軌道交通輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備在線校準(zhǔn)方法研究

林永強(qiáng)，周 菁，張曉磊

(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 計(jì)量理化檢測(cè)中心，山東 青島 266111)

轉(zhuǎn)向架是高速列車的重要核心部件之一，是牽引、承載、行走和導(dǎo)向的關(guān)鍵裝置，對(duì)提高列車速度、增加列車載重都有重要意義[1]。軸承、車軸和輪對(duì)是組成軌道車輛轉(zhuǎn)向架的主要部件，在轉(zhuǎn)向架裝配階段，軸承、車軸和輪對(duì)需要通過過盈配合安裝，對(duì)部件的尺寸有較高的準(zhǔn)確度要求。為保證軸承、車軸及輪對(duì)等部件的安裝成功率，需要在裝配前對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行準(zhǔn)確地檢測(cè)，確保各個(gè)參數(shù)值滿足設(shè)計(jì)要求，從而避免反復(fù)拆卸裝配。

輪對(duì)需要檢測(cè)的幾何參數(shù)包括輪對(duì)及制動(dòng)盤內(nèi)側(cè)距、車輪及制動(dòng)盤軸向位置尺寸、車輪滾動(dòng)圓直徑等尺寸參數(shù)，以及車軸軸身跳動(dòng)、車輪踏面徑向跳動(dòng)、車輪及制動(dòng)盤端面跳動(dòng)等形位誤差參數(shù)。傳統(tǒng)檢測(cè)方法采用輪對(duì)內(nèi)距尺、車輪檢查器等專用量具實(shí)現(xiàn)輪對(duì)幾何參數(shù)的檢測(cè)，基本上仍靠手工測(cè)量。但這種狀況使得操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率不高，不同的檢測(cè)人員測(cè)量結(jié)果差別較大，影響測(cè)量的精度和可靠性，很難滿足我國高速列車產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的要求。

工業(yè)4.0的推進(jìn)給產(chǎn)品生產(chǎn)方式帶來了轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)過程中，測(cè)量工具從通用量具發(fā)展為自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，測(cè)量數(shù)據(jù)與加工中心共享資料庫，測(cè)量程序與加工程序共用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，從設(shè)計(jì)模型直接生成測(cè)量以及加工程序；機(jī)器人通過RFID快速管理物料并實(shí)現(xiàn)上下料，檢測(cè)設(shè)備通過傳感器識(shí)別工件安裝是否到位，自動(dòng)調(diào)用測(cè)量程序。數(shù)字化信息系統(tǒng)將測(cè)量過程中的測(cè)量設(shè)備、機(jī)器人系統(tǒng)、機(jī)器人外圍系統(tǒng)、料架系統(tǒng)、零件標(biāo)識(shí)系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等有效串聯(lián)起來，形成測(cè)量單元，有效管理測(cè)量信息，為加工、裝配過程提供數(shù)據(jù)反饋，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率[2]。

從上述過程可知，自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的關(guān)鍵作用在于檢測(cè)得到各部件的測(cè)量值并為其他生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供依據(jù)。因此，自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的在線校準(zhǔn)是保障其發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與試驗(yàn)室校準(zhǔn)不同，在線校準(zhǔn)更能夠反映設(shè)備在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的真實(shí)測(cè)量能力，但需要考慮阿貝誤差、環(huán)境誤差、安裝誤差等因素對(duì)校準(zhǔn)結(jié)果的影響。

本文對(duì)軌道交通輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究，分析了測(cè)量結(jié)果的誤差來源，給出了適合該自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)解決方法，并根據(jù)給出的校準(zhǔn)方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 軌道交通輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備原理及結(jié)構(gòu)

為滿足軌道交通輪對(duì)檢測(cè)快速數(shù)字化、高精度方面的需求，本文根據(jù)輪對(duì)檢測(cè)特點(diǎn)及輪對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)流程搭建了一套可以檢測(cè)輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備。

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)組成及原理

軌道交通輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成如圖1所示，主要包括2個(gè)尾座夾緊提升裝置、1個(gè)主測(cè)量支撐裝置、4個(gè)子測(cè)量支撐裝置(每個(gè)子測(cè)量支撐裝置上有1個(gè)浮動(dòng)測(cè)量頭)、撥輪機(jī)構(gòu)、全自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)塊上下料裝置、零位校準(zhǔn)器、測(cè)量設(shè)備底座、軌道、電氣柜、安全圍欄等。

