姜風(fēng)國(guó)，朱　彬，王燕濤

(煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車(chē)工程學(xué)院，山東省高校先進(jìn)制造與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東煙臺(tái) 264005)

0　引言

剎車(chē)盤(pán)的形位公差是決定汽車(chē)能否安全制動(dòng)的一個(gè)非常重要的影響因素[1]。目前我國(guó)中小剎車(chē)盤(pán)生產(chǎn)企業(yè)檢測(cè)手段落后，大多使用手動(dòng)檢測(cè)儀器、機(jī)械顯示儀表檢測(cè)[2]，無(wú)法適應(yīng)大批量高端剎車(chē)盤(pán)的檢測(cè)，嚴(yán)重制約了中小剎車(chē)盤(pán)生產(chǎn)企業(yè)的正常發(fā)展。因此，研制開(kāi)發(fā)能夠針對(duì)剎車(chē)盤(pán)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)及分析的設(shè)備勢(shì)在必行。

該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的剎車(chē)盤(pán)自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備采用人工輔助上下工件，設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)、電腦屏幕數(shù)字顯示被測(cè)剎車(chē)盤(pán)的主要技術(shù)指標(biāo)，并具有數(shù)據(jù)查詢(xún)、打印和傳送等功能，對(duì)減輕檢測(cè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢測(cè)精度和智能化程度具有重要意義。

1　剎車(chē)盤(pán)檢測(cè)原理

該設(shè)備的檢測(cè)原理如圖1所示。9支LVDT傳感器與剎車(chē)盤(pán)表面垂直安裝，采用接觸式測(cè)量。其中，1、2和3、4號(hào)傳感器分別用來(lái)檢測(cè)上、下剎車(chē)面的圓跳動(dòng)指標(biāo)及其平面度；5、6號(hào)傳感器檢測(cè)剎車(chē)盤(pán)基準(zhǔn)面的平面度，同時(shí)作為所有其他傳感器數(shù)據(jù)的比對(duì)基準(zhǔn)；7號(hào)傳感器用來(lái)檢測(cè)剎車(chē)盤(pán)的外徑尺寸；8、9號(hào)傳感器用來(lái)檢測(cè)小端面的圓跳動(dòng)及平面度指標(biāo)值。同時(shí)，1-4號(hào)傳感器可以得到上下剎車(chē)面圓跳動(dòng)差值和剎車(chē)面的厚度，與基準(zhǔn)5、6號(hào)配合還可以測(cè)得上下剎車(chē)面相對(duì)于基準(zhǔn)面的平行度數(shù)值；8、9號(hào)與基準(zhǔn)5、6號(hào)配合可以測(cè)得小端面相對(duì)于基準(zhǔn)面的平行度數(shù)值。

圖1　剎車(chē)盤(pán)檢測(cè)示意圖

剎車(chē)盤(pán)檢測(cè)流程如下：

手工放置剎車(chē)盤(pán)→接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到剎車(chē)盤(pán)→漲緊剎車(chē)盤(pán)→電動(dòng)滑臺(tái)帶動(dòng)測(cè)架進(jìn)給到工作位置→工裝帶動(dòng)剎車(chē)盤(pán)旋轉(zhuǎn)→采樣取值→程序軟件處理采樣數(shù)據(jù)→剎車(chē)盤(pán)停止旋轉(zhuǎn)→電動(dòng)滑臺(tái)帶動(dòng)測(cè)架回到初始位置→松開(kāi)剎車(chē)盤(pán)→手工取下剎車(chē)盤(pán)→電腦屏幕顯示測(cè)量結(jié)果→檢測(cè)數(shù)值存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。

2　設(shè)備總體方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．1機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2．1．1剎車(chē)盤(pán)固定機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了利用工具代替手工旋轉(zhuǎn)剎車(chē)盤(pán)操作，首先需要對(duì)剎車(chē)盤(pán)進(jìn)行夾持固定。根據(jù)剎車(chē)盤(pán)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(zhuān)用夾具進(jìn)行漲緊松弛方式，實(shí)現(xiàn)剎車(chē)盤(pán)的固定夾持要求。此方案的優(yōu)點(diǎn)是可以有效避開(kāi)剎車(chē)盤(pán)的被檢部位不受到夾具的干涉，方便測(cè)量。

2．1．2剎車(chē)盤(pán)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

剎車(chē)盤(pán)固定夾持之后，需要相應(yīng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于夾持剎車(chē)盤(pán)的專(zhuān)用夾具是在剎車(chē)盤(pán)的中心孔處進(jìn)行夾持固定，因此旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要在專(zhuān)用夾具的外圍進(jìn)行布置，以避免二者相互干涉。為此，設(shè)備的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成一種中空旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)在于剎車(chē)盤(pán)的固定夾持機(jī)構(gòu)可以從旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的中空位置進(jìn)入，并互不影響。此機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是設(shè)備實(shí)現(xiàn)夾持后的旋轉(zhuǎn)功能的關(guān)鍵。

