陳浩 邢敏劍 常祿萍 張春城 / .上海市計量測試技術(shù)研究院；.上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院

0 引言

城市軌道交通成為城市公共交通的重要組成部分。車輪是保證軌道列車安全運行的關(guān)鍵部件，必須保持良好的技術(shù)狀態(tài)。地鐵公司會對車輪定期檢測，跟蹤和分析車輪相關(guān)數(shù)據(jù)，判斷是否對車輪進行旋削。車輪旋削的曲線幾何參數(shù)來源于車輪旋削機的設(shè)定，而車輪旋削機加工可靠程度取決于其附件標準輪對的幾何參數(shù)的正確性?？梢哉f，標準輪對是地鐵車輪幾何參數(shù)的基準。

1 整體設(shè)計

目前車輪直徑測量采用車輪外徑測量儀，該測量儀利用弓弦高原理間接測量。由于是間接測量并且是采用表盤讀取示值，并且在測量時會引入人為因素，所以準確度不能滿足測量要求。為了滿足測量要求，同時又可適用于不同輪徑范圍的測量，本次設(shè)計選用直接測量法，采用測頭與車輪點接觸，檢測裝置要同時滿足測量的量程和準確度，輪徑檢測根據(jù)分段測量和大數(shù)、小數(shù)分開測量的原則，可以根據(jù)不同的輪徑將檢測裝置拆裝并重新標定，大數(shù)通過標準量棒標定，小數(shù)利用測量光柵尺測量。為避免在測量時引入人為因素，采用自動測量。將檢測裝置固定在車輪上，電機驅(qū)動測頭沿車輪輪緣自動完成擺動掃描測量，將所測得的量值通過采樣傳到上位機。利用采樣得到一系列量值，其中極大值即為車輪的直徑，如此即為自動找尋拐點求最大弦長。

2 機械結(jié)構(gòu)

2.1 分段和大小數(shù)分開測量

1）分段測量

車輪輪徑檢測裝置主要由固定支架部件、基座部件、測量部件構(gòu)成。固定支架部件是指具有可拆裝功能并能對整個檢測裝置起固定作用的支架。固定支架部件由三段鋁合金型材拼裝而成，包括縱向支撐架、橫向支撐架。固定支架部件具有可拆裝功能，用于解決因測量量程過大而導(dǎo)致的測量準確度問題。為提高測量準確度，將直徑的測量分為500～700 mm和700～900 mm兩段，橫向支撐架有兩種不同長度，選定測量基準，選取合適長度橫向支撐架重新拆裝，每次測量重新拆裝固定支架并用標準量棒標定。另外，為滿足現(xiàn)場測量，可拆裝固定支架，增加攜帶方便性。通過固定支架部件固定整個輪徑檢測裝置，其可拆裝性可有效解決測量量程和測量準確度的問題，并且能根據(jù)不同的車輪輪徑隨意拆裝組合固定支架。

2）大小數(shù)分開測量

輪徑測量長度由輪徑測量裝置上兩測頭間距決定。將直徑的測量分為500～700 mm和700～900 mm兩段。橫向支撐架有兩種不同長度，選定500 mm、700 mm為測量基準，測量光柵尺量程選用200 mm，選定標準量棒的標定基準D0，變化長度ΔD通過測量光柵尺測得，則車輪輪徑是標定長度和測量光柵尺實測長度之和，即為

將輪徑測量裝置兩測頭的間距分為標定長度和測量長度，即為大小數(shù)分開測量，大數(shù)為標定長度，小數(shù)是測量長度。標定長度可通過標準量棒標定，測量長度采用高精度測量光柵尺。如此測量，既能保證測量量程，也能滿足測量準確度。

標定時，兩側(cè)測頭緊靠標準量棒兩端，測頭B固定不動，測頭A可移動。直線導(dǎo)軌上的滑座可沿導(dǎo)軌自由滑動，滑座連同套筒光柵尺副尺移動到某位置，標定該位置為測量零點。在此期間，彈簧未受壓力，測頭A與套筒相對位置保持不變，此時量棒的長度即為標定長度。測量時，根據(jù)大數(shù)、小數(shù)分開測量原則，大數(shù)通過標準量棒標定，小數(shù)由測量光柵尺測得，光柵尺測得長度即為測量長度。

2.2 拐點測量

為保證測量準確度，輪徑測量裝置采用點接觸方式，活動測頭和固定測頭為球形鎢鋼測頭，測量時直接將兩側(cè)的測頭與車輪輪緣接觸。采用點接觸測量輪徑需要找到車輪的最長弦，車輪最長弦即為直徑。

