汽車輪轂跳動量檢測系統(tǒng)設(shè)計

任思穎，趙添，秦永左

（1 吉林建筑工程學(xué)院城建學(xué)院學(xué)院 130111；2 空軍航空航天大學(xué) 130112；3 長春理工大學(xué) 130028）

0 引言

作為汽車最重要的安全部件，輪轂承受著汽車和載物質(zhì)量作用的壓力，受到車輛在啟動、制動時動態(tài)扭矩的作用，還承受汽車在行駛過程中轉(zhuǎn)彎、凹凸路面、路面障礙物沖擊等來自不同方向動態(tài)載荷產(chǎn)生的不規(guī)則交變力[1]。汽車輪轂的跳動量是一個非常重要的性能指標。當(dāng)前，歐美國家對高檔轎車輪轂的精度要求已達到微米級，并要求計算四次諧波。因此，輪轂跳動量檢測勢必采用高精度的技術(shù)手段。隨著中國汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，以及汽車零部件不斷走出國門，各個輪轂生產(chǎn)廠家都對輪轂的軸向及徑向跳動指標提出了嚴格的檢測要求，使得輪轂跳動量檢測設(shè)備市場前景廣闊。

1 檢測系統(tǒng)測量的技術(shù)指標

該系統(tǒng)的技術(shù)指標如下：傳感器量程不小于15～20mm，分辨率為 0．001mm，誤差≤ 0．005mm。該系統(tǒng)完成過程中采用實驗研究和理論設(shè)計并舉的方法。測量實驗數(shù)據(jù)來驗證微位移檢測系統(tǒng)的測量精度，在保證傳感器和主軸徑向跳動精度的前提下，整個系統(tǒng)徑向跳動和軸向跳動測量誤差在0．04mm范圍內(nèi)。實際的設(shè)計則針對測控過程提出解決方案。二者互為依存來解決各自的不足，保證整體功能的實現(xiàn)。

2 輪轂跳動量的檢測方案論證

輪轂跳動量的測量實質(zhì)上就是測量輪轂轉(zhuǎn)時將徑向跳動和軸向跳動通過機械傳遞機構(gòu) 的微位移量。其主要差別主要體現(xiàn)在測量的精度上，傳感器影響整個系統(tǒng)的精度。對于輪轂跳動量測量主要有以下3種方案。

差動變壓器式位移傳感器是一種互感式傳感器[2]。具有分辨力高、穩(wěn)定性好、精度高、溫度影響小等優(yōu)良特性，但與其他類型的位移傳感器相比，它的各項指標不是最佳的。原因在于差動變壓器輸出信號中的零點殘余電壓影響傳感器的精度、線性度和分辨力[3]。

光柵傳感器精度高、響應(yīng)速度快、整機體積小、重量輕、運用靈活，在對環(huán)境溫度無特別要求，輸出為數(shù)字量，處理方便，技術(shù)成熟，在微位移檢測中得到了廣泛的使用[4]。

光三角式傳感器[6]是屬于非接觸式傳感器，它不受被檢測體空間結(jié)構(gòu)的限制，使用靈活，同時它本身結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，抗電磁干擾能力強。但受異光的影響比較大。

根據(jù)3種傳感器的特點分別列出其優(yōu)缺點，如表1所示。

表1 3種傳感器的優(yōu)缺點

鑒于以上3種方案比較，考慮到測量的實質(zhì)、測量的精度、穩(wěn)定度及成本，我們選擇了第二種方案，利用光柵傳感器來測量輪轂的跳動量。光柵測量系統(tǒng)具有以下突出的特點[5]：

高精度，量程大、分辨率高，可實現(xiàn)動靜態(tài)測量、自動測量和數(shù)字顯示功能，抗干擾能力強，具有較高的測量速度。

因此，光柵計量技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于精密測量和精密定位控制等領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)資料表明，國外在各種位置檢測中計量光柵應(yīng)用最多，約占全部產(chǎn)品的80%以上。

