剎車盤自動檢測設(shè)備的設(shè)計

姜風國，朱　彬，王燕濤

(煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院，山東省高校先進制造與控制技術(shù)重點實驗室，山東煙臺 264005)

0　引言

剎車盤的形位公差是決定汽車能否安全制動的一個非常重要的影響因素[1]。目前我國中小剎車盤生產(chǎn)企業(yè)檢測手段落后，大多使用手動檢測儀器、機械顯示儀表檢測[2]，無法適應(yīng)大批量高端剎車盤的檢測，嚴重制約了中小剎車盤生產(chǎn)企業(yè)的正常發(fā)展。因此，研制開發(fā)能夠針對剎車盤進行自動檢測及分析的設(shè)備勢在必行。

該項目開發(fā)的剎車盤自動檢測設(shè)備采用人工輔助上下工件，設(shè)備自動檢測、電腦屏幕數(shù)字顯示被測剎車盤的主要技術(shù)指標，并具有數(shù)據(jù)查詢、打印和傳送等功能，對減輕檢測人員的勞動強度，提高檢測精度和智能化程度具有重要意義。

1　剎車盤檢測原理

該設(shè)備的檢測原理如圖1所示。9支LVDT傳感器與剎車盤表面垂直安裝，采用接觸式測量。其中，1、2和3、4號傳感器分別用來檢測上、下剎車面的圓跳動指標及其平面度；5、6號傳感器檢測剎車盤基準面的平面度，同時作為所有其他傳感器數(shù)據(jù)的比對基準；7號傳感器用來檢測剎車盤的外徑尺寸；8、9號傳感器用來檢測小端面的圓跳動及平面度指標值。同時，1-4號傳感器可以得到上下剎車面圓跳動差值和剎車面的厚度，與基準5、6號配合還可以測得上下剎車面相對于基準面的平行度數(shù)值；8、9號與基準5、6號配合可以測得小端面相對于基準面的平行度數(shù)值。

圖1　剎車盤檢測示意圖

剎車盤檢測流程如下：

手工放置剎車盤→接近開關(guān)檢測到剎車盤→漲緊剎車盤→電動滑臺帶動測架進給到工作位置→工裝帶動剎車盤旋轉(zhuǎn)→采樣取值→程序軟件處理采樣數(shù)據(jù)→剎車盤停止旋轉(zhuǎn)→電動滑臺帶動測架回到初始位置→松開剎車盤→手工取下剎車盤→電腦屏幕顯示測量結(jié)果→檢測數(shù)值存儲進數(shù)據(jù)庫。

2　設(shè)備總體方案設(shè)計與實現(xiàn)

2．1機構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

2．1．1剎車盤固定機構(gòu)設(shè)計

為了利用工具代替手工旋轉(zhuǎn)剎車盤操作，首先需要對剎車盤進行夾持固定。根據(jù)剎車盤零件的形狀特征，以其中心安裝孔為夾持固定位置，采用相應(yīng)專用夾具進行漲緊松弛方式，實現(xiàn)剎車盤的固定夾持要求。此方案的優(yōu)點是可以有效避開剎車盤的被檢部位不受到夾具的干涉，方便測量。

2．1．2剎車盤驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計

剎車盤固定夾持之后，需要相應(yīng)機構(gòu)帶動其進行旋轉(zhuǎn)運動。由于夾持剎車盤的專用夾具是在剎車盤的中心孔處進行夾持固定，因此旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)需要在專用夾具的外圍進行布置，以避免二者相互干涉。為此，設(shè)備的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計成一種中空旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，以步進電機進行驅(qū)動。其優(yōu)點在于剎車盤的固定夾持機構(gòu)可以從旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的中空位置進入，并互不影響。此機構(gòu)的設(shè)計是設(shè)備實現(xiàn)夾持后的旋轉(zhuǎn)功能的關(guān)鍵。

2．1．3剎車盤定位支撐機構(gòu)設(shè)計

除了需要固定和旋轉(zhuǎn)剎車盤之外，對剎車盤的定位與支撐也極為關(guān)鍵。剎車盤的定位有2方面的要求：一是水平定位要求；二是軸向定位要求。水平定位要求對剎車盤在水平方向進行支撐與定位，因此定位支撐機構(gòu)的定位面需要與設(shè)備總體結(jié)構(gòu)保持在可控的水平度范圍內(nèi)。相應(yīng)地，對剎車盤的軸向定位要求，需要定位支撐機構(gòu)在其旋轉(zhuǎn)軸線位置處保持足夠高的定位精度。從而形成檢測剎車盤各項指標的水平基準和軸向基準。

根據(jù)這種要求，結(jié)合剎車盤的固定夾持以及定位支撐需要，該設(shè)備基于傳統(tǒng)的手工卡盤部件進行改進，將其改造成既能對剎車盤進行固定夾持，又能夠為剎車盤提供水平和軸向定位的專用機構(gòu)，從而同時實現(xiàn)剎車盤的定位與固定要求。

