位移傳感器的測量位置，采用 2 只點激光位移傳感器備運用在本測量系統(tǒng)中，采用符合實際工況的定位基準(zhǔn)，完成對列車車輪滾動圓直徑的測量，以及對列車車輪及制動盤大孔直徑的測量，能夠保證高檢測精度、高重復(fù)定位精度和滿足企業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍的目的。為實現(xiàn)上面想法，本設(shè)計的技術(shù)方案如下：列車車輪滾動圓直徑和車輪及制動盤大孔直徑在線檢測系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)由基座、定位支架、車輪檢測平臺、車輪精基準(zhǔn)支撐裝置、車輪粗基準(zhǔn)支撐裝置、車輪輸送平臺、車輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置組成。其特征在于：基座上安裝定位支架、車輪輸送平臺，車輪輸送平臺上安裝車輪粗基準(zhǔn)支撐裝置、車輪精基準(zhǔn)支撐裝置、車輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置安裝于車輪輸送平臺之下、定位支架上安裝車輪檢測平臺。2.2 設(shè)計參數(shù)的確定2.2.1 車輪孔檢測要求對車輪孔進(jìn)行垂直三個截面、每個截面均布測量大于等于 3 點進(jìn)行檢測，平均直徑CRH3 動車車輪孔應(yīng)滿足 ?195-?198(0,+0.13)mm，BVV 動車車輪孔應(yīng)滿足 ?195-?198(0,+0.12)mm，CRH3 拖車車輪孔直徑范圍為 ?188-?191(0,+0.075)mm。由于輪孔可以機(jī)加工等級修，直徑每 0.5mm 一個等級，因此應(yīng)保證滿足 CRH3 動車車輪孔直徑范圍為 ?195到 ?198、CRH3 拖車車輪孔直徑范圍為 ?188 到 ?191 的自動檢測要求。CRH5 新造輪孔直徑為 ?192(0,-0.035)mm。圖 1 車輪示意圖車輪內(nèi)孔車輪內(nèi)側(cè)圖 2 車輪孔測量位置示意圖2.2.2 制動盤孔檢測要求對制動盤孔進(jìn)行垂直二個截面（截面位置距端部分別為 10-15mm） 、每個截面均布測量大于等于 3 點進(jìn)行檢測，平均直徑 CRH3 兩側(cè)制動盤孔應(yīng)滿足 ?197(0,+0.029)mm，CRH3 中間制動盤孔應(yīng)滿足 ?199(0,+0.029)mm。平均直徑 CRH5 兩側(cè)制動盤孔應(yīng)滿足 ?194(0,+0.029)mm，CRH5 中間制動盤孔應(yīng)滿足 ?196(0,+0.029)mm。CRH3 等級修后制動盤孔最小直徑為?191mm。圖 3 制動盤示意圖制動盤內(nèi)孔2.3 設(shè)備總體加工流程2.4 總體方案設(shè)計詳見圖 2.4 方案設(shè)計圖 2.4 方案設(shè)計2.4.1 車輪輸送平臺設(shè)計車輪輸送平臺由：基座、伺服電機(jī)、絲杠副、滑軌、滑塊組成?；壈惭b在基座上，負(fù)責(zé)平臺運動導(dǎo)向和支撐；滑塊安裝在滑軌上；滑塊與移動支架結(jié)合，絲杠副安裝在支架上并連接移動支架，負(fù)責(zé)平臺的運動傳動；伺服電機(jī)安裝在絲杠端部。2.4.2 車輪粗基準(zhǔn)支撐裝置車輪粗基準(zhǔn)支撐裝置由：①組仿形塊、②組仿形塊和回轉(zhuǎn)部件組成；①組仿形塊和②組仿形塊旋轉(zhuǎn)陣列分布在回轉(zhuǎn)部件上，①組仿形塊負(fù)責(zé)列車車輪的粗基準(zhǔn)定位，而②組仿形塊負(fù)責(zé)列車車輪制動盤的粗基準(zhǔn)定位。2.4.3 車輪精基準(zhǔn)支撐裝置車輪精基準(zhǔn)支撐裝置由：定位臂、定位支架、推軸、直線軸承和氣缸組成；定位臂依靠軸連接在定位支架上，構(gòu)成定位爪組件；氣缸安裝在推軸下 20~40mm 處且固定在氣缸墊上，負(fù)責(zé)給予推軸一定力；在直線軸承上安裝推軸，控制定位爪組件的上升或下降，負(fù)責(zé)被測車輪精基準(zhǔn)的定位；完成車輪精基準(zhǔn)定位后，定位臂依靠自重，自行落下，保證定位臂不會對測量區(qū)域干涉。