技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種火車車輪輪轂內(nèi)孔直徑激光測(cè)量傳感器位置的標(biāo)定方法，應(yīng)用于內(nèi)孔直徑尺寸的非接觸式測(cè)量。

背景技術(shù)：
：

孔內(nèi)徑測(cè)量技術(shù)的研究具有較長(zhǎng)的歷史，測(cè)量方式主要可分為兩大類，即基于坐標(biāo)和基于專用量?jī)x兩種方式，其典型代表為三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和氣動(dòng)量?jī)x。由于火車車輪輪轂內(nèi)孔直徑相對(duì)較大，而氣動(dòng)量?jī)x測(cè)量范圍較小，所以氣動(dòng)量?jī)x很少被使用于火車車輪輪轂內(nèi)孔的測(cè)量。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x采用探針進(jìn)行接觸式測(cè)量，存在劃傷被測(cè)工件表面的可能性，且測(cè)量時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，因此三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x在火車車輪輪轂內(nèi)孔測(cè)量領(lǐng)域也沒有得到應(yīng)用。

針對(duì)火車車輪輪轂內(nèi)孔直徑的非接觸式測(cè)量，中國(guó)專利cn105758321a公開了一種內(nèi)孔直徑激光測(cè)量系統(tǒng)，該專利通過精密制造測(cè)量裝置零件和精心裝配調(diào)試的方式，使測(cè)量系統(tǒng)中高精度激光測(cè)距傳感器(以下簡(jiǎn)稱為激光器)發(fā)出的激光線在測(cè)量火車車輪內(nèi)孔時(shí)垂直于內(nèi)孔圓柱面母線，因此將該測(cè)量簡(jiǎn)化為平面問題，在測(cè)量原理中，要求激光器發(fā)出的激光線與激光發(fā)出點(diǎn)到激光器旋轉(zhuǎn)中心的連線相重合，發(fā)明者采用線繩等輔助工具連接激光線端頭與旋轉(zhuǎn)中心，通過調(diào)整激光器位置使該連線與激光線重合，因?yàn)槭謩?dòng)調(diào)節(jié)激光器誤差大，且激光器實(shí)際旋轉(zhuǎn)中心很難用肉眼確定，同時(shí)需調(diào)節(jié)的激光線與激光發(fā)出點(diǎn)到激光器旋轉(zhuǎn)中心連線間的夾角本就很小，所以這種調(diào)整方式具有較大的誤差，整個(gè)測(cè)量裝置系統(tǒng)測(cè)量精度也會(huì)隨之降低。本發(fā)明正是針對(duì)此測(cè)量技術(shù)的不足之處而提供了一種新的激光器位置的標(biāo)定方法，該標(biāo)定方法具有操作簡(jiǎn)單、標(biāo)定精度高等特點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明針對(duì)中國(guó)專利cn105758321a“火車車輪輪轂內(nèi)孔直徑激光測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法”存在的技術(shù)不足，提供一種新的激光器位置標(biāo)定方法。在中國(guó)專利cn105758321a中，內(nèi)孔測(cè)量原理如圖5所示，激光器發(fā)出的激光線cd與激光發(fā)出點(diǎn)c到激光器旋轉(zhuǎn)中心o的連線co重合時(shí)，先放置已知內(nèi)孔直徑的標(biāo)準(zhǔn)樣件到測(cè)量臺(tái)上，激光器由精密油壓分度臺(tái)帶動(dòng)每旋轉(zhuǎn)90度得到一個(gè)測(cè)距，利用內(nèi)孔面上每個(gè)激光測(cè)點(diǎn)到被測(cè)內(nèi)孔中心的距離均等于被測(cè)內(nèi)孔半徑的原理，聯(lián)立方程求解出激光發(fā)出點(diǎn)c到激光器旋轉(zhuǎn)中心o的距離a，再放上被測(cè)火車車輪，同樣地激光器每旋轉(zhuǎn)90°得到一個(gè)測(cè)距，再次利用所述聯(lián)立方程求解出被測(cè)火車車輪內(nèi)孔半徑。

本發(fā)明的目的是，在中國(guó)專利cn105758321a中的激光測(cè)量裝置中激光線cd與激光發(fā)出點(diǎn)c到激光器旋轉(zhuǎn)中心o的連線co不重合時(shí)，即兩者之間存在夾角α?xí)r，也能進(jìn)行非接觸式內(nèi)孔測(cè)量。

