何文廣，李 偉

（黑龍江工程學院 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱150050）

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車行駛速度的提高，對汽車制動安全性能的要求也越來越高，因而對汽車制動片的要求也越加嚴格，具有高耐熱性、耐磨性，摩擦性能穩(wěn)定，制動平穩(wěn)，輕量化的高性能制動襯片成為該類產品的發(fā)展方向。機動車輛上的制動片是影響汽車制動性能的關鍵部件，是消耗性部件，會因制動片的磨損給道路交通安全帶來隱患。目前，國內外的各種機動車輛的制動片，有盤式制動片和轂式制動片兩種形式，分別安裝在機動車輛的前輪和后輪上，承擔機動車輛的制動負荷。但現有的制動片表面為平面或弧面的光滑表面，制動片的抗剪能力也就倍受人們關注。因此，準確測量出制動片的抗剪能力十分必要。本文針對這一情況設計制動片剪切程度試驗機的電氣系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)是整個試驗臺的重要組成部分。其中包括電液伺服閥的控制、剪切力的測量及數據的采集和顯示，以及控制程序設計等。

1 單片機檢測控制系統(tǒng)的組成

一個完整的單片機檢測系統(tǒng)，需要在單片機、被控制對象和操作者之間適時、不斷地交換數據信息和控制信息。在總體設計時，要綜合考慮硬件和軟件措施，解決三者之間可靠的、適時的進行信息交換的通路和分時控制的時序安排問題，保證系統(tǒng)能正常地運行。本剪切強度試驗機的控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理

2 電氣系統(tǒng)的加載控制算法

剪切強度試驗機的機械結構采用液壓系統(tǒng)進行加壓工作，而液壓系統(tǒng)的恒速率加載，其實是一種位置控制方式，對其控制過程表達為

式中：V（k）為第k次單片機輸出的電壓，且有V（0）＝0，Δv為每次調整輸出電壓的增量。

電液伺服閥是將很小的電流信號轉換成與電流成比例的力的元件，也就是說，每一個確定的電流，都對應一個確定的壓力。通過單片機控制D／A0832的輸出，從而完成電液伺服閥的工作電流信號控制，實現恒速率加載。

算法：加載控制算法，輸入：電壓控制信號，輸出：速度控制信號。

Step1：通過三極管將電壓信號（V）轉換成電流信號（I），然后輸入伺服閥線圈，伺服閥又將電流信號（I）轉換成剪切力（F）。因為V／I轉換、I／F 轉換均為線性關系，由此可得

式中：V為單片機輸出電壓，F為剪切力，k1、k2為比例系數。

Step2：確定k1、k2的值，通過三極管的參數，當v＝5V，I＝40mA，得出k1＝8mA／V，再通過

得到

式中：P為系統(tǒng)的壓強，S為油缸活塞面積。

Step3：計算加載速度。由于每秒鐘單片機需要輸出的電壓量為每秒鐘單片機調整閥電流的次數乘以每次調整輸出電壓的增量。故可得

式中：U為加荷速度。n的確定，應該根據伺服閥的頻寬，結合試驗進行調整，找到最佳的取值區(qū)間。本系統(tǒng)中，n取20～50均可。

根據上述算法，由于各種因素的影響，實際測試的結果、加荷速率可能存在一定的偏差，這時，可對最后的輸出量V（k）作適當的調整（乘以一個接近1的系數），直到完全滿足要求為止。

3 硬件接口電路設計

3.1 剪切強度試驗機的主要工作過程

油缸活塞桿經傳感器推動剪切頭，剪切頭上裝有剪刀，制動片放在剪切板上，并被氣缸頂桿垂直壓緊。當活塞推動剪切頭前進，經過第一個行程開關時（此時剪刀開始接觸制動片），行程開關產生一個高電平，單片機接收到信號以后，控制氣動閥加壓，并按線性增長的關系，輸出一定的電壓，該電壓和傳感器的反饋信號，經過放大器比較后，輸出控制伺服閥恒速率加載。當剪切頭經過第二個行程開關時（此時制動片剛剛被剪斷），同樣，接近開關產生一個高電平，單片機接收到信號以后，控制氣動閥卸壓，電磁閥換向，剪切頭快退。剪切頭后退經過第一個行程開關后，延時幾秒，單片機控制剪切頭停止，一個試驗完成，單片機進行數據處理和保存，并等待更換制動片，進行下一個試驗。