2.4.4 車輪精基準(zhǔn)支撐裝置車輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置由：減速電機(jī)、回轉(zhuǎn)底板、軸套、軸承套、直線軸承和鏈輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成；減速電機(jī)安裝電機(jī)支撐座上，電機(jī)支撐座依靠連接裝置安裝在軸套上；直線軸承和鏈輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連，通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動鏈輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，經(jīng)直線軸承帶動回轉(zhuǎn)底板，使被測列車車輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，負(fù)責(zé)實現(xiàn)車輪多點檢測。2.4.5 車輪檢測平臺車輪檢測平臺由：支撐架、U 形板，滾珠絲杠線性滑臺直線導(dǎo)軌、激光位移傳感器、傳感器定位板、單軸導(dǎo)塊、標(biāo)定板、中空旋轉(zhuǎn)工作臺、盤形薄板、伺服電機(jī)、絲杠副組成。U 形板安裝在支撐架上，滾珠絲杠線性滑臺直線導(dǎo)軌安裝在 U 形板上，中空旋轉(zhuǎn)工作臺安裝在滾珠絲杠線性滑臺直線導(dǎo)軌上，盤形薄板安裝在中空旋轉(zhuǎn)工作臺下方，在薄板的圓心正下方安裝激光位移傳感器，驅(qū)動滾珠絲杠線性滑臺直線導(dǎo)軌，使激光位移傳感器垂直移動，中空旋轉(zhuǎn)臺帶動激光位移傳感器旋轉(zhuǎn)，對車輪及制動盤大孔直徑進(jìn)行檢測。傳感器定位板通過單軸導(dǎo)塊 1 安裝在盤形薄板邊緣，激光位移傳感器通過單軸導(dǎo)塊 2安裝在傳感器定位板上；中空旋轉(zhuǎn)臺帶動激光位移傳感器旋轉(zhuǎn)，對列車車輪滾動圓直徑進(jìn)行檢測。標(biāo)定板固定在支撐架上，負(fù)責(zé)對測量直徑的標(biāo)定，確定測量系統(tǒng)的靜態(tài)特性消除系統(tǒng)誤差。2.4.6 車輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置車輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置由：減速電機(jī)、回轉(zhuǎn)底板、軸套、軸承套、直線軸承和鏈輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成；減速電機(jī)安裝電機(jī)支撐座上，電機(jī)支撐座依靠連接裝置安裝在軸套上；直線軸承和鏈輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連，通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動鏈輪旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，經(jīng)直線軸承帶動回轉(zhuǎn)底板，使被測列車車輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，負(fù)責(zé)實現(xiàn)車輪多點檢測。2.4.7 車輪在線檢測系統(tǒng) 車輪檢測平臺上在垂直和水平方向上分別安裝一條絕對式光柵尺。在線檢測系統(tǒng)是采用 PMAC 伺服電機(jī)控制與光柵位移反饋系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，用于精確控制激光位移傳感器的測量位置，該控制系統(tǒng)共分為四部分，PMAC 伺服電機(jī)控制，光柵位移反饋控制，PLC 控制以及測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；工控機(jī)發(fā)出指令給 PMAC 運動控制卡，PMAC 運動控制卡發(fā)出信號給伺服驅(qū)動器，再由伺服驅(qū)動器控制車輪水平檢測平臺和垂直檢測平臺，兩者移動距離由光柵尺測得并反饋給 PMAC 運動控制卡，再由控制卡計算出補(bǔ)償量實現(xiàn)移動平臺的精確位置控制。