2．1．3剎車(chē)盤(pán)定位支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

除了需要固定和旋轉(zhuǎn)剎車(chē)盤(pán)之外，對(duì)剎車(chē)盤(pán)的定位與支撐也極為關(guān)鍵。剎車(chē)盤(pán)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(duì)剎車(chē)盤(pán)在水平方向進(jìn)行支撐與定位，因此定位支撐機(jī)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(duì)剎車(chē)盤(pán)的軸向定位要求，需要定位支撐機(jī)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(cè)剎車(chē)盤(pán)各項(xiàng)指標(biāo)的水平基準(zhǔn)和軸向基準(zhǔn)。

根據(jù)這種要求，結(jié)合剎車(chē)盤(pán)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(pán)部件進(jìn)行改進(jìn)，將其改造成既能對(duì)剎車(chē)盤(pán)進(jìn)行固定夾持，又能夠?yàn)閯x車(chē)盤(pán)提供水平和軸向定位的專(zhuān)用機(jī)構(gòu)，從而同時(shí)實(shí)現(xiàn)剎車(chē)盤(pán)的定位與固定要求。

2．1．4測(cè)架設(shè)計(jì)

設(shè)備采用剎車(chē)盤(pán)旋轉(zhuǎn)、傳感器固定不動(dòng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這就需要根據(jù)剎車(chē)盤(pán)的檢測(cè)部位對(duì)傳感器進(jìn)行合理布局，從而設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器準(zhǔn)確到達(dá)檢測(cè)位置的支持機(jī)構(gòu)，即直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和傳感器測(cè)量支架，簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)架。要求測(cè)架可以滿足傳感器的支撐固定需要，而直線驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以帶動(dòng)測(cè)架前后移動(dòng)。為此，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)測(cè)架的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并能夠根據(jù)不同的剎車(chē)盤(pán)對(duì)傳感器進(jìn)行粗調(diào)與微調(diào)。

2．1．5支撐臺(tái)設(shè)計(jì)

剎車(chē)盤(pán)檢測(cè)指標(biāo)的精度要求很高，任何輕微的震動(dòng)都有可能影響到檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此支撐臺(tái)的設(shè)計(jì)充分考慮了防震性能。

2．2電氣控制部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電氣控制部分采用工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[3]，工控機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制卡向步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指定數(shù)量的驅(qū)動(dòng)脈沖和方向信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)的精確運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)控制分點(diǎn)動(dòng)和連動(dòng)2種方式。點(diǎn)動(dòng)方式可以任意設(shè)置驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的目標(biāo)位置，主要用于設(shè)備調(diào)試；連動(dòng)方式用于正常生產(chǎn)，檢測(cè)命令下達(dá)后按照剎車(chē)盤(pán)檢測(cè)流程自動(dòng)進(jìn)行，不需要人工干預(yù)。為了保證設(shè)備的安全，運(yùn)動(dòng)控制卡通過(guò)端子板與限位開(kāi)關(guān)、急停按鈕等相連。當(dāng)正、負(fù)向限位開(kāi)關(guān)動(dòng)作或操作人員按下控制面板上的“急停”按鈕時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)脈沖輸出即被終止，同時(shí)急停所有的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。為了避免測(cè)架反復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生累積誤差影響定位精度，測(cè)架需要定期執(zhí)行回原點(diǎn)操作。電動(dòng)滑臺(tái)自帶原點(diǎn)返回運(yùn)行功能，但由于回原點(diǎn)時(shí)速度較快，測(cè)架撞擊電動(dòng)滑臺(tái)，因此設(shè)置了一個(gè)行程開(kāi)關(guān)作為減速開(kāi)關(guān)，先快速回零，測(cè)架碰到減速開(kāi)關(guān)時(shí)減速運(yùn)行，再進(jìn)行一次回零，保證了測(cè)架運(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)檢測(cè)按鈕、接近開(kāi)關(guān)等的輸入信號(hào)。傳感器輸出信號(hào)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(duì)系統(tǒng)的干擾。這里采用雙二次型低通濾波電路，由兩個(gè)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(shí)現(xiàn)