1.2 尾座夾緊提升裝置

輪對(duì)(包括非動(dòng)力輪對(duì)與動(dòng)力輪對(duì))在軌道上手動(dòng)運(yùn)輸或由撥輪機(jī)構(gòu)自動(dòng)運(yùn)送到輪對(duì)檢測(cè)設(shè)備上料工位后，尾座夾緊提升裝置根據(jù)輪對(duì)輪徑值，自動(dòng)調(diào)整高度，并通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在水平線性導(dǎo)軌上移動(dòng)，利用頂尖將輪對(duì)夾緊，并將輪對(duì)提升。提升裝置通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)頂尖在垂直線性導(dǎo)軌上移動(dòng)，輪對(duì)兩側(cè)起升高度偏差不大于0.1 mm，輪對(duì)測(cè)量過程中提升機(jī)構(gòu)自鎖，不允許發(fā)生輪對(duì)下沉。夾緊裝置其中一個(gè)頂尖由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)輪對(duì)在提升的同時(shí)開始旋轉(zhuǎn)。尾座夾緊提升裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 尾座夾緊提升裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 測(cè)量支撐裝置

測(cè)量設(shè)備上有1個(gè)主測(cè)量支撐裝置，如圖3所示，主測(cè)量支撐裝置可在豎直方向上移動(dòng)。在主測(cè)量支撐裝置上裝有光柵尺及4個(gè)子測(cè)量支撐裝置，子測(cè)量支撐裝置可通過軸向直線位移單元在主測(cè)量支撐裝置上水平移動(dòng)。每個(gè)子測(cè)量支撐裝置均安裝有光柵尺及1個(gè)浮動(dòng)測(cè)量頭，測(cè)量頭可通過徑向直線位移單元在子測(cè)量臂上沿車軸垂直方向直線移動(dòng)。當(dāng)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)通過接觸式測(cè)量方式測(cè)量輪對(duì)所有的參數(shù)。

圖3 測(cè)量支撐裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 浮動(dòng)測(cè)量頭

浮動(dòng)測(cè)量頭是用于測(cè)量輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的傳感器，包括輪軸徑向測(cè)量頭和輪盤端面測(cè)量頭，可通過測(cè)量頭橫向直線位移單元和徑向直線位移單元分別實(shí)現(xiàn)平行于軸向和垂直于軸向的雙向測(cè)量，分別給出輪對(duì)、制動(dòng)盤之間的內(nèi)側(cè)距和車軸軸身及車輪踏面的徑向跳動(dòng)的測(cè)量結(jié)果。浮動(dòng)測(cè)量頭的動(dòng)力單元位于測(cè)量頭的主體中，測(cè)量頭的平移運(yùn)動(dòng)通過與動(dòng)力單元協(xié)調(diào)的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)來保證，偏轉(zhuǎn)的信息傳輸通過感應(yīng)傳感器實(shí)現(xiàn)，傳感器的信號(hào)由可編程控制器進(jìn)行計(jì)算。

1.5 零位校準(zhǔn)器

零位校準(zhǔn)器是具有輪對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的標(biāo)準(zhǔn)件，用于測(cè)量設(shè)備在測(cè)量一定數(shù)量工件后或在指定周期進(jìn)行自校準(zhǔn)。檢測(cè)設(shè)備對(duì)各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量塊在軸向方向和徑向方向的尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果需與輪對(duì)線控制系統(tǒng)通信，合格后可進(jìn)行后續(xù)生產(chǎn)，不合格則需要通過修正設(shè)備參數(shù)進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)校正。

2 測(cè)量數(shù)學(xué)模型

按照設(shè)定的檢測(cè)程序，控制1對(duì)浮動(dòng)測(cè)量頭分別移動(dòng)到左右軸肩、左右輪對(duì)、左右制動(dòng)盤所在的位置，橫向測(cè)量頭測(cè)量軸向位置，徑向測(cè)量頭測(cè)量直徑，依次旋轉(zhuǎn)輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件，得到所接觸測(cè)量面的位置及測(cè)量面的跳動(dòng)。

