高铁抗侧滚扭杆智能测量系统

张颖敏　陈永彬

摘要：针对高铁抗侧滚扭杆组件产品形状复杂多样、尺寸范围大的特点，研发一种在生产现场使用的抗侧滚扭杆无人化智能测量系统。构建大行程精密三坐标测量系统与数控夹具及机器人协同，通过企业MES读取扭杆产品形位尺寸及公差参数、自动规划测量项目、检测路径及轨迹，实现无人化全自动智能检测。通过智能标定及补偿、温度补偿等技术，满足车间现场下大尺寸复杂工件的精密形位尺寸测量。应用结果表明系统能够满足轨道车辆抗侧滚扭杆类产品的全自动检测要求，检测速度快、效率高。该系统技术还可以运用在类似工况环境的大量程复杂工件智能精密尺寸检测，通用性好。

关键词：高铁;抗侧滚扭杆;智能测量;尺寸检测

中图分类号：TP29 文献标志码：A 文章编号：1009—9492f2021）03—0167—04

0引言

近10年来，我国高速铁路发展迅速，国家发布的《中长期铁路网规划》（2016—2030年）规划了新时期“八纵八横”高速铁路网的宏大蓝图，高铁、动车、城际列车、地铁、有轨电车等轨道交通工具需求量日益剧增。

抗侧滚扭杆系统是轨道车辆特别是高铁中关乎舒适性和安全性的重要组件。扭杆组件由1根轴和2只臂通过热装配实现过盈配合而成，如图1所示。不同长度、直径的扭杆轴与不同形状扭转臂的组合类型超过300种，轴长800～3500 mm，轴径35～80mm，臂长150～400mm，如图2所示。目前依靠人工借助简陋的装置，通过热套过盈组合工艺方式，完成轴和臂的组装，并采用通用量具测量组装后的扭杆工件的关键形位尺寸是否符合要求。這种方法存在效率低、装配精度差、工人劳动强度大等问题。

某企业研发了“高铁抗侧滚扭杆智能组装及自动检测系统”，实现了高铁抗侧滚扭杆热配组装、极限载荷测试、尺寸测量等全工艺过程自动化。本文论述其中的尺寸智能测量子系统。

1扭杆测量特点

扭杆轴和扭转臂的热套组装方式：将光杆形状的扭杆轴固定在安装平台上，把加热的扭转臂从扭杆轴的两端分别套进V轴的指定位置，要保证安装后的两个扭转臂之间的距离，精度±0.05 mm，两扭转臂中心平面与扭杆轴一致，高度差±0.05 mm。

通过对组装后的扭杆组件进行关键形位参数测量，判断工件是否满足装配要求、是否为合格产品。抗侧滚扭杆的扭转臂的种类超过300种，每种扭转臂和扭杆轴组装后所形成的工件水平面、工件力学结构关键位置的形位尺寸检测点均不相同。图3所示为某规格型号扭杆组件的形位尺寸检测点，包括左端到臂外距离L、右端到臂外距离L、两扭转臂间上内侧距离L、两扭转臂间下外侧距离L、扭杆轴总长距离L、两扭转臂间水平高度差△。图4所示为不同型号扭转臂的测量点示意图。

2扭杆组件智能测量系统原理

本项目解决的关键问题：大量程范围（杆长800～3 500mm）在线精密检测;针对多规格、形状各异、检测形位各异的扭杆（图2为其中常见形状）测量，设计通用工装并实现全自动测量。

（1）大量程范围在线精密检测系统

系统采用大理石材料构建检测平台，进行受力分析、设计，保证加工形位尺寸加工精度和温度稳定性。采用直线电机及伺服控制系统、精密直线绝对值光栅，精密触头在大理石平台上构建大行程三坐标精密测量系统，附加机器视觉系统，多传感器融合满足各种形位尺寸测量检测需要。尺寸测量系统结构如图5所示。

机器人根据不同长度和重量的扭杆组件调整姿态，将工件转运到尺寸检测系统;根据扭杆长度，检测平台自动调位机构把v型活动放置块调整到合适位置，然后夹紧工件。尺寸检测完毕后，机器人抓取扭杆工件放置到下料轨道小车上面。

工业生产现场的检测系统补偿机制。系统通过在线标定补偿机械机构运动偏差和温度变化偏差。在大理石平台上构建X、Y、Z三坐标移动模组，采用三轴光栅尺模块辅助测量校准，同时采用精密三次元测头及机器视觉系统，自动校准块及自动调位机构，如图5所示。其中，尺寸检测系统大理石平台上面安装4个固定尺寸长宽高尺寸的校准块，如图6所示，用于检测和调校三坐标机构中模组三个轴向的定位精度及整体的检测精度，可定期对校准块进行计量认证。大理石台面上安装校准块的位置开直角坐标槽，以保证校准块的安装重复性。

（2）多规格复杂零件智能化检测方案

每个型号扭杆组件的扭杆轴长度、直径以及扭转臂形状、轴和臂组合方式、位置都不一样，因此，检测系统三坐标移动模组运行轨迹、扭杆轴形位尺寸测量点、扭转臂高度差测量方式均不一样。

