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1、 CHANGCHUN INSTITUTE OF TECHNOLOGY 開題報告 設計題目： 列車車輪直徑檢測機構設計 學生姓名： 學院名稱： 機電學院 專業(yè)名稱： 機械電子工程 班級名稱： 機電1442 學 號：

2、 指導教師： 教師職稱: 　 　 學 歷： 　 　　 2018年03 月12日 １、課題論證 1.1課題研究的目的與意義 列車車輪在列車的運行中承擔重要的角色。負責承受自身重量，傳遞車身與軌道之間的全部作用力。制動時產(chǎn)生的制動力，拐彎時產(chǎn)生的離心力也由輪對承擔。因此車輪的好壞直接關系到列車是否能安全運行。所以對列車車輪直徑的測量對保障列車高速安全運行有著重大意義。 列車車輪必須定期檢修，

3、它關系到列車是否能安全行駛，也對列車提速有重大影響。對車輪的綜合參數(shù)的測量是保障列車安全行駛的重要措施。我國現(xiàn)階段的測量技術還比較落后，依然是工作量巨大的手工測量，費時費力得到的結果也是誤差非常大的。我國的高鐵時代已經(jīng)來臨，列車大部分已經(jīng)提速，落后的測量技術已經(jīng)滿足不了當前列車車輪對精度的要求。 我們現(xiàn)在迫切的需要一種高精度、高效、高可靠行的檢測裝置來適應列車提速的趨勢。設計新的檢測機構以實現(xiàn)對列車車輪高精度、高效率檢測，提高檢修效率、質(zhì)量、及時準確的發(fā)現(xiàn)運行故障、改善運行條件、降低檢測人員工作強度、加強鐵路系統(tǒng)對列車運行狀態(tài)的管理、保障行車安全，都有重大的意義。所以列車車輪的非接觸、高精度

4、、高效測量儀器的設計迫在眉睫。 1.2文獻綜述（相關課題國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀） 列車對幾何參數(shù)的檢測主要分為靜態(tài)檢測和動態(tài)檢測。 1.2.1靜態(tài)檢測 列車輪的靜態(tài)檢測是在檢修期，將車輪對卸下來，對列車輪參數(shù)進行統(tǒng)一檢測，國內(nèi)外的靜態(tài)檢測方法主要啊 有以下幾種: （1）專用卡尺法 現(xiàn)在應用的鐵道車輛輪對檢測器多為型號為llj-4d四代檢查器，采用了國際通用標準，將輪緣厚度的測量以踏面基準向上12mm處，采用游標原理，將輪緣和踏面的測量分度值提升到0.1mm，測量精度可以控制在0.2m以內(nèi)。優(yōu)點是操作簡單、穩(wěn)定性高、成本低、攜帶方便；缺點就是測量人員會對游標讀數(shù)產(chǎn)生影響，并且輪緣磨耗情況也

5、會影響測量精度 （2）電子式測量量具 各國利用迅速發(fā)展的電子技術和傳感技術相繼研發(fā)了許多電子測量設備，用于列車輪對各參數(shù)的測量。90年代末，美國國際電子機械有限公司研制了電子測量儀和車輪輪廓測量儀?，F(xiàn)在，國際上還有許多地方廣泛的應用這些設備對列車輪對進行檢測。我國成都主導科技有限責任公司和北京天威科技發(fā)展有限公司引進了一些國外公司的技術，把它應用于火車測量器具領域，分別研制出了lyi-610系列的便攜式輪軌外形尺寸檢測儀和輪對自動檢測系統(tǒng)，將我國的列車輪對檢測技術提高到了一個新的階段。它們都是通過各種檢測探頭對車輪的輪緣踏面部分進行掃描，通過電子裝置對獲得的數(shù)據(jù)進行分析處理，最后得到我們所

6、需要的列車輪對的各種參數(shù)。這些電子測量設備的優(yōu)點是利用電子元器件代替了機械式測量，實現(xiàn)了機械化向電子化、自動化的轉變，開創(chuàng)了自動檢測系統(tǒng)的先河，減輕操作人員的工作強度的同時也提高了檢測效率。由于檢測儀器與被檢測體是零距離接觸，因此測量精度無法準確把握，但仍然有少數(shù)鐵路部門在使用這種測量方式。 （2）CCD非接觸式測量工具 CCD技術就是ccd成像技術中電荷耦合器件英文名的簡稱。它原來是數(shù)碼相機里的一個重要器件。Ccd非接觸式測量量具在工作時，由ccd設備自己發(fā)出光束對被測物體進行照射，ccd設備與被測物體始終保持距離，不想電子式測量那樣，通過接觸式探頭對被測裝置進行掃描，來獲得被測物體的圖