浮動(dòng)測(cè)量頭所在的位置由測(cè)量頭直線位移單元決定。在設(shè)備自校準(zhǔn)階段，已預(yù)先通過使用已知軸向和徑向位置及尺寸的零位校準(zhǔn)器對(duì)傳感器進(jìn)行了校零，然后測(cè)量同一規(guī)格的輪對(duì)。測(cè)量時(shí)，浮動(dòng)測(cè)量頭只產(chǎn)生微小的變化量，測(cè)量結(jié)果基于零位校準(zhǔn)結(jié)果，得到的是車軸直徑、跳動(dòng)的相對(duì)變化量，以及內(nèi)側(cè)距的相對(duì)位置。零位校準(zhǔn)器某輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)值為M0，左右1對(duì)測(cè)量頭的微小位移量分別為m1、m2，理想情況下，該輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)量值M可表示為：

M=M0+m1+m2

(1)

在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件下，零位校準(zhǔn)器檢定環(huán)節(jié)、檢測(cè)設(shè)備自校準(zhǔn)環(huán)節(jié)以及輪對(duì)測(cè)量環(huán)節(jié)所處的環(huán)境溫度不能保持一致，需考慮環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響。另外，測(cè)量頭直線位移單元的定位誤差也會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。設(shè)零位校準(zhǔn)器輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)受溫度變化的影響產(chǎn)生的變化量為ΔM0，被測(cè)輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)受溫度影響的變化量為ΔM，浮動(dòng)測(cè)量頭微小位移量受溫度變化的影響產(chǎn)生的變化量分別為Δm1、Δm2，直線位移單元定位誤差為Δli，則式(1)可表示為：

(2)

式中：ΔT2——測(cè)量環(huán)境溫度T2與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度T0之間的變化量；

ΔT1——零位校準(zhǔn)時(shí)的環(huán)境溫度T1與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度T0之間的變化量；

αs——零位校準(zhǔn)器的線膨脹系數(shù)；

αw——被測(cè)輪對(duì)的線膨脹系數(shù)。

從上述測(cè)量模型可以看出，影響測(cè)量結(jié)果的因素主要包括測(cè)量環(huán)境溫度的變化、直線位移單元定位精度、零位校準(zhǔn)器的線膨脹系數(shù)等。如果零位校準(zhǔn)器和被測(cè)輪對(duì)的線膨脹系數(shù)相近，且測(cè)量環(huán)境溫度與零位校準(zhǔn)時(shí)的溫度變化不大，則才可認(rèn)為ΔM0與ΔM相近。由于傳感器測(cè)量的是相對(duì)值，環(huán)境溫度變化對(duì)其測(cè)量尺寸變化的影響量Δmi可認(rèn)為是微小量。當(dāng)直線位移單元的重復(fù)定位精度較高時(shí)，Δli也可以忽略。因此，為了準(zhǔn)確獲得標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下M的值，需要保證以下條件：

(1)零位校準(zhǔn)時(shí)的溫度與測(cè)量環(huán)境溫度一致；

(2)零位校準(zhǔn)器的材質(zhì)與典型輪對(duì)的材質(zhì)一致；

(3)測(cè)量頭直線位移單元有較高的重復(fù)定位精度。

在進(jìn)行相對(duì)測(cè)量時(shí)，零位校準(zhǔn)的準(zhǔn)確性直接影響測(cè)量結(jié)果。然而，由于環(huán)境溫度在現(xiàn)場(chǎng)條件下難以保持一致，需要考慮環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響；如果輪對(duì)軸向結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)量結(jié)果不合格，還應(yīng)考慮測(cè)量頭直線位移單元的定位誤差是否對(duì)測(cè)量結(jié)果造成了影響。在對(duì)輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)對(duì)其在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的綜合測(cè)量能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 計(jì)量特性

輪對(duì)自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備的計(jì)量特性包括輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)量誤差、測(cè)量重復(fù)性，必要時(shí)，還應(yīng)對(duì)設(shè)備測(cè)量頭直線位移單元的定位精度、重復(fù)定位精度進(jìn)行校準(zhǔn)。具體定義如下：

(1)輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)測(cè)量誤差，即輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值之間的誤差；

(2)輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)測(cè)量重復(fù)性，即使用相同測(cè)量方法、相同觀測(cè)者、相同的測(cè)量?jī)x器、相同場(chǎng)所、相同工作條件和短時(shí)期內(nèi)，對(duì)同一輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)連續(xù)測(cè)量所得結(jié)果之間的一致程度；

