余施美，胡佳成，王嬋媛，邵楊鋒，葉蘭芝

(中國計量學院 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018)

汽車ABS測速傳感器齒圈缺陷檢測裝置設(shè)計

余施美，胡佳成，王嬋媛，邵楊鋒，葉蘭芝

(中國計量學院 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018)

摘要:目前生產(chǎn)線上的汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)測速傳感器齒圈質(zhì)量檢測均采用人工目視法，其勞動強度大、誤檢率高、效率低。研究了一種ABS齒圈缺陷檢測裝置。綜合利用轉(zhuǎn)換測量技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)以及自動控制技術(shù)，通過反射型光纖傳感器實現(xiàn)對齒圈的自動掃描和缺陷檢測。經(jīng)實際運行檢測，證明該裝置可靠性高、穩(wěn)定性好，軟件界面友好，誤檢率不大于1 %，檢測速度達到10 s/PCS，能快速檢測齒圈是否合格，有效提高了齒圈的檢測效率和準確性，確保了齒圈的出廠合格率在100 %的水平。

關(guān)鍵詞:汽車防抱死制動系統(tǒng)；測速傳感器齒圈；齒圈缺陷檢測；反射型光纖傳感器

0引言

防抱死制動系統(tǒng)(anti-lock braking system,ABS)是保障乘坐人員和車輛安全的重要裝置。為使ABS處于正常工作狀態(tài)，必須使其測速傳感器獲得準確的輪速信息，而輪速信息則是由與車輪同步回轉(zhuǎn)的齒圈提供[1]。因此，齒圈的制造誤差和缺陷就成為能否獲得正確的輪速信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2，3]。因齒圈不合格而造成的故障在ABS常見故障中占有相當?shù)谋壤?。因此，汽車ABS測速傳感器齒圈(簡稱ABS齒圈)的性能參數(shù)至關(guān)重要。

ABS齒圈為大批量生產(chǎn)零件，其生產(chǎn)工藝常用粉末冶金方法[4]，即將鐵粉與相關(guān)配料及液體混合攪拌，再模壓成型后燒結(jié)。其中,模具尺寸、工藝參數(shù)、裝夾引起的破損等因素都會造成ABS齒圈表面缺陷，主要缺陷有氣孔、塌邊、積液、劃痕、節(jié)距誤差等。目前，生產(chǎn)線上的質(zhì)量檢測采用人工目視方法，勞動強度大、效率低，人眼疲勞使誤檢率高。此外，檢驗人員存在嚴重的視力損傷問題。為此，采用自動化的檢測手段取代人工已成為急需解決的問題。

本文提出ABS齒圈缺陷的自動檢測方法，目的在于解決該類零件的快速檢測與分選問題。

1測量系統(tǒng)的設(shè)計

1.1測量原理

由于ABS測速傳感器齒圈缺陷無法直接測量，根據(jù)ABS齒圈自身的結(jié)構(gòu)特點和工作方式，提出雙重轉(zhuǎn)換測量方法，先將齒圈缺陷測量轉(zhuǎn)換為齒圈節(jié)距誤差測量，再采用“長度—時間”轉(zhuǎn)換測量方法，既將齒圈節(jié)距誤差測量轉(zhuǎn)換為電脈沖寬度的測量。

首先，系統(tǒng)選用兩個數(shù)字光纖傳感器實現(xiàn)檢測，合理設(shè)置齒圈與傳感器的相對位置，如圖1所示，使傳感器1發(fā)出的光束照射到齒頂時接收到的反射光最強，以及傳感器2發(fā)出的光束照射到齒底時接收到的反射光最強。傳感器和光電開關(guān)信號輸出如圖2所示。

圖1　測試原理示意圖Fig 1　Diagram of test principle

圖2　傳感器與光電開關(guān)信號輸出Fig 2　Signal output of sensor and optoelectronic switch

其次，被測齒圈在旋轉(zhuǎn)電機帶動下以ω轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)，將其波動記為Δω，系統(tǒng)通過單片機捕獲2只傳感器輸出的高電平信號并計算其脈寬Ti為