7、像，這就避免了列車車輪轉動對儀器的磨損，長時間的磨損，必然會對電子式測量量具的測量數(shù)據(jù)造成影響，而ccd非接觸式測量儀能始終保障測量數(shù)據(jù)的準確無誤。北京凱瑞德圖像技術有限公司開發(fā)的輪對圖像自動檢測系統(tǒng)，大連理工大學開發(fā)的基于ccd的火車輪對智能測量系統(tǒng)等都是應用不同種類的ccd、數(shù)據(jù)采集技術與圖像處理技術相結合開發(fā)出來的產(chǎn)品。CCD非接觸式測量儀器提高檢測精度的同時實現(xiàn)了檢測自動化，由于其非接觸的特點，使得檢測設備的壽命得以延長。 隨著科技的發(fā)展與可編程控制技術的應用，機械量具和接觸式量具已退出歷史舞臺，取而代之的是非接觸的電子量具，下面介紹國外幾種典型的電子式測量產(chǎn)品： ①美國便攜式車輪

8、斷面測量儀：美國國際電子機械有限公司研制的便攜式車輪斷面測量儀，使用方便，可以在兩2 秒內(nèi)完成輪緣厚度和踏面磨耗等數(shù)據(jù)的測量，還可以將測量結果打印出來。在測量時，車輪斷面測量儀的兩種控制機構可以將測量儀與車輪精確定位，保證了測量車輪斷面測量儀的高精度。這種儀器可用于各種有軌車輛車輪參數(shù)的測量，不受環(huán)境和測量條件的影響。測量數(shù)據(jù)被自動儲存在儀器內(nèi)部的計算機系統(tǒng)中，他能幫助檢修人員降低旋輪和換輪的成本源自于其內(nèi)部的編制的維修程序。該公司還成功的研制了便攜式的輪徑電子測量儀能在不拆卸輪對的情況下精確測出車輪的直徑，測量誤差不超過0．76 mrl l 。當同一輪對的車輪直徑差超限和同一轉向架的車輪直徑

9、差超限時，儀器將發(fā)出報警；通過預編程序可以將不同車輪的類型的直徑和公差儲存在輪徑測量儀中，定位機構根據(jù)設定的車輪類型，儀器可以在車輪的測量位置準確定位，獲得精確的數(shù)據(jù)。 ②芬蘭車輪外形測量儀：芬蘭鐵路成功研制的車輪外形測量儀將測得的磨耗車輪的外形數(shù)據(jù)與儀器內(nèi)部系統(tǒng)儲存的標準輪對的參數(shù)比較，計算出車輪外形參數(shù)并對近限或超限車輪發(fā)出旋修指令f11。儀器測量1000個點僅需要3秒鐘，相鄰的兩個測量點間的距離只有0．01mm。測量裝置利用傳感器采集數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)可以將車輪外形放大，以數(shù)字或圖像形式顯示和儲存，還可以從控制系統(tǒng)調(diào)出儲存的數(shù)據(jù)，繪制出輪對的形狀，顯示和打印。 日本輪對自動

10、檢查裝置：日本鐵路研制成功輪對自動檢查裝置由兩個平行光源、兩臺CCD攝像機、外部設備和控制系統(tǒng)組成?？梢酝瑫r檢測對同一轉向架兩個輪對的外形參數(shù)。當轉向架解體后輪對升高時，CCD攝像機對輪對的外形輪廓進行拍攝，將信息交給計算機進行處理后，把輪廓圖像和輪對參數(shù)顯示出來，該裝置可測量輪緣厚度、踏面磨耗和車輪內(nèi)距等數(shù)據(jù)，當有參數(shù)超過系統(tǒng)設定的極限時，結果以紅色字顯示。該裝置的測量誤差能控制在± 0．20衄以內(nèi)，一小時內(nèi)能夠測量三組輪對，這套裝置不僅實現(xiàn)了檢修作業(yè)自動化，提高了檢測精度和可靠性，而且極大地改善了作業(yè)環(huán)境。 1.2.2動態(tài)檢測 動態(tài)檢測則是指鐵路車輛在運行時對列車輪對參數(shù)進行的測量，隨