保證系統(tǒng)的高重復(fù)定位精度。PLC 控制系統(tǒng)控制車輪水平輸送平臺的氣缸、車輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的伺服電機(jī)、氣缸及車輪水平檢測平臺的伺服電機(jī)。數(shù)據(jù)采集卡采集 2 只激光位移傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，即盤形薄板邊緣處的激光位移傳感器、盤形薄板圓心正下方的激光位移傳感器。2.5 具體的檢測過程① 車輪在輸送到檢測平臺時，完成粗定位； ② 伺服電機(jī)帶動車輪輸送裝置將被測車輪水平輸送到檢測位置；③ 推軸向上推動定位爪組件，實現(xiàn)精準(zhǔn)定位；④ 依靠定位爪組件自重，使其落下，避免對檢測區(qū)域進(jìn)行干涉；⑤ 支撐架沿水平方向運動，滾珠絲杠線性滑臺直線導(dǎo)軌垂直方向運動，單軸導(dǎo)塊運動，確定檢測位置；⑥ 中空旋轉(zhuǎn)工作臺帶動激光位移傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對車輪的檢測；⑦ 當(dāng)被測車輪檢測完成時，車輪輸送裝置將車輪送回到初始位置；本實驗采用合理的定位裝置與定位爪裝置，保證車輪測量過程中不發(fā)生位置偏移，并依靠定位爪的自重來實現(xiàn)測量范圍要求；控制系統(tǒng)中采用伺服電機(jī)控制與絕對光柵位移反饋系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證精確控制激光位移傳感器的測量位置，提高系統(tǒng)的測量精度；測量系統(tǒng)中采用 2 只點激光位移傳感器，采用符合實際工況的定位基準(zhǔn)，完成對不同類型的列車車輪滾動圓直徑和車輪及制動盤大孔直徑的測量，能夠保證高檢測精度、高重復(fù)定位精度和滿足企業(yè)生產(chǎn)節(jié)拍的目的。2.6 本章總結(jié)在設(shè)計的過程中，遇到了很多的問題。在選擇是對車輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)還是對激光位移傳感器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)是走了很多的彎路，為了理清楚設(shè)計思路，對兩種旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行了對比研究，最終決定采用激光位移傳感器旋轉(zhuǎn)的方案；而對激光位移傳感器的旋轉(zhuǎn)方式，采用了新型裝置：中空旋轉(zhuǎn)工作臺，能夠很好的完成設(shè)計需要。第三章 設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 簡介根據(jù)設(shè)備的技術(shù)要求和功能要求，將設(shè)備按上一章的分為傳送部分，定位部分，檢測部分。其中檢測部分是整個設(shè)備中的很重要的部分。3.2 技術(shù)要求1)、系統(tǒng)測量精度≤0. 08mm；2)、系統(tǒng)測量重復(fù)精度≤0. 05mm；3） 、測量傳感器精度≤0. 03mm；4） 、車輪孔測量時間節(jié)拍≤5min；5） 、設(shè)備載重≥20KN；6） 、車輪滾動圓直徑（滾動圓距車輞內(nèi)側(cè)面距離為 70 和 73.5mm） ；830-920mm；7)、車輪及制動盤大孔直徑 187-199mm。3.3 測量精度測量精度是指測量結(jié)果的偏差程度相對于真實值來進(jìn)行衡量。在測量時,任何類型的測量的精度水平只能是相對的,因為測量時存在各種各樣的誤差，所以是不可能具有絕對的準(zhǔn)確性的。只用通過不斷提高測量的精度，不斷減少誤差，才能使得結(jié)果變得準(zhǔn)確、精準(zhǔn)、可靠。我們只有充分理解了測量中可能出現(xiàn)的誤差，才能避免不必要的誤差，所以需要采取必要的措施來克服。通常在基本的測量中的誤差,補(bǔ)償誤差、絕對誤差、相對誤差、系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差、故障誤差和抽樣誤差等。