目前，車輛輪對在鏇修前后的檢測主要是靠傳統(tǒng)的手工尺進行檢測，然后將檢測的數(shù)據(jù)手動輸入數(shù)控車床系統(tǒng)進行車輛輪對鏇修，且數(shù)控車床的對刀需靠操作工手動進行，不能實現(xiàn)自動對刀。由于傳統(tǒng)方式檢測方法落后，測量精度低，操作不夠便捷，不適應現(xiàn)代化車輛輪對的加工及信息的管理與維護。為此，我們研制了一套與輪對數(shù)控車床配套的非接觸式檢測裝置。該裝置是集光學、精密機械、電控技術、數(shù)據(jù)處理、計算機技術于一體的高技術精密檢測裝置。采用完全非接觸測量方式，實現(xiàn)數(shù)控車床在鏇修前后對車輛輪對的在線檢測，并將檢測數(shù)據(jù)經(jīng)工控機融合處理后傳遞給數(shù)控車床，以指導數(shù)控車床自動對刀，自動對車輛輪對的鏇修，保證車輛輪對機械加工的外形幾何尺寸及加工精度。

1、各需測參數(shù)分布

需要檢測的車輛輪對幾何尺寸參數(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)側面到數(shù)控車床參考零點的距離Ri。重復測量的平均值誤差小于±0.1mm。

由于各車輛輪對的輪餅直徑尺寸大小不一，故確定測量方法尤為重要。根據(jù)對輪對的分析及輪對數(shù)控車床鏇修的特點，以選擇數(shù)控車床高精度頂尖頂緊輪對軸中心孔時作為檢測輪對的定位基準，通過此基準可以確定如圖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)控車床參考零點的標定值然后經(jīng)過將標定值與各測量值進行融合處理換算得到所需的車輛輪對幾何參數(shù)值。得到車輛輪對的幾何尺寸參數(shù)后，工控機與數(shù)控車床的PLC之間進行串口通信，將數(shù)控車床鏇修輪對時所需的所有參數(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)實現(xiàn)自動鏇修輪對。

2、系統(tǒng)的基本組成及測量控制方式

該檢測裝置主要包括測量與控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機處理系統(tǒng)等。基本結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的基本結構示意圖

2.1 測量與控制系統(tǒng)

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

測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、非接觸測量、響應速度快的電壓型位移傳感器；編碼器采用11位絕對式編碼器，提高對現(xiàn)場環(huán)境的抗干擾能力。另外，在安裝激光傳感器時為避免復雜的輪對外表面對測量的不良影響，讓激光傳感器傾斜一定角度，使其輪對反射面的反射角變小，盡量讓漫反射光進入到接收器中，基本滿足接收傳感器對光通量的要求，這樣可以大大提高測量精度和可靠性。

控制系統(tǒng)主要由測量操作控制面板與 PLC 控制系統(tǒng)組成，采用兩者相結合的方式控制數(shù)控車床二維滑臺運動，帶動各傳感器進行數(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)。測量操作控制面板采用 AT89C51 單片機作為處理器，將各種操作信息通過 PCI 型 I/O 數(shù)據(jù)采集卡傳入工控機。工控機采用研華IPC-610機箱，PCA-600LV 主板。工控機的測量軟件對傳入的數(shù)據(jù)及控制信號進行處理，并將處理結果傳遞給數(shù)控車床 PLC，由 PLC 控制數(shù)控車床二維滑臺運動，實現(xiàn)車輛輪對的檢測與自動鏇修。

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)字量控制信號的輸入輸出等。模擬量的采集采用 PCI 型250KS/s16位 A/D 轉換的數(shù)據(jù)采集卡，用于對激光傳感器、渦流傳感器輸出信號的采集。激光傳感器、渦流傳感器輸出的模擬信號經(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 轉換后從 PCI 總線輸入工控機。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，用于對編碼器輸出信號的采集，同時也用于控制信號的輸出。為了減輕工控機的工作負擔，每個編碼器的輸出都由一個 AT89C51 單片機數(shù)據(jù)處理板對其輸出信號進行預處理，輸出數(shù)控車床的實時絕對位置，再由工控機通過I/O 數(shù)據(jù)采集卡從 PCI 總線讀入。

