汽車剎車盤片平衡機的定位、控制與優(yōu)化測試

黃文博，張浩哲

（1.長春師范學院計算機科學與技術學院，長春130032；2.日本廣島技術長春汽車部件有限公司技術部，長春130103）

汽車剎車盤片作為汽車安全部件的一個重要部分，其產(chǎn)品質量直接影響到車輛的運行性能。汽車剎車盤片由一個圓鋼盤構成，汽車高速行進時由它帶動輪胎高速旋轉。剎車時，剎車卡鉗夾住剎車盤片起到減速或停車的作用。剎車盤片的平衡效果是評價產(chǎn)品質量好壞的一個重要標準。剎車盤片裝配前必須進行平衡校驗，旨在提高其動平衡校驗效率和平衡精度。開發(fā)并優(yōu)化自動平衡設備已成為動平衡領域的一個研究重點。通過對國內外汽車剎車盤片平衡機研究現(xiàn)狀及市場應用情況的調查分析，本文提出幾個技術創(chuàng)新以優(yōu)化汽車剎車盤片平衡機。

1 剎車盤片中的關鍵技術問題確定

1.1 單工位一體化的實現(xiàn)

目前國內銷售的大多數(shù)自動去重動平衡機的電氣控制部分和機械部分是分開布局的，通常情況下是機床的外側放置電氣控制柜，所有的電氣元件放在柜內，外部還需連接液壓工作站。這不僅導致占地面積大、成本高，運輸不方便，而且電控柜和機床分開移動時需要斷開內部所有連線，搬運后又很難保證接線正確，不利于維護。

分體式平衡機的設計理念源于早期的平衡機需要工業(yè)計算機、顯示器的需求，這就導致電氣控制柜體積變大。另外，工業(yè)計算機所使用的Windows操作系統(tǒng)是非實時的操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的內容不可剪裁，不利于提高動平衡自動校正系統(tǒng)的工作效率，而且Windows操作系統(tǒng)會產(chǎn)生內存泄漏、病毒感染等問題，嚴重時甚至會發(fā)生系統(tǒng)崩潰，所以維護成本較高。此外，Windows操作系統(tǒng)涉及軟件知識產(chǎn)權問題，系統(tǒng)的銷售成本因此也隨之增加。為了避免以上所述的弊端，本文提出將利用PLC和工業(yè)觸摸屏代替工業(yè)計算機和顯示器，縮小了元件體積，提高了抗干擾能力，使電氣控制部分與機械操作部分實現(xiàn)一體化成為可能。

1.2 不平衡定位的優(yōu)化

平衡機主軸測量程序主要是控制主軸伺服電機的啟動和停止、速度的選擇及測量后主軸的定位，也就是根據(jù)不平衡位置確定主軸的停止位置。在主軸定位過程中，因為測量主軸帶動工件旋轉速度較快，其轉動慣量較大，準確定位較難，每次定位的角度又不相同，在每次測量完成并計算銑削角度之后才能得到主軸的準確定位角度。本文提出通過把測量所用的脈沖數(shù)補償?shù)街鬏S旋轉脈沖的整數(shù)倍、計算定位位置并修改主軸脈沖數(shù)、主軸停止后的誤差修正等3個步驟以優(yōu)化不平衡的定位。

1.3 銑削深度的控制優(yōu)化

控制部分的另一個難點是如何控制銑削深度的準確性。一般認為，伺服系統(tǒng)可以完全滿足精度要求，但在實際工作中需要平衡去重的工件有時會存在工差，這就造成通過距離來設定控制進刀深度的誤差。其結果將導致去重精度不穩(wěn)定，影響生產(chǎn)。本文提出利用PLC外部中斷輸入來解決此問題。當滑臺向前進給銑刀接觸工件的瞬間，發(fā)送信號給PLC的中斷輸入點進入中斷程序開始計數(shù)脈沖數(shù)，這樣就可避免因為工件工差造成的進刀不準確。

2 解決關鍵技術的方法

2.1 單工位一體化的實現(xiàn)

2.1.1 機械部分設計

為了實現(xiàn)測量和銑削去重能在同一工位進行，本文提出采用2套夾具的辦法，一套是測量氣動夾具，采用的是氣動三爪夾盤，另一套為液壓銑削夾具，采用三支液壓轉角缸。在設計中，如何使這2套夾具在各自動作時不發(fā)生干涉，且雙方不相互作用是設計的難點。在銑削過程中，首先要利用上浮動作將工件盤底定位面完全與測量氣動夾具脫離，然后再利用轉角夾緊工件。在銑削去重過程中，因為工件與測量氣動夾具是完全分離的，所以不存在任何作用力，這就避免了銑削時對主軸的沖擊，使測量主軸保持一種長期不變的狀態(tài)，提高了設備使用壽命。在工件測量旋轉時，銑削液壓夾具保持在轉角90o位置時與工件不發(fā)生干涉。這樣的設計確保了測量和銑削去重能在同一工位進行。在機械部分的設計上，有如下部分構成：機床床身及銑削滑臺、銑削回轉工作臺、立柱及銑頭、平衡測量振動裝置、銑削夾緊裝置、吸屑裝置、機床液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、機床防護罩、潤滑部分。