軟件部分主要完成數(shù)據(jù)的采集、分析與處理、運(yùn)動(dòng)控制及系統(tǒng)管理等功能，其中數(shù)據(jù)采集與處理、運(yùn)動(dòng)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(qiáng)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(jì)算機(jī)內(nèi)存，不占用CPU的時(shí)間，可以進(jìn)行連續(xù)的高速采集，降低了高速采集時(shí)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(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)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(jī)誤差的處理

生產(chǎn)車(chē)間噪聲很大，不可避免地會(huì)對(duì)采樣數(shù)據(jù)造成影響，除了硬件設(shè)計(jì)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(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波，即在剎車(chē)盤(pán)每個(gè)測(cè)量位置采樣50次，將50個(gè)采樣值從小到大排序，去除5個(gè)最大值和5個(gè)最小值，剩下的40個(gè)取平均值，這樣可有效地消除噪聲引起的隨機(jī)誤差。

2．3．2．2系統(tǒng)誤差的處理

系統(tǒng)誤差主要包括機(jī)械誤差和電氣誤差。機(jī)械誤差主要由工裝誤差及剎車(chē)盤(pán)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的震動(dòng)引起，通過(guò)多次檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)件，找出機(jī)械誤差的變化規(guī)律，總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)值，在軟件中對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)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(shí)間，對(duì)系統(tǒng)的零電平進(jìn)行采樣，采樣值作為這一段時(shí)間內(nèi)的零電平漂移值，將被測(cè)數(shù)據(jù)減去這個(gè)零電平漂移值，即可補(bǔ)償溫度變化帶來(lái)的影響。

2．3．2．3傳感器測(cè)頭磨損的處理

長(zhǎng)時(shí)間工作造成傳感器測(cè)頭磨損也會(huì)影響檢測(cè)精度。軟件中增加調(diào)零功能自動(dòng)補(bǔ)償校正，過(guò)一段時(shí)間補(bǔ)償一次，即將傳感器測(cè)頭置于中間位置，按“調(diào)零”鍵進(jìn)行采樣，零點(diǎn)輸出電壓保存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)量時(shí)將采樣數(shù)據(jù)減去此零點(diǎn)輸出電壓，這樣基本就可以消除測(cè)頭磨損給測(cè)量帶來(lái)的影響[7]。

2．3．3運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)控制部分軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的運(yùn)動(dòng)控制的需要，在Borland C++ Builder環(huán)境中開(kāi)發(fā)了不同的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，封裝成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式供上位機(jī)軟件調(diào)用，方便實(shí)現(xiàn)移植。具體包括定位運(yùn)動(dòng)模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、復(fù)位模塊和原點(diǎn)校準(zhǔn)模塊。定位運(yùn)動(dòng)模塊發(fā)出控制定位機(jī)構(gòu)到達(dá)指定位置的脈沖數(shù)，為減少電機(jī)啟停時(shí)對(duì)設(shè)備的沖擊，采用T曲線模式對(duì)電機(jī)進(jìn)行加減速控制；實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊讀取電機(jī)反饋信號(hào)，存儲(chǔ)當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)位置，判斷運(yùn)動(dòng)位機(jī)構(gòu)是否定位結(jié)束，并檢測(cè)限位開(kāi)關(guān)信號(hào)確保設(shè)備運(yùn)動(dòng)的安全性；復(fù)位模塊用于突然斷電等原因引起運(yùn)動(dòng)中斷，待恢復(fù)通電后通過(guò)讀取斷電前的運(yùn)動(dòng)位置值，使設(shè)備恢復(fù)到初始狀態(tài)；原點(diǎn)校準(zhǔn)模塊用于消除電動(dòng)滑臺(tái)反復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的累積誤差，保證定位的精確度。

3　結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)備目前已經(jīng)在生產(chǎn)車(chē)間試用，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試證明，該設(shè)備定位、測(cè)量機(jī)構(gòu)可靠，操作簡(jiǎn)單，人機(jī)界面友好，數(shù)據(jù)處理及時(shí)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)檢測(cè)要求，提高了檢測(cè)效率。

該設(shè)備的創(chuàng)新點(diǎn)及先進(jìn)性主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)一體化的剎車(chē)盤(pán)夾持與定位工裝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了剎車(chē)盤(pán)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(jí)齒輪減速機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剎車(chē)盤(pán)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(dòng)作，使得設(shè)備在實(shí)現(xiàn)一系列檢測(cè)動(dòng)作的同時(shí)，結(jié)構(gòu)更加緊湊。

(3)剎車(chē)盤(pán)形位公差指標(biāo)全自動(dòng)生成，檢測(cè)速度快、自動(dòng)化程度高、可擴(kuò)展性強(qiáng)，是目前行業(yè)先進(jìn)的檢測(cè)手段，符合制造業(yè)信息化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求。

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