浅谈地铁车轮如何用步进电机检测

轨道交通作为一种方便快捷的出行方式，在日益繁忙的城市交通网络中正占据着越来越重要的地位。目前，针对车轮的参数检测主要包括：轮对尺寸、车轮踏面外形、踏面缺陷和内部探伤。国内在地铁车辆维修中对大部分轮对参数的检测还停留在手工阶段，在实际测量中工作量大、效率低，同时不可避免存在人为因素干扰，直接影响了测量的准确性，这些都会对车轮镟修和车轮参数的分析产生很大的影响。在这里介绍一种高精度地铁车轮直径检测装置，实现对车轮直径直接测量，避免人为因素，兼容测量量程和测量精度，符合车轮参数的分析和车轮镟修的需求。

1 轮径检测装置的结构及原理

（1）基架由铝合金型材组成，可拧动铝合金型材之间的连接角码，可方便拆装相对移动，方管相对基架保持固定。测量时将基架调整至合适的位置进行标定。V型铁在测量时可架设于车轮之上，被用于纵向定位。电磁铁可吸附于车轮侧面，被用于侧向定位。基座包括光栅尺、垫板、直线导轨、直线轴承、套筒、固定座和测头等。直线导轨与基座底板固定，套筒通过固定座固定于直线轴承上，直线轴承通过螺栓固定于套筒之中，测头上套有弹簧，測头可在直线导轨内滑动，测头尾部带动光栅尺副尺移动。

（2）对于车轮直径采用直接测量的必须是车轮最长的弦，否则将会影响测量的结果。所以在设计轮直径测量装置时可将两端的测头一端固定，另一端滑动测头可沿轮缘踏面摆动，将测头沿车轮踏面摆动。方管包括滑座、滚珠丝杆、联轴器和电机固定板。

（3）对于轮直径测量，要求直径的测量范围为500mm～900 mm，测量准确度要求为0.005mm。若根据间接测量的方法，测量的准确度不满足要求。为了保证准确度采用直接测量方法。根据测量要求，设计高精度轮径测量装置，该轮径测量装置包括滑动测头、光栅尺、基座、直线导轨、方管、V型铁、基架和固定测头等。

（4）由于测量的量程比较大，采用直接测量必须对其分段测量，否则不满足精度要求。利用大数小数分开的测量原则，将直径的测量分为500mm～600mm、600mm～700mm、700mm～800mm、800mm～900mm四段，选用量程为100mm、分辨率为0.0005mm的光栅尺。设定测量的基准，将四段测量的初值分别设定在500mm、600mm、700mm、800mm并分别用量棒对其校准。

（5）在滑动测头动态摆动扫描的过程中，测量光栅尺实时输出测头扫过轮缘各点的弦长，其中最大值即为车轮轮径。在测头沿曲线摆动扫描的过程中，测量光栅尺会测出测头扫过的每点长度，将测量光栅尺采集的所有弦长值发送给PC机，PC机保存并显示所有测量数据，并对比前后数据，找到其拐点即为车轮轮径。为保证测量的可靠性，利用三点接触，固定测头和滑动测头与车轮点接触，辅助测头紧靠车轮踏面。

（6）步进电机通过联轴器与滚珠丝杆连接，滚珠丝杆的螺母与滑座连接，滑座可在铝合金方管内滑动，滑座与基座底板固定，测量时可带动基座上下移动。在标定时，步进电机驱动滚珠丝杆，将基座升起，将滑动测头移至与固定在同一中心线，量棒两端与测头中心相接触，可方便量棒标定。测量时，基座同测头、光栅尺、直线导轨由步进电机驱动沿方管上下移动，在上下移动过程中，滑动测头在弹簧作用下，测头始终与车轮踏面紧密接触。由于车轮踏面的外轮廓会对滑动测头产生压力，随着滑动测头的上下扫描，由于车轮踏面轮廓的变化，滑动测头也会在直线轴承内带动光栅尺移动。

（7）避免人为因素的影响，测量过程中，调节“V”型铁高度架设于车轮之上，电磁铁吸附在车轮内侧面，步进电机驱动测头上下摆动完成测量。

（8）在标定时，测头相对于直线导轨固定，固定座可沿直线导轨滑动，将标准量棒放置于固定测头和滑动测头之间，固定座会沿直线导轨一定位置定标。在测量时，测量是在定标完成之后，固定座相对于直线导轨固定，滑动测头在受到车轮踏面挤压时，测头上弹簧会变形，滑动测头在直线导轨中滑动到一定位置，测头会同时带动光栅尺副尺同时移动。这就是大数小数测量原则，此时光栅尺的示数即为测量的小数部分，量棒的规格即为测量的大数部分。辅助测头、测头与车轮可以三点接触，保证测量的可靠性。

2 轮径检测装置标定测量过程

（1）调节“V”型铁高度架设于车轮之上，电磁铁吸附在车轮内侧面，固定测头紧靠一侧的车轮踏面，滑动测头和辅助测头紧靠另一侧车轮踏面，滑动测头压缩弹簧带动光栅尺副尺向后移动。

（2）根据车轮大小，将基架移动到合适位置并固定，选用500mm、600mm、700mm、800mm中合适的标准量棒，步进电机基座使滑动测头与固定测头在同一直线，移动直线导轨，标准量棒固定于固定测头和滑动测头之间，标定长度即为标准量棒的长度。

（3）方管中步进电机匀速驱动基座沿车轮踏面上下移动，滑动测头在车轮踏面上摆动扫描，在弹簧力和车轮踏面的压力作用下，滑动测头会前后移动，测量光栅尺输出一系列数据到PC机，其中最大值拐点即为车轮直径。

3 实验

已知直径为753.905mm标准车轮轮对为被检测车轮，利用700mm的标准量棒对检测装置标定，标定后将轮径检测装置架设于被检测车轮上，步进电机驱动基座沿滑动测头和固定测头的中心线上下移动20mm，当测头扫描车轮踏面采样出各点的弦长，其中最大的弦长53.904mm即为直径，被检车轮直径为753.904mm。该轮径测量装置兼容测量量程和测量精度，符合车轮参数的分析和车轮镟修的需求。在地铁轮对直径测试中，从机械系统到实验现场测试各个环节都影响测量的结果，其中误差主要包括以下几个方面的来源。

（1）制造误差：机械零部件加工会对测量装置精度有很大影响，机械零部件加工精度会带来系统误差

（2）机械装配误差：在轮径测量装置机械结构中，机械零部件装配精度也会带来系统误差。机械结构装配精度如测头与轴套的装配精度、轮径测量装置铝合金型材的支撑支架安装精度都会引入误差

（3）实验测试过程中也会引入误差，比如在标定过程中会产生误差，采样频率也会引入系统系统误差，在保证采样性能的情况下，可适当提高采样频率。