本發(fā)明所提供的一種火車車輪輪轂內(nèi)孔直徑激光測(cè)量傳感器位置的標(biāo)定方法的具體步驟如下：

(1)如圖2所示，將兩塊結(jié)構(gòu)相同的標(biāo)定板1通過螺栓組2平行固定于標(biāo)定環(huán)3上表面構(gòu)成標(biāo)定裝置4，并用200mm長(zhǎng)的長(zhǎng)方形鋼制量塊測(cè)量?jī)蓧K所述標(biāo)定板1兩端的內(nèi)側(cè)距離，使之均等于200mm；標(biāo)定環(huán)3中的大環(huán)的上下端面互相平行，標(biāo)定板1的內(nèi)側(cè)面與標(biāo)定環(huán)3的上端面垂直。

(2)如圖1所示，將所述標(biāo)定裝置4放置于火車車輪輪轂內(nèi)孔直徑激光測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量裝置工作臺(tái)5上，并使標(biāo)定環(huán)3中大環(huán)的下端面緊貼測(cè)量裝置工作臺(tái)5臺(tái)面，標(biāo)定環(huán)3的下凸圓臺(tái)與測(cè)量裝置工作臺(tái)5的止口對(duì)中。

(3)升降機(jī)構(gòu)8工作，升起激光器6，打開激光器6，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7的微調(diào)，轉(zhuǎn)動(dòng)激光器6使激光線垂直于位于左側(cè)的標(biāo)定板1的內(nèi)側(cè)表面；在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7的微調(diào)過程中，激光器6的測(cè)距值不斷變化并被顯示出來(lái)，當(dāng)激光器6的測(cè)距值顯示為最小值時(shí)，即認(rèn)為激光線垂直于位于左側(cè)的標(biāo)定板1的內(nèi)側(cè)表面，記錄此時(shí)激光器6的測(cè)距值l1。

(4)如圖4所示，以激光器6的旋轉(zhuǎn)中心o為原點(diǎn)，以垂直于標(biāo)定板1內(nèi)側(cè)表面的方向?yàn)閤軸，建立平面直角坐標(biāo)系。

(5)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7工作，使激光器6旋轉(zhuǎn)180°，測(cè)出激光發(fā)出點(diǎn)到位于右側(cè)的標(biāo)定板1的內(nèi)側(cè)表面的距離l3，有方程：

2a·cosα+l1+l3＝l(1)

式中：a為激光發(fā)出點(diǎn)到激光器6旋轉(zhuǎn)中心o的距離；

α為激光線與激光發(fā)出點(diǎn)到激光器6旋轉(zhuǎn)中心o連線的夾角；

l為兩塊結(jié)構(gòu)相同的標(biāo)定板1之間的距離，為200mm；

由式(1)得到激光器6位置的標(biāo)定值：

(6)取走標(biāo)定裝置4，升降機(jī)構(gòu)8工作，降下激光器6到測(cè)量裝置工作臺(tái)5臺(tái)面以下，將被測(cè)火車車輪10吊上測(cè)量裝置工作臺(tái)5上，由測(cè)量裝置工作臺(tái)5上四個(gè)90°均布的限位塊使被測(cè)火車車輪10放在所述測(cè)量裝置工作臺(tái)5的正中；升降機(jī)構(gòu)8工作使激光器6上升到被測(cè)火車車輪10內(nèi)孔高度的設(shè)定位置處，每旋轉(zhuǎn)90°測(cè)一次激光發(fā)出點(diǎn)到所述被測(cè)火車車輪10內(nèi)孔壁的距離，分別為l01、l02、l03、l04。

(7)如圖3所示，以激光器的旋轉(zhuǎn)中心o為原點(diǎn)，平行于激光線為x軸，建立平面直角坐標(biāo)系，被測(cè)火車車輪10的輪轂內(nèi)孔半徑r與l01、l02、l03、l04之間有以下關(guān)系式：

(-l01-acosα-x0)²+(asinα-y0)²＝r²(3)

(asinα-x0)²+(l02+acosα-y0)²＝r²(4)

(l03+acosα-x0)²+(-asinα-y0)²＝r²(5)

(-asinα-x0)²+(-l04-acosα-y0)²＝r²(6)

