[发明专利]一种火车车轴轴颈轴座外径的激光测量装置及其测量方法

权利要求书

1.一种火车车轴轴颈轴座外径的激光测量装置，其特征在于：包括电动分度盘(1)、顶针(2)、左溜板(3)、床身(4)、右溜板(6)、电动尾座(7)、第一激光测距传感器组件(8)、第二激光测距传感器组件(9)、第三激光测距传感器组件(10)、第四激光测距传感器组件(11)、丝杠机构(12)、数据采集卡、控制器及显示器、继电器以及电缆电源；床身(4)具体采用C6140床身，且床身(4)上设有导轨，床身(4)一端安装有电动分度盘(1)，顶针(2)与电动分度盘(1)的转盘刚性连接，顶针(2)的轴线与电动分度盘(1)的转盘轴线重合且与床身(4)的导轨平行，电动尾座(7)安装在床身(4)的另一端导轨上，电动尾座(7)所带顶针轴线与顶针(2)轴线重合，左溜板(3)和右溜板(6)安装在床身(4)的导轨上并位于电动分度盘(1)和电动尾座(7)之间，第一激光测距传感器组件(8)和第二激光测距传感器组件(9)并列安装在左溜板(3)上，第三激光测距传感器组件(10)和第四激光测距传感器组件(11)并列安装在右溜板(6)上，各激光测距传感器组件发射的激光线均指向顶针(2)的轴线；右溜板(6)与连接板(22)刚性连接，连接板(22)与丝杠机构(12)的螺母(21)刚性连接，丝杠机构(12)的左轴承座(19)和右轴承座(23)通过螺钉组固定在床身(4)侧面；各激光测距传感器通过信号线与数据采集卡相连，控制器通过电缆及信号线分别与电动分度盘、电动尾座、数据采集卡、显示器和继电器相连。

2.根据权利要求1所述的一种火车车轴轴颈轴座外径的激光测量方法，其特征在于：激光测量装置的两组溜板上各固定有两个激光测距传感器组件，可对两对轴颈轴座直径实现同时测量；转动丝杠机构(12)的丝杠(20)调节右溜板(6)的横向位置，使第三激光测距传感器组件(10)和第四激光测距传感器组件(11)的激光线正对着车轴右端的轴座和轴颈；待测轴(5)安装在电动分度盘(1)和电动尾座(7)的顶针之间，电动分度盘(1)使待测轴(5)每转90°进行一次测量；

首先，将已知半径R1的1#标准棒放置在电动分度盘(1)和电动尾座(7)的顶针之间，待其稳定后通过电动尾座(7)将1#标准棒顶起，转动激光测距传感器组件中第一高精度分度台(15)的蜗杆带动激光测距传感器(13)在垂直平面内转动，激光束在1#标准棒的外表面上下来回扫描，记录扫描的数值，待扫描的距离达到最小时，锁定第一高精度分度台(15)的蜗杆；然后转动激光测距传感器组件中第二高精度分度台(17)的蜗杆带动激光测距传感器(13)在水平平面内转动，激光束在1#标准棒的外表面左右来回扫描，记录扫描的数值，待扫描的距离达到最小时，锁定第二高精度分度台(17)的蜗杆；这时可近似的认为激光测距传感器(13)发射的激光束与待测轴(5)轴线相交，且垂直于待测轴(5)轴线；采用同样方法，调整其他三个激光测距传感器(13)的位姿；

上述激光线与待测轴(5)轴线相交且与其垂直仅是理论状态，故需对激光线在水平面和垂直面内的偏角α和偏角β进行标定，记录下激光测距传感器(13)读数L₁₁₀后，卸下1#标准棒，再分别装上已知半径R2、R3的2#标准棒和3#标准棒，分别记录读数L₂₁₀和L₃₁₀，在保证激光测距传感器(13)位置不变的情况下，激光测距传感器(13)发射点到待测轴(5)轴线的距离是不变的：

