軌道交通車軸自動檢測設備在線校準方法研究

林永強，李 艷，趙榮庭，周 菁，張曉磊

（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）

車軸是承載鐵路機車載荷的重要部件，所處的運行環境復雜，在列車高速運行過程中會飛速旋轉，如果車軸制造精度不足，車軸尺寸引起的裝配誤差會導致車軸載荷分布不均衡，進而導致機車車體的振動和車輪、車軸本身的磨損，甚至會引發安全事故。因此，車軸尺寸的測量精度直接關系到動車運行的安全[1-2]。

車軸檢測的主要內容為車軸工作配合面的尺寸及其形位公差。傳統檢測方法采用專用檢測工具進行接觸式測量，例如徑向尺寸采用外徑千分尺測量，軸向尺寸采用專用測尺測量，圓弧部位采用圓弧半徑規測量，由檢測人員在平臺或專用支架上進行。人工測量使得檢測人員工作強度大、效率不高，測量結果容易受到檢測人員技術水平的影響，測量數據也難以實現信息化管理。

隨著軌道交通的高速發展以及智能制造2025和工業4.0的推進，軌道交通轉向架車軸的產品質量和生產效率要求不斷提高。為了滿足日益增長的生產需求，車軸生產線不斷引入新的測量設備和信息管理系統，由傳統檢測方式逐漸轉變到數字化、半自動化及自動化，測量工具由通用量具發展為自動檢測設備，生產數據實現信息化管理。數字化信息系統將測量過程中的測量設備、機器人系統、機器人外圍系統、料架系統、零件標識系統、安全防護系統等有效串聯起來，形成測量單元，有效管理測量信息，為加工、裝配過程提供數據反饋，提高了產品的質量和生產效率[3]。

基于信息化管理系統，本文介紹了車軸自動化檢測系統，實現全過程的信息化管理，檢測得到的車軸測量值可為其他生產環節提供依據。然而，針對自動檢測設備，其校準方法不同于傳統檢測工具，需要在現場環境下實現在線校準，要考慮到環境誤差、安裝誤差、阿貝誤差等因素對設備的影響，單獨校準此類設備上安裝的傳感器并不能準確評價其檢測產品特征參數的能力。因此，為了保證車軸自動化檢測設備能夠發揮其重要作用，保障測量數據的準確可靠，對車軸自動化檢測系統的校準方法進行研究是很有必要的。

本文對軌道交通車軸自動檢測設備的組成、測量原理及校準方法進行了研究，分析了測量結果的誤差來源，給出了適合該自動檢測設備的現場校準解決方法，并根據給出的校準方法進行了實驗驗證。

1 軌道交通車軸自動檢測設備原理及結構

車軸是構成車軸的基準部件，車軸檢測需要在實現適應車軸生產線多品種、批量化生產需求得同時，準確、高效地實現車軸的全尺寸檢測，并實現生產過程中的信息共享。

1.1 車軸結構特征參數

車軸主要包括軸徑、軸身、輪座、齒輪箱座等結構，這些結構主要用于安裝軸承、車輪、制動盤、齒輪箱、驅動單元等零部件[4]。車軸具有尺寸大、結構復雜、結構特征參數精度要求高的特點，其基本結構如圖1所示。

圖1 車軸基本結構示例（單位：mm）

車軸軸體上包含大量的裝配定位基準，其結構特征參數包括臺階軸的軸向尺寸、直徑、圓度（徑向跳動）、圓柱度，臺階端面跳動，端面平行度以及過渡段的圓弧半徑等。其中，各個階梯軸的直徑檢測是檢測和記錄的關鍵點，屬于高精度檢測，圓弧和軸向尺寸的檢測同樣是難點。