式中：x0、y0為火車車輪中心o′的坐標(biāo)值；

為簡(jiǎn)化計(jì)算表達(dá)，令：

c1＝-l01-acosα；

c2＝l02+acosα；

c3＝l03+acosα；

c4＝-l04-acosα；

t＝asinα；

用上述參數(shù)簡(jiǎn)化公式(3)、(4)、(5)、(6)分別得到：

(c1-x0)²+(t-y0)²＝r²(7)

(t-x0)²+(c2-y0)²＝r²(8)

(c3-x0)+(-t-y0)²＝r²(9)

(-t-x0)²+(c4-y0)²＝r²(10)

式(7)至式(10)中共有四個(gè)未知數(shù)x0、y0、t、r，可聯(lián)立求解，式(7)減去式(8)得：

c1²-c2²-2x0(c1-t)-2y0(t-c2)＝0(11)

式(7)減去式(9)得：

c1²-c3²-2x0(c1-c3)-4ty0＝0(12)

式(8)減去式(10)得：

c2²-c4²-2y0(c2-c4)-4tx0＝0(13)

式(9)減去式(10)得：

c3²-c4²-2x0(c3+t)+2y0(t+c4)＝0(14)

將公式(11)與公式(14)相加得：

c1²+c3²-c2²-c4²-2x0(c1+c3)+2y0(c2+c4)＝0(15)

由公式(15)得：

為簡(jiǎn)化計(jì)算表達(dá)，令：

k1＝c1²+c3²-c2²-c4²；

k2＝2(c1+c3)；

k3＝2(c2+c4)；

則(16)式可表達(dá)為：

將公式(12)、(13)、(17)聯(lián)立可得：

為簡(jiǎn)化計(jì)算表達(dá)，令：

則公式(18)變?yōu)椋?/p>

解公式(19)可得：

由上式可知y0存在兩個(gè)值，分別令其為y01、y02，將y01、y02分別代入公式(17)中分別可求出對(duì)應(yīng)x01、x02，再將(x01、y01)和(x02、y02)分別代入到公式(12)中，可得t的值分別為：

將t1、t2進(jìn)行比較，將兩者中絕對(duì)值小的t值(因?yàn)閠＝asinα，α很小)和其對(duì)應(yīng)的x0、y0的值代入到公式(7)中可得被測(cè)火車車輪的直徑d為：

完成火車車輪輪轂內(nèi)孔直徑激光測(cè)量傳感器位置的標(biāo)定，并求解出被測(cè)火車車輪內(nèi)孔直徑d。

本發(fā)明在中國(guó)專利cn105758321a“火車車輪輪轂內(nèi)孔直徑激光測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法”的基礎(chǔ)上，通過本發(fā)明設(shè)計(jì)的標(biāo)定裝置，建立激光發(fā)出點(diǎn)到激光器旋轉(zhuǎn)中心的距離a、激光線與激光發(fā)出點(diǎn)到所述旋轉(zhuǎn)中心連線的夾角α與兩平行標(biāo)定板之間的距離l之間的關(guān)系，求出激光測(cè)量系統(tǒng)中激光器的位置參數(shù)acosα，進(jìn)而與被測(cè)火車車輪位置關(guān)系建立方程組，求解出被測(cè)火車車輪內(nèi)孔直徑d，本標(biāo)定方法簡(jiǎn)便易行，不要求激光器發(fā)出的激光線與激光發(fā)出點(diǎn)到激光器旋轉(zhuǎn)中心的連線嚴(yán)格重合，保證了測(cè)量精度。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明中的標(biāo)定裝置應(yīng)用示意圖；

圖2為本發(fā)明中標(biāo)定裝置的三維結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明內(nèi)孔直徑測(cè)量原理圖；

圖4為本發(fā)明中標(biāo)定原理圖；

圖5為中國(guó)專利cn105758321a中內(nèi)孔直徑測(cè)量原理圖。

圖中：1：標(biāo)定板；2：螺栓組；3：標(biāo)定環(huán)；4：標(biāo)定裝置；5：測(cè)量裝置工作臺(tái)；6：激光器；7：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；8：升降機(jī)構(gòu)；9：激光線；10：被測(cè)火車車輪。

具體實(shí)施方式：

以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳述：

參見附圖1～4所示，本發(fā)明所提供的標(biāo)定方法具體步驟如下：

(1)如圖2所示，制作標(biāo)定裝置4，即將兩塊結(jié)構(gòu)相同的標(biāo)定板1通過螺栓組2平行地固定于標(biāo)定環(huán)3上表面，并用200mm長(zhǎng)的長(zhǎng)方形鋼制量塊測(cè)量?jī)蓧K標(biāo)定板1兩端的內(nèi)側(cè)距離，使之均等于l＝200mm；標(biāo)定環(huán)3中的大環(huán)的上下端面互相平行，標(biāo)定板1的內(nèi)側(cè)面與標(biāo)定環(huán)3的上端面垂直。