為了能檢測出車輪輪徑的直徑，考慮采用在測量過程中尋找拐點的方式。輪徑測量裝置的一個測頭直接與固定支架固定，測量過程中保持不動，輪徑測量裝置兩測頭中心線始終保持平行。

如圖1所示，基座包括直線導(dǎo)軌、套筒、連接板、測量擋板、測頭連接桿和抗壓彈簧。測頭連接桿和連接板將測頭A與測量光柵尺副尺連接，測頭連接桿可在套筒中滑動，測頭A推動測頭連接桿在套筒中沿著X軸測量基準線移動，從而帶動光柵尺副尺移動并在表頭上顯示其長度值。

測量部件安裝在基座部件上，基座內(nèi)安裝有滾珠絲桿和步進電機。步進電機驅(qū)動滾珠絲桿螺母沿垂直于測量基準線的Y軸方向移動。電機驅(qū)動測量部件行走，測量部件沿Y軸上下移動帶動測頭沿車輪輪緣擺動掃描。測頭A可沿輪緣擺動。在測頭A動態(tài)擺動掃描的過程中，測量光柵尺實時輸出測頭掃過輪緣各點的弦長，其中最大值即為車輪輪徑。

2.3 定位輔助

為了保證輪徑測量裝置能穩(wěn)定固定在車輪上，實現(xiàn)自動化測量，V形鐵部件被固定在固定支架上。調(diào)節(jié)蝶形螺母可使V形鐵上下移動，從而使輪徑測量裝置相對車輪的位置發(fā)生改變。為了便于測頭擺動掃描找到拐點，調(diào)節(jié)輪徑測量裝置相對車輪的位置可使兩測頭中心線靠近車輪中心。

根據(jù)車輪測量規(guī)定，車輪輪徑測量在距離輪緣內(nèi)側(cè)70 mm處。因此，為了保證輪徑測量裝置定位可靠，用電磁鐵將其吸附在車輪輪緣內(nèi)側(cè)。電磁鐵的位置也可調(diào)節(jié)，保證輪徑測量裝置的測量點滿足測量規(guī)定。

3 控制部分

3.1 電機控制

輪徑測量裝置要能實現(xiàn)測頭沿著車輪輪緣上下擺動掃描測量，本次設(shè)計主要利用步進電機驅(qū)動測量部件上升、下降、快速上升和快速下降。步進電機是一種能將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機電元件，步進電機控制系統(tǒng)主要由步進控制器、功率放大器及步進電機等組成。采用單片機控制，用軟件代替上述步進控制器，使得線路簡單，成本低，可靠性大大增加。采用傳統(tǒng)的STC89C51單片機作為主控芯片。此芯片價格便宜、操作簡便、低功耗、經(jīng)濟實惠。

圖1 測量部件

3.2 串口數(shù)據(jù)

光柵尺將實時測量輪徑弦長的變化，光柵尺測量的數(shù)據(jù)將在數(shù)顯表中顯示，Matlab與下位機通過串口通信，將數(shù)顯表中數(shù)據(jù)通過采樣保存到上位機，根據(jù)通信協(xié)議實時讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)繪制為實時曲線并顯示，完全讀取后保存為Excel文件。通過串口主要實現(xiàn)的功能包括讀取串口數(shù)據(jù)、實時顯示串口數(shù)據(jù)、實時繪制串口數(shù)據(jù)曲線和將串口數(shù)據(jù)保存為Excel文件。

圖2所示是Matlab與下位機通信流程圖，上位機與下位機通過RS232連接，設(shè)置通信COM口，打開串口，向串口發(fā)送握手信號，讀取串口數(shù)據(jù)，判斷第一個字節(jié)是否是串口回送的握手信號，判斷數(shù)據(jù)是否正常，在上位機界面中根據(jù)讀取數(shù)據(jù)顯示出輪緣曲線，并保存采樣讀取的數(shù)據(jù)，找到其中的拐點，即數(shù)據(jù)中的最大值，該值即為車輪直徑。

4 實驗測試與結(jié)果

圖2 Matlab與下位機通信流程

將標定好的輪徑測量裝置固定在地鐵車輪上進行測量。將V形鐵架在車輪之上，調(diào)整測量裝置的高度，使測頭中心軸線盡量靠近車輪中心。電磁鐵吸附在車輪內(nèi)測，保證測量時測頭距離車輪內(nèi)側(cè)為70 mm。

測量時，啟動電機，按下測量鍵，步進電機驅(qū)動測頭沿著車輪輪緣上下移動。測量時，輔助測頭通過三點定位保證測量的可靠性。當(dāng)測頭沿著車輪輪緣移動時，光柵尺實時采集數(shù)據(jù)，并通過串口保存到上位機。測量結(jié)束，基座回到初始位置。對實驗現(xiàn)場五組輪對直徑進行測量，并通過PC機采集保存部分數(shù)據(jù)，車輪直徑數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 車輪直徑數(shù)據(jù)記錄表