1.2 車軸自動檢測設備結構組成及原理

采用車軸檢測設備用于對車軸結構特征參數（尺寸和幾何結構）進行在線自動測量，采用高精度直線位移定位單元結合雙向接觸式測量頭與激光掃描測量頭，實現車軸結構特征參數的準確測量。設備的結構組成如圖2所示，主要包括基座、車軸夾持及旋轉單元、4個橫向測量臂、2個光學測微計（激光掃描測量頭）、測量頭軸向直線位移單元、標準塊、運動控制及測量軟件。

圖2 軌道交通車軸自動檢測設備機械結構組成

1.2.1 測量臂及直線定位單元

測量臂結構如圖3所示，4個橫向測量臂可分為2個外臂和2個內臂。每個外臂上一側安裝有一對雙向接觸測量頭，如圖3（a）所示，另一側安裝有一對激光掃描測量頭，如圖3（b）所示。每個內壁上僅一側安裝有一對雙向接觸測量頭，另一側為空。雙向接觸測量頭能夠測量軸向及徑向尺寸，激光掃描測量頭能夠測量過渡段圓弧半徑和長度。

圖3 測量臂結構示意圖

測量臂固定在滑塊上，其在縱軸上的定位由直線定位單元實現。測量臂底座為U形框架，2個徑向定位和測量直線位移單元固定在框架上，可將接觸測量頭從徑向方向移動到被測部位。

1.2.2 標準塊

標準塊對測量傳感器校準示意圖如圖4所示。標準塊位于檢測設備中部，用于接觸測量頭和光學測微計的自校準。校準時將測量頭移至標準塊，測量標準塊的直徑（徑向）及縱向長度，采用光學測微計測量標準塊的直徑。

圖4 標準塊對測量傳感器校準示意圖

2 測量數學模型

車軸自動檢測設備在經過標準塊校準后，測量時采用相對測量法得到直徑和位置尺寸，如圖5所示。

圖5 軸向及徑向尺寸測量示意圖

對于車軸直徑，有D=D0+d1+d2。

對于車軸端面位置，有L=L0+l。

記車軸特征參數為M，將測量方程統一寫為：

式（1）中：M為車軸特征參數測量值；M0為標準塊參考值；m為測量值的變化量。

在現場環境條件下，標準塊檢定、檢測設備自校準環節、車軸測量環節所處的環境溫度不能保持一致，需考慮環境溫度變化對測量結果造成的影響。車軸檢測設備為高精度設備，溫度的影響會比較顯著[5]。

另外，由上述測量模型可知，標準塊參數越接近被測車軸特征參數的值，測量結果的準確度越高。然而，設備內置的標準塊尺寸單一，不能保證檢測設備對車軸全部特征參數測量的準確性。在進行端面位置測量時，測量頭所在的位置由直線位移單元決定。在車軸檢測過程中，測量臂通過軸向直線位移單元移動到指定位置處進行檢測，直線位移單元的定位精度直接決定了測量臂能否對規定的位置進行正確測量。

設標準塊尺寸受溫度變化的影響產生的變化量為ΔM0，被測車軸特征參數受溫度影響的變化量為ΔM，測量頭受溫度變化的影響量為Δm，受直線位移單元定位不準確的影響量為Δl，則式（1）可表示為：

式（2）中：ΔM為被測車軸特征參數受溫度影響的變化量，是測量環境溫度變化量ΔT2和車軸線膨脹系數αs的函數；ΔT2為測量環境溫度T2與標準環境溫度T0之間的變化量；ΔM0為標準塊尺寸受溫度變化的影響產生的變化量，是自校準溫度變化量ΔT1和標準塊線膨脹系數αs的函數；ΔT1為自校準時的環境溫度T1與標準環境溫度T0之間的變化量。