Ti=Ta+Tb

(1)

式中Ta,Tb為傳感器1和傳感器2輸出的高電平脈寬。

根據(jù)脈寬和旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速可計算齒距大小。ABS齒圈的齒距與脈寬的關(guān)系式為

(2)

式中Di為第i個齒的齒距，mm；ω為旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速，r/s；r為節(jié)圓半徑，mm，ti為脈寬周期Ti的起始時間，ti+1為脈寬周期Ti的結(jié)束時間，t為物理量。

當旋轉(zhuǎn)電機以ω0勻速旋轉(zhuǎn)，被測ABS齒圈的齒數(shù)為n，且齒圈的節(jié)圓半徑r作為常量r0，則式(2)可表示為

(3)

系統(tǒng)設(shè)計保證了齒圈勻速旋轉(zhuǎn)，波動轉(zhuǎn)速Δω相對ω0可忽略不計，則第i個齒的齒距可表示為

Di=ω0r0Ti

(4)

則節(jié)距平均值為Dave為

(5)

根據(jù)式(4)、式(5)可得節(jié)距誤差計算公式為

(6)

又因為傳感器周期Ti的最值計算公式為

Tmax=max(T1,T2,…,Tn)

Tmin=min(T1,T2,…,Tn)

(7)

式中Tmax為最長的時間周期，Tmin為最短的時間周期，max()為求最大值的函數(shù)，min()為求最小值的函數(shù)。

齒圈的最大節(jié)距Dmax為

Dmax=ω0r0Tmax

(8)

齒圈的最小節(jié)距Dmin為

Dmin=ω0r0Tmin

(9)

則最大節(jié)距誤差計算公式為

(10)

(11)

Pmax=max(P1,P2)

(12)

式中Pmax為被測齒圈的最大節(jié)距誤差。

最后，微處理器根據(jù)式(4)～式(12)計算被測齒圈的最大節(jié)距誤差，比對計算值與誤差允許值，判斷被測齒圈合格與否。但是，缺齒、積液 、黑點、塌邊、劃痕等齒圈缺陷會影響傳感器的接收光強，使得傳感器的輸出電平信號發(fā)生改變，如果齒圈存在塌邊、積液等缺陷，計算所得的節(jié)距誤差會比較大。因此，本文通過計算節(jié)距誤差大小判斷齒圈是否存在缺陷，若測得最大節(jié)距誤差大于誤差允許值，則可以判斷被測齒圈存在缺陷，不符合出廠需求。

1.2檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

汽車ABS測速傳感器齒圈缺陷檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，PC用于輸入ABS齒圈齒數(shù)和顯示齒圈的性能參數(shù)。

圖3　測試系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖Fig 3　Overall structure diagram of test system

2測量系統(tǒng)的組成

2.1技術(shù)指標要求

1)齒圈測量效率可達12 s/PCS；2)齒圈誤檢率不大于1 %；3)合格齒圈的最大誤差允許值不大于8 %；4)具有良好的人機對話途徑(包括顯示與按鈕)。

2.2機械結(jié)構(gòu)

機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　機械結(jié)構(gòu)Fig 4　Mechanical structure

檢測過程：當傳感器處于起始位置且旋轉(zhuǎn)電機勻速旋轉(zhuǎn)時，數(shù)字光纖傳感器通過掃描被測齒圈輸出數(shù)字信號，單片機實時采集并處理傳感器輸出信號。根據(jù)光電開關(guān)判斷檢測完一圈之后，直線步進電機帶動下傳感器向下移動一個單位并開始下一個位置的掃描檢測。當直線步進電機帶動傳感器從上到下移動了10次時，既從齒圈齒面的最上端至最下端，則完成了對ABS齒圈齒面的全面自動掃描檢測。

當裝置檢測完一個齒圈，并更換下一個待測齒圈重新檢測時，傳感器的位置已處于最底端，此刻不需要斷電或者復(fù)位讓傳感器歸到起始位置，而是直接按啟動按鈕開始檢測，直線步進電機會自動更換移動方向，從下到上移動，檢測方向變?yōu)閺凝X面最下端至最上端，提高了檢測效率。

