便携式白光共聚焦轮轴曲面划痕检测装置的研究

黄雷; 窦艳红; 王硕; 关维琦; 张博; 张进

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0596

便携式白光共聚焦轮轴曲面划痕检测装置的研究

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2021.0596

黄雷^1,,
窦艳红¹,
王硕²,
关维琦¹,
张博¹,
张进³

1.
吉林省计量科学研究院-吉林省计量测试仪器与技术重点实验室，长春 130103
2.
长春中车轨道车辆有限公司，长春 130103
3.
长春理工大学，长春 130022

基金项目: 中央引导地方科技发展基金吉林省基础研究专项（202002059JC）。

详细信息

作者简介:
黄雷（1982-），吉林省计量科学研究院高级工程师，研究方向：几何量计量，邮箱：93768351@qq.com

计量
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出版历程
- 收稿日期: 2021-10-19
- 录用日期: 2021-11-19
- 网络出版日期: 2022-12-14

Research on Portable Scratch Detection Device for Axis Curved Surface of White Light Confocal Wheel

1.
Jilin Institute of Metrology-Jilin Key Laboratory of Measuring Instrument and Technology, Changchun 130103, China
2.
Changchun CRRC Railway Vehicles Co., Ltd, Changchun 130000, China
3.
Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China

摘要

摘要: 为解决机车轮轴检修过程中划痕深度检测难题，基于轮轴金属表面动态曝光补偿方法和划痕区域补偿算法，对共聚焦传感器、便携式位移滑台和控制系统进行系统化和集约化设计，设计了一种便携式白光共聚焦轮轴曲面划痕检测装置，实现了轮轴曲面划痕的现场检测。动态调光实验结果表明，该装置测量金属反射面的精度可达到±1.8 μm；采用标准单刻线样板进行了精度验证实验，示值误差最大值为−2.3 μm。
- 计量学 /
- 轮轴曲面划痕 /
- 非接触检测 /
- 共聚焦位移传感器 /
- 区域补偿 /
- 动态曝光
Abstract: Aiming at the problem of scratch depth detection in the process of locomotive axle maintenance, a portable white light confocal axle surface scratch detection device was designed based on the dynamic exposure compensation method of axle metal surface and scratch area compensation algorithm. Through the systematic and intensive design of the confocal sensor, portable displacement slide and control system, the on-site detection of axle surface scratch was realized. The experimental results show that the device can measure the metal reflective surface with an accuracy of ±1.8 μm. In the precision verification experiment with a standard single-scribed line template, the maximum indication error was −2.3 μm.
- metrology /
- wheel axle surface scratch /
- non-contact detection /
- confocal displacement sensor /
- regional compensation /
- dynamic exposure

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图 1 白光共聚焦传感器测量原理

Figure 1. Measurement principle of white light confocal sensor

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图 2 系统结构图

注：1.共聚焦传感器；2.位移滑台；3.快速定位夹具；4.被测圆轴；5.精密连接夹具；6.集成控制器；7.控制电脑

Figure 2. System structure diagram

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图 3 正常光强状态1分析图

Figure 3. Analysis diagram of normal light intensity state 1

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图 4 正常光强状态2分析图

Figure 4. Analysis diagram of normal light intensity state 2

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图 5 饱和光强分析图

Figure 5. Analysis diagram of saturated light intensity

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图 6 弱光分析图

Figure 6. Analysis diagram of low light

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图 7 划痕精度验证结果

Figure 7. Scratch accuracy verification results

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图 8 白光共聚焦轮轴曲面划痕现场检测图

Figure 8. Field detection of scratches on the surface of white light confocal wheel shaft

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表 1 白光共聚焦位移传感器不同采样频率下对金属表面精度测试结果

Table 1. Precision test of white light confocal displacement sensor on metal surface under different sampling frequencies

标称值/μm	误差值/μm
标称值/μm	0.5 kHz	1 kHz	2 kHz
0	0	0	0
50	−0.6	−1.5	−1.1
100	−0.8	−1.2	−1.4
200	−0.9	−2.0	−3.2
300	−1.1	−5.1	−7.2
400	−2.2	−1.2	−10.7
500	2.5	−1.4	−12.3
600	3.1	−1.9	−15.7
700	3.4	−1.0	−17.4
800	2.8	−0.9	−12.3
900	1.8	−1.7	−6.3
1000	1.2	−1.8	−5.5
1100	1.4	−5.0	2.3
1196	1.0	−3.0	1.9

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表 2 白光共聚焦位移传感器采用动态曝光补偿方法精度测试结果

Table 2. Accuracy test of white light confocal displacement sensor using dynamic exposure compensation method

标称值/μm	误差值/μm	采样频率
0	0	1 kHz
50	−0.3
100	−0.4
200	−0.3
300	−0.2
400	−1.0
500	0.2
600	0.3
700	0.1	0.5 kHz
800	−0.2
900	−0.2
1000	−1.1
1100	−1.5
1196	−1.8

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参考文献(15)

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