3.2 電路元件選擇

依據上述工作要求，由于AT89C52具有極強的、更完善的功能，因而適用于各類復雜的、要求較高的控制系統(tǒng)，并可方便地實現復雜多級控制的多級系統(tǒng)。

ADC0809將傳感器得到的壓力信號轉換成數字信號傳給單片機。ADC0809是帶有8位A／D轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A／D轉換器，和單片機直接接口。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A／D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A／D轉換完的數字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。

而DAC0832是將單片機發(fā)出的數字信號轉換成模擬信號，調整電液伺服閥的線圈，伺服閥的閥門開度大小決定氣缸的運動速度。或一直加速、減速、停止。因此，本剪切強度試驗機的控制系統(tǒng)選用單片機AT89C52、ADC0809轉換器、DAC0832轉換器、并行接口8255、高精度拉負重傳感器BK－2、電液伺服閥QDY6、行程開關組等共同組成控制系統(tǒng)。

3.3 硬件電路設計

制動片剪切強度試驗機的電氣系統(tǒng)設計是以AT89C52為核心的單片機系統(tǒng)，由8255并行接口芯片連接行程開關，LED數碼顯示管控制顯示器及鍵盤等。應用A／D處理模擬量輸入，D／A控制模擬輸出。其制動片剪切強度試驗機的電氣系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 電氣系統(tǒng)原理

4 軟件程序設計

根據制動片剪切強度試驗機的工作過程及系統(tǒng)要求，系統(tǒng)軟件的結構如圖3所示，試驗機在空載前進時，單片機給伺服閥較大的電流，此時剪切頭快速前進；當制動片開始受剪時，單片機控制系統(tǒng)開始控制剪切板進行加載。加載完畢后，完成剪切試驗，系統(tǒng)控制剪切板快退，完成一次試驗。

采用匯編語言設計程序。匯編語言彌補了機器語言的不足，它用指令的助記符、符號地址、標號和偽指令等來書寫程序。

5 結束語

本文通過對制動片剪切強度試驗機的電氣控制系統(tǒng)的設計，基本滿足其對檢測汽車制動片剪切性能的要求，完成自動剪切、測試的功能，且具有一定應用價值，該制動片剪切強度試驗機控制系統(tǒng)基本實現了完全自動化，操作簡單，記錄數據方便。

圖3 系統(tǒng)程序結構

系統(tǒng)實現恒速率加載，避免沖擊造成測量數據的不準確。采用單片機控制系統(tǒng)完成剪切強度試驗機的自動加載和剪切實驗過程，針對現有的制動片形式——盤式和鼓式進行設計剪切強度試驗機的結構，能夠滿足剪切強度試驗要求。

[1]張曙光.變尺高精度全自動砂鋼片剪切機控制系統(tǒng)設計[J].農業(yè)機械學報，2007，38（3）：144－147.

[2]程海鷹，王安麟，侯守全.定位控制器在數控多功能剪切機上的應用研究[J].機床與液壓，2008，36（2）：131－133.

[3]姜乘梁.基于觸摸屏的全自動砂鋼片剪切機的設計[J].微型計算機信息，2007，23（8）：82－84.

[4]高春甫.微機測控技術[M].北京：科學出版社，2005.

[5]何立民.MCS－51單片機應用系統(tǒng)設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1990.

[6]程明霄.89C2051單片剪切機控制器的研制[J].測控技術，2001，12（20）：54－56.

[7]萬文.自動剪切機的單片機控制[J].機械制造，2005（5）.

[8]吳振綱，陳虎.PLC的人機接口與編程[J].微計算機信息，2005，8（1）：21－23.