(2)如圖1所示，將所述標(biāo)定裝置4放置于火車車輪輪轂內(nèi)孔直徑激光測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量裝置工作臺(tái)5上，并使標(biāo)定環(huán)3中大環(huán)的下端面緊貼測(cè)量裝置工作臺(tái)5臺(tái)面，標(biāo)定環(huán)3的下凸圓臺(tái)與測(cè)量裝置工作臺(tái)5的止口對(duì)中。

(3)升降機(jī)構(gòu)8工作，升起激光器6，打開激光器6，通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7的微調(diào)，轉(zhuǎn)動(dòng)激光器6使激光線垂直于位于左側(cè)的標(biāo)定板1的內(nèi)側(cè)表面；在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7的微調(diào)過程中，激光器6的測(cè)距值不斷變化并被顯示出來(lái)，當(dāng)激光器6的測(cè)距值顯示為最小值時(shí)，即認(rèn)為激光線垂直于位于左側(cè)的標(biāo)定板1的內(nèi)側(cè)表面，記錄此時(shí)激光器6的測(cè)距值l1＝31.2274mm。

(4)如圖4所示，以激光器6的旋轉(zhuǎn)中心o為原點(diǎn)，以垂直于標(biāo)定板1內(nèi)側(cè)表面的方向?yàn)閤軸，建立平面直角坐標(biāo)系。

(5)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)7工作，使激光器6旋轉(zhuǎn)180°，測(cè)出激光發(fā)出點(diǎn)到位于右側(cè)的標(biāo)定板1的內(nèi)側(cè)表面的距離l3，l3＝28.4674mm，由下式計(jì)算得激光器位置參數(shù)acosα＝70.1526。

(6)取走標(biāo)定裝置4，升降機(jī)構(gòu)8工作，降下激光器6到測(cè)量裝置工作臺(tái)5的臺(tái)面以下，將被測(cè)火車車輪10吊上測(cè)量裝置工作臺(tái)5上，由測(cè)量裝置工作臺(tái)5上四個(gè)90°均布的限位塊(已根據(jù)被測(cè)火車車輪最大輪緣直徑尺寸預(yù)先調(diào)好位置)使被測(cè)火車車輪10放在所述測(cè)量裝置工作臺(tái)5的正中；升降機(jī)構(gòu)8工作使激光器6上升到被測(cè)火車車輪10內(nèi)孔高度的設(shè)定位置處，每旋轉(zhuǎn)90°測(cè)一次激光發(fā)出點(diǎn)到所述被測(cè)火車車輪10內(nèi)孔壁的距離，分別為l01＝29.9826mm、l02＝28.5456mm、l03＝29.6850mm、l04＝31.1385mm。

(7)依次按照以下公式計(jì)算：

c1＝-l01-acosα＝-100.1352；

c2＝l02+acosα＝98.6982；

c3＝l03+acosα＝99.8376；

c4＝-l04-acosα＝-101.2911；

由c1、c2、c3、c3可求得k1、k2、k3為：

k1＝c1²+c3²-c2²-c4²＝-6.6170；

k2＝2(c1+c3)＝-0.5952；

k3＝2(c2+c4)＝-5.1858；

由k1、k2、k3和c1、c2、c3、c3可得：

將b1、b2、b3代入下式：

解得：y01＝-1.2578，y02＝-1.2947；

將y01、y02分別代入下式：

得：x01＝0.1584、x02＝-0.1631；

將(x01，y01)、(x02，y02)分別代入下式：

c1²-c3²-2x0(c1-c3)-4ty0＝0

解得：t1＝-24.4102、t2＝1.0891，由于|t1|＞|t2|，取t＝t2＝1.0891，y0＝y(tǒng)02＝-1.2947，x0＝x02＝-0.1631，則被測(cè)火車車輪中心坐標(biāo)為(-0.1631，-1.2947)，由此可求得被測(cè)火車車輪輪轂內(nèi)孔直徑d為：

用傳統(tǒng)方法測(cè)量該火車車輪輪轂內(nèi)孔直徑為φ200.000mm，測(cè)量誤差為1.4μm＜5μm，達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量精度要求。