1.測量誤差及其產(chǎn)生的原因⑴ 儀器的原因 ⑵人的原因 ⑶ 外界環(huán)境的影響 2.測量誤差的分類與處理原則⑴ 系統(tǒng)誤差 ---- 也被稱為常規(guī)誤差。是在一定的測量條件下,重復(fù)測量某一尺寸,誤差值的大小和符號(正或負(fù))保持不變,或條件的變化,根據(jù)一定的規(guī)律變化的誤差。前者稱為固定的系統(tǒng)誤差,后者稱為變量系統(tǒng)誤差。⑵ 偶然誤差----在相同觀測條件下,一系列的觀測在一定數(shù)量,如果錯誤出現(xiàn)的跡象和數(shù)值大小是不一樣的,從表面上看沒有規(guī)律性,稱為“偶然誤差。⑶ 誤差的處理原則系統(tǒng)誤差往往會對觀測結(jié)果產(chǎn)生重大的影響,應(yīng)當(dāng)予以糾正的,抵消或削弱。對于某些系統(tǒng)誤差是未知的,在不同的時間使用多個觀測。消除系統(tǒng)誤差的常用的有效方法:檢查儀器②的數(shù)量正確使用③合理的觀測方法。偶然誤差的研究是一個重要的課題。消除或削弱的偶然誤差的有效方法:1 適當(dāng)提高儀器等級；2 進(jìn)行多次觀察，取平均值；3、偶然誤差的特點。(1) 在必須的觀測要求下的適當(dāng)?shù)挠^測,偶然誤差的絕對值存在一定的限制；⑵絕對值較小的誤差發(fā)生頻率大, 絕對值較大的誤差發(fā)生頻率??；(3)正、負(fù)誤差有同樣的絕對值出現(xiàn)的頻率大致相等；(4)觀察數(shù)量的增加次數(shù)接近無限時,偶然誤差的理論平均值趨于零。3.4 傳送部分3.4.1 詳見圖 3.4.1 方案設(shè)計圖 3.4.1 方案設(shè)計3.4.2 滾珠絲杠的設(shè)計滾珠絲杠中含有螺桿、螺母、鋼球、預(yù)壓片、反向器、防塵器等。它可以將是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，進(jìn)一步運用了艾克姆螺桿，是對其的擴(kuò)大和發(fā)展，它將軸承的滑動轉(zhuǎn)變成為滾動操作，因為其具有摩擦阻力小這一優(yōu)點，因而在各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器中被廣泛使用。3.4.2.1 滾珠絲杠的優(yōu)點傳動效率高：滾珠絲杠傳動系統(tǒng)傳動性能更好，其存在較高的傳動效率，其能達(dá)到的傳動效率是傳統(tǒng)滑動絲杠系統(tǒng)的 3 倍左右，所以可以在較小的扭矩的情況下產(chǎn)生較大的推力，也同樣可以將直線運動轉(zhuǎn)為旋轉(zhuǎn)運動。運動平穩(wěn)：因為滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的接觸方式是點接觸，并且是滾動，所以在其具有靈敏度高、摩擦阻力小、低速時無爬行等優(yōu)點，正因為其存在這這樣的優(yōu)點，所以可精密地控制滾珠絲杠系統(tǒng)的微量進(jìn)給。高精度：由于滾其在運動中溫度上升幅度較小，并可以采取使用預(yù)緊來減少軸向間隙，也同樣可以對絲杠進(jìn)行拉伸來補(bǔ)償熱伸長，所以利用滾珠絲杠獲得定位精度和重復(fù)定位精度能夠達(dá)到一個很高的程度。高耐用性：采用經(jīng)過硬化（HRC58~63）處理的鋼球，并且精密磨削循環(huán)體系過程采用完全滾動的方式，磨損也會因此而很小，所以滾珠絲杠的使用壽命時間長和長時間保持精度。同步性好：由于具有運動平穩(wěn)、反應(yīng)快速、無阻滯、無滑移等優(yōu)點，幾個相同的部件或裝置通過用幾套相同的滾珠絲杠同時傳動，可以實現(xiàn)很好的同步效果。高可靠性：與其它傳動機(jī)械類似氣壓、液壓傳動相比，滾珠絲杠傳動系統(tǒng)發(fā)生故障的可能性比較低，也容易維修保養(yǎng)，只需進(jìn)行簡單的潤滑和防塵。無背隙與高剛性：哥德式（Gothic arch）溝槽形狀被運用于滾珠絲杠傳動系統(tǒng)中，由于鋼珠與溝槽達(dá)到最佳接觸，所以能夠輕易運轉(zhuǎn)。若在加入的預(yù)緊力適合的情況下，可以抵消軸向間隙，滾珠的剛性性能也較好，可以通過減少滾珠和螺母、絲杠間的彈性變形，獲得更高的精度。