從上述測量模型可以看出，影響測量結果的因素主要包括測量環境溫度的變化、直線位移單元定位精度、標準塊及被測車軸的線膨脹系數等。如果標準塊和被測車軸的線膨脹系數相近、尺寸相近，且測量環境溫度與零位校準時的溫度變化不大，則才可認為ΔM0與ΔM相近。由于傳感器測量的是相對值，環境溫度變化對其測量尺寸變化的影響量Δm可認為是微小量。當直線位移單元的重復定位精度較高時，直線位移單元定位不準確的影響量為Δl也可以忽略。因此，為了準確獲得標準環境下的車軸結構特征參數M的值，需要保證以下條件：①自校準溫度與測量溫度一致；②標準塊的材質與典型車軸的材質一致；③標準塊的尺寸與被測車軸特征參數相近；④測量頭直線位移單元有較高的重復定位精度，重復定位誤差對車軸軸向測量結果造成的影響可以忽略。

然而，由于環境溫度在現場條件下難以保持一致，需要考慮環境溫度變化對測量結果的影響。除內置標準塊以外，檢測設備應引入外部標準軸進行自校準，外部標準軸與被測軸尺寸大致相同，可用于校正與被測軸的實際類型尺寸相對應的直徑及距離值。如果車軸軸向結構特征參數的測量結果不合格，還應考慮測量頭直線位移單元的定位誤差是否對測量結果造成了影響。在對車軸自動檢測設備進行校準時，應對其在現場環境下的綜合測量能力進行評價。

3 計量特性

車軸自動化檢測設備的計量特性包括車軸結構特征參數的測量誤差、測量重復性，必要時，還應對設備測量頭直線位移單元的定位精度、重復定位精度進行校準。具體定義如下。

車軸結構特征參數測量誤差：車軸結構特征參數的測量結果與實際值之間的誤差。

車軸結構特征參數測量重復性：使用相同測量方法、相同觀測者、相同的測量儀器、相同場所、相同工作條件在短時期內，對同一車軸結構特征參數連續測量所得結果之間的一致程度。

測量頭的定位精度：測量頭沿車軸方向直線移動的實際位置與標準位置之間的誤差。

測量頭的重復定位精度：在相同條件下，測量頭沿車軸方向直線移動到同一目標位置的一致程度。

4 軌道交通車軸自動檢測設備的校準方法

軌道交通車軸自動檢測設備的檢測對象包含不同位置臺階軸的軸向尺寸、直徑、圓度（徑向跳動）、圓柱度，臺階端面跳動、端面平行度以及過渡段的圓弧半徑等多種參數，對結構特征參數的檢測要求較高。為了準確評價設備準確測量這些參數的能力，必須考慮裝夾定位、測量環境對測量結果的影響，測量系統自身修正及補償的影響等。本文采用實物標準器法對車軸自動檢測設備進行校準。實物標準器上包含檢測設備被測對象的所有參數，作為傳遞標準，將設備測量值與標準件參考值進行比較，驗證檢測設備的準確性。實物標準件校準方法可以很好地解決多參數量值傳遞問題，改變傳統校準模式，關注被測對象和測量過程的各種影響因素，實現對專用自動檢測設備的現場準確校準。

本文中的車軸自動檢測設備的車軸結構特征參數的測量誤差和測量重復性要求如表1所示。

表1 車軸自動檢測設備測量精度指標

4.1 車軸標準樣件

本文采用的實物標準器為車軸標準樣件如圖6所示。車軸標準樣件的材質與典型的機車車軸一致，具有多個階梯軸，階梯軸能夠反映現有車軸的尺寸范圍和結構特征，能夠給出所有車軸結構特征參數，如表2所示。車軸標準樣件的所有車軸結構特征參數經由三坐標測量機給出參考值，需經過第三方計量機構的檢定，并配有檢定證書，測量不確定度U=0.003 mm（k=2）。

圖6 車軸標準樣件

表2 車軸標準樣件的特征參數及其標稱值（單位：mm）

表2（續）

4.2 校準方法及流程

4.2.1 校準程序

考慮環境溫度變化對測量結果的影響，執行校準過程需要在3個不同的溫度段下進行。3個溫度段下的溫度都應在（20±5）℃范圍內。測量前，將車軸標準樣件在現場進行定溫，時間不少于8 h。測量期間標準塊與車軸標準樣件的溫度偏差不超過1.5℃。

