汽車制動盤端跳在線檢測儀的設(shè)計

張興嬌，文如泉，張 玄，李伯勛，王賢平

(1.萍鄉(xiāng)學(xué)院機械電子工程學(xué)院，江西萍鄉(xiāng) 337055 2.江西師范大學(xué)物理與通信電子學(xué)院，江西南昌 330027)

0 引言

汽車制動盤是汽車零部件中重要的組成部分之一，制動盤質(zhì)量的好壞直接關(guān)系著汽車的安全性，因此對制動盤的檢測至關(guān)重要[1]。在汽車制動盤的眾多檢測參數(shù)中，制動盤端面跳動檢測是最重要的一個，端面跳動越小說明制動盤的安全性越好。傳統(tǒng)的制動盤相關(guān)參數(shù)檢測主要是靠人工利用千分尺測量，這種方式不但效率低且測量誤差大。因此本文設(shè)計了一種汽車制動盤端跳在線自動檢測儀，其是利用自感式螺管型差動傳感器測量制動盤圓周面上各個點的數(shù)值，通過上位機軟件識別采集的數(shù)據(jù)中最大值和最小值，以最大值和最小值的差值大小來衡量制動盤的端面跳動情況。該系統(tǒng)具有自動化程度高、測量精度高等優(yōu)點，為測量制動盤的端面跳動情況提供了一種新型的解決方案[2-3]。

1 制動盤端面跳動誤差檢測原理

制動盤端面跳動誤差是指被測端面上各點與軸心平面間最大與最小距離的差值[4]。該差值的大小是反映制動盤摩擦表面平整程度的一項關(guān)鍵數(shù)據(jù)，若此數(shù)據(jù)超標(biāo)，就會使得制動過程中盤面與摩擦片之間的接觸壓力分布不均，導(dǎo)致汽車抖動。檢測示意圖如圖1所示。其是將制動盤固定在底座上，利用驅(qū)動電機帶動制動盤一起轉(zhuǎn)動，將傳感器固定在待測制動盤端面上，電機帶著制動盤旋轉(zhuǎn)2周，每周采集60個點，2周總共120個點，選出測得的端面跳動的最大值Zmax和最小值Zmin，則端面跳動值可以表示為F=|Zmax-Zmin|。

圖1 系統(tǒng)檢測示意圖

2 系統(tǒng)總統(tǒng)方案設(shè)計

汽車制動盤端跳在線檢測儀的總體設(shè)計方案如圖2所示，系統(tǒng)利用交流電橋來檢測自感式螺管型差動傳感器輸出的電信號，采用儀用放大器對傳感器輸出的信號進(jìn)行預(yù)處理，通過相敏檢波電路來鑒別被測信號的幅值和極性[5]，通過低通濾波器濾除高頻分量得到有效的載波信號，最后利用A/D轉(zhuǎn)換器采集此信號，最終在上位機中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的計算和處理。

圖2 系統(tǒng)總統(tǒng)方案設(shè)計圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路主要包括自感式螺管型差動傳感器信號采集電路、數(shù)據(jù)處理電路、檢波電路、串口通訊電路以及單片機最小系統(tǒng)電路等[6]。當(dāng)啟動系統(tǒng)開始測量時，系統(tǒng)將測得的數(shù)據(jù)通過串口傳輸電路發(fā)送到上位機中，在上位機中實現(xiàn)對測得最大和最小距離的篩選，并求出其差值。當(dāng)求得的差值超過設(shè)定的閾值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警。硬件電路圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件電路圖

3.1 交流電橋采集電路

自感式螺管型差動傳感器的輸出是通過交流電橋電路來測量的，其能將傳感器線圈電感的變化轉(zhuǎn)換為電橋電路的電壓輸出[7]。交流電橋采用雙臂的工作原理，其中將傳感器作為電橋的兩個工作臂，電橋的平衡臂為兩個已知阻值的高精度電阻R3、R4，交流電橋采集原理圖如圖4所示。

