軌道交通軸承數字化測量設備在線校準方法研究*

周 菁，孫安斌，樊金鳳，張曉磊，樊晶晶

（1 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島266109；2 中國航空工業集團公司北京長城計量測試技術研究所，北京100095)

隨著智能制造技術的發展，如大數據分析，人工智能等，國內各行各業已經開始積極搭建數字化生產工廠（或車間)。數字化生產工廠（或車間) 是指將傳統生產過程中的模擬量用數字量表述的一種生產方式，如機器人替代人工搬運的過程，是用機器人數字化的運動軌跡替代人工模擬量的搬運過程。為保證數字化工廠或車間的生產效率，通常產品的檢測也需要在線完成。數字化在線檢測［1］具有符合生產節拍、檢測效率高、檢測精度及重復性高的特點。相比于人工現場檢測，數字化在線檢測是對測量過程進行無人化和數字化的過程。

在軌道交通行業中，機車性能要求的提升對核心部件的檢測提出了更高要求，特別是軸承、車軸、輪對［2］等，都需要在生產現場完成高精度測量。軸承是精度要求最高的連接部件，其尺寸是生產過程中需要嚴格把控的環節之一。軸承的尺寸以內、外徑為主，其測量不確定度要求在微米量級。傳統的測量方法是人工卡規測量，測量效率和重復性較低，因此，需要搭建軸承數字化測量設備。軸承數字化檢測設備的工作流程是全自動的過程。被測件的抓取和定位由機器人完成、測量位置由傳感器自動找正、測量值由適配量規和微位移傳感器給出，有效地保證了測量的效率和重復性。由于測量傳感器與設備集成在一起，因此，設備的測量能力需要采用現場校準［1,3-4］的方式解決。與實驗室校準相比，數字化測量設備的在線校準不僅需要校準測量傳感器本身的測量能力［5］，還要考慮現場環境［6］、設備重復定位精度的等影響，以充分保證測量設備的準確度和穩定性。

為實現軌道交通軸承的自動在線檢測，本文搭建了一臺自動化測量設備。針對影響設備測量結果的多種因素提出了在線校準和在線核查方法，以保證自動化測量設備使用過程中的準確度和穩定性。

1 軌道交通軸承數字化測量設備

1.1 設備構成

該軸承數字化測量設備主要包括工件搬運系統、多個測量工位、標準件放置臺、控制系統、防護罩等，如圖1 所示。工件搬運系統包括六自由度工業機器人、前端抓取機構、機器人承重臺和運動控制模塊等，可根據測量需求按照設定的指令和路徑執行搬運工作。多個測量工位用來實現軸承不同尺寸內、外徑的測量，且每個工位只負責軸承一個尺寸的測量。每個工位的測量頭由六支傳感器兩兩對徑均勻分布而成，如圖1 所示，傳感器零位的安置位置與軸承所測截面的標稱直徑接近。由于軸承內、外徑測量方式的不同，采用不同類型傳感器進行測量。軸承內徑采用氣動傳感器，軸承外徑采用接觸式傳感器，其中氣動傳感器的測量頭采用柔性部件安裝具有自動定心的功能。標準件放置臺用來準確放置校零用標準量規，每個軸承尺寸都有對應的標準量規。標準量規為圓柱環，其內徑和外徑均為標準值。控制系統集成了機器人、測量工位等的運動控制模塊并具備測量過程及數據的顯示、存儲等功能。

圖 1 軌道交通軸承數字化測量設備構成Fig.1 Components of digital measuring equipment for rail transit bearing

1.2 測量原理及方法

軌道交通軸承數字化測量設備每個工位上的測量頭由六支高精度傳感器組成，可以測得同一截面三個方向的直徑值，如圖2 所示，則截面測量結果D與三個方向測得直徑值d1、d2、d3的關系如式1。

