盤式制動器總成形位公差在線測量機(jī)開發(fā)*

龐 茂,孔 敏

(浙江科技學(xué)院 機(jī)械與能源工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)

0 引 言

因制動力矩大、通風(fēng)冷卻條件好等優(yōu)點(diǎn),目前盤式制動器在各類車輛上得到了廣泛應(yīng)用。

盤式制動器的制造精度是影響其性能的重要因素。盤式制動器的形位誤差過大,其在工作過程中就會有抖動、嘯叫等異?，F(xiàn)象發(fā)生。

對于制動盤的檢測方式一般多采用千分表等,用人工進(jìn)行測量。該類檢測方法的準(zhǔn)確度不高、效率低、人為因素影響大,無法適應(yīng)制動盤大規(guī)模檢測的需求。

為提高制動盤檢測的精度和效率,研究人員對檢測方法進(jìn)行了大量的研究,并開發(fā)出了一批檢測設(shè)備。

基于接觸式測量原理,王燕濤等人[1]83提出了一種制動盤形位公差檢測方法,并利用該方法,完成了對制動盤形位公差數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)在線檢測。邢毅飛等人[2]提出了一種制動盤形位公差數(shù)字化檢測儀的實(shí)現(xiàn)方案。但上述兩篇文獻(xiàn)中提出的檢測方案均針對的是制動盤零件,且檢測的公差項(xiàng)目也較多,共布置有9支電感式位移傳感器。盧媛方、柯子龍及梁浩杰等人[3-5]都針對制動盤面端跳動的測量方法及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行了研究;但他們提出的方法都只是對端面跳動一項(xiàng)公差項(xiàng)目進(jìn)行檢測,功能較單一。

姜風(fēng)國等人[6]設(shè)計(jì)開發(fā)了剎車盤自動檢測設(shè)備,利用該設(shè)備可對制動盤剎車面、基準(zhǔn)面及小端面及外徑尺寸進(jìn)行檢測。趙興等人[7]提出了一種汽車制動盤面振自動檢測設(shè)備,并對該設(shè)備實(shí)現(xiàn)方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明。VANNONIA M等人[8]討論了測量量塊平行度誤差的兩種方法:第一種方法利用接觸式探頭,在固定位置取樣測量厚度,平行度誤差由采樣區(qū)域的最大和最小厚度之差給出;第二種方法基于干涉法,生成相對表面的高度圖,對干涉測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,然后得到其平行度誤差。其中的第一種方法較為簡單方便,但需要事先校準(zhǔn),且僅能提供有限數(shù)量樣本的點(diǎn)信息;第二種方法能提供大量數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息,但對設(shè)備和測量程序方面的要求較高,不適用于在線測量。

在平行度、跳動等形位公差檢測方面,KHAN M I等人[9]提出了一種基于平面度的平行度誤差測量方法,采用實(shí)數(shù)編碼遺傳算法來確定平面度系數(shù)和平面度誤差,其測量結(jié)果與三坐標(biāo)測量機(jī)的測量結(jié)果吻合較好。PEI Y C等人[10]提出了一種基于激光位移傳感器的徑向跳動非接觸式測量方法,該方法具有成本低、精度高、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。HZ A等人[11]提出了一種幾何公差的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,通過對誤差進(jìn)行敏感性分析和排序,提供了一種定量的公差優(yōu)化策略。LIU Y等人[12]提出了一種基于空間解析幾何理論的軸形和位置公差測量方法,實(shí)現(xiàn)了對具有幾何誤差的大尺寸軸的在線非接觸測量;該方法魯棒性強(qiáng),對安裝誤差和測量環(huán)境不敏感,其測量精度約為0.01 mm,測量時(shí)間約為10 min。

