阅读说明：本技术 一种低成本便携式轮轴曲面微划痕非接触检测装置及方法 (Low-cost portable axle curved surface micro-scratch non-contact detection device and method ) 是由 窦艳红 黄雷 关维琦 王硕 魏岩军 赵梓朝 张立秋 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：一种低成本便携式轮轴曲面微划痕非接触检测装置,属于曲面划痕深度检测技术领域,为了解决现有技术存在的问题,共聚焦传感器通过精密连接夹具安装于位移滑台上；快速定位夹具由类V型座和磁力吸附装置组成,类V型座的中心与位移滑台运动轴线垂直,并通过磁力吸附装置吸附于被测轮轴上,类V型座的中心与被测轮轴母线平行；集成控制器由位移控制器和电机驱动器组成；计算机用于对共聚焦传感器进行状态控制,同时将其采集到的数据进行处理,并对集成控制器发送控制指令,计算机通过自适应曲率滤波算法,根据被测轮轴的曲率半径、表面反射率和共聚焦传感器高频率采样特性,自动消除被测轮轴曲率半径对划痕深度的影响,并自动生成划痕检测报告。(A low-cost portable axle curved surface micro-scratch non-contact detection device belongs to the technical field of curved surface scratch depth detection, and aims to solve the problems in the prior art, a confocal sensor is arranged on a displacement sliding table through a precision connecting clamp; the quick positioning fixture consists of a V-shaped seat and a magnetic adsorption device, the center of the V-shaped seat is perpendicular to the movement axis of the displacement sliding table and is adsorbed on the measured wheel shaft through the magnetic adsorption device, and the center of the V-shaped seat is parallel to the generatrix of the measured wheel shaft; the integrated controller consists of a displacement controller and a motor driver; the computer is used for carrying out state control on the confocal sensor, processing the acquired data and sending a control instruction to the integrated controller, and the computer automatically eliminates the influence of the curvature radius of the measured wheel shaft on the scratch depth and automatically generates a scratch detection report according to the curvature radius of the measured wheel shaft, the surface reflectivity and the high-frequency sampling characteristic of the confocal sensor through a self-adaptive curvature filtering algorithm.)

一种低成本便携式轮轴曲面微划痕非接触检测装置及方法

技术领域

本发明涉及曲面划痕深度检测技术领域，特别是涉及一种高精度轮轴表面划痕深度的装置及方法。

背景技术

机车轮轴属于轨道客车车体的核心运动传输部件和结构安全部件，其质量的好坏直接影响列车的行驶安全和使用寿命。在机车车轴检修过程中，机车轮轴轴承座处的划痕深度很多较小，可再次修复继续使用，但修复的前提是要保证其划痕深度在0.1mm以内，对大于0.1mm划痕的机车轮轴直接做报废处理。同时，划痕的宽度也较窄，一般为(0.2～1)mm，传统接触式传感器、激光三角法激光器和光切法传感器很难对其进行准确测量。同时，由于机车轮轴轴承安装座是带有曲率半径的，这样就更增加了其划痕深度的检测难度，该问题一直困扰着高铁轮轴生产厂商，致使轮轴的报废率居高不下。

轮轴划痕深度检测每天需30根，按照可用比例10％计算，每天至少可以保留3根可修复轮轴，如设备研制成功将提高轮轴检修报废筛查率的效率，有效保障机车安全系数。

发明内容

本发明为了解决现有技术很难针对轮轴曲面微划痕进行准确测量的问题，提出一种低成本便携式轮轴曲面微划痕非接触检测装置及方法。

本发明采用以下技术方案：

一种低成本便携式轮轴曲面微划痕非接触检测装置，其特征是，其包括共聚焦传感器、位移滑台、快速定位夹具、精密连接夹具、集成控制器和计算机；

所述共聚焦传感器用于采集被测轮轴划痕表面数据，并通过精密连接夹具安装于位移滑台上，保证共聚焦传感器与位移滑台横向位移轴线垂直；

所述快速定位夹具由类V型座和磁力吸附装置组成，类V型座的中心与位移滑台运动轴线垂直，并通过磁力吸附装置吸附于被测轮轴上，所述类V型座的中心与被测轮轴母线平行，保证现场快速精确安装定位要求；

所述集成控制器由位移控制器和电机驱动器组成，实现对位移滑台的电机驱动和位移的集成化控制，满足装置现场检测的便携性需求；

所述计算机用于对共聚焦传感器进行状态控制，同时将其采集到的数据进行处理，并对集成控制器发送控制指令，计算机通过自适应曲率滤波算法，根据被测轮轴的曲率半径、表面反射率和共聚焦传感器高频率采样特性，自动消除被测轮轴曲率半径对划痕深度的影响，并自动生成划痕检测报告。