项目采用企业MES系统、本地数据库、本地控制系统三者结合，控制操作完成多规格全自动智能化检测。企业MES系统管理产品组装批次、产品编号及条码、扭杆轴和扭转臂的各尺寸参数和配对关系等信息，存储在本地数据库。本地数据库根据MES系统的产品信息，读取工件CAD电子图档进行检测路径规划，制定各批次扭杆轴和扭转臂的测量工艺操作方案。控制系统采用工控机+运动扩展卡，实现对整个测试系统和测控过程的操作，工控机依据本地数据库有关数据进行预定工艺操作，包括自动运行检测路径、参数补偿、自动记录、自动判定、自动保存数据。并在运行过程中实时上传测量系统当前的工作状态、参数、检测工件结果等信息至本地数据库和企业MES系统。

3测量方法

3.1采用光栅传感器对X、Y、Z三轴进行校准

采用光栅传感器对X、Y、Z三轴进行校准，具体如下。

（1）利用激光干涉仪分别对三轴光栅尺进行节点测量（节点与节点间假设线性），根据各轴的长度，设置X轴上每100 mm为一节点，Y轴上每40 mm为一节点，Z轴上每20mm为一节点，对光栅进行分段校准。

（2）利用检测平台上的大理石标准块进行光栅校准，将大理石标块放置不同位置（要求放置时标块需和平台垂直面垂直），用通过测量标块的相应尺寸，得出当前位置光栅的实际精度，如图7所示。

3.2对X、Y、Z三轴间测量值进行补偿

分别校准各轴光栅后，再对三个轴之间的关系进行补偿，用于补偿三个轴由于安装时两两不垂直导致的误差，如图8所示，通过打表测出三轴之间的相互关系。

（1）Y和Z在X轴方向的补偿

千分表头测量平台垂直面，移动X轴，得出X轴前后波动的偏差（XY）;千分表头测量平台底面，移动X轴，得出X轴上下波动的偏差（XZ）。

（2）X和Z在Y轴方向的补偿

千分表头测量大理石标块侧面，移动Y轴，得出Y轴左右波动的偏差（YX）;千分表头测量平台底面，移动Y轴，得出Y轴上下波动的偏差（YZ）。

（3）X和Y在Z轴方向的补偿

千分表頭测量竖直大理石标块侧面，移动Z轴，得出Z轴左右波动的偏差（ZX）;千分表头测量竖直大理石标块正面，移动Z轴，得出Z轴前后波动的偏差（ZY）。

3.3坐标的设定和计算

3.3.1系统坐标设定

（1）坐标原点

本系统的坐标原点在X轴的最左侧，Y轴最后侧，Z轴最上侧，电机回原后程序将光栅计数器清零。

（2）测量相对原点

由于测量都是通过计算相对坐标值，得出测量值，因此，当触针碰到杆左端（第1点）时（如图9所示），设置为测量的相对零点，建立测量坐标系。

3.3.2测量坐标计算

图9所示测量点中，以触碰第一点为相对原点的坐标系。

3.4测量形位尺寸

设备从原点出发，根据AC型或B型的扭杆组件结构，按照第一点、第二点至最后一点的顺序逐个记录每点的X轴、Y轴、Z轴位移值，计算各段形位尺寸L、L、L等的数值。

4使用情况

为了验证设计的系统以及工艺流程是否能够满足抗侧滚扭杆组件生产行业的真正需求，设备进行了大量实验来检验系统的性能。

系统在国内某轨道车辆生产基地进行了2年的试运行，对该基地多个批次型号的扭杆组件进行关键形位尺寸检测试验，设备综合检测精度为±0.05 mm，检测节拍小于或等于2min。目前设备运作良好，得到客户广泛认可。表1所示为该生产基地扭杆组件型号规格情况。设备在客户现场运行情况如图11所示。

5结束语

本文针对轨道车辆800～3500mm的尺寸范围大、产品复杂形状多的抗侧滚扭杆组件，设计了一套高铁辆抗侧滚扭杆复杂工件无人化智能测量系统。系统采用大理石材料构建稳定和标准的检测平台;采用直线电机及伺服控制系统、精密直线绝对值光栅及精密触头在大理石平台上构建大行程三坐标精密测量系统，附加机器视觉系统，多传感器融合满足多种形位尺寸测量检测需要;通过读取工件CAD电子图档进行复杂工件检测路径规划，实现全自动检测;通过在线标定补偿机械机构运动偏差和温度变化偏差。经过客户现场近2年的大量运行数据表明，本系统能很好地代替人工在工况生产现场实时在线进行大量程复杂工件的多参数关键形位尺寸全自动测量，而且速度快，效率高，检测效果准确。本项目的技术方法可拓展运用在多种领域、多种工况环境的大量程工件三坐标多参数智能精密尺寸检测，对企业将劳动工人从复杂工况环境中解放出来，帮助企业高效、精准生产起了很好的示范作用。