上述幾種方法在檢測方法、檢測精度上均有一定程度的改善和提升,但檢測設(shè)備及過程復(fù)雜,難以對公差項(xiàng)目進(jìn)行在線評定。

林旺等人[13]提出了一種采用非接觸式的光學(xué)檢測方法對平行度進(jìn)行測量的方法,但是該方法僅適用于檢測傾角大,且精度不高的對象。王世強(qiáng)等人[14]3基于新一代GPS,提出了一種平行度誤差投影迭代評定法,在保證評定準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上可以有效減少計(jì)算量,但仍難以對公差項(xiàng)目進(jìn)行在線評定。湯漾平等人[15]開發(fā)了一種用于機(jī)械制造專業(yè)教學(xué)的形位公差測量設(shè)備,該設(shè)備可對多項(xiàng)公差進(jìn)行測量,但該方法無法應(yīng)用于工業(yè)在線測量。

由此可見,上述相關(guān)研究主要針對制動盤零件的部分公差項(xiàng)目進(jìn)行的檢測,針對制動盤總成(制動盤與輪轂合裝件,下同)的檢測較少。由于測量傳感器多采用接觸式電感類傳感器,該類傳感器長期使用時(shí),其測頭磨損會引起檢測誤差。在測量方法上,采用光學(xué)檢測及基于新一代GPS的檢測方法,使用的儀器及計(jì)算方法復(fù)雜,難以用于在線檢測。

筆者在分析制動盤總成制造誤差檢測要求的基礎(chǔ)上,提出一種采用非接觸式激光傳感器的盤式制動器總成形位公差在線測試方案及設(shè)備,并對其檢測精度和效能進(jìn)行分析,從而為該類產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造提供參考依據(jù)。

1 公差檢測項(xiàng)目及方法

1.1 形位公差檢測項(xiàng)目

筆者開發(fā)的盤式制動器總成形位公差項(xiàng)目主要包括制動盤剎車面對基準(zhǔn)的跳動量、平行度,及上下剎車面徑向厚度差,以及在指定圓周上的周向厚度差等。

此處筆者以某型盤式制動器為例,其要求的形位公差項(xiàng)目如圖1所示。

圖1 盤式制動器總成形位公差項(xiàng)目

由圖1可知,盤式制動器的形位公差精度要求都比較高。

1.2 形位公差檢測方法

按照平面類形位公差定義進(jìn)行評定非常繁瑣復(fù)雜,為提高檢測效率,滿足在線檢測的要求,筆者對盤式制動器總成公差項(xiàng)目的檢測方法進(jìn)行了簡化。其中,上、下剎車面跳動測量:將位移傳感器垂直布置在制動盤剎車面固定的圓周上,制動盤繞軸線旋轉(zhuǎn)一周的過程中傳感器示值的最大和最小讀數(shù)之差即為其跳動值。

制動盤上、下剎車面徑向厚度差:將位移傳感器垂直布置在制動盤上下剎車面,然后將傳感器組從制動盤外側(cè)沿徑向移動至內(nèi)側(cè),該過程中傳感器示值的最大和最小讀數(shù)之差。制動盤上、下剎車面厚度差:測量制動盤在轉(zhuǎn)動一周的過程中,上、下剎車面在指定圓周上的傳感器示值差的最大值[1]84。制動盤面平行度測量:要尋找包含制動盤剎車面所有點(diǎn),且兩者之間距離最小的兩平行平面之間的距離。

該方案通過標(biāo)準(zhǔn)盤校準(zhǔn)基準(zhǔn)平面為水平面,其方程為[10]5-6:

Z=Ax+By+C

(1)

且兩個(gè)與基準(zhǔn)平面平行的最小區(qū)域包容面分別為:

Z1=Ax+By+C1

(2)

Z2=Ax+By+C2

(3)

則剎車面對基準(zhǔn)平面的平行度誤差為:

(4)

但在實(shí)際測量時(shí),制動盤旋轉(zhuǎn)一周過程中,系統(tǒng)僅采集了其在兩個(gè)圓周上的坐標(biāo)值,無法得到剎車面上全部點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。此處,筆者采用的制動盤平行度測量數(shù)據(jù)示意圖如圖2所示。

圖2 制動盤平行度測量數(shù)據(jù)示意

圖2中:i和i′為位于通過制動盤圓心直線的兩個(gè)端點(diǎn),且兩端點(diǎn)處于制動盤徑向的兩個(gè)不同圓周上。

筆者在這兩個(gè)圓周上分別布置兩只位移傳感器,計(jì)算所有位于兩個(gè)圓周上并通過圓心的直線兩端點(diǎn)到基準(zhǔn)面的距離差:

Di=|Zi-Zi′|

(5)

式中:Zi—i點(diǎn)到基準(zhǔn)面的距離。

則制動盤面相對基準(zhǔn)面的平行度誤差即為式(5)中所有距離差的最大值:

Dmax=Max{Di}

(6)

2 測量機(jī)原理

該測量機(jī)主要由機(jī)體、傳感器模塊、試件旋轉(zhuǎn)模塊及測控系統(tǒng)等組成。傳感器模塊在制動盤上下剎車面沿徑向分別布置有兩組激光位移傳感器,同時(shí)該模塊可在伺服絲杠機(jī)構(gòu)驅(qū)動下整體沿徑向移動,傳感器的位置可根據(jù)不同規(guī)格的試件進(jìn)行調(diào)整。試件旋轉(zhuǎn)模塊可通過直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動制動盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

測量機(jī)原理如圖3所示。

圖3 測量機(jī)原理框圖

進(jìn)行測量時(shí),系統(tǒng)以制動盤總成的輪轂軸承安裝面進(jìn)行軸向和徑向定位,同時(shí)輪轂中間的花鍵套與旋轉(zhuǎn)模塊中的夾具花鍵軸對接;然后,伺服電機(jī)驅(qū)動傳感器模塊沿徑向進(jìn)入制動盤面,記錄制動盤上下剎車面沿徑向的數(shù)據(jù)變化;接著激光位傳感器固定不動,直流電機(jī)驅(qū)動制動盤旋轉(zhuǎn)一周,通過對4個(gè)激光位移傳感器數(shù)據(jù)的高速采樣和分析,得出上下剎車面的平面度、跳動、對基準(zhǔn)的平行度,以及制動盤周向厚薄差,并與預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)值比較進(jìn)行產(chǎn)品合格性的評定。

3 測量機(jī)組成

測量機(jī)采用腳輪支撐的可移動式整體結(jié)構(gòu),包括機(jī)械系統(tǒng)、測控系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)。

測量機(jī)產(chǎn)品的外形如圖4所示。

圖4 測量機(jī)產(chǎn)品圖

3.1 機(jī)械系統(tǒng)

測量機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)包括基礎(chǔ)臺架、試件定位旋轉(zhuǎn)裝置及傳感器移動裝置等。

基礎(chǔ)臺架采用鋁合金框架+基準(zhǔn)平臺,框架對整個(gè)系統(tǒng)起到支撐作用。基準(zhǔn)平臺采用厚度10 mm的鋼板加工而成,除對其他運(yùn)動機(jī)構(gòu)支撐外,也是整個(gè)測試系統(tǒng)的基準(zhǔn)平面,所以需滿足足夠的平面度及裝配精度要求。

試件定位旋轉(zhuǎn)裝置如圖5所示。

圖5 測量機(jī)定位旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

裝置中的定位基準(zhǔn)塊與制動盤上輪轂軸承安裝面相配合,可實(shí)現(xiàn)制動盤軸向和徑向定位。同時(shí)直流調(diào)速電機(jī)驅(qū)動一組齒輪副旋轉(zhuǎn),齒輪副的被動齒輪與花鍵軸連接。花鍵軸上加工有與輪轂軸承內(nèi)花鍵相配的花鍵結(jié)構(gòu)。

為避免測量過程中制動盤旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)抖動,而影響測量結(jié)果,壓緊氣缸通過一組端面軸承和上側(cè)的U型壓緊塊將制動盤壓緊在支撐塊上,以確保制動盤在壓裝狀態(tài)下旋轉(zhuǎn),無軸向和徑向的竄動。

傳感器移動裝置包括傳感器支架及傳動裝置。安裝在專用支架上的傳感器模塊可在精密伺服傳動系統(tǒng)驅(qū)動下沿制動盤徑向運(yùn)動,可確保測量時(shí)激光位移傳感器測量裝置沿徑向被平穩(wěn)推入,測量過程中傳感器穩(wěn)定。同時(shí)為滿足測試儀對多個(gè)產(chǎn)品型號的通用性,傳感器模塊作為一個(gè)整體可在支架上沿垂向和徑向調(diào)整。