圖4 交流電橋采集電路圖

圖中，U為電橋的供電電壓，L1、L2為傳感器的兩個線圈電感，R1、R2為傳感器線圈的接線電阻。

電橋的輸出電壓U0=U1-U2，當(dāng)電橋平衡時，U1=U2，傳感器輸出電壓U0=0。當(dāng)傳感器檢測到制動盤圓周面各點與軸心線間的距離不等時，傳感器內(nèi)部線圈的電感就會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電橋失衡，電橋輸出電壓不為零。電橋輸出的電壓大小與傳感器線圈內(nèi)電感的變化量成正比，而線圈內(nèi)電感的變化量與所測得的距離大小也成正比，因此可以通過檢測到電橋的輸出電壓來計算得到制動盤圓周面各點與軸心線的距離。

3.2 差動放大電路

交流電橋輸出的電壓信號比較微弱，為了不失真地放大此信號就需要利用高精度、低噪聲、低失真的運算放大器，系統(tǒng)利用3個AD8610組成的差動數(shù)據(jù)放大器實現(xiàn)微弱信號的放大功能，差動放大器抗干擾能力強[8]。差動放大電路電路圖如圖5所示。

圖5 差動放大電路圖

3.3 相敏檢波電路

經(jīng)上述放大電路處理過后的信號為矢量信號，經(jīng)過調(diào)制后該原始信號的極性和幅值難以識別，為了有效地提取原始信號的極性，需要對此信號進(jìn)行相敏檢波[8-9]。系統(tǒng)利用RC振蕩電路產(chǎn)生頻率為6 kHz的正弦波信號x(t)，以此信號作為參考信號來鑒別原始信號的極性。當(dāng)原始信號與參考信號同相時，相敏檢波器輸出電壓為正；當(dāng)原始信號與參考信號反相時，相敏檢波器輸出電壓為負(fù)。系統(tǒng)采用圖6所示的開關(guān)式全波相敏檢波電路。

圖6 相敏檢波電路圖

4 軟件設(shè)計

硬件設(shè)計完之后，需要燒錄軟件驗證硬件的功能。系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，編譯環(huán)境為Keil，當(dāng)編寫好軟件之后，利用Keil編譯成Bin文件，最終通過串口下載到系統(tǒng)中。系統(tǒng)軟件包括外部按鍵輸入程序、定時器中斷程序、A/D采樣程序、串口傳輸程序以及STM32F103最小系統(tǒng)程序等。系統(tǒng)上電后，等待外部按鍵輸入指令啟動系統(tǒng)，啟動測量時，A/D采樣程序共采集120個數(shù)據(jù)點，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機中，在上位機中篩選出最大與最小值，最終求得差值，判斷汽車制動盤的性能。軟件流程圖如圖7所示。

圖7 軟件流程圖

5 實驗數(shù)據(jù)分析

本文設(shè)計的汽車制動盤端面跳動在線檢測儀的分辨率為0.5 μm，量程達(dá)到2 mm?，F(xiàn)對系統(tǒng)進(jìn)行測試，驗證系統(tǒng)的重復(fù)性和精度。分別對型號為PICASSO、206-3A、N7的汽車制動盤進(jìn)行測試，每個型號以相同的測量方式測量8次，分別求出各組的平均值及重復(fù)性，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 3組不同品牌的測試結(jié)果

通過對以上3種型號產(chǎn)品的多次測量可知，系統(tǒng)每次測量的數(shù)據(jù)在一個很小的范圍內(nèi)波動，幾乎保持一致，系統(tǒng)測得的平均值與每次測得的數(shù)據(jù)之差也很小，系統(tǒng)測量的重復(fù)性小于7 μm，因此本文設(shè)計的汽車制動盤端面跳動在線檢測儀具有較高的精度和重復(fù)性，具有一定的實用價值。

6 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)汽車制動盤端面跳動檢測儀存在的不足，設(shè)計了一種自動化程度高、精度高的汽車制動盤端跳在線檢測儀。該檢測儀將傳感器技術(shù)和集成電路技術(shù)有機結(jié)合在一起，通過傳感器測量制動盤各個端面與軸心的距離，在上位機中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動處理、比對，篩選出最大與最小距離并求出其差值，以差值的大小來衡量汽車制動盤的性能。實際測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能有效測得汽車制動盤端面的跳動情況，當(dāng)測量值超出閾值時，系統(tǒng)會發(fā)出報警。