11、著近些年CCD技術的發(fā)展，基于圖像處理的自動檢測方法逐漸成熟，很多發(fā)達國家都已經(jīng)研出了一些利用圖像處理方法的自動檢測設備。動態(tài)檢測有以下優(yōu)點：自動化程度高、機構簡單、在線檢測速度快、采樣率高、不占用列車周轉時間、便于存儲輪對信息等。在動態(tài)檢測中，基于圖像的自動檢測方法可以實現(xiàn)列車輪對的在線快速非接觸檢測，隨著數(shù)字圖像處理技術的進一步發(fā)展，其可靠性和精度會大大提高。因此受到國內(nèi)外專家的廣泛關注，成為國內(nèi)外研究的重點。 1.2.3國內(nèi)外技術現(xiàn)狀 （1）國外技術現(xiàn)狀 國外發(fā)達國家，如德國、日本、瑞士和美國等國在非接觸激光測量技術領域開展的研究比較廣泛，技術發(fā)展較為成熟，在精度方面可以實現(xiàn)納米級

12、，同時，精度為微米級的測試系統(tǒng)已成功應用于多個領域。目前世界激光測量儀器優(yōu)勢企業(yè)主要有瑞士徠卡( ELAG) 、美國光動公司(Optodyne，Inc．)、日本拓普康、美國Coherent、德國Trumpf等公司。美國光動公司(Optodyne，Inc．)一直致力于科研、開發(fā)以及生產(chǎn)激光勘測類產(chǎn)品。該公司生產(chǎn)的設備，適用于CNC機床的檢測、誤差分析和工件生產(chǎn)等。 美國光動公司有世界領先的LICS．100型和MCV- 5000型激光多普勒測量系統(tǒng)。其設備是基于LDDM專利開發(fā)技術的，成功融合了流行的激光理論和光電技術，電腦技術等。從最初在中國成立到如今，光動公司在中國立足達到12年之久，其生產(chǎn)

13、的設備被廣泛投入到我國的國防科技、太空技術、民用、重點院校以及科研基地等。該公司的激光系統(tǒng)可滿足美國NIST可探測的精度范圍。產(chǎn)生激光的抗干擾能力在0．1PPM以上，精度可到1．0PPM，分辨率可達1／1000000英寸的高度。激光設備自身可實現(xiàn)環(huán)境補償功能，能在非控制下補償由于溫差、氣壓差和材料散熱所產(chǎn)生的誤差，同時還可補償由于自身發(fā)熱所產(chǎn)生的誤差。從技術角度來說，光電尺寸檢測技術可實現(xiàn)很多功能，大到接收光電信號，d, N獲得信號以后的處理以及運算，都可應用該技術。但在這些領域應用該技術時，沒有固定的使用方法，而且搭配起來也不盡相同。在滿足技術要求的基礎上，想要設計出滿足各種要求的最優(yōu)解決辦

14、法，例如測試精度以及精度范圍等，是我們需要繼續(xù)研究的閻。 現(xiàn)如今，光電尺寸檢測技術的特點顯著，精度高，已被越來越多的場合使用。發(fā)5 達國家的光電位置檢測設備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展迅猛，越來越多的光電位置檢測設備正在投入生產(chǎn)。同樣的檢測設備，用于不同用途的測量工具時，我們通常會采用不同的理論以及檢測方法。很多國家研究人員致力于研究光電檢測技術，花費巨大的金錢與時間，并最終取得了豐厚的成果，很多想法已經(jīng)變?yōu)榱爽F(xiàn)實，效果明顯。 如美國AEROEL公司開發(fā)的ALS40型高精度在線非接觸式激光測微儀，應用激光掃描方法，其測量范圍為0．2～23mm，分辨率為O．1 p m，測量精度為± O．2 u m；有用分光法

