一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统及方法，属于机械测量领域，我国在二维大跨距轮对自动化检测领域已经有过应用案例，但均没有较为理想的测量设备。因此，提出一种火车轮对检测装置的高精度二维轴及其动态精度补偿系统。系统结构采用特殊设计的高精度、高稳定性的大理石结构，二维轴系导轨采用直线电机，利用激光干涉仪结合有限元分析，对系统横梁挠度进行高精度测量和二维数学模型的建立，通过对两次单方向位移精度进行补偿和调整，对数学模型的初始状态进行赋值，然后，利用动态补偿技术，对运动状态下的装置横梁进行动态实时挠度补偿，从而实现3米测量范围内，定位精度可达5μm的高精度、大跨距二维联动测量。

A large span two-dimensional linkage compensation system and method for locomotive wheel set detection

The invention relates to a large span two-dimensional linkage compensation system and method for locomotive wheel set detection, belonging to the field of mechanical measurement. There have been application cases in the field of two-dimensional large span wheel set automatic detection in China, but none of them have ideal measurement equipment. Therefore, a high-precision two-dimensional axis and its dynamic precision compensation system of the train wheel set detection device are proposed. The system structure adopts the specially designed marble structure with high precision and stability, the two-dimensional axis system guide rail adopts the linear motor, uses the laser interferometer and the finite element analysis to carry on the high-precision measurement to the system crossbeam deflection and the establishment of the two-dimensional mathematical model, through the compensation and adjustment to the two-time single direction displacement accuracy, the initial state of the mathematical model is assigned, and then The dynamic compensation technology is used to compensate the dynamic real-time deflection of the crossbeam of the device in the moving state, so as to realize the high-precision, large span two-dimensional linkage measurement with the positioning accuracy of 5 \u03bc m within the measuring range of 3 meters.

【技术实现步骤摘要】
一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统及方法
本专利技术涉及一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统及方法，属于一种机车轮对几何参数检测装置的二维轴联动定位误差补偿及大跨距横梁挠曲度变形的动态补偿技术。
技术介绍