所述位移滑台提供测量范围0～10mm，直线度在2μm以下的高精度直线位移，保证测量光路垂直于被测轮轴的母线。

一种低成本便携式轮轴曲面微划痕非接触检测方法，其特征是，该方法包括以下步骤：

步骤一、将被测轮轴放置在稳定的台面上，根据现场情况，在保证无振动和气流干扰的条件下，将多个被测样品安放至一起进行批量检测；

步骤二、通过专用定标器将共聚焦传感器、位移滑台和快速定位夹具组成的检测装置进行校准，保证装置的初始工作状态完好；

步骤三、将检测装置稳固的吸附到被测轮轴表面，这时保证被测轮轴母线与测量光轴垂直；

步骤三、通过手动调整和目视观察，确定被测划痕位置，将检测装置横移至初始检测位置，如初始位置不合适，可适当调整快速定位夹具进行微调；

步骤四、计算机控制位移滑台移动，并发出同步信号使共聚焦传感器开始同步采集位移数据；

步骤五、计算机通过自适应曲率滤波算法，根据被测轮轴曲率半径、表面反射率和共聚焦传感器高频率采样特性，计算机通过自适应曲率滤波算法，根据被测轮轴的曲率半径、表面反射率和共聚焦传感器高频率采样特性，自动消除被测轮轴率半径对划痕深度的影响，并自动生成划痕检测报告。

本发明的有益效果：

1、本发明提供的一种低成本便携式轮轴曲面微划痕非接触检测装置及方法，利用白光共聚焦传感器的光学特性，通过控制测量距离、测量位置和曝光强度的调控算法，使其光斑直径在特定测量范围内达到满足划痕检测的要求，从而极大的提高了测量精度；

2、本发明采用自适应曲率滤波算法，克服加工表面形貌带来的划痕深度测量不确定性，采用了结合轮轴表面特性和白光共聚焦传感器特性的滤波算法及采样点取值算法等诸多特殊运算；

3、本发明通过将共聚焦传感器、便携式位移滑台和控制系统进行系统化和集约化设计，大为减小设备的体积和重量，可实现机车轮轴(0～1mm)划痕的高精度测量，进而检测到划痕深度在0.1mm以下可修复的机车轮轴。并可实现工作现场对轮轴划痕的检测，从而无需复杂的轮轴运送和调试装备过程，大为降低了检测时间和检测成本；

4、本发明采用了非接触式测量方式，避免在对被测轮轴表面检测时产生新的未知划痕。

附图说明

图1为本发明一种低成本便携式轮轴曲面微划痕非接触检测装置示意图；

图中：1-共聚焦传感器、2-位移滑台、3-快速定位夹具、4-被测轮轴、5-精密连接夹具、6-集成控制器、7-计算机。

图2为本发明一种低成本便携式轮轴曲面微划痕非接触检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

如图1所示，一种低成本便携式轮轴曲面微划痕非接触检测装置，其包括共聚焦传感器1、位移滑台2、快速定位夹具3、精密连接夹具5、集成控制器6和计算机7。

所述共聚焦传感器1用于采集被测轮轴4划痕表面数据，并通过精密连接夹具5安装于位移滑台2上，可保证共聚焦传感器1与位移滑台2横向位移轴线垂直。

位移滑台2通过精密连接夹具5承载共聚焦传感器1，可提供测量范围(0～10)mm，直线度在2μm以下的高精度直线位移，保证测量光路垂直于被测轮轴4的母线。

快速定位夹具3由类V型座和磁力吸附装置组成。类V型座的中心与位移滑台2运动轴线垂直，并通过磁力吸附装置吸附于被测轮轴4上，所述类V型座的中心与被测轮轴4母线平行，可保证现场快速精确安装定位要求。

集成控制器6由位移控制器和电机驱动器组成，可实现对位移滑台2的电机驱动和位移的集成化控制，满足装置现场检测的便携性需求；

计算机7用于对共聚焦传感器1进行状态控制，同时将其采集到的数据进行处理，并对集成控制器6发送控制指令，计算机7内部集成了可消除被测轮轴4曲率半径影响的自适应划痕深度检测算法，并输出客户要求的检测报告。

一种低成本便携式轮轴曲面微划痕非接触检测方法，包括以下步骤：

步骤一、将被测轮轴4放置在稳定的台面上，也可根据现场情况，在保证无振动和气流干扰的条件下，将多个被测样品安放至一起进行批量检测；

步骤二、通过专用定标器将共聚焦传感器1、位移滑台2和快速定位夹具3组成的检测装置进行校准，保证装置的初始工作状态完好；

步骤三、将检测装置稳固的吸附到被测轮轴4表面，这时即可保证被测轮轴4母线与测量光轴垂直；

步骤三、通过手动调整和目视观察，确定被测划痕位置，将检测装置横移至初始检测位置，如初始位置不合适，可适当调整快速定位夹具3进行微调；

步骤四、计算机7控制位移滑台2移动10mm位移，并发出同步信号使共聚焦传感器1开始同步采集位移数据；

步骤五、计算机7通过自适应曲率滤波算法，根据被测轮轴曲率半径、表面反射率和共聚焦传感器高频率采样特性，可自动消除被测轮轴4曲率半径对划痕深度的影响，并通过计算机自动生成划痕检测报告，从而判断该轮轴是否满足继续使用要求。

本发明应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。