目前，車(chē)輛輪對(duì)在鏇修前后的檢測(cè)主要是靠傳統(tǒng)的手工尺進(jìn)行檢測(cè)，然后將檢測(cè)的數(shù)據(jù)手動(dòng)輸入數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)進(jìn)行車(chē)輛輪對(duì)鏇修，且數(shù)控車(chē)床的對(duì)刀需靠操作工手動(dòng)進(jìn)行，不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)刀。由于傳統(tǒng)方式檢測(cè)方法落后，測(cè)量精度低，操作不夠便捷，不適應(yīng)現(xiàn)代化車(chē)輛輪對(duì)的加工及信息的管理與維護(hù)。為此，我們研制了一套與輪對(duì)數(shù)控車(chē)床配套的非接觸式檢測(cè)裝置。該裝置是集光學(xué)、精密機(jī)械、電控技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高技術(shù)精密檢測(cè)裝置。采用完全非接觸測(cè)量方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)控車(chē)床在鏇修前后對(duì)車(chē)輛輪對(duì)的在線檢測(cè)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)工控機(jī)融合處理后傳遞給數(shù)控車(chē)床，以指導(dǎo)數(shù)控車(chē)床自動(dòng)對(duì)刀，自動(dòng)對(duì)車(chē)輛輪對(duì)的鏇修，保證車(chē)輛輪對(duì)機(jī)械加工的外形幾何尺寸及加工精度。

1、各需測(cè)參數(shù)分布

需要檢測(cè)的車(chē)輛輪對(duì)幾何尺寸參數(shù)及其分布如圖 1所示。輪緣高度Sh，輪餅直徑D，輪緣厚度Sd，輪輞寬W，輪輞內(nèi)側(cè)面到數(shù)控車(chē)床參考零點(diǎn)的距離Ri。重復(fù)測(cè)量的平均值誤差小于±0.1mm。

由于各車(chē)輛輪對(duì)的輪餅直徑尺寸大小不一，故確定測(cè)量方法尤為重要。根據(jù)對(duì)輪對(duì)的分析及輪對(duì)數(shù)控車(chē)床鏇修的特點(diǎn)，以選擇數(shù)控車(chē)床高精度頂尖頂緊輪對(duì)軸中心孔時(shí)作為檢測(cè)輪對(duì)的定位基準(zhǔn)，通過(guò)此基準(zhǔn)可以確定如圖1所示的理論中心軸線從而得到基于此理論中心軸線及數(shù)控車(chē)床參考零點(diǎn)的標(biāo)定值然后經(jīng)過(guò)將標(biāo)定值與各測(cè)量值進(jìn)行融合處理?yè)Q算得到所需的車(chē)輛輪對(duì)幾何參數(shù)值。得到車(chē)輛輪對(duì)的幾何尺寸參數(shù)后，工控機(jī)與數(shù)控車(chē)床的PLC之間進(jìn)行串口通信，將數(shù)控車(chē)床鏇修輪對(duì)時(shí)所需的所有參數(shù)傳送給數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)便可根據(jù)接收到的參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鏇修輪對(duì)。

2、系統(tǒng)的基本組成及測(cè)量控制方式

該檢測(cè)裝置主要包括測(cè)量與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)等。基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 測(cè)量與控制系統(tǒng)

測(cè)量與控制系統(tǒng)是檢測(cè)裝置的核心部分，主要包括測(cè)位傳感器、測(cè)量操作控制面板。

測(cè)位傳感器包括激光傳感器、渦流傳感器及編碼器。激光傳感器采用檢測(cè)范圍為60~140mm，分辨率為0.01mm的PSD型位移傳感器；渦流傳感器采用工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測(cè)量、響應(yīng)速度快的電壓型位移傳感器；編碼器采用11位絕對(duì)式編碼器，提高對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的抗干擾能力。另外，在安裝激光傳感器時(shí)為避免復(fù)雜的輪對(duì)外表面對(duì)測(cè)量的不良影響，讓激光傳感器傾斜一定角度，使其輪對(duì)反射面的反射角變小，盡量讓漫反射光進(jìn)入到接收器中，基本滿足接收傳感器對(duì)光通量的要求，這樣可以大大提高測(cè)量精度和可靠性。

控制系統(tǒng)主要由測(cè)量操作控制面板與 PLC 控制系統(tǒng)組成，采用兩者相結(jié)合的方式控制數(shù)控車(chē)床二維滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)各傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，并將掃描的數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測(cè)量操作控制面板采用 AT89C51 單片機(jī)作為處理器，將各種操作信息通過(guò) PCI 型 I/O 數(shù)據(jù)采集卡傳入工控機(jī)。工控機(jī)采用研華IPC-610機(jī)箱，PCA-600LV 主板。工控機(jī)的測(cè)量軟件對(duì)傳入的數(shù)據(jù)及控制信號(hào)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果傳遞給數(shù)控車(chē)床 PLC，由 PLC 控制數(shù)控車(chē)床二維滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛輪對(duì)的檢測(cè)與自動(dòng)鏇修。