2.3硬件電路

系統(tǒng)的硬件電路的原理框圖如圖5所示[5～7]。

圖5　硬件電路原理框圖Fig 5　Principle block diagram of hardware circuit

2.3.1傳感器的選擇

選日本Panasonic FD—EG31反射型光纖[8]與FX—MR3光纖聚焦鏡、FX—501數(shù)字光纖放大器配套使用，可實現(xiàn)微小物體和缺陷檢測[9]，其中心檢測距離為(7.5±0.5)mm，光點直徑約為0.15 mm，透光束線直徑為0.125 mm。

2.3.2信號采集電路與電機驅(qū)動電路

光纖傳感器輸出的是數(shù)字信號，高電平為24 V，低電平為0 V，單片機的工作電壓為3.3 V，因此，通過信號采集電路將傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換為單片機能接收的信號。

檢測過程中，旋轉(zhuǎn)電機帶動被測齒圈轉(zhuǎn)動，負載小，系統(tǒng)選用Microstep Driver M542—DSP超低慣量電機驅(qū)動器，可以滿足要求。通過74LS04反相器向電機驅(qū)動器的PULSE，DIR口輸入脈沖信號，以控制電機的速度和方向。

2.4軟件程序

2.4.1上位機軟件

上位機軟件采用LabVIEW軟件編寫，具有齒數(shù)設(shè)置、ABS齒圈合格指示燈、節(jié)距誤差允許值設(shè)置、ABS齒圈最大節(jié)距誤差顯示及電機啟動控制等功能。

2.4.2下位機軟件

下位機軟件采用C語言編寫，開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench IDE。采用模塊化設(shè)計思想，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、串口通信、電機控制等模塊。首先，系統(tǒng)進行初始化、輸入被測齒圈齒數(shù)及直線步進電機自動歸位；其次，旋轉(zhuǎn)電機啟動并達到勻速;最后，單片機實時采集、處理檢測數(shù)據(jù)并控制旋轉(zhuǎn)電機與步進直線電機運轉(zhuǎn)。

3測試系統(tǒng)實驗

實驗之前，取2個型號一樣的ABS齒圈作為待測齒圈，齒圈齒數(shù)為46，半徑r=82 mm。用所研制的檢測系統(tǒng)對待測齒圈進行檢測，當旋轉(zhuǎn)電機以100 r/min的轉(zhuǎn)速勻速轉(zhuǎn)動時，重復(fù)測量待測齒圈20次檢測裝置實物圖如圖6所示。根據(jù)式(4)～式(12)計算可得出對應(yīng)的最大節(jié)距誤差，數(shù)據(jù)如表1所示。

圖6　裝置實物圖Fig 6　Physical map of device

經(jīng)實際測試20次，結(jié)果可知，1#齒圈的最大節(jié)距誤差為5 %～7 %且均小于最大允許誤差，故判斷其為合格齒圈；2#齒圈的最大節(jié)距誤差為10 %～14 %且大于最大允許誤差，故判斷此齒圈存在缺陷，為不合格齒圈。從測試結(jié)果還可以看出:測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較好，合格齒圈與不合格齒圈的測量結(jié)果有明顯的差異，系統(tǒng)可以根據(jù)計算得出的最大節(jié)距誤差來判定ABS齒圈是否存在缺陷。

針對合格與不合格齒圈，經(jīng)實驗分析得出其傳感器輸出信號的變化情況如圖7所示。圖7(a)為檢測合格齒圈時傳感器輸出的信號圖。圖7(b)、圖7(c)和圖7(d)分別為檢測不合格齒圈時傳感器輸出的信號圖，從圖中可以看出，當齒圈存有缺陷時，脈寬Ta或者Tb小于正常值，根據(jù)式(4)～式(12)可以知道不合格齒圈的節(jié)距誤差比合格齒圈大。

為了檢驗裝置的可靠性和正確率，利用所研究的檢測裝置在正常生產(