圖2 同一截面的三個測量方向Fig.2 Three measuring directions on a section

為實現軸承高精度的測量，設備采用比較法進行測量。測量傳感器均為小量程，其中接觸式傳感器量程為±0.5mm，氣動式傳感器的量程為±0.05mm。測量時，首先用校準過的標準量規對傳感器測頭進行校零，即以測量標準量規時測頭的位置作為傳感器的零位，然后測量對應的軸承尺寸，測量軸承時六支傳感器產生微小的徑向移動并與被測截面接觸，獲得六支傳感器的微小位移量，設為Δi(i=1，2，…，6)，校零用標準量規的校準尺寸為d，則軸承截面在標準環境下（20℃）的測量值D可表示為：

現場環境下（非20℃），受溫度變化的影響，標準量規的校準尺寸d及被測軸承測量截面直徑D均會發生變化。設溫度變化引起的標準量規校準尺寸d的變化量為Δd，引起的被測軸承截面尺寸的變化量為ΔD，則式（2）可表示為：

式（3）中，d可通過法定計量機構獲得，Δd是環境溫度變化量ΔT和標準量規線脹系數αls的函數，ΔD是環境溫度變化量ΔT 和軸承線脹系數αlm的函數。當標準規和被測軸承的線脹系數相同或非常接近時，在相同環境下，認為Δd和ΔD相等。由于傳感器量程小，環境溫度變化對其測量頭尺寸變化的影響量Δi’（i=1，2，…，6)可忽略不計。但是現場環境下，傳感器的漂移具有不確定性，會對測量結果產生影響。因此，為獲得標準環境下軸承截面尺寸D, 需要補償環境溫度變化和傳感器漂移的影響。

2 軌道交通軸承數字化測量設備的在線校準方法

本文采用三等精度的標準量規對影響測量結果的環境溫度變化及傳感器漂移等因素進行校準，并對影響設備測量重復性的重復定位精度進行核查。標準量規的校準不確定度U=0.8μm，k=2。

2.1 傳感器漂移的在線校準

本設備的接觸式測頭采用線性可變差動變壓器式（LVDT）位移傳感器，根據傳感器的工作原理［7］可知，環境溫度變化引起激勵電流穩定性的變化、零點殘余電壓特性等都會引起傳感器的漂移。氣動測頭采用電子柱式氣動量儀，該類量儀會因空氣清潔度波動、管路漏氣等原因產生漂移［8］。傳感器的不可控的隨機漂移現象會影響設備的測量結果。因此，為保證傳感器漂移對設備測量結果的影響在允許的范圍內，本文提出定時間校零的方法對傳感器漂移進行在線校準。

開展試驗驗證該方法的有效性。試驗采用材料、形狀相同的上、下極限量規依次進行校零及測量。上極限量規的設計尺寸為軸承設計尺寸公差帶的上極限值，下極限量規為軸承設計尺寸公差帶的下極限值。因此采用上、下極限環規進行試驗可以反映測量頭在尺寸公差帶內的測量能力。試驗在一天中的10∶00、12∶00、14∶00、16∶00 進行。測量前，被測標準量規需恒溫至少4h。測量時，首先用對應尺寸的上極限量規對測量頭進行校零，然后將對應尺寸的下極限量規放置到工位上，控制測頭上下移動，對標注截面進行10 次重復測量。以截面上的三對傳感器為分析對象，計算每對傳感器40 次測量結果與下極限量規校準值的偏差，以最大絕對偏差作為測量誤差，以最大偏差與最小偏差之差作為測量重復性。四

個工位的測量誤差和測量重復性見表1。

表1 等間隔時間校零后設備測量結果Table 1 Measuring results after zero-calibration with equal time interval

對照設備技術指標要求（ 測量誤差不大于±0.003mm、測量重復性不大于±0.002mm）可知，每2h 一次的校零可有效減小傳感器漂移對測量結果的影響，使得設備的測量性能滿足技術指標要求。當試驗結果不滿足設備的技術指標要求時，則需要對傳感器的輸出因子進行重新標定。

2.2 溫度變化影響因素分析及在線校準

為補償環境溫度變化對測量結果的影響，本文需要開展試驗確定標注量規和軸承的線脹系數差異，并根據差異大小確定補償方法。當差異較小可忽略不計時，提出采用變溫度重新校零的方法補償溫度變化引起的標準量規及軸承尺寸的變化。當差異較大時，提出開展不同溫度線脹系數差異性標定補償試驗。