(3)測(cè)量頭直線位移單元的定位精度，即測(cè)量頭沿車軸方向直線移動(dòng)的實(shí)際位置與標(biāo)準(zhǔn)位置之間的誤差；

(4)測(cè)量頭直線位移單元的重復(fù)定位精度，即在相同條件下，測(cè)量頭沿車軸方向直線移動(dòng)到同一目標(biāo)位置的一致程度。

4 軌道交通輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的校準(zhǔn)方法

軌道交通輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)對(duì)象包含輪對(duì)、制動(dòng)盤之間的內(nèi)側(cè)距、車輪、制動(dòng)盤端面跳動(dòng)及裝配后車軸軸身及車輪踏面的徑向跳動(dòng)等多種參數(shù)，且參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)，為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)設(shè)備測(cè)量這些參數(shù)的能力，必須考慮到被測(cè)對(duì)象的定位、裝卡對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響、測(cè)量環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響、測(cè)量系統(tǒng)自身修正及補(bǔ)償?shù)挠绊懙取１疚牟捎脤?shí)物標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)法對(duì)輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器上包含檢測(cè)設(shè)備被測(cè)對(duì)象的所有參數(shù)，作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，將設(shè)備測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)器參考值進(jìn)行比較，驗(yàn)證檢測(cè)設(shè)備的準(zhǔn)確性。實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器校準(zhǔn)方法可以很好地解決多參數(shù)量值傳遞問題，改變傳統(tǒng)校準(zhǔn)模式，關(guān)注被測(cè)對(duì)象和測(cè)量過程的各種影響因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)專用自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確校準(zhǔn)。

本文中的輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)量誤差和測(cè)量重復(fù)性要求如表1所示。

表1 輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備測(cè)量精度指標(biāo) mm

4.1 輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件

本文采用的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器為輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件(圖4)。輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件上包含模擬車輪和模擬制動(dòng)盤,其外形尺寸、材質(zhì)與典型的輪對(duì)一致，能夠給出所有輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，見表2。輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件的所有輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)經(jīng)由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)給出參考值，且經(jīng)過第三方計(jì)量機(jī)構(gòu)的檢定，并配有檢定證書，測(cè)量不確定度U=0.005 mm(置信因子k=2)。

表2 輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)及其標(biāo)識(shí)

圖4 輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件

4.2 校準(zhǔn)方法及流程

4.2.1 校準(zhǔn)程序

考慮環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，執(zhí)行校準(zhǔn)過程需要在3個(gè)不同的時(shí)間段下進(jìn)行。測(cè)量時(shí)段應(yīng)滿足驗(yàn)證系統(tǒng)測(cè)量重復(fù)性的短時(shí)期要求，各個(gè)時(shí)段之間的時(shí)間間隔不宜過長(zhǎng)，3個(gè)時(shí)段下的測(cè)量環(huán)境溫度應(yīng)在(20±2.5)℃范圍內(nèi)。測(cè)量前，將輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行定溫，時(shí)間不少于8 h。

每個(gè)時(shí)段下的校準(zhǔn)程序如下：

(1)輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備經(jīng)過開機(jī)預(yù)熱、零位校準(zhǔn)后，將輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件放置在夾持和旋轉(zhuǎn)單元上，確定旋轉(zhuǎn)過程中輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無振動(dòng)、卡澀等現(xiàn)象后，可以實(shí)施校準(zhǔn)；

(2)按照設(shè)定的檢測(cè)程序，控制2個(gè)雙向測(cè)量頭分別移動(dòng)到左右軸肩、左右輪對(duì)、左右制動(dòng)盤所在的位置，橫向測(cè)量頭測(cè)量軸向位置，縱向測(cè)量頭測(cè)量直徑，依次旋轉(zhuǎn)輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件，得到所接觸測(cè)量面的位置及測(cè)量面的跳動(dòng)，往復(fù)進(jìn)行6次測(cè)量，完成第1個(gè)時(shí)段的測(cè)量；

(3)重新裝卡輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件，重復(fù)步驟(2)，共進(jìn)行3個(gè)時(shí)段的測(cè)量。

4.2.2 測(cè)量結(jié)果的處理

每個(gè)時(shí)段下，各個(gè)輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的6次測(cè)量結(jié)果的平均值作為該參數(shù)的測(cè)量值，測(cè)量值與參考值之差即為輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)量誤差，即：