每個時段下的校準程序如下：①控制現場環境溫度為T1，建議T1的溫度為（20±0.5）℃，開始進行T1溫度時段測試；②車軸自動檢測設備經開機預熱、自校準后，將車軸標準樣件放置在夾持旋轉單元上，確定旋轉過程中樣件運動平穩、無振動、無卡澀現象后，可以實施校準；③按照設定的檢測程序，控制雙向接觸式測量頭中的軸向測量頭分別與表2中所列出的某一階梯軸Ai的端面位置接觸，記錄下軸向測量頭的軸向位置，旋轉標準樣件一周，得到一組軸向位置AiXj，取平均值，作為該階梯軸Ai的端面位置，其AiX、AiX的標準偏差σAiX可視為該端面的端面跳動；④按照設定的檢測程序，控制雙向接觸式測量頭中的徑向測量頭分別與表2中所列出的某一階梯軸Ai的圓弧面接觸，記錄下徑向測量頭的徑向位置，旋轉標準樣件一周，得到一組徑向位置AiDj，取平均值，作為該階梯軸Ai的直徑，其AiD、AiD的標準偏差σAiD可視為該軸的徑向跳動（圓度）；測量階梯軸直徑時，軸向截面位置按三坐標給出的位置確定；⑤重新對車軸標準樣件進行裝卡，重復步驟③④，共進行6次測量，完成T1溫度時段的測量；⑥控制現場環境溫度為T2，建議T2的溫度為（T1+3）℃，重復步驟②～⑤，完成T2溫度時段的測量；⑦控制現場環境溫度為T3，建議T3的溫度為（T1-3）℃，重復步驟②～⑤，完成T3溫度時段的測量。

4.2.2 測量結果的處理

每個時段下，車軸標準樣件上某階梯軸Ai的結構特征參數的6次測量結果的平均值為該結構特征參數在該時段的測量結果，測量結果與參考值之差即為車軸結構特征參數的測量誤差，即：

式（3）（4）中：T為測量時段，T=1，2，3；為第T個時段中，車軸自動化測量系統對第Ai個階梯軸上的結構特征參數M的第k次測量結果，結構特征參數包括端面位置、端面跳動、軸徑和軸向跳動；為第T個時段中，第Ai個階梯軸上的結構特征參數M的測量誤差；AiM為第Ai個階梯軸上的結構特征參數M的參考值。

按照公式（3）（4）計算測量誤差并記錄3個時段的測量誤差。各個車軸結構特征參數的測量誤差為3個時段每個參數的測量誤差的平均值，并采用極差法計算測量重復性[6]，即：

4.2.3 測量頭移動單元的定位精度和定位重復性

參照JJF 1251—2010《坐標定位測量系統校準規范》[7]，利用激光干涉儀對每個位移單元在全測量行程均勻選擇6個以上的目標位置，進行往復6次測量，計算往復雙向測量的定位精度和重復定位精度。

5 測量不確定度分析

5.1 測量誤差模型

使用車軸標準樣件對車軸自動化測量系統測量車軸結構特征參數的能力進行校準時，測量系統的測量值與校準用車軸標準樣件的參考值的差值為測量誤差。

式（7）中：e為車軸結構特征參數的測量誤差；為車軸結構特征參數的測量結果的平均值；M為車軸結構特征參數的參考值。

由測量原理和測量方法，得到車軸結構特征參數測量誤差模型：

式（8）中：αw為被測車軸的線膨脹系數；ΔT2為測量溫度與標準溫度20℃的差值；αs為標準塊的線膨脹系數；ΔT1為零位校準溫度與標準溫度20℃的差值；Δl為直線位移單元定位誤差；Δα為被測車軸與標準塊之間的膨脹系數差；ΔT為測量溫度與自校準溫度的差值。