由式(1)利用MATLAB数学工具求出第一激光测距传感器组件(8)的激光线偏角sinβ、cosα的值；

在对第一激光测距传感器组件(8)的激光线偏角进行标定的同时，记录下其余激光测距传感器(13)的读数，采用同样方法对第二激光测距传感器组件(9)、第三激光测距传感器组件(10)、第四激光测距传感器组件(11)的激光线偏角进行标定；

将各激光测距传感器(13)的位置固定不变，卸下标准棒，放上待测轴(5)，可同时得出两个轴颈和两个轴座对应的读数L₁₁、L₁₂、L₁₃、L₁₄，电动分度盘(1)每旋转90°进行测量，分别得到读数L₂₁、L₂₂、L₂₃、L₂₄；L₃₁、L₃₂、L₃₃、L₃₄；L₄₁、L₄₂、L₄₃、L₄₄；

由读数L₁₁可得左轴颈的直径为：

分别将L₂₁、L₃₁、L₄₁代入公式(2)，计算得出D₂₁、D₃₁、D₄₁，则左轴颈的直径为：

同法，利用另外三组数据代入式(2)，同时在公式中代入各激光测距传感器(13)对应的标准棒参数和激光线角度标定值，可得左轴座直径D₂、右轴座直径D₃、右轴颈直径D₄的值分别为：

3.根据权利要求2所述的一种火车车轴轴颈轴座外径的激光测量方法，其特征在于：具体采用如下测量步骤：

S1、根据火车车轴长度，通过丝杠机构(12)中的手轮(25)调整右溜板(6)的位置，锁紧锁紧盘(24)；

S2、将已知半径R1的1#标准棒吊起至电动分度盘(1)与电动尾座(7)之间，电动尾座(7)的顶针伸出将1#标准棒顶起；

S3、转动第一激光测距传感器组件(8)中的第一高精度分度台(15)的蜗杆带动激光测距传感器(13)在竖直平面内转动，激光束在1#标准棒的外表面上下来回扫描，记录扫描的数值，待扫描的距离达到最小时，锁定第一高精度分度台(15)的蜗杆；然后转动激光测距传感器组件中的第二高精度分度台(17)的蜗杆带动激光测距传感器(13)在水平平面内转动，激光束在1#标准棒的外表面左右来回扫描，记录扫描的数值，待扫描的距离达到最小时，锁定第二高精度分度台(17)的蜗杆；

S4、重复步骤S3，分别对其他三个激光测距传感器(13)的位姿进行调整；

S5、记录下此时四个激光测距传感器(13)测得的到1#标准棒表面的距离L₁₁₀、L₁₂₀、L₁₃₀、L₁₄₀；

S6、卸下1#标准棒，分别安装2#标准棒和3#标准棒，重复步骤S5，测量记录下此时激光测距传感器(13)测得读数L₂₁₀、L₂₂₀、L₂₃₀、L₂₄₀和L₃₁₀、L₃₂₀、L₃₃₀、L₃₄₀；

S7、将测得的L₁₁₀、L₂₁₀、L₃₁₀代入式(1)利用MATLAB数学工具求出第一激光测距传感器组件(8)的激光线偏角sinβ、cosα的值；

S8、采用同样方法对第二激光测距传感器组件(9)、第三激光测距传感器组件(10)、第四激光测距传感器组件(11)的激光线偏角进行标定，卸下标准棒；

S9、安装上直径未知的待测轴(5)，每测一次数值电动分度盘(1)旋转90°，得到四组数据L₁₁、L₁₂、L₁₃、L₁₄；L₂₁、L₂₂、L₂₃、L₂₄；L₃₁、L₃₂、L₃₃、L₃₄；L₄₁、L₄₂、L₄₃、L₄₄；

S10、根据式(2)、(3)、(4)求得待测轴(5)外径尺寸D₁、D₂、D₃、D₄，并把数据上传至MES系统；

S11、卸下已测车轴，装上后续待测轴(5)，重复S9、S10，对后续车轴进行测量。