15、研制的ALSl 3xY型雙向測微儀，測量范圍為巾O．1～10mm，重復精度可達± 0．3 u m，可同時測量相互垂直兩個方向的不圓度；日本Keyence公司開發(fā)一款VG CCD激光微測計，應用技術包括：激光掃描測量技術、數(shù)字信號處理技術和電腦開發(fā)技術?？蛇M行快速、空間以及準確的檢測，分析出被測零件的位置和尺寸等。己成功的應用于機械制造、電力電纜、擠壓成型產(chǎn)品、鋼棒和鋼管、抽拉加工線材、鋼索和鋼絲、磁性(漆包)線材、光纖、醫(yī)療管材等生產(chǎn)中。 以上幾個例子，某種程度上已經(jīng)是如今的全球領先水平，從側面體現(xiàn)了激光測量技術的普遍性和方便性。在滿足精度以及速度的要求下，人們會更多的朝柔性研究改革，采用軟

16、件更新以及模塊化的便利，最快速、最方便的完成誤差等數(shù)據(jù)的檢測。在國際軌道交通應用領域，在專用軌道檢測車上應用的車軌動態(tài)參數(shù)檢測技術主要有：激光伺服技術和激光視像技術。它們在檢測基本參數(shù)時，可達到同樣的效果。后者比前者優(yōu)秀，穩(wěn)定性較高，在實現(xiàn)高精度檢測，其設備的模塊化較為容易成形，能夠對鋼軌的全斷面進行檢測、鋼軌的波磨面進行檢測，對高鐵的軌道以及精度檢測·精度較高的軌道，都是很方便的。特別是瑞士徠卡( ELAG) 公司生產(chǎn)的OPTIMESS系列非接觸激光測量技術產(chǎn)品，已經(jīng)成功應用于鐵路輪對踏面測量、接觸網(wǎng)測量、軌道測量等方面。其中車輪外形測試整個的輪對踏面，應用到2個OPTIMESS 2D激光傳

17、感器來檢測，第一個傳感器檢測從輪對內(nèi)表面到輪緣項部的踏面，第二個傳感器檢測與鋼軌接觸的輪對踏面。利用計算機軟件，將之前獲得的參數(shù)進行合成，實現(xiàn)Sd，Sh，Qr等踏面參數(shù)的擬合。 （2）國內(nèi)技術現(xiàn)狀 我國基于圖像處理的自動化檢測起步較晚，但是發(fā)展迅速。經(jīng)過近二十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有了長足的進步。非接觸激光測量技術在高精度和自動化方面尚與國外有一定的差距，開展的工作也不如國外廣泛，由于產(chǎn)業(yè)化程度較低，沒有形成具有國際競爭力的完整產(chǎn)業(yè)。采用激光技術實現(xiàn)微距測量、速度測量、物表粗糙度測量等高精度測量儀器設備目前在我國還很少，而且精度等指標上與國外產(chǎn)品相比還相差甚遠。哈爾濱工業(yè)大學在“ 超精密特種形

18、狀測量技術與裝置” 研究方面達到國際先進水平，主要解決不規(guī)則工件高精度檢測問題，一般用于實驗室環(huán)境下測量，不適于機車運動中測量。隨著科學技術的進一步發(fā)展，融合計算機技術、自動控制、激光檢測、激光掃描等技術精密機械、可以實現(xiàn)對多尺寸、形狀和形位誤差進行測量。隨著這種綜合測量儀器的有效應用，傳統(tǒng)的檢測手段必將被更高性能的激光檢測儀器所取代，激光檢測技術必定成為檢測儀器的主要發(fā)展趨勢 2、設計內(nèi)容： 利用CATIA等軟件設計列車車輪檢測機構用于檢測車輪滾動圓直徑、車輪及制動盤大孔直徑。總體設計要做到：適用性、布局合理、使用方便、易于維修和維護，滿足需要，實行機械化、自動化和使用監(jiān)視管理系統(tǒng)。

19、 3、設計要求： 系統(tǒng)測量精度≤0.08mm；系統(tǒng)測量重復精度≤0.05mm；測量傳感器精度≤0.03mm；車輪孔測量時間節(jié)拍≤5min；設備載重≥20KN；車輪滾動圓直徑（滾動圓距車輞內(nèi)側面距離為70和73.5mm） 830-920mm；車輪及制動盤大孔直徑187-199mm。 4、總體方案設計： 為了滿足以上要求，我采用激光測量的方法測出列車車輪滾動直徑和車輪及制動盤最大內(nèi)孔直徑。 主要有升降裝置，旋轉裝置，定位裝置，檢測裝置。升降裝置、旋轉裝置都由三項步進電機提供動力，帶動升降、旋轉確定工件位置。檢測裝置用激光位移檢測器，檢測被測工件與標準工件的位移尺寸從而得出被測件的尺寸。