2.1.2 利用PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工業(yè)計算機的實現(xiàn)

利用PLC代替以往的工業(yè)計算機提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，擺脫了設備對環(huán)境的高要求，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，降低了功耗，大幅度縮減了測量系統(tǒng)的體積。PLC由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術，采用嚴格的生產(chǎn)工藝制造，內部電路采取了先進的抗干擾技術，因此具有安全可靠性。PLC構成的控制系統(tǒng)，與同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比，電氣接線及開關接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一，故障也因此降低。另外，PLC帶有硬件故障自我檢測功能，出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應用軟件中，使用者還可編入外圍器件的故障自診斷程序，使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設備也可獲得故障自診保護。這樣，整個系統(tǒng)就具備了很高的可靠性。PLC用存儲邏輯代替接線邏輯，減少了控制設備外部的接線，使控制系統(tǒng)設計及建造周期縮短、容易維護。

2.2 測量不平衡定位的優(yōu)化

為了優(yōu)化測量主軸的定位，將程序細分為3步。

2.2.1 將測量所用的脈沖數(shù)補償?shù)街鬏S旋轉脈沖的整數(shù)倍

其目的可近似認為主軸的啟動角度就是停止角度，因為在實際中機械傳動會存在誤差，所以這只是理想狀態(tài)下的結論。這是定位所需要的第一步工作，因此只要求近似結果即可。主軸測量脈沖數(shù)的計算語句：

2.2.2 計算定位位置并修改主軸脈沖數(shù)

由于已知主軸在不修改脈沖條件下的定位角度，又確定了測量結果去重弧度，因此就可計算出應修正的脈沖數(shù)。定位脈沖的計算語句：

2.2.3 主軸停止后的誤差修正

在以上2個步驟中，雖然主軸定位已經(jīng)完成，但在實際操作中往往還存在一點誤差，這就需要在主軸停止后做修正，就是將定位后的實際角度和理想定位角度做差計算的脈沖數(shù)補償回來。定位誤差校正脈沖的計算語句：

經(jīng)過以上3個步驟的定位，主軸的定位角度將變得十分精確。在實際的操作中，定位誤差小于1°，定位過程中不會受到工件重量、測量速度等因素的影響。這為去重提供了準確的先決條件。

2.3 銑削深度控制的優(yōu)化

在銑削的過程中，PLC接收到外部輸入信號（上升沿或下降沿）時，執(zhí)行相應中斷任務。如何能在銑刀剛接觸工件時提供給PLC一個輸入信號，將需要部分硬件電路的設計來實現(xiàn)。

2.3.1 開門信號板硬件設計

圖1 開門信號板的電路圖

利用光耦實現(xiàn)信號的傳遞能有效避免干擾。另外，因為銑削滑臺和機床本身要求是絕緣狀態(tài)，所以通過中間加裝絕緣板和絕緣螺絲來實現(xiàn)。當銑刀接觸工件時，將產(chǎn)生INT1信號，把INT1信號接到PLC的外部中斷點就能在此時進入中斷程序。

2.3.2 PLC中斷程序的設計

圖2 PLC中斷程序的模塊

PLC進入中斷后修改進刀脈沖，將新計數(shù)放入地址D506中并關閉中斷觸發(fā)條件。銑刀將按照D506地址中的數(shù)值重新控制深度。

3 結語

（1）通過研究，實現(xiàn)了測量和去重在同一工位完成的功能，避免了工件重復搬運，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了人力資源。另外，一體化的設計實現(xiàn)了設備落地就可以工作的性能，省略了安裝調試過程，在使用過程中也可隨時搬運移動，不需重新調整。

（2）利用PLC代替以往的工業(yè)計算機提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，擺脫設備對環(huán)境的高要求，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力，降低了功耗，大幅度縮減了測量系統(tǒng)的體積。

（3）開門信號和外部輸入中斷的應用解決了因為工件加工誤差造成的去重不準確問題，提高了一次去重精度。經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)證明，利用新技術使單個工件銑削循環(huán)平均周期在45s左右，時間縮短5～10s，一次去重率達到98%，去重率提高5%左右。

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