3 汽車輪轂跳動量檢測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 跳動量檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路采用模塊化的設(shè)計方法，包括信號處理電路單元，CPLD信號處理電路單元和單片機信號處理電路單元，其硬件框圖如圖1所示。其中傳感器部分采用北京超精細工程研究所生產(chǎn)的JGX系列光柵位移傳感器作為傳感元件來檢測位移的變化，其光柵柵距達20μm，測量重復(fù)性到1～2個分辨率,即20～40μm,電源要求為+5 VDC，輸出信號為兩路含有直流電平的相位差分別為90°的準正弦信號。

圖1 跳動量檢測系統(tǒng)硬件框圖

信號處理電路單元負責(zé)對傳感器輸出信號的初步處理，它包括兩部分，一是設(shè)計放大電路單元，選用了AD620進行放大整形實現(xiàn)對信號的放大整形，避免了采用差動放大電路精度差，調(diào)整復(fù)雜的不良因素。二是五細分電路設(shè)計單元，實現(xiàn)將一個正弦波周期劃分為5個方波周期，實現(xiàn)了五細分，得到兩路正交方波信號。在眾多場合下，五細分并不能滿足測量精度的要求，這就需要在此細分的基礎(chǔ)上能夠?qū)@兩路信號再次進行細分，而且最好能夠使二次細分的細分數(shù)按照不同的要求可以隨意改變，因此還需要CPLD信號處理電路單元對信號進一步處理[7]。基于可編程邏輯器件的系統(tǒng)重復(fù)編程的特點，在CPLD內(nèi)部實現(xiàn)的邏輯細分電路可以靈活的實現(xiàn)這一目標。將五倍頻細分電路輸出的兩路方波信號接至四倍頻電路的兩個輸入端，就可以組成一個20細分電路，使之滿足精度的要求。

在CPLD信號處理電路單元它包括四細分辨向電路單元和計數(shù)鎖存單元兩部分，選用美國ALTERA公司的MAX7000系列的產(chǎn)品EPM7128芯片[8]。利用其中，四細分辨向電路單元為滿足設(shè)計指標，將五倍頻細分電路輸出的兩路方波信號進一步細分。同時還要考慮到在測量過程中，被測物體的位移往往不是單向的，既有正向運動，也可能有反向運動，使用74ls54來實現(xiàn)辨向，利用QuartusII中軟件中的原理圖設(shè)計實現(xiàn)。計數(shù)鎖存單元是設(shè)計中的重要部分，計數(shù)的范圍是0～9999，整個計數(shù)3個模塊組成。首先編寫好帶三態(tài)輸出的鎖存模塊和可逆計數(shù)模塊。最后根據(jù)實際項目需要，利用已經(jīng)編寫好的2個模塊，編寫出兩路光柵計數(shù)程序。

從CPLD信號處理電路單元輸出的信號是16位，而選用的單片機是8位單片機，所以還要設(shè)計一個與單片機端口連接部分模塊單元，先輸出低8位，再輸出高8位，這樣將得到的兩路正交方波信號經(jīng)過EPM7128芯片就可以得到輸入單片機的信號。單片機采用了AVR系列單片機，其最大的特點是低功耗和高速度，是8位微控器中性能較高的器件。根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，選用了8位AVR單片機系列中的ATmega16，實現(xiàn)光柵信號的處理。

3.2 跳動量檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件的設(shè)計是測量系統(tǒng)研究工作的重要組成部分，是控制系統(tǒng)的靈魂，該系統(tǒng)輪轂微位移的測量和輸出，顯示和報警功能等都是通過軟件來實現(xiàn)的。軟件設(shè)計包括主程序模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、鍵盤管理模塊、串口通信模塊等組成。其中數(shù)據(jù)采集處理模塊和串口通信模塊是測量軟件的核心部分，它設(shè)計的結(jié)構(gòu)、執(zhí)行效率關(guān)系到整個系統(tǒng)是否能夠正常和可靠運行及性能的優(yōu)劣。因此，所設(shè)計的軟件應(yīng)該滿足系統(tǒng)的使用要求，并具有高度的可擴充性和可維護性。