3.2 測控系統(tǒng)

測量機(jī)測控系統(tǒng)由激光位移傳感器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字IO控制卡及信號調(diào)理模塊組成,主要用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制和傳感器數(shù)據(jù)采集。

3.2.1 工控系統(tǒng)及信號采集卡

測控系統(tǒng)采用工控機(jī),其對于工業(yè)現(xiàn)場的振動、粉塵及溫濕度有較好適用性。信號采集板卡主要完成對激光位移傳感器數(shù)據(jù)采集,數(shù)字IO控制卡完成測量機(jī)的測試流程的自動控制和監(jiān)測。

測量機(jī)的模擬量輸入信號為4路激光位移傳感器數(shù)據(jù),模擬量輸出信號為驅(qū)動制動盤旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)及激光移動伺服模組的調(diào)速,數(shù)字量輸入輸出信號則包括電機(jī)啟停、試件夾緊機(jī)構(gòu)、故障報(bào)警等。綜合上述分析,筆者選用研華公司IPC610系列工控機(jī)和PCI1712多功能數(shù)據(jù)采集卡,具有16路模擬量采集通道,2路模擬量輸出通道,16路數(shù)字量輸入通道和16路數(shù)字量輸出通道,并通過PCLD系列端子板實(shí)現(xiàn)信號輸入輸出的光電隔離。

3.2.2 激光位移傳感器

針對接觸式電感位移傳感器在長期使用中的磨損問題,筆者為測量機(jī)選用非接觸式CCD激光位移傳感器。該傳感器激光波長為655 nm,具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),激光位移傳感器量程為±5 mm,線性度±0.05% FS,重復(fù)精度可達(dá)±0.05 μm,響應(yīng)頻率1 kHz,可滿足測量機(jī)應(yīng)用要求。

3.3 測量軟件系統(tǒng)

此處的形位誤差測量軟件系統(tǒng)采用Visual Basic開發(fā),可完成對測量機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制、數(shù)據(jù)采集分析及檢測數(shù)據(jù)存儲及追溯,主要功能模塊包括檢測流程控制、信號采集處理、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控及故障自診斷、試驗(yàn)結(jié)果顯示、報(bào)表生成及數(shù)據(jù)追溯等。

測試模塊可完成對盤式制動器性能的自動檢測。用戶根據(jù)測試的產(chǎn)品型號預(yù)設(shè)允許的形位公差值后,測試模塊按照預(yù)置的流程自動完成測試動作,讀取位移傳感器數(shù)據(jù),并進(jìn)行中值濾波后,按前述的算法可得到各項(xiàng)形位公差測量值。

該模塊的程序界面如圖6所示。

圖6 性能檢測模塊程序界面

狀態(tài)監(jiān)測模塊可對測量機(jī)進(jìn)行開機(jī)自診斷和故障報(bào)警,對夾緊、旋轉(zhuǎn)及伺服模組的動作進(jìn)行單步調(diào)試,可查看激光傳感器實(shí)時(shí)信號的波形,進(jìn)行濾波前后波形的對比等。

數(shù)據(jù)管理模塊主要功能是測試數(shù)據(jù)的存儲、檢索和測試報(bào)表的生成和打印。模塊可將產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)自動存盤,也可根據(jù)用戶選擇將測試數(shù)據(jù)及結(jié)論按設(shè)定的模板打印生成測試報(bào)告。同時(shí),用戶還可通過多種方式檢索存儲的測量數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對以往數(shù)據(jù)的追溯和管理。

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)流程

測量時(shí)試驗(yàn)人員將制動盤總成花鍵槽與旋轉(zhuǎn)軸的花鍵人工對齊,放置在支撐塊上,U型壓緊塊插入旋轉(zhuǎn)軸,按下測試按扭;壓緊氣缸收回,通過U型壓緊塊將制動盤緊壓在支撐塊上;伺服電機(jī)驅(qū)動傳感器模組沿制動盤徑向推進(jìn)測試區(qū),其間采集記錄外側(cè)激光位移傳感器數(shù)據(jù),軟件系統(tǒng)計(jì)算剎車面的平行度;到達(dá)設(shè)定的圓周位置后,制動盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)一周,系統(tǒng)記錄傳感器數(shù)據(jù),可計(jì)算上下剎車面的跳動量和厚度差。

