高鐵抗側滾扭桿智能測量系統

張穎敏　陳永彬

摘要：針對高鐵抗側滾扭桿組件產品形狀復雜多樣、尺寸范圍大的特點，研發一種在生產現場使用的抗側滾扭桿無人化智能測量系統。構建大行程精密三坐標測量系統與數控夾具及機器人協同，通過企業MES讀取扭桿產品形位尺寸及公差參數、自動規劃測量項目、檢測路徑及軌跡，實現無人化全自動智能檢測。通過智能標定及補償、溫度補償等技術，滿足車間現場下大尺寸復雜工件的精密形位尺寸測量。應用結果表明系統能夠滿足軌道車輛抗側滾扭桿類產品的全自動檢測要求，檢測速度快、效率高。該系統技術還可以運用在類似工況環境的大量程復雜工件智能精密尺寸檢測，通用性好。

關鍵詞：高鐵;抗側滾扭桿;智能測量;尺寸檢測

中圖分類號：TP29 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492f2021）03—0167—04

0引言

近10年來，我國高速鐵路發展迅速，國家發布的《中長期鐵路網規劃》（2016—2030年）規劃了新時期“八縱八橫”高速鐵路網的宏大藍圖，高鐵、動車、城際列車、地鐵、有軌電車等軌道交通工具需求量日益劇增。

抗側滾扭桿系統是軌道車輛特別是高鐵中關乎舒適性和安全性的重要組件。扭桿組件由1根軸和2只臂通過熱裝配實現過盈配合而成，如圖1所示。不同長度、直徑的扭桿軸與不同形狀扭轉臂的組合類型超過300種，軸長800～3500 mm，軸徑35～80mm，臂長150～400mm，如圖2所示。目前依靠人工借助簡陋的裝置，通過熱套過盈組合工藝方式，完成軸和臂的組裝，并采用通用量具測量組裝后的扭桿工件的關鍵形位尺寸是否符合要求。這種方法存在效率低、裝配精度差、工人勞動強度大等問題。

某企業研發了“高鐵抗側滾扭桿智能組裝及自動檢測系統”，實現了高鐵抗側滾扭桿熱配組裝、極限載荷測試、尺寸測量等全工藝過程自動化。本文論述其中的尺寸智能測量子系統。

1扭桿測量特點

扭桿軸和扭轉臂的熱套組裝方式：將光桿形狀的扭桿軸固定在安裝平臺上，把加熱的扭轉臂從扭桿軸的兩端分別套進V軸的指定位置，要保證安裝后的兩個扭轉臂之間的距離，精度±0.05 mm，兩扭轉臂中心平面與扭桿軸一致，高度差±0.05 mm。

通過對組裝后的扭桿組件進行關鍵形位參數測量，判斷工件是否滿足裝配要求、是否為合格產品。抗側滾扭桿的扭轉臂的種類超過300種，每種扭轉臂和扭桿軸組裝后所形成的工件水平面、工件力學結構關鍵位置的形位尺寸檢測點均不相同。圖3所示為某規格型號扭桿組件的形位尺寸檢測點，包括左端到臂外距離L、右端到臂外距離L、兩扭轉臂間上內側距離L、兩扭轉臂間下外側距離L、扭桿軸總長距離L、兩扭轉臂間水平高度差△。圖4所示為不同型號扭轉臂的測量點示意圖。

2扭桿組件智能測量系統原理

本項目解決的關鍵問題：大量程范圍（桿長800～3 500mm）在線精密檢測;針對多規格、形狀各異、檢測形位各異的扭桿（圖2為其中常見形狀）測量，設計通用工裝并實現全自動測量。

（1）大量程范圍在線精密檢測系統

系統采用大理石材料構建檢測平臺，進行受力分析、設計，保證加工形位尺寸加工精度和溫度穩定性。采用直線電機及伺服控制系統、精密直線絕對值光柵，精密觸頭在大理石平臺上構建大行程三坐標精密測量系統，附加機器視覺系統，多傳感器融合滿足各種形位尺寸測量檢測需要。尺寸測量系統結構如圖5所示。

機器人根據不同長度和重量的扭桿組件調整姿態，將工件轉運到尺寸檢測系統;根據扭桿長度，檢測平臺自動調位機構把v型活動放置塊調整到合適位置，然后夾緊工件。尺寸檢測完畢后，機器人抓取扭桿工件放置到下料軌道小車上面。

工業生產現場的檢測系統補償機制。系統通過在線標定補償機械機構運動偏差和溫度變化偏差。在大理石平臺上構建X、Y、Z三坐標移動模組，采用三軸光柵尺模塊輔助測量校準，同時采用精密三次元測頭及機器視覺系統，自動校準塊及自動調位機構，如圖5所示。其中，尺寸檢測系統大理石平臺上面安裝4個固定尺寸長寬高尺寸的校準塊，如圖6所示，用于檢測和調校三坐標機構中模組三個軸向的定位精度及整體的檢測精度，可定期對校準塊進行計量認證。大理石臺面上安裝校準塊的位置開直角坐標槽，以保證校準塊的安裝重復性。

（2）多規格復雜零件智能化檢測方案

每個型號扭桿組件的扭桿軸長度、直徑以及扭轉臂形狀、軸和臂組合方式、位置都不一樣，因此，檢測系統三坐標移動模組運行軌跡、扭桿軸形位尺寸測量點、扭轉臂高度差測量方式均不一樣。