●主程序模塊，系統(tǒng)上電或復(fù)位后，即進入主程序模塊。其功能是：數(shù)據(jù)緩沖區(qū)清零、鍵盤初始化、液晶顯示模塊初始化、開中斷，顯示等。圖2是主程序流程圖。

圖2 主程序流程圖

圖3 數(shù)據(jù)采集處理流程圖

●數(shù)據(jù)采集處理模塊，數(shù)據(jù)采集和處理是在響應(yīng)INT0中斷的服務(wù)程序里實現(xiàn)的。主要的功能是：將當(dāng)前計數(shù)值鎖存；分別讀入徑向、軸向計數(shù)值并放入數(shù)據(jù)暫存區(qū)；計算徑向、軸向跳動量；當(dāng)量換算，將測量放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及通過串行通信將結(jié)果傳送到上位機等。每一個功能模塊均由相應(yīng)的C語言函數(shù)實現(xiàn)。圖3是數(shù)據(jù)采集處理流程圖。

●數(shù)據(jù)顯示模塊，采用JM12864M實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。

●鍵盤管理模塊，考慮到鍵盤的簡單、實用，本設(shè)計采用程序控制掃描方式來實現(xiàn)人機控制。鍵盤按鍵掃描的識別方法分為兩步：第一步，識別鍵盤有無鍵被按下；第二步，如果有鍵被按下，識別出具體的按鍵。

●串口通信模塊，上位單片機與AVR控制器之間的通信也是雙向的，所以上位單片機實際上是與AVR控制器進行通信，通信格式是相同的。

4 系統(tǒng)調(diào)試和分析

實驗系統(tǒng)由電源、光柵傳感器、系統(tǒng)電路板和JATG仿真器以及計算機組成。PCB板和仿真器均采用5V電源。在ICCAVR開發(fā)環(huán)境下調(diào)試系統(tǒng)的程序。

調(diào)試分兩步進行，第一步是接上傳感頭，對傳感器輸出信號進行整形濾波等，并對其輸出的信號進行測試后，送入CPLD進行細分和辨向等工作。第二步是將信號引入到單片機，把程序下載到單片機中，通過上位單片機的控制，可送液晶進行顯示。

圖4是基于CPLD和單片機的光柵位移測量系統(tǒng)電路板照片。

在系統(tǒng)的硬件、軟件調(diào)試完成后，在同樣的條件下，光柵位移傳感器的讀數(shù)直接累加到測量結(jié)果中，因此其精度直接影響整個系統(tǒng)的精度，需要對光柵精度進行測量和比對實驗。實驗中采用HP -5528A型雙頻激光干涉儀進行對比，根據(jù)傳感器量程不小于15～20mm的技術(shù)指標，取15～24mm之內(nèi)的10個測量點，為比較二者讀數(shù)之間的差值。細分數(shù)為20，光柵柵距達20μm的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 光柵位移精度對比實驗數(shù)據(jù)

圖4 基于CPLD和單片機的光柵位移測量系統(tǒng)電路板照片

5 結(jié)束語

汽車輪轂跳動量檢測系統(tǒng)采用高精度的位移傳感器，測量結(jié)果重復(fù)性好，精度高，基本滿足了技術(shù)要求。該系統(tǒng)安裝在輪轂跳動量測量機上經(jīng)調(diào)試后，已經(jīng)在某大型企業(yè)投入使用一年多，運行中該系統(tǒng)大大減少了工人的勞動時間，提高了測量精度和數(shù)據(jù)處理的準確性，具有潛在的應(yīng)用前景。

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