系統(tǒng)根據(jù)測試值與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值進(jìn)行比較,給出OK或NG的檢測結(jié)論,壓緊氣缸釋放,人工取下U型壓緊塊和被測制動盤,完成一個(gè)測試周期。單個(gè)測試周期約4.5 s,可滿足在線測試的節(jié)拍。

在每次開機(jī)正式測試前,需要使用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定盤對測量機(jī)的系統(tǒng)誤差進(jìn)行標(biāo)定,標(biāo)定操作流程與正式測試相同。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定盤根據(jù)產(chǎn)品的基本尺寸專門定制,其誤差值<0.005 mm。標(biāo)定時(shí)可對測量機(jī)狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證和修正。

4.2 測試數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證該測量機(jī)的精度和穩(wěn)定性,筆者在該測量機(jī)上對某型盤式制動器總成的形位誤差進(jìn)行了測試。首先采用標(biāo)準(zhǔn)盤對測量機(jī)進(jìn)行標(biāo)定,然后對同一制動盤總成進(jìn)行連續(xù)10次的測量,計(jì)算各公差項(xiàng)10次測量的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差,并將結(jié)果與同一件產(chǎn)品在三坐標(biāo)測量機(jī)測得和結(jié)果進(jìn)行對比。

某型制動盤形位公差測量結(jié)果如表1所示。

表1 某型制動盤形位公差測量結(jié)果(單位:μm)

由表1可知,除徑向厚度差標(biāo)準(zhǔn)差略大外,本機(jī)測量的各檢測項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.5 μm,這可能是因?yàn)槎啻螠y量時(shí)的徑向厚度差測量位置不同導(dǎo)致的;同時(shí),各檢測項(xiàng)目的3σ置信區(qū)間均能覆蓋三坐標(biāo)測量值,表明檢測儀的測量準(zhǔn)確度和重復(fù)性均能滿足產(chǎn)品在線檢測的精度要求。

5 結(jié)束語

筆者介紹了一種用于盤式制動器總成形位公差在線快速測量的方案,及相關(guān)測量機(jī)的結(jié)構(gòu)和組成,并在測量機(jī)上對某型制動盤總成形位公差進(jìn)行了測試。

測試結(jié)論如下:

(1)測量機(jī)采用非接觸式激光位移傳感器,測量中避免了對制動盤表面的接觸及傳感器自身磨損,提高了測量精度,同時(shí)也降低了測量機(jī)的使用成本;

(2)測量機(jī)能夠自動定位、夾緊,并完成對制動盤總成形位公差的測量,檢測節(jié)拍約為4.5 s,測量精度、重復(fù)性及節(jié)拍均可滿足產(chǎn)品在線測量的要求,并在實(shí)際生產(chǎn)中取得良好的應(yīng)用效果,可為該類技術(shù)和產(chǎn)品的研發(fā)改進(jìn)提供參考;

測量機(jī)存在的不足是:與接觸式電感位移傳感器相比,激光位移傳感器的精度和分辨率及穩(wěn)定性略差,因此對于檢測精度要求較高的厚度差檢測,測量機(jī)的重復(fù)誤差絕對值較大,實(shí)際值在公差帶邊緣時(shí)可能引起誤判,在該種情況下可通過系統(tǒng)提示進(jìn)行人工測量,確認(rèn)產(chǎn)品的合格性。

后續(xù),筆者將進(jìn)一步研究提升測量機(jī)檢測精度和穩(wěn)定性,改善產(chǎn)品實(shí)際誤差值在公差帶邊緣時(shí)可能引起的誤判,同時(shí)研究制動盤總成的周向跳動、平面度、垂直度等公差項(xiàng)目的在線檢測,提高測量機(jī)的適用范圍和自動化程度。