机车轮对参数自动检测的研究，在提升列车产品质量和安全性方面的关键作用已经越来越受到重视。从国际方面来看，日本、美国、英国和法国等在轮对自动检测方面进行了大量的研究，并研制出各种类型的检测装置，在铁路交通部门得到了广泛的应用，产生了可观的经济和社会效益。我国在轮对自动化检测领域已经有过应用案例，但由于受到多种因素制约，均没有较为理想的测量设备。其中一个重要原因是由于轮对自身跨度较宽，而且其尺寸范围变化较大，因此，对轮对测量设备的尺寸(有效行程3米左右)和精度要求均较高。尤其对于检测轮轴的二维大跨距设备，不仅对于单、双轴各自精度有较高要求，其自身的挠度变形量也较大，导致在二维双轴精度较高的情况下，测量结果仍然出现较大的偏差(个别偏差在毫米级别)。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统及方法，具有高精度、大量程二维轴及其定位精度和横梁挠度补偿功能，采用大理石和直线电机相结合形式，利用激光干涉仪提供高精度补偿数据，通过光栅尺、位移控制系统和软件补偿系统对机车轮对检测设备的二维轴进行实时动态补偿。本专利技术提供的技术方案如下：一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统，结构采用特殊设计的高精度、高稳定性的大理石结构，二维轴系导轨采用直线电机，利用激光干涉仪结合有限元分析结果对系统横梁挠度进行高精度测量和二维数学模型的建立，通过对两次单方向位移精度进行补偿和调整，对数学模型的初始状态进行赋值；然后，利用动态规划最优补偿算法技术，对运动状态下的装置横梁进行动态实时补偿。本专利技术的一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统，包括：大理石水平横梁1，坦克链拖动带2，配有光栅尺的直线电机3，支撑柱4，X轴5，配有光栅尺的Z轴6，激光干涉仪7，用于装夹高精度位移传感器的Z轴装夹板8，位移闭环控制系统9，工控机10；大理石水平横梁1作为主横梁，经过有限元分析后设计出尺寸模型，经过研磨加工后，实现2μm高精度平面度和2μm直线度指标；坦克链拖动带2，与大理石水平横梁1通过连接器连接，起到保护系统线缆和实现跟随系统移动的作用；直线电机3，作为运动部件载体，和大理石水平横梁1通过精密装调配合，实现X轴的±5μm定位精度；支撑柱4，采用符合力学原理的铸铁结构，与大理石水平横梁1连接，支撑大理石水平横梁1；X轴5，由大理石水平横梁1、坦克链拖动带2和直线电机3三者组成，实现(0～3000)mm水平位移定位功能；配有光栅尺的Z轴6，通过与X轴5连接，实现(0～700)mm垂直位移定位功能；激光干涉仪7，测量水平X轴5和垂直轴Z轴6的定位误差，计算出位移补偿值，并将补偿值输入到位移闭环控制系统9中，同时分别测量水平X轴5和垂直Z轴6的水平直线度和垂直直线度，通过综合上述两轴的定位精度和几何位置精度，绘制水平X轴5和垂直轴Z轴6和附加几何误差的三维补偿表,并将补偿值输入到位移闭环控制系统9中；Z轴装夹板8，安装到Z轴金属平板上，其上装夹2μm精度的位移传感器，用于测量机车轮对几何尺寸；位移闭环控制系统9，实现定位精度±5μm的高精度位移控制，通过动态规划算法实时计算PID参数的方法，对二维轴运动进行了优化协调控制；根据轮对几何参数测量要求，在测量轮对轮廓尺寸时，通过实时动态调控二维轴定位精度，实现机车轮对端面尺寸和轮廓尺寸的高精度测量；工控机10，属于上位机，其安装轮对尺寸测量软件系统用于汇总和调度位移闭环控制系统9的数据、高精度位移传感器数据和安装在X轴5和Z轴6内部相关接近开关数据，最终给出轮对尺寸误差及打印检测记录；安装在X轴上的导轨通过精密装配完成后，使用激光干涉仪7测量水平X轴5和垂直轴Z轴6的定位误差，激光干涉仪7计算出位移补偿值，并将补偿值输入到位移闭环控制系统9中，实现2个轴位移的单轴精度补偿；通过激光干涉仪7，分别测量水平X轴5和垂直轴Z轴6的水平直线度和垂直直线度；最后，通过汇总上述两轴的定位精度和几何位置精度，绘制水平X轴5和垂直轴Z轴6和附加几何误差的三维补偿表；通过位移闭环控制系统9中的动态规划最优算法实时计算PID参数的方法，对二维轴运动进行优化协调控制；根据机车轮对几何参数测量要求，在测量轮对轮廓尺寸时，通过实时动态调控二维轴定位精度，实现机车轮对端面尺寸和轮廓尺寸的高精度测量。所述对于机车轮对测量的有效范围达3m跨距。所述的直线电机3中，配有示值误差达MPE:1μm的高精度光栅尺。所述Z轴6有效行程(0～700)mm，采用伺服电机加双丝杠导轨结构。配有光栅尺的直线电机和大理石水平横梁提供大跨距即3m测量范围、2μm直线度、2μm平面度和±5μm定位精度的二维联动平台，其中大理石水平横梁通过有限元分析，计算出挠度最小的结构形式；直线电机在水平和垂直直线度、平面度指标上较传统的机械式导轨具有较大的优势，通过光栅尺的实时反馈，保证在(0～3000)mm测量时的精度指标。