在傳感器漂移補償的條件下，開展線脹系數差異性分析試驗并提出校準方法。試驗假設標準量規和被測軸承線脹系數差異較小可忽略不計，并在不同溫度下測量軸承同一尺寸。當假設成立時，軸承同一尺寸不同溫度下測量結果的差異性較小。考慮設備技術指標要求，本文認為當測量結果的差異性小于1μm 時，線脹系數的差異可忽略。

根據日常工作環境溫度范圍，試驗在20.1 ℃、19.1℃、18.2℃、17.5℃四個溫度下進行。測量前，每個溫度下將待測標準量規和軸承恒溫至少4h。測量時，首先用對應尺寸的標準量規對測量頭校零；然后測量軸承對應尺寸四次。計算四次測量結果的平均值及四個測量結果與平均值的偏差。四個溫度下的的計算結果如圖3所示。

圖 3 不同溫度下校零后軸承同一尺寸的測量結果偏差Fig.3 Measurment deviations of one dimention after zerocalibration at different temperatures

從圖3 可以看出：（1）每個溫度下的四次測量結果的重復性不大于0.2μm；（2）溫度變化導致的測量結果的偏差在±0.3μm 范圍內，認為標準量規和被測軸承線脹系數的差異可忽略不計。對于溫度變化引起的標準量規及軸承尺寸的變化，提出在環境溫度變化較大時，用上極限量規重新對測量頭校零的方法。具體溫度變化多少時進行校零，需要根據被測尺寸軸承尺寸和設備測量精度要求而定。經過試驗驗證，本設備在溫度變化在大于等于1.5℃時需要校零。

2.3 設備綜合測量能力校準

對溫度變化和傳感器漂移的校準可保證設備單次測量結果準確可靠，但對于全自動的測量設備，還需要保證其多次測量的穩定性及可靠性以提高設備的綜合測量能力。對于需要定截面、定方向測量的軸承數字化測量設備，其多次測量的穩定性及可靠性與設備的重復定位精度密切相關。因此，針對本套設備的兩大運動單元，即機器人搬運單元和工位導軌運動單元，本文提出了設備綜合測量能力的在線校準方法。

該方法采用材料、形狀相同的上、下極限量規分別進行校零和測量。測量前，需要將上、下極限量規靜置至少4h。測量時，首先采用對應尺寸的上極限量規對測量頭進行校零，然后機器人抓取對應下極限量規放置在工位上進行10 次測量，每次測量都需要導軌運動到初始位置然后再測量；然后機器人抓取對應下極限量規放回標準件放置臺，并再次放置在工位上測量10 次。機器人搬運下極限量規的動作共重復三次，獲得同一截面30 次的測量結果。按照上文所述方法，計算測量誤差和重復性。四個工位的測量誤差和重復性見表2，與設備的指標要求相比，四個工位的綜合測量能力滿足要求。

表2 工位綜合測量能力校準試驗結果Tab.2 Measurment results after comprehensive ability calibration of the station

為保證設備長期運行過程中滿足技術指標要求，需要對設備的綜合測量能力進行定期校準。根據設備的工作強度，本設備的綜合測量能力校準周期暫定為半年。在實際的工作中如果頻繁出現不合格產品，則縮短綜合能力校準周期以保證設備滿足技術要求。

3 結論

數字化測量設備引入帶來了設備在線校準及在線核查的問題。以軌道交通軸承自動化測量設備為研究對象，根據設備現場測量的特點，分析了影響設備單次測量結果的重要因素，即傳感器漂移和環境溫度變化，提出了采用極限量規進行等時間間隔校零和變溫度校零的在線校準方法。為保證設備的綜合測量能力滿足要求，提出針對設備重復定位精度的在線校準方法。開展試驗驗證了上述校準方法能有效地補償環境溫度變化和傳感器漂移對測量結果的影響且能對設備的綜合化測量能力進行校準。通過對設備定期校準，可保證設備長期處于質量可控的狀態，保證自動化測量流程的質量和效率。本文提出的在線校準及在線核查方法對其他數字化設備具有重要參考價值。