由于各輸入量之間不相關，所以合成標準不確定度的計算公式為：

由于Δα、ΔT較小，所以c2≈-1，c4、c5約為0。

5.2 測量不確定度來源

由測量原理可分析得到測量不確定度來源于表3所示的幾個方面。

表3 標準不確定度一覽表

5.3 測量不確定度評定

5.3.1 測量重復性引入的標準不確定度分量

在重復性條件下，車軸自動化測量系統得到3組6次車軸結構特征參數的測量數據，并使用極差法計算測量重復性。

采用A類方法進行評定。例如，車軸結構特征參數A1D的測量結果如表4所示。

表4 A1D的測量誤差與測量重復性

使用極差法計算測量重復性：

測量重復性為sAD1=0.7 μm。即u1=0.7 μm。

5.3.2 車軸標準樣件引入的標準不確定度分量

所用車軸標準樣件的測量不確定度為U=0.003 mm（k=2），則引入的不確定度分量為：

5.3.3 線膨脹系數差引入的標準不確定度分量

校準環境中溫度要求為（20±5）℃，取其半寬ΔT2=5℃，標準塊的線膨脹系數為αs=11.5×10-6/℃，車軸的線膨脹系數為αw=12.0×10-6/℃，則：

5.3.4 溫度差引入的不確定度分量

校準環境中溫度漂移要求不超過1℃/h，測量溫度與自校準溫度的差值ΔT不超過1.5℃，則：

5.3.5 測量頭直線位移單元引入的不確定度分量

對于徑向尺寸，測量頭直線位移單元引入的測量誤差可以忽略，u7=0。

對于軸向尺寸，測量頭直線位移單元定位誤差0.010 mm，重復定位精度0.004 mm，則u7=4 μm。

5.3.6 合成標準不確定度uc

本例中徑向尺寸合成標準不確定度為：

5.3.7 擴展不確定度U

取包含因子k=2，則本例中徑向尺寸的擴展不確定度為：

U=kuc=3.4 μm

對于車軸軸向特征參數，進行不確定度評定時應加入直線位移單元定位誤差的影響量。

6 設備綜合測量能力校準試驗

6.1 校準結果

根據前文所述的校準方法和測量不確定度分析，根據現場環境條件，選取了3個不同的時間段，使用車軸自動檢測設備對車軸標準樣件進行重復測量。3個時間段的環境條件溫度如表5所示。3個時段下的車軸直徑測量結果統計如表6所示。

表5 測量溫度統計表（單位：℃）

表6 車軸直徑測量結果（單位：mm）

6.2 校準結果分析

根據表1中的車軸結構特征參數測量精度指標，此次校準反映了檢測設備的部分不合格項，如圖7所示。

圖7 3個時間段的軸徑自動測量結果

從表6及圖7可得到以下結論：①車軸自動測量系統的測量重復性不超過0.000 5mm，說明在溫度變化不大的情況下，測量重復性較好。②同一車軸在各個時段內因車軸溫度與標準塊溫度之間的溫差不同，其測量結果也不同。測量偏差與溫差有關，溫差增大時，軸徑的相對偏差也增大。

7 結論

通過應用，本文提出的在線校準方法能夠有效解決傳感器單獨校準引起的二次安裝、定位問題，實現了使用現場校準的功能，節省了校準時間；對于檢測設備測量結果的不確定度評定，分析了可能對測量結果帶來影響的不確定度來源，包括系統測量重復性、車軸標準樣件、線膨脹系數之差、環境溫度的變化等，校準結果具有較高的可信賴度。

采用標準樣件對專用檢測設備進行在線校準能夠評價車軸自動檢測設備的真實及全面的測量能力，同時具有易操作性等優點，在同類型自動化測量系統的校準中值得推廣應用。