2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是檢測(cè)裝置的核心部分，主要包括模擬量的采集、數(shù)字量的采集、以及數(shù)字量控制信號(hào)的輸入輸出等。模擬量的采集采用 PCI 型250KS/s16位 A/D 轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集卡，用于對(duì)激光傳感器、渦流傳感器輸出信號(hào)的采集。激光傳感器、渦流傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)各自的放大器放大后直接輸入 A/D 數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入端口上，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡 A/D 轉(zhuǎn)換后從 PCI 總線輸入工控機(jī)。數(shù)字量的采集采用 PCI 型96路TTL數(shù)字量 I/O 數(shù)據(jù)采集卡，用于對(duì)編碼器輸出信號(hào)的采集，同時(shí)也用于控制信號(hào)的輸出。為了減輕工控機(jī)的工作負(fù)擔(dān)，每個(gè)編碼器的輸出都由一個(gè) AT89C51 單片機(jī)數(shù)據(jù)處理板對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，輸出數(shù)控車(chē)床的實(shí)時(shí)絕對(duì)位置，再由工控機(jī)通過(guò)I/O 數(shù)據(jù)采集卡從 PCI 總線讀入。

2.3 計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)包括測(cè)量控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取y(cè)量控制主要是工控機(jī)接收測(cè)量操作控制面板傳入的控制信息，并輸出相應(yīng)的控制信息給測(cè)量操作控制面板。數(shù)據(jù)處理主要是各傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)高精度 A/D 轉(zhuǎn)換后，輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)字濾波和進(jìn)一步數(shù)據(jù)融合處理，最終將處理的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在控制測(cè)量軟件操作界面的相應(yīng)位置上，供操作人員查看。并將測(cè)量的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)及打印。數(shù)據(jù)傳輸主要是工控機(jī)將測(cè)量的結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)控車(chē)床的 PLC 控制系統(tǒng)，指導(dǎo)數(shù)控車(chē)床對(duì)車(chē)輛輪對(duì)的鏇修。

3、控制測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

控制測(cè)量軟件設(shè)計(jì)主要包括兩部分：1)單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)；2)工控機(jī)的測(cè)量軟件設(shè)計(jì)。

3.1 單片機(jī)控制程序

在本系統(tǒng)中，有兩個(gè)地方使用了單片機(jī)控制，都采用AT89C51 單片機(jī)作為處理器。一個(gè)是用于測(cè)量控制操作面板，在該面板上共有5個(gè)按鍵，分別是“啟動(dòng)渦流測(cè)量”、“啟動(dòng)激光測(cè)量”、“測(cè)量結(jié)果確認(rèn)”、“傳輸左輪數(shù)據(jù)”和“傳輸右輪數(shù)據(jù)”。每按下一個(gè)按鍵，其相應(yīng)的LED指示燈點(diǎn)亮，其余按鍵鎖定，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將該按鍵信息傳入工控機(jī)，工控機(jī)接收到信息后執(zhí)行其相應(yīng)的任務(wù)，任務(wù)完成后，工控機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡清除按鈕信息并熄滅相應(yīng)的LED指示燈。

另一個(gè)是編碼器數(shù)據(jù)處理板，它讀入絕對(duì)式編碼器的數(shù)值，判斷其正反轉(zhuǎn)，并實(shí)時(shí)給出編碼器的圈數(shù)及其單圈讀數(shù)，輸出數(shù)控車(chē)床的實(shí)時(shí)絕對(duì)位置，然后傳送到數(shù)字 I/O 卡上，工控機(jī)可直接從數(shù)字 I/O 卡上讀取數(shù)控車(chē)床的實(shí)時(shí)位置。在圈數(shù)計(jì)算時(shí)，采用電平中斷處理的方式，當(dāng)編碼器轉(zhuǎn)到零位時(shí)，即十一位輸出均為低時(shí)，單片機(jī)INT0. 引腳產(chǎn)生中斷，再判斷編碼器上一個(gè)數(shù)值，是“1”則編碼器反轉(zhuǎn)，圈數(shù)減 1，是“2047”則編碼器正轉(zhuǎn)，圈數(shù)加1。單片機(jī)INT1 引腳接到工控機(jī)中的數(shù)據(jù)采集卡上，當(dāng)工控機(jī)發(fā)出一個(gè)清零脈沖信號(hào)時(shí)，編碼器數(shù)據(jù)清零，重新開(kāi)始計(jì)數(shù)。

3.2 工控機(jī)的測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

工控機(jī)的測(cè)量軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)中的重點(diǎn)，它實(shí)現(xiàn)了 5個(gè)功能：一是提供用戶界面并接受用戶輸入的指令，二是提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、查詢、打印等功能，三是根據(jù)掃描的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)繪制車(chē) 輛輪對(duì)的輪廓圖形，并與標(biāo)準(zhǔn)輪對(duì)輪廓圖形進(jìn)行對(duì)比；四是與PCI 數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字 I/O 卡驅(qū)動(dòng)程序通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的讀 入，五是與數(shù)控車(chē)床 PLC 系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量與車(chē)輛輪對(duì)自動(dòng)鏇修。為此選用VC作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，進(jìn)行可視化圖形設(shè)計(jì)，測(cè)量軟件的程序流程圖如圖3所示。考慮到輪對(duì)表面狀況的極端差異及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的干擾，在測(cè)量軟件中針對(duì)輪對(duì)的不同狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，并對(duì)各種干擾進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理，消除對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。軟件中還對(duì)誤操作、掉電等情形進(jìn)行了自動(dòng)診斷與保護(hù)。

結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)備于2005年5月研制成功，目前運(yùn)行狀況良好，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，裝置在測(cè)量的穩(wěn)定性、可靠性、測(cè)量精度均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。就目前情況看，這是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)應(yīng)用于輪對(duì)數(shù)控車(chē)床的檢測(cè)裝置，具有較廣闊的發(fā)展前景。