2．1．4測架設(shè)計

設(shè)備采用剎車盤旋轉(zhuǎn)、傳感器固定不動的方式進行數(shù)據(jù)采集，這就需要根據(jù)剎車盤的檢測部位對傳感器進行合理布局，從而設(shè)計出能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器準確到達檢測位置的支持機構(gòu)，即直線驅(qū)動機構(gòu)和傳感器測量支架，簡稱測架。要求測架可以滿足傳感器的支撐固定需要，而直線驅(qū)動機構(gòu)可以帶動測架前后移動。為此，采用步進電機驅(qū)動滾珠絲杠實現(xiàn)測架的直線往復(fù)運動，并能夠根據(jù)不同的剎車盤對傳感器進行粗調(diào)與微調(diào)。

2．1．5支撐臺設(shè)計

剎車盤檢測指標的精度要求很高，任何輕微的震動都有可能影響到檢測結(jié)果的準確性，因此支撐臺的設(shè)計充分考慮了防震性能。

2．2電氣控制部分設(shè)計與實現(xiàn)

電氣控制部分采用工控機和運動控制卡構(gòu)成開放式運動控制系統(tǒng)[3]，工控機驅(qū)動運動控制卡向步進電機細分驅(qū)動器發(fā)出指定數(shù)量的驅(qū)動脈沖和方向信號控制步進電機的精確運動，進而帶動運動機構(gòu)運動。

運動控制分點動和連動2種方式。點動方式可以任意設(shè)置驅(qū)動脈沖數(shù)控制運動機構(gòu)的目標位置，主要用于設(shè)備調(diào)試；連動方式用于正常生產(chǎn)，檢測命令下達后按照剎車盤檢測流程自動進行，不需要人工干預(yù)。為了保證設(shè)備的安全，運動控制卡通過端子板與限位開關(guān)、急停按鈕等相連。當正、負向限位開關(guān)動作或操作人員按下控制面板上的“急?！卑粹o時，運動控制卡驅(qū)動脈沖輸出即被終止，同時急停所有的運動機構(gòu)。為了避免測架反復(fù)運動過程中產(chǎn)生累積誤差影響定位精度，測架需要定期執(zhí)行回原點操作。電動滑臺自帶原點返回運行功能，但由于回原點時速度較快，測架撞擊電動滑臺，因此設(shè)置了一個行程開關(guān)作為減速開關(guān)，先快速回零，測架碰到減速開關(guān)時減速運行，再進行一次回零，保證了測架運動的精確性。

16位高精度數(shù)據(jù)采集卡采集精密位移傳感器的輸出數(shù)據(jù)，并實時檢測按鈕、接近開關(guān)等的輸入信號。傳感器輸出信號經(jīng)低通濾波器處理之后再送入數(shù)據(jù)采集卡，可有效地濾除使用環(huán)境對系統(tǒng)的干擾。這里采用雙二次型低通濾波電路，由兩個二階濾波電路串聯(lián)構(gòu)成四階濾波器。

2．3系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

軟件部分主要完成數(shù)據(jù)的采集、分析與處理、運動控制及系統(tǒng)管理等功能，其中數(shù)據(jù)采集與處理、運動控制非常重要，是軟件部分的核心。

2．3．1數(shù)據(jù)采集

PCI-1716是一款功能強大的多功能數(shù)據(jù)采集卡[4]，具有16位高分辨率和最大250 KS/s的采樣速度。PCI-1716有軟件、中斷和DMA 3種模擬量輸入采集方式，其中DMA方式速度最快，采集的數(shù)據(jù)可以直接經(jīng)DMA傳輸至計算機內(nèi)存，不占用CPU的時間，可以進行連續(xù)的高速采集，降低了高速采集時數(shù)據(jù)丟失的可能性[5]，特別適用于采樣速率高、數(shù)據(jù)采集量大、數(shù)據(jù)實時性要求高的場合[6]，因此采用DMA方式。DMA模式下數(shù)據(jù)采集程序流程如圖2所示。

圖2　DMA數(shù)據(jù)采集程序流程圖

2．3．2數(shù)據(jù)處理及誤差修正

2．3．2．1隨機誤差的處理

生產(chǎn)車間噪聲很大，不可避免地會對采樣數(shù)據(jù)造成影響，除了硬件設(shè)計上采取抗干擾措施外，軟件中也要采取抗干擾措施。用示波器對原始采樣數(shù)據(jù)進行觀察，發(fā)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)中除了幅度較小的噪聲外，還夾雜著脈沖噪聲。因此，軟件中采用中值平均濾波法對采樣數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，即在剎車盤每個測量位置采樣50次，將50個采樣值從小到大排序，去除5個最大值和5個最小值，剩下的40個取平均值，這樣可有效地消除噪聲引起的隨機誤差。