項目采用企業MES系統、本地數據庫、本地控制系統三者結合，控制操作完成多規格全自動智能化檢測。企業MES系統管理產品組裝批次、產品編號及條碼、扭桿軸和扭轉臂的各尺寸參數和配對關系等信息，存儲在本地數據庫。本地數據庫根據MES系統的產品信息，讀取工件CAD電子圖檔進行檢測路徑規劃，制定各批次扭桿軸和扭轉臂的測量工藝操作方案。控制系統采用工控機+運動擴展卡，實現對整個測試系統和測控過程的操作，工控機依據本地數據庫有關數據進行預定工藝操作，包括自動運行檢測路徑、參數補償、自動記錄、自動判定、自動保存數據。并在運行過程中實時上傳測量系統當前的工作狀態、參數、檢測工件結果等信息至本地數據庫和企業MES系統。

3測量方法

3.1采用光柵傳感器對X、Y、Z三軸進行校準

采用光柵傳感器對X、Y、Z三軸進行校準，具體如下。

（1）利用激光干涉儀分別對三軸光柵尺進行節點測量（節點與節點間假設線性），根據各軸的長度，設置X軸上每100 mm為一節點，Y軸上每40 mm為一節點，Z軸上每20mm為一節點，對光柵進行分段校準。

（2）利用檢測平臺上的大理石標準塊進行光柵校準，將大理石標塊放置不同位置（要求放置時標塊需和平臺垂直面垂直），用通過測量標塊的相應尺寸，得出當前位置光柵的實際精度，如圖7所示。

3.2對X、Y、Z三軸間測量值進行補償

分別校準各軸光柵后，再對三個軸之間的關系進行補償，用于補償三個軸由于安裝時兩兩不垂直導致的誤差，如圖8所示，通過打表測出三軸之間的相互關系。

（1）Y和Z在X軸方向的補償

千分表頭測量平臺垂直面，移動X軸，得出X軸前后波動的偏差（XY）;千分表頭測量平臺底面，移動X軸，得出X軸上下波動的偏差（XZ）。

（2）X和Z在Y軸方向的補償

千分表頭測量大理石標塊側面，移動Y軸，得出Y軸左右波動的偏差（YX）;千分表頭測量平臺底面，移動Y軸，得出Y軸上下波動的偏差（YZ）。

（3）X和Y在Z軸方向的補償

千分表頭測量豎直大理石標塊側面，移動Z軸，得出Z軸左右波動的偏差（ZX）;千分表頭測量豎直大理石標塊正面，移動Z軸，得出Z軸前后波動的偏差（ZY）。

3.3坐標的設定和計算

3.3.1系統坐標設定

（1）坐標原點

本系統的坐標原點在X軸的最左側，Y軸最后側，Z軸最上側，電機回原后程序將光柵計數器清零。

（2）測量相對原點

由于測量都是通過計算相對坐標值，得出測量值，因此，當觸針碰到桿左端（第1點）時（如圖9所示），設置為測量的相對零點，建立測量坐標系。

3.3.2測量坐標計算

圖9所示測量點中，以觸碰第一點為相對原點的坐標系。

3.4測量形位尺寸

設備從原點出發，根據AC型或B型的扭桿組件結構，按照第一點、第二點至最后一點的順序逐個記錄每點的X軸、Y軸、Z軸位移值，計算各段形位尺寸L、L、L等的數值。

4使用情況

為了驗證設計的系統以及工藝流程是否能夠滿足抗側滾扭桿組件生產行業的真正需求，設備進行了大量實驗來檢驗系統的性能。

系統在國內某軌道車輛生產基地進行了2年的試運行，對該基地多個批次型號的扭桿組件進行關鍵形位尺寸檢測試驗，設備綜合檢測精度為±0.05 mm，檢測節拍小于或等于2min。目前設備運作良好，得到客戶廣泛認可。表1所示為該生產基地扭桿組件型號規格情況。設備在客戶現場運行情況如圖11所示。

5結束語

本文針對軌道車輛800～3500mm的尺寸范圍大、產品復雜形狀多的抗側滾扭桿組件，設計了一套高鐵輛抗側滾扭桿復雜工件無人化智能測量系統。系統采用大理石材料構建穩定和標準的檢測平臺;采用直線電機及伺服控制系統、精密直線絕對值光柵及精密觸頭在大理石平臺上構建大行程三坐標精密測量系統，附加機器視覺系統，多傳感器融合滿足多種形位尺寸測量檢測需要;通過讀取工件CAD電子圖檔進行復雜工件檢測路徑規劃，實現全自動檢測;通過在線標定補償機械機構運動偏差和溫度變化偏差。經過客戶現場近2年的大量運行數據表明，本系統能很好地代替人工在工況生產現場實時在線進行大量程復雜工件的多參數關鍵形位尺寸全自動測量，而且速度快，效率高，檢測效果準確。本項目的技術方法可拓展運用在多種領域、多種工況環境的大量程工件三坐標多參數智能精密尺寸檢測，對企業將勞動工人從復雜工況環境中解放出來，幫助企業高效、精準生產起了很好的示范作用。