5 不確定度分析

1）測量方法：若車輪輪徑在600～700 mm范圍內(nèi)，用600 mm標準量棒標定，光柵測微頭置于零位。光柵測微頭沿車輪進行上下運動，記錄運動過程中采集到的最大點作為光柵測微頭實測長度。車輪輪徑即為標定長度與光柵測微頭實測長度之和。

2）環(huán)境條件：溫度：（20±3）℃。

3）測量標準：光柵式輪徑測量尺、標準量棒。

4）被測對象：直徑大小651.659 mm的標準輪對，其最大允許示值誤差為±50 μm。

5）測量過程：標準輪對直徑是以光柵式輪徑測量尺進行直接校準的測量模型：

式中：D—— 標準輪對直徑實測值；

a—— 輪徑測量尺大數(shù)標定長度；

L0—— 光柵尺測量示值；

Lb—— 校準量棒的示值誤差

5.1 輸入量的標準不確定度的評定

1）輸入量a的標準不確定u(a)的評定

以測量點600 mm示值為例，在重復(fù)性條件下，用600 mm量棒連續(xù)校準10次，得到測量列： 600.001 mm， 600.002 mm， 600.004 mm，600.004 mm，600.0020 mm，600.003 mm，600.005 mm，600.001 mm，600.002 mm，600.004 mm。

單次標準差s=

則可得到：

2）輸入量L0的標準不確定度u(L0)的評定

輸入量L0的不確定來源主要是測量重復(fù)性引起的標準不確定度u1(L0)和光柵測微頭自身示值誤差引起的標準不確定度u2(L0)評定。

3）測量重復(fù)性引起的標準不確定度u1(L0)

以測量點51.659 mm示值為例，在重復(fù)性條件下，連續(xù)測量10次，得到測量列：51.670 mm，51.658 mm，51.672 mm，51.657 mm，51.670 mm，51.662 mm，51.673 mm，51.662 mm，51.665 mm，51.668 mm。

單次標準差s=

4）光柵測微頭自身示值誤差引起的標準不確定度u2(L0)

光柵測微頭自身示值誤差為±(0.5 +L/200) μm（L為測微頭量程，mm），采用B類方法進行評定，

則可得到：

因此，可以得到

5.2 輸入量Lb 的標準不確定度u(Lb)的評定

輸入量Lb的不確定來源主要是校準用量棒長度引起的標準不確定度分項u1(Lb)、光柵式輪徑尺和校準量棒的熱膨脹系數(shù)存在不確定度，當(dāng)溫度偏離標準溫度20 ℃引起的標準不確定度分項u2(Lb)。

1）u1(Lb)的評定

校準用量棒中心長度引起的標準不確定度分項u1(Lb)，用B類方法進行評定。

L= 600 mm時，校準量棒為600 mm，根據(jù)量棒示值誤差不確定度要求，其擴展不確定度為2.0 μm，包含因子k= 2。故

2）u2(Lb)的評定

輪徑尺與校準量棒熱膨脹系數(shù)存在不確定度，當(dāng)溫度偏離標準溫度20 ℃引起的標準不確定度分項u2(Lb)的評定 （采用B類方法進行評定）。

由于輪徑尺熱膨脹系數(shù)和校準量棒熱膨脹系數(shù)均為(11.5±1)×10-6℃-1，故兩者熱膨脹系數(shù)都在（11.5±1）×10-6℃-1范圍內(nèi)等概率分布，兩者熱膨脹系數(shù)最大差應(yīng)在±2×10-6℃-1范圍內(nèi)服從三角分布，該三角分布半寬為2×10-6℃-1，L以測微頭量程200 mm代入，包含因子k取。Δt以3 ℃代入得

L= 600 mm時：

3）輸入量Lb的標準不確定度u(Lb）的計算：

5.3 合成標準不確定度的評定

合成標準不確定度的計算

輸入量a、L0與Ls彼此獨立不相關(guān)，所以，合成標準不確定度可按下式得，

5.4 擴展不確定度的評定

L= 600 mm時：取置信概率約為95%時，k= 2，則U= 2×6.03 μm ≈ 12.1 μm

5.5 測量結(jié)果不確定度報告與表示

標準輪對的示值誤差測量結(jié)果的擴展不確定度為

L= 600 mm 時：U= 12 μm (k= 2)

同理可得：

L= 1 000 mm 時：U= 13 μm (k= 2)

6 結(jié)語

綜上所述，使用本文所介紹的裝置對車輪輪徑的測量與傳統(tǒng)方法相比，準確度有了很大的提高，評定的不確定度也滿足溯源要求。