(3)

(4)

式中：T——測(cè)量時(shí)段，T=1，2，3；

Mk——第k個(gè)輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的參考值；

按照公式(3)、(4)計(jì)算測(cè)量誤差，各個(gè)輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)量誤差為3個(gè)時(shí)段每個(gè)參數(shù)的測(cè)量誤差的平均值，并采用極差法[3]計(jì)算測(cè)量重復(fù)性：

(5)

(6)

sk——第k個(gè)輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)量重復(fù)性；

dn——極差系數(shù)，與重復(fù)測(cè)量次數(shù)有關(guān)。本次校準(zhǔn)在3個(gè)測(cè)量時(shí)段下進(jìn)行，取dn=2。

4.2.3 測(cè)量頭直線位移單元的定位精度和定位重復(fù)性

參照J(rèn)JF 1251—2010《坐標(biāo)定位測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范》[4]，利用激光干涉儀對(duì)每個(gè)位移單元在全測(cè)量行程均勻選擇6個(gè)以上的目標(biāo)位置，進(jìn)行往復(fù)6次測(cè)量，計(jì)算往復(fù)雙向測(cè)量的定位精度和重復(fù)定位精度。

5 測(cè)量不確定度分析

5.1 測(cè)量誤差模型

使用輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件對(duì)輪對(duì)自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的能力進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量值與校準(zhǔn)用輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件的參考值之間的差值為測(cè)量誤差，公式如下：

(7)

式中：e——輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)量誤差；

M——輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的參考值。

由測(cè)量原理和測(cè)量方法，得到輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)測(cè)量誤差模型：

(8)

式中：Δα——被測(cè)輪對(duì)與零位校準(zhǔn)器線膨脹系數(shù)差；

ΔT——測(cè)量環(huán)境溫度與零位校準(zhǔn)時(shí)的溫度差。

由于各輸入量之間不相關(guān)，所以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(M)的計(jì)算公式為：

(9)

其中，

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

由于Δα、ΔT較小，所以c2≈-1，c4、c5約為0。

式中：c——靈敏系數(shù)；

u——不確定度分量；

Δl——直線位移單元定位誤差。

5.2 測(cè)量不確定度來源

由測(cè)量原理可分析得到測(cè)量不確定度來源于表3所示的幾個(gè)方面。

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度表

5.3 測(cè)量不確定度評(píng)定

5.3.1 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

在重復(fù)性條件下，輪對(duì)自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)得到3組6次輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)，并使用極差法計(jì)算測(cè)量重復(fù)性。采用A類方法進(jìn)行評(píng)定。表4為輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的測(cè)量結(jié)果(以M03測(cè)量結(jié)果為例)。

表4 M03的測(cè)量誤差與測(cè)量重復(fù)性 mm

使用極差法計(jì)算測(cè)量重復(fù)性sk如下：

(17)

經(jīng)計(jì)算，sk為0.006 mm，即u1=6.0 μm。

5.3.2 輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

5.3.3 線膨脹系數(shù)差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

5.3.4 溫度差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

5.3.5 測(cè)量頭直線位移單元引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

測(cè)量頭直線位移單元定位誤差0.005 mm，重復(fù)定位精度0.002 mm，則u7=2.0(μm)。

5.3.6 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(M)

5.3.7 擴(kuò)展不確定度U

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定度U=kuc(M)≈15(μm)。

6 設(shè)備綜合測(cè)量能力校準(zhǔn)試驗(yàn)

6.1 校準(zhǔn)結(jié)果

根據(jù)前文所述的校準(zhǔn)方法和測(cè)量不確定度分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，選取了3個(gè)不同的時(shí)間段，使用輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備對(duì)輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件進(jìn)行重復(fù)測(cè)量[5]。3個(gè)時(shí)間段的環(huán)境條件溫度分別為17.7 ℃、18.3 ℃、19.2 ℃。根據(jù)輪對(duì)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)測(cè)量精度指標(biāo)，對(duì)3個(gè)時(shí)段的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，大部分校準(zhǔn)項(xiàng)目合格，僅存在小部分不合格項(xiàng)(左輪直徑，A-B基準(zhǔn)間距，左輪、右輪內(nèi)邊距，左、右制動(dòng)盤內(nèi)邊距，制動(dòng)盤中間距，制動(dòng)盤內(nèi)間距，左、右制動(dòng)盤中邊距，最大、最小輪間距，左、右制動(dòng)盤外邊距，左輪、右輪踏面跳動(dòng)，左輪、右輪內(nèi)側(cè)面跳動(dòng)，軸中心跳動(dòng))。