2.3 計算機處理系統(tǒng)

計算機處理系統(tǒng)包括測量控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取y量控制主要是工控機接收測量操作控制面板傳入的控制信息，并輸出相應的控制信息給測量操作控制面板。數(shù)據(jù)處理主要是各傳感器輸出的模擬信號經(jīng)高精度 A/D 轉換后，輸入到計算機進行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)字濾波和進一步數(shù)據(jù)融合處理，最終將處理的數(shù)據(jù)結果顯示在控制測量軟件操作界面的相應位置上，供操作人員查看。并將測量的結果數(shù)據(jù)進行存儲及打印。數(shù)據(jù)傳輸主要是工控機將測量的結果數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)控車床的 PLC 控制系統(tǒng)，指導數(shù)控車床對車輛輪對的鏇修。

3、控制測量軟件設計

控制測量軟件設計主要包括兩部分：1)單片機控制程序設計；2)工控機的測量軟件設計。

3.1 單片機控制程序

在本系統(tǒng)中，有兩個地方使用了單片機控制，都采用AT89C51 單片機作為處理器。一個是用于測量控制操作面板，在該面板上共有5個按鍵，分別是“啟動渦流測量”、“啟動激光測量”、“測量結果確認”、“傳輸左輪數(shù)據(jù)”和“傳輸右輪數(shù)據(jù)”。每按下一個按鍵，其相應的LED指示燈點亮，其余按鍵鎖定，并通過數(shù)據(jù)采集卡將該按鍵信息傳入工控機，工控機接收到信息后執(zhí)行其相應的任務，任務完成后，工控機通過數(shù)據(jù)采集卡清除按鈕信息并熄滅相應的LED指示燈。

另一個是編碼器數(shù)據(jù)處理板，它讀入絕對式編碼器的數(shù)值，判斷其正反轉，并實時給出編碼器的圈數(shù)及其單圈讀數(shù)，輸出數(shù)控車床的實時絕對位置，然后傳送到數(shù)字 I/O 卡上，工控機可直接從數(shù)字 I/O 卡上讀取數(shù)控車床的實時位置。在圈數(shù)計算時，采用電平中斷處理的方式，當編碼器轉到零位時，即十一位輸出均為低時，單片機INT0. 引腳產(chǎn)生中斷，再判斷編碼器上一個數(shù)值，是“1”則編碼器反轉，圈數(shù)減 1，是“2047”則編碼器正轉，圈數(shù)加1。單片機INT1 引腳接到工控機中的數(shù)據(jù)采集卡上，當工控機發(fā)出一個清零脈沖信號時，編碼器數(shù)據(jù)清零，重新開始計數(shù)。

3.2 工控機的測量軟件設計

工控機的測量軟件設計是本系統(tǒng)中的重點，它實現(xiàn)了 5個功能：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、顯示、查詢、打印等功能，三是根據(jù)掃描的數(shù)據(jù)實時繪制車 輛輪對的輪廓圖形，并與標準輪對輪廓圖形進行對比；四是與PCI 數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字 I/O 卡驅動程序通信，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的讀 入，五是與數(shù)控車床 PLC 系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)自動測量與車輛輪對自動鏇修。為此選用VC作為開發(fā)平臺，進行可視化圖形設計，測量軟件的程序流程圖如圖3所示。考慮到輪對表面狀況的極端差異及現(xiàn)場環(huán)境的干擾，在測量軟件中針對輪對的不同狀況進行實時的補償，并對各種干擾進行數(shù)據(jù)融合處理，消除對測量數(shù)據(jù)的影響。軟件中還對誤操作、掉電等情形進行了自動診斷與保護。

結束語

該設備于2005年5月研制成功，目前運行狀況良好，經(jīng)過實際測試，裝置在測量的穩(wěn)定性、可靠性、測量精度均優(yōu)于設計要求。就目前情況看，這是國內(nèi)第一臺應用于輪對數(shù)控車床的檢測裝置，具有較廣闊的發(fā)展前景。