2．3．2．2系統(tǒng)誤差的處理

系統(tǒng)誤差主要包括機械誤差和電氣誤差。機械誤差主要由工裝誤差及剎車盤旋轉(zhuǎn)過程中的震動引起，通過多次檢測標準件，找出機械誤差的變化規(guī)律，總結(jié)出經(jīng)驗值，在軟件中對檢測結(jié)果進行修正。電氣誤差主要由傳感器以及處理電路的非線性、元器件受溫度變化影響特性發(fā)生變化等引起。由于傳感器本身的線性度很好，選用了最小二乘法線性擬合的方式處理非線性誤差，找出采樣數(shù)據(jù)(電壓值)與位移量之間的函數(shù)關(guān)系。由于一般情況下溫度變化很緩慢，只要每隔一段時間，對系統(tǒng)的零電平進行采樣，采樣值作為這一段時間內(nèi)的零電平漂移值，將被測數(shù)據(jù)減去這個零電平漂移值，即可補償溫度變化帶來的影響。

2．3．2．3傳感器測頭磨損的處理

長時間工作造成傳感器測頭磨損也會影響檢測精度。軟件中增加調(diào)零功能自動補償校正，過一段時間補償一次，即將傳感器測頭置于中間位置，按“調(diào)零”鍵進行采樣，零點輸出電壓保存進數(shù)據(jù)庫，測量時將采樣數(shù)據(jù)減去此零點輸出電壓，這樣基本就可以消除測頭磨損給測量帶來的影響[7]。

2．3．3運動控制

運動控制部分軟件采用模塊化設(shè)計，根據(jù)不同的運動控制的需要，在Borland C++ Builder環(huán)境中開發(fā)了不同的運動控制函數(shù)，封裝成動態(tài)鏈接庫的形式供上位機軟件調(diào)用，方便實現(xiàn)移植。具體包括定位運動模塊、實時監(jiān)控模塊、復(fù)位模塊和原點校準模塊。定位運動模塊發(fā)出控制定位機構(gòu)到達指定位置的脈沖數(shù)，為減少電機啟停時對設(shè)備的沖擊，采用T曲線模式對電機進行加減速控制；實時監(jiān)控模塊讀取電機反饋信號，存儲當前的運動位置，判斷運動位機構(gòu)是否定位結(jié)束，并檢測限位開關(guān)信號確保設(shè)備運動的安全性；復(fù)位模塊用于突然斷電等原因引起運動中斷，待恢復(fù)通電后通過讀取斷電前的運動位置值，使設(shè)備恢復(fù)到初始狀態(tài)；原點校準模塊用于消除電動滑臺反復(fù)運動過程中產(chǎn)生的累積誤差，保證定位的精確度。

3　結(jié)束語

該設(shè)備目前已經(jīng)在生產(chǎn)車間試用，現(xiàn)場測試證明，該設(shè)備定位、測量機構(gòu)可靠，操作簡單，人機界面友好，數(shù)據(jù)處理及時，實現(xiàn)了自動檢測要求，提高了檢測效率。

該設(shè)備的創(chuàng)新點及先進性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)一體化的剎車盤夾持與定位工裝設(shè)計，實現(xiàn)了剎車盤的同步夾持與定位，有效降低了工裝的制造成本，提高了工裝的穩(wěn)定性，避免了裝配累積誤差。

(2)中空式一級齒輪減速機構(gòu)實現(xiàn)剎車盤的旋轉(zhuǎn)，既可以滿足減速要求，又可以騰出旋轉(zhuǎn)中心空間位置，方便夾持工裝的安裝與動作，使得設(shè)備在實現(xiàn)一系列檢測動作的同時，結(jié)構(gòu)更加緊湊。

(3)剎車盤形位公差指標全自動生成，檢測速度快、自動化程度高、可擴展性強，是目前行業(yè)先進的檢測手段，符合制造業(yè)信息化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求。

參考文獻：

[1]黃文博．汽車剎車盤片一體化平衡機的研制：[學(xué)位論文]．長春：長春理工大學(xué)，2009．

[2]李婷，周現(xiàn)柳．汽車制動盤面振檢測設(shè)備的設(shè)計．軟件導(dǎo)刊，2012，11(3)：114-115．

[3]趙海軍，徐家寧，孫旭東．基于嵌入式運動控制器的纏繞機控制系統(tǒng)．信息技術(shù)，2007(6)：43-45．

[4]李善文，林輝．基于PCI-1716的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案設(shè)計．儀器儀表學(xué)報(增刊)，2008，29(8)：342-345．

[5]姜風國，王燕濤，朱彬．汽車剎車盤自動檢測儀的研制．機床與液壓，2012，40(20)：129-131．

[6]何瓊，陳鐵，程鑫．DMA在高速實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用．儀表技術(shù)與傳感器，2012(3)：49-52．

[7]姜風國．基于虛擬儀器的汽車剎車盤表面粗糙度的測量．煙臺大學(xué)學(xué)報，2011，24(4)：329-332．