20、大致框架如下圖所示 圖1測量機構簡圖 5、技術路線 5.1 激光測距原理如下圖所示 激光經(jīng)會聚透鏡照到工件上，以一定角度反射，經(jīng)接收透鏡照射到CCD上，形成一個點。當工件移動，激光就以不同的角度反射到CCD上，形成另外一個點。CCD上兩點之間的距離配合光反射之間的關系就能算出工件的位移X。 圖2傳感器內(nèi)部原理 5.2 機電部分 電機的輸出轉角與控制器提供的脈沖有正比的關系，電機轉速與脈沖頻率有正比關系，因此在精度要求不是非常高時，使用伺服電機是合理的。 5.3 機械總裝配設計 機械部分主要有激光測距裝置的裝夾裝置，升降裝置，旋轉裝置，工件的定位和夾緊裝置。 （1）

21、激光測距裝置用專門的裝夾裝置固定在升降裝置上和工作臺兩邊。左右邊的保證發(fā)射的激光與工件的工作臺平行。升降裝置上發(fā)射的激光保證與工作臺垂直。 （2）升降、旋轉裝置用步進電機帶動，選出合適的聯(lián)軸器，絲杠。 （3）工件的定位以車輪的底面為基準 （4）工件夾緊使用手動夾緊 5.4 注意存在的問題 （1）激光測距裝置發(fā)出的激光要與工作臺平行。 （2）測最大孔直徑的激光測距裝置不能過大，防止不能在孔內(nèi)旋轉。 （3）在標準件測過標準距離后，被測工件要與其放置的位置一致。 （4）為保證測量的精度，要多次測量，去大去小得平均值。 （5）測最大孔直徑的激光升降裝置的位置要合適，保證能進入內(nèi)孔并能

22、旋轉。 （6）滾珠絲桿的行程要合適，確保距離能進入內(nèi)孔 。 （7）工作臺要能承受車輪及制動盤的重量，不歪不扭。 5.5 進度計劃　 　 時間 　　　　　　　　　　　　設計任務及要求 第1周 分析、查閱資料，熟悉設備技術要求、背景，學習與畢業(yè)設計相關知識，做好前期準備工作。 第2周 撰寫開題報告 和外文翻譯。準備開題報告答辯PPT 第3-4周 總體方案設計，方案草圖繪制，并進行測量裝置的有關機械部分的計算，對測量裝置結構進行設計，確定總體尺寸。完成絲杠，電機，聯(lián)軸器等外購件型號初選。 第5周 繪制測量裝置結構草圖，計算并校核有關尺寸。 第6

23、-8周 三維設計 第9周 三維設計，繪制一張Ａ0的裝配圖。 第10周 二維工程圖設計，手繪一張Ａ1的圖。計算機3張Ａ0的零件圖。 第11周 檢查設計，撰寫說明書，修改設計圖紙。 第12周 整理編寫設計說明書，交指導老師審定，制作答辯提綱，設計定稿，打印，準備畢業(yè)設計答辯。 第13周 進行畢業(yè)設計答辯。 6 參考文獻　　　　 [1] 涂軍.基于并聯(lián)機構的坐標測量系統(tǒng)研究. .四川：西南交通大學.2004． [2] 馬林.車輪踏面外形幾何參數(shù)的檢測技術.國外鐵道車輛．1998，(6)：40～42． [3] 李劍波.車輪不圓度檢測及DSP的應用研究：[

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28、03 Supplement，37：478， 2、答辯組論證結論 （1）方案可行，技術路線清晰 □ （2）方案可行，技術路線基本清晰 □ （3）方案基本可行，技術路線不很清晰 □ （4）方案和技術路線不很清晰 □ （5）方案和技術路線不清晰 □ 3、指導教師意見： 教研室主任意見： 指導教師（簽名）： 教研室主任（簽名）： 年 月 日 年 月 日