3.4.2.2 滾珠絲杠的安裝一、支撐座側(cè)支撐單元的安裝：絲桿軸單列軸承中安裝絲桿軸，止推環(huán)將其固定； 止推環(huán)固定后，在支撐座內(nèi)安裝軸承。二，滾珠絲杠往工作臺和底座上安裝： 在合適的參考值以內(nèi)，調(diào)整安裝精度；選擇基準(zhǔn)時， 選擇固定側(cè)支撐單元，因為不僅可以把螺母外徑與工作臺螺母支座內(nèi)徑進(jìn)行合適地調(diào)整，使其間隙合理； 當(dāng)工作臺為基準(zhǔn)時，使用薄墊片來調(diào)整方形支撐單元中心高度，對于法蘭型支撐單元，螺母外徑與工作臺螺母制作內(nèi)徑需要保持在一定間隙。 三，往工作臺及底座上安裝：滾珠絲桿螺母放入螺母支座后，并將其臨時鎖緊的（在滾珠絲桿軸的中間位置安裝上螺母）；基座上移動工作臺與固定側(cè)支撐單元后臨時固定固定側(cè)和支撐側(cè)的支撐單元，支撐單元安裝在基座上；固定好后，移動工作臺到靠近固定側(cè)的行程盡頭的位置，同時相互固定工作臺和螺母支座；螺母和螺母支座被固定好。松開固定的螺栓，再重新固定工作臺和螺母支座。為了保證工作臺順暢移動，需要調(diào)整中心位置使推動工作臺到達(dá)固定支撐單元處，固定好后，保證工作臺的運行狀態(tài)良好，同時確定工作臺移動到支撐座附近。當(dāng)工作臺移動到支撐側(cè)支撐單元后，擰緊固定螺栓， 。固定好后，移動工作臺到靠近支撐側(cè)的行程盡頭，幷再次固定工作臺和螺母支座。松開后，為了確認(rèn)運行狀態(tài)，使其左右移動，當(dāng)工作臺移動到固定側(cè)。往返移動多次以此來保證工作臺再全行程內(nèi)都能順暢運行。四，確認(rèn)精度和完全擰緊螺栓：絲桿軸端外徑部分的跳動、軸方向的間隙需要用千分表來進(jìn)行測量。五，連接電機(jī)：基座上安裝電機(jī)支座。電機(jī)和滾珠絲桿被用聯(lián)軸器連接。充分的試運行。3.4.2.3 滾珠絲杠及電機(jī)選型計算①、確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程根據(jù)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速和 X 向滑板最大速度，計算絲杠導(dǎo)程。X 向運動的驅(qū)動電機(jī)選擇松下 MDMA152P1V,電機(jī)最高轉(zhuǎn)速為 4500rpm。電機(jī)與滾珠絲桿直連，傳動比為 1。X 向最大運動速度 25mm/s，即 1500mm/min。則絲杠導(dǎo)程為1500/1 4500???=?????????? .????????= × ≈0.34????實際取 =10mm，可滿足速度要求。???②、滾珠絲杠副的載荷及轉(zhuǎn)速計算滾珠導(dǎo)軌承重時的滑動摩擦系數(shù)最大為 0.004，靜摩擦系數(shù)與摩擦系數(shù)差別不大，此處計算取靜摩擦系數(shù)為 0.006。則導(dǎo)軌靜摩擦力：??0=??0??????+??=0.006×1500×9.8+4×5=108.2??式中：M —— 工件及工作臺質(zhì)量，經(jīng)計算 M 約為 1500kg。f —— 導(dǎo)軌滑塊密封阻力，按 4 個滑塊，每個滑塊密封阻力 5N。由于該設(shè)備主要用于檢測，絲杠工作時不受切削力，檢測運動接近勻速，其阻力主要來自于導(dǎo)軌、滑塊的摩擦力。則有：????????≈????????=60??????=60×2510=150??????????????≈????????≈??0=108.2??滾珠絲杠副的當(dāng)量載荷：????=2????????+????????3 ≈??0=108.2??滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速：????=????????+????????2 =150??????③、滾珠絲杠副預(yù)期額定動載荷3.1 按滾珠絲杠副的預(yù)期工作時間計算：??????=360???????? ????????100????????=360×150×15000×108.2×1100×1×1=555.06??式中：—— 當(dāng)量轉(zhuǎn)速，???? ????=60??????=60×2510=150??????