6.2 校準(zhǔn)結(jié)果分析

3個(gè)時(shí)間段內(nèi)各幾何尺寸參數(shù)(不包括跳動(dòng)等形位誤差參數(shù))的測(cè)量誤差及標(biāo)準(zhǔn)偏差如圖5所示。

圖5 3個(gè)時(shí)間段內(nèi)各幾何尺寸參數(shù)的測(cè)量結(jié)果

由圖5可知：

(1)輪對(duì)幾何尺寸的測(cè)量誤差均在±0.05 mm以內(nèi)。

(2)第1時(shí)段的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，部分參數(shù)超出了0.010 mm；第2時(shí)段的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，不超過0.006 mm；第3時(shí)段的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過0.010 mm。

(3)3個(gè)時(shí)段中，各個(gè)間距參數(shù)(與基準(zhǔn)邊有關(guān))的標(biāo)準(zhǔn)偏差值都較大，而與基準(zhǔn)邊無關(guān)的相對(duì)量參數(shù)如寬度、直徑等的標(biāo)準(zhǔn)偏差值都較小。

(4)A-B基準(zhǔn)間距的各時(shí)段綜合測(cè)量結(jié)果中標(biāo)準(zhǔn)偏差最大，測(cè)量重復(fù)性差，由此導(dǎo)致所有與基準(zhǔn)邊有關(guān)的參數(shù)測(cè)量的重復(fù)性都偏大；從測(cè)量結(jié)果看絕大多數(shù)參數(shù)的測(cè)量偏差都在±0.02 mm之內(nèi)。除了左輪直徑和制動(dòng)盤中間距2個(gè)參數(shù)的絕對(duì)偏差較大外,其他參數(shù)的偏差分布均滿足統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。其中，3個(gè)時(shí)間段內(nèi)各個(gè)間距參數(shù)的相對(duì)變化如圖6所示，直徑與寬度的相對(duì)變化如圖7所示。

圖6 3個(gè)時(shí)間段內(nèi)各間距參數(shù)的相對(duì)變化

圖7 3個(gè)時(shí)間段內(nèi)直徑與寬度的相對(duì)變化

由圖6、圖7可知，溫度變化導(dǎo)致的測(cè)量結(jié)果的變化較為明顯：受線膨脹系數(shù)與定位基準(zhǔn)的影響，隨著溫度升高，間距測(cè)量值減小，直徑與寬度的測(cè)量值增大。其中，間距參數(shù)變化量最高達(dá)-0.080 mm(A-B基準(zhǔn)間距)，直徑與寬度的變化量最高為0.019 mm(左輪寬度)。

由此可見，該輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備在實(shí)施測(cè)量時(shí)，應(yīng)特別注重基準(zhǔn)間距的測(cè)量，必要時(shí)校準(zhǔn)測(cè)量頭軸向移動(dòng)單元的定位精度和定位重復(fù)性，保證在設(shè)備要求的范圍內(nèi)。

7 結(jié)論

通過實(shí)際應(yīng)用表明，本文提出的在線校準(zhǔn)方法能夠有效解決傳感器單獨(dú)校準(zhǔn)引起的二次安裝以及定位問題，實(shí)現(xiàn)了使用現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的功能，節(jié)省了校準(zhǔn)時(shí)間；分析了可能對(duì)檢測(cè)設(shè)備測(cè)量結(jié)果帶來影響的不確定度來源，包括系統(tǒng)測(cè)量重復(fù)性、輪對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件、線膨脹系數(shù)之差、環(huán)境溫度的變化等等，校準(zhǔn)結(jié)果具有較高的可信賴度。

采用標(biāo)準(zhǔn)樣件對(duì)專用檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行在線校準(zhǔn)能夠評(píng)價(jià)輪對(duì)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的真實(shí)、全面的測(cè)量能力，同時(shí)具有易操作性等優(yōu)點(diǎn)，在同類型自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)中值得推廣應(yīng)用。