Z轴装夹板8通过换用不同形式的位移传感器，对(0～3000)mm的大尺寸机械加工部件进行端度、轮廓、沟痕深度和表面粗糙度的测量。本专利技术的一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿方法，包括以下步骤：(1)首先，采用直线电机、大理石水平横梁和带光栅尺的直接电机，提供3m大跨距、高精度直线度、平面度和定位精度的二维联动平台，其中大理石水平横梁通过有限元分析，计算出挠度最小的结构形式；直线电机在水平和垂直直线度、平面度指标上较传统的机械式导轨具有较大的优势，通过光栅尺的实时反馈，保证在大尺寸测量时的精度指标；(2)然后，通过调整激光干涉仪7，使其在X轴方向调整至最佳信号位置，精确测量水平X轴5各点的定位误差，应用同样的方法精确测量垂直轴Z轴6各点的定位误差；同样，通过调整激光干涉仪7，使其在X轴方向调整至最佳信号位置，精确测量水平X轴5各点的水平直线度和垂直直线度，应用同样的方法精确测量垂直轴Z轴6各点的水平直线度和垂直直线度，得到X轴和Z轴的位移误差、直线度，再将位移误差、直线度实际测量结果通过激光干涉仪软件计算出位移补偿值，为简化系统调制难度，将X轴和Z轴的平面度、垂直直线度忽略，仅保留X轴垂直方向的直线度作为误差源，绘制X轴和Z轴位移补偿值并与X轴垂直方向直线度三者汇总，绘制三维补偿表，并将其输入到位移闭环控制系统9中，实现X轴和Z轴定位精度补偿；(3)最后，利用位移闭环控制系统9中的动态规划最优算法将存入计算机中的三维补偿表导入位移闭环控制系统9中，对初始控制参数进行实时计算；通过动态规划最优算法，将机车轮对检测过程的位移定位精度控制转化为一系列单阶段位移补偿和精度控制过程，对运动状态下的X轴和Z轴进行动态精度实时补偿，实现X轴的定位精度为±5μm，Z轴的定位精度为±5μm；(4)在测量机车轮对轮缘形貌、内测距，轮缘直径时，在二维层面上开展测量，二维联动轴通过安装在Z轴装夹板8的2μm精度的位移传感器，利用高速的数据实时检测和反馈计算系统，即可实现上述参数的高精本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统，其特征在于，包括：大理石水平横梁、坦克链拖动带、配有光栅尺的直线电机、支撑柱、X轴、配有光栅尺的Z轴、激光干涉仪、用于装夹高精度位移传感器的Z轴装夹板、位移闭环控制系统和工控机；大理石水平横梁作为主横梁，经过有限元分析后设计出尺寸模型，经过研磨加工后，实现2μm高精度平面度和2μm直线度指标；坦克链拖动带，与大理石水平横梁通过连接器连接，起到保护系统线缆和实现跟随系统移动的作用；直线电机，作为运动部件载体，和大理石水平横梁通过精密装调配合，实现X轴的±5μm定位精度；支撑柱，采用符合力学原理的铸铁结构，与大理石水平横梁连接，支撑大理石水平横梁；X轴，由大理石水平横梁、坦克链拖动带和直线电机三者组成，实现(0～3000)mm水平位移定位功能；配有光栅尺的Z轴，通过与X轴连接，实现(0～700)mm垂直位移定位功能；激光干涉仪，测量水平X轴和垂直轴Z轴的定位误差，计算出位移补偿值，并将补偿值输入到位移闭环控制系统中，同时分别测量水平X轴和垂直Z轴的水平直线度和垂直直线度，通过综合上述两轴的定位精度和几何位置精度，绘制水平X轴和垂直轴Z轴和附加几何误差的三维补偿表,并将补偿值输入到位移闭环控制系统中；Z轴装夹板，安装到Z轴金属平板上，其上装夹2μm精度的位移传感器，用于测量机车轮对几何尺寸；位移闭环控制系统，实现定位精度±5μm的高精度位移控制，通过动态规划算法实时计算PID参数的方法，对二维轴运动进行了优化协调控制；根据轮对几何参数测量要求，在测量轮对轮廓尺寸时，通过实时动态调控二维轴定位精度，实现机车轮对端面尺寸和轮廓尺寸的高精度测量；工控机，属于上位机，其安装轮对尺寸测量软件系统，用于汇总和调度位移闭环控制系统9的数据、高精度位移传感器数据和安装在X轴和Z轴内部相关接近开关数据，最终给出轮对尺寸误差及打印检测记录；安装在X轴上的导轨通过精密装配完成后，使用激光干涉仪测量水平X轴和垂直轴Z轴的定位误差，激光干涉仪计算出位移补偿值，并将补偿值输入到位移闭环控制系统中，实现2个轴位移的单轴精度补偿；通过激光干涉仪，分别测量水平X轴和垂直轴Z轴的水平直线度和垂直直线度；最后，通过汇总上述两轴的定位精度和几何位置精度，绘制水平X轴和垂直轴Z轴和附加几何误差的三维补偿表；通过位移闭环控制系统中的动态规划最优算法实时计算PID参数的方法，对二维轴运动进行优化协调控制；根据机车轮对几何参数测量要求，在测量轮对轮廓尺寸时，通过实时动态调控二维轴定位精度，实现机车轮对端面尺寸和轮廓尺寸的高精度测量。...