—— 預(yù)期工作時間，測試選擇 15000 小時???—— 負(fù)荷系數(shù)，平穩(wěn)無沖擊選擇???? ????=1—— 精度系數(shù)，2 級精度選擇???? ????=1—— 可靠性系數(shù)，一般選擇???? ????=13.2 按滾珠絲杠副的預(yù)期運行距離計算：??????=3???????? ????????????????=325×10310×103×108.2×11×1 =14684.9993??式中：—— 預(yù)期運行距離，一般選擇???? ????=25×103??3.3 按滾珠絲杠副的預(yù)加最大軸向負(fù)載計算：??????=????????????=6.7×108.2=729.94??式中：—— 預(yù)加負(fù)荷系數(shù)，輕負(fù)載時，選擇???? ????=6.7—— 絲杠副最大載荷????????3.4 估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量 ????????≤（ 13~14） ? 重復(fù)定位精度X 向運動的重復(fù)定位精度要求為 0.005mm，則Δ??≤14×0.1=0.00125????3.5 估算滾珠絲杠副的螺紋底 X3.5.1 根據(jù) X 向運動行程為 1200mm，可計算出兩個固定支撐的最大距離：??≈（ 1.1~1.2） ???+（ 10～ 14） ????=1.2×1200+14×10=1580????3.5.2 按絲杠安裝方式為軸向兩端固定，則有絲杠螺紋底 X：??2??≥0039??0??1000????式中：—— 導(dǎo)軌靜摩擦力，??0 ??0=108.2??L —— 滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支撐的最大距離，L=1580mm則有??2??≥0039108.2×15801000×0.00125=14.42????3.6 導(dǎo)程精度的選擇根據(jù) X 向運動的定位精度要求達(dá)到 0.005mm/1000mm，則任意 300mm。長度的導(dǎo)程精度為 0.0015mm。3.7 確定滾珠絲杠副規(guī)格代號按照絲杠 選擇內(nèi)循環(huán)雙螺母式滾珠絲杠，型號為 FYND6310-4,精度等級???、 ??2??、 ??????2 級。絲杠基本導(dǎo)程 ，絲杠底 X ，外 Xd=62mm，公稱直???=10???? ??2??=57????14.42????X ，額定靜載荷??0=63????，額定動載荷 ????=48740???????? ????0=156912??。3.8 電機(jī)的選擇條件：選擇伺服電機(jī)驅(qū)動，伺服電機(jī)選取松下 NAS A4 系列 MDMA152PIV 型大慣量電機(jī)，其功率：1.5KW，額定轉(zhuǎn)矩：7.15N m，電機(jī)慣量 JM：0.00123Kg ，X 向運動工件及? ???2工作臺質(zhì)量最大值約 1500Kg。3.8.1 外部負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量：絲杠部分的轉(zhuǎn)動慣量：??1=12?????2=12×31.633×0.0312=0.0151996565???????2外部負(fù)荷的負(fù)荷轉(zhuǎn)動慣量：????=??1+???(???2??)2=0.0151996565+1500×(0.012??)2=0.01899920.09???????2則有：????????=0.01899929.090.00123=15.45加在電機(jī)上的轉(zhuǎn)動慣量：Kg??=????+????=0.01899920.09+0.00123=0.02022920.09???23.8.2 外部負(fù)荷產(chǎn)生的摩擦扭矩：????=??????2?????×10-3=108.2×102???0.9×10-3=0.19133960.94?????式中：—— 滾珠絲杠副的導(dǎo)程???—— 未預(yù)緊的滾珠絲杠副的效率（2 級精度 ）?? ??=0.9F —— 外加軸向載荷，含導(dǎo)軌摩擦力，其中含切削力為 03.8.3 預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦扭矩：????=????????2??? 1???2??2×10-3=36.07×102??×1?0.920.92×10-3=0.01346588.36?????式中：—— 滾珠絲杠副間的預(yù)緊力， =36.07N???? ????=????????3=108.2/33.8.4 支持軸承產(chǎn)生的摩擦扭矩：選擇 HRC 軸承，型號：7603050TN，查軸承樣本可得摩擦力矩： ????1=0.23?????3.8.5 加速度產(chǎn)生的負(fù)荷扭矩：根據(jù)設(shè)計要求可知：X 向工作臺運動速度為 v=25mm/s，對應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速 ，??2=150??????最大加速度為 a=40mm/ ，則工作臺速度從 0 升至 25mm/s 所需時間：??2t =2????= 2×2540=1.25??當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速從 升至 時，其負(fù)荷扭矩??1=0 ??2=150??????????=???2??(??2???1)60??? =0.02022920.09×2???（ 150-0）60×1.25=0.25420763.56?????所選擇電機(jī)額定扭矩為 7.15N m，大于計算電機(jī)總扭矩 3 倍以上，所選擇電機(jī)扭矩符合要?求。3.4.3 直線導(dǎo)軌的參數(shù)和選型當(dāng)設(shè)備運行時，壓接系統(tǒng)產(chǎn)生豎直向下運動，因此需要保證運動豎直，所以想到使用直線導(dǎo)軌。直線導(dǎo)軌具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、便于安裝和預(yù)緊等優(yōu)點，精密機(jī)床、數(shù)控機(jī)床和測量儀器等考慮到直線導(dǎo)軌地上述優(yōu)點也廣泛使用直線導(dǎo)軌。直線滾動導(dǎo)軌副由導(dǎo)軌和滑塊兩部分組成，如圖所示。在滑塊中裝有滾珠，滾珠可以在導(dǎo)軌和滑塊之間的滾道實現(xiàn)內(nèi)循環(huán)滾動，當(dāng)滾珠從工作軌道滾到滑塊端部時，通過端面擋板和滑塊中的返回軌道返回。支撐件上固定兩根導(dǎo)軌，每根導(dǎo)軌上安裝兩個滑塊，滑塊固定在移動件上。直線滾動導(dǎo)軌副的裝置如下圖 3.4.3 所示。圖 3.4.3 直線滾動導(dǎo)軌副的裝配3.4.3.1 工作載荷的計算工作載荷是影響導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。雙導(dǎo)軌、四滑塊的支持形式多用于水平布置的十字工作臺。常見的工作臺受力情況如圖所示，任一滑塊所受到的工作載荷可由以下公式計算：??1=??+??4 ???4×(??1???2??1+??2+??3???4??3+??4)??2=??+??4 +??4×(??1???2??1+??2???3???4??3+??4)??3=??+??4 ???4×(??1???2??1+??2???3???4??3+??4)??4=??+??4 +??4×(??1???2??1+??2+??3???4??3+??4)式中：—— 滑塊上的工作載荷，單位為 KN；??1~??4—— 垂直于工作臺面的外加載荷，單位為 KN；??—— 工作臺的重力，單位為 KN；如圖工作臺受力示意圖；??—— 距離尺寸，單位為 mm； ??1~??4??=(???????????????????? ???????)3×50圖 3.4.3.1 工作臺受力示意圖根據(jù)計算??1=154?154×0=3.75??2=154+154×0=3.75??3=154?154×0=3.75??4=154+154×0=3.753.4.3.2 距離額定壽命的計算是以在一定載荷下行走一定距離后，90%的支撐不發(fā)生點蝕為依據(jù)。這個載荷稱為額定動載荷 Ca 該行走距離稱為距離額定壽命。滾動體不同時，距離額定壽命 L 的計算公式也不同。滾動體為球時：??=(???????????????????? ???????)3×50滾動體為滾子時：??