【技术特征摘要】
1.一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统，其特征在于，包括：大理石水平横梁、坦克链拖动带、配有光栅尺的直线电机、支撑柱、X轴、配有光栅尺的Z轴、激光干涉仪、用于装夹高精度位移传感器的Z轴装夹板、位移闭环控制系统和工控机；大理石水平横梁作为主横梁，经过有限元分析后设计出尺寸模型，经过研磨加工后，实现2μm高精度平面度和2μm直线度指标；坦克链拖动带，与大理石水平横梁通过连接器连接，起到保护系统线缆和实现跟随系统移动的作用；直线电机，作为运动部件载体，和大理石水平横梁通过精密装调配合，实现X轴的±5μm定位精度；支撑柱，采用符合力学原理的铸铁结构，与大理石水平横梁连接，支撑大理石水平横梁；X轴，由大理石水平横梁、坦克链拖动带和直线电机三者组成，实现(0～3000)mm水平位移定位功能；配有光栅尺的Z轴，通过与X轴连接，实现(0～700)mm垂直位移定位功能；激光干涉仪，测量水平X轴和垂直轴Z轴的定位误差，计算出位移补偿值，并将补偿值输入到位移闭环控制系统中，同时分别测量水平X轴和垂直Z轴的水平直线度和垂直直线度，通过综合上述两轴的定位精度和几何位置精度，绘制水平X轴和垂直轴Z轴和附加几何误差的三维补偿表,并将补偿值输入到位移闭环控制系统中；Z轴装夹板，安装到Z轴金属平板上，其上装夹2μm精度的位移传感器，用于测量机车轮对几何尺寸；位移闭环控制系统，实现定位精度±5μm的高精度位移控制，通过动态规划算法实时计算PID参数的方法，对二维轴运动进行了优化协调控制；根据轮对几何参数测量要求，在测量轮对轮廓尺寸时，通过实时动态调控二维轴定位精度，实现机车轮对端面尺寸和轮廓尺寸的高精度测量；工控机，属于上位机，其安装轮对尺寸测量软件系统，用于汇总和调度位移闭环控制系统9的数据、高精度位移传感器数据和安装在X轴和Z轴内部相关接近开关数据，最终给出轮对尺寸误差及打印检测记录；安装在X轴上的导轨通过精密装配完成后，使用激光干涉仪测量水平X轴和垂直轴Z轴的定位误差，激光干涉仪计算出位移补偿值，并将补偿值输入到位移闭环控制系统中，实现2个轴位移的单轴精度补偿；通过激光干涉仪，分别测量水平X轴和垂直轴Z轴的水平直线度和垂直直线度；最后，通过汇总上述两轴的定位精度和几何位置精度，绘制水平X轴和垂直轴Z轴和附加几何误差的三维补偿表；通过位移闭环控制系统中的动态规划最优算法实时计算PID参数的方法，对二维轴运动进行优化协调控制；根据机车轮对几何参数测量要求，在测量轮对轮廓尺寸时，通过实时动态调控二维轴定位精度，实现机车轮对端面尺寸和轮廓尺寸的高精度测量。2.根据权利要求1所述的一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统，其特征在于：所述对于机车轮对测量的有效范围达3m跨距。3.根据权利要求1所述的一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统，其特征在于：所述的直线电机中，配有示值误差达MPE:1μm的高精度光栅尺。4.根据权利要求1所述的一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统，其特征在于：所述Z轴有效行程(0～700)mm，采用伺服电机加双丝杠导轨结构。5.根据权利要求1所述的一种用于机车轮对检测的大跨距二维联动补偿系统，其特征在于：配有光栅尺的直线电机和大理石水平横梁提供大跨距，即3m测量范围、2μm直线度、2μm平面度和±5μm定位精度的二维联动平台，其中大理石水平横梁通过有限元分...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄雷，李青，陈宁，战一欣，李栋，
申请(专利权)人：吉林省计量科学研究院，
类型：发明
国别省市：吉林,22