=(???????????????????? ???????)103×100式中：—— 距離額定壽命，單位為 Km；??—— 額定動載荷，單位為 KN；????—— 滑塊上的工作載荷，單位為 KN；??—— 硬度系數(shù)；????—— 溫度系數(shù)；????—— 接觸系數(shù)；????—— 精度系數(shù)；????—— 載荷系數(shù)；????=3.1??=(???????????????????????????)103×1003.4.3.2 距離額定壽命的計算根據(jù)距離額定壽命，可以計算出導(dǎo)軌副的小時額定壽命，計算公式為：???=??×1032????×60式中：—— 壽命時間，單位為 h；???—— 距離額定壽命，單位為 km；??—— 移動件行程長度，單位為 m；??—— 移動件每分鐘往復(fù)次數(shù)。?????=3.1×103×1032×1×220×60=1173.5 定位部分定位部分分為粗定位和精定位兩部分。3.5.1 粗定位：詳見圖 3.5.1 方案設(shè)計車輪粗基準(zhǔn)支撐裝置由：①組仿形塊、②組仿形塊和回轉(zhuǎn)部件組成；①組仿形塊和②組仿形塊旋轉(zhuǎn)陣列分布在回轉(zhuǎn)部件上，①組仿形塊負(fù)責(zé)列車車輪的粗基準(zhǔn)定位，而②組仿形塊負(fù)責(zé)列車車輪制動盤的粗基準(zhǔn)定位。圖 3.5.1 方案設(shè)計3.5.2 精定位：詳見圖 3.5.2 方案設(shè)計定位臂依靠軸連接在定位支架上，構(gòu)成定位爪組件；氣缸安裝在推軸下 20~40mm處且固定在氣缸墊上，負(fù)責(zé)給予推軸一定力；在直線軸承上安裝推軸，控制定位爪組件的上升或下降，負(fù)責(zé)被測車輪精基準(zhǔn)的定位；完成車輪精基準(zhǔn)定位后，定位臂依靠自重，自行落下，保證定位臂不會對測量區(qū)域干涉。3.5.3 氣缸的選擇3.5.3.1 氣缸的工作原理根據(jù)設(shè)計需求，選用單作用氣缸，單作用氣缸結(jié)構(gòu)簡單，并且只消耗少量耗氣量。因為彈簧安裝與缸體內(nèi)，所以氣缸的有效行程可以被大幅度縮減。彈簧的反作用力與壓縮行程正相關(guān),隨著行程的增大而增大，而活塞桿的輸出力與運動行程負(fù)相關(guān)，隨著運動行程的增大而減小。并且彈簧具有儲存動能能力，具有緩沖作用，可減小行程終端的撞擊。單作用氣缸——剖面圖3.5.3.2 氣缸的選擇①、首先，根據(jù)操作形式選定氣缸類型；②、選定根據(jù)有關(guān)負(fù)載、使用空氣壓力及作用方向確定氣缸缸徑大?。虎?、根據(jù)工件移動距離氣缸行程；④、選定氣缸安裝型式；⑤、選定緩沖器；⑥、選定磁感開關(guān)。氣缸需要負(fù)載過大的力，空氣壓力要求 0.5mbar，選擇氣缸缸徑 63mm；氣缸與推軸之間留有 20mm~40mm 的間隙，所以氣缸行程選擇 200mm；氣缸底面安裝在固定在底面上的氣缸墊上；主要作用是推動定位臂，使其夾緊。所以選擇的氣缸型號為 SMC 10A-5_GT_10A-5_63_200。圖 3.5.2 方案設(shè)計3.5.3 定位組件的設(shè)計定位臂依靠軸連接在定位支架上，構(gòu)成定位爪組件；氣缸安裝在推軸下方 20~40mm 處固定在氣缸墊上，負(fù)責(zé)給予推軸一定力；在直線軸承上安裝推軸控制定位爪組件的上升或下降，負(fù)責(zé)被測車輪精基準(zhǔn)的定位；完成車輪精基準(zhǔn)定位后，定位臂依靠自重，自行落下，保證定位臂不會對測量區(qū)域干涉。3.6 檢測部分3.6.1 檢測原理的比較選擇目前，對于車輪外徑的檢測多使用兩個激光位移傳感器動態(tài)測量車輪直徑的原理如圖3.11 所示，實際測量系統(tǒng)的構(gòu)成如圖 3.12 所示。設(shè)車輪圓周的最低點與 x 軸(即鋼軌)相切于 C 點，C 點與原點 A 間的距離為 L1, C 點與右側(cè)激光位移傳感器安裝位置 G 點的距離為 L2。左側(cè)激光位移傳感器發(fā)出的激光以 α 的角度照射在車輪踏面上，得到激光位移傳感器到 B 點之間的距離為 ι1；右側(cè)激光位移傳感器發(fā)出的激光以 β 的角度照射在車輪踏面上，得到激光位移傳感器到 E 點之間的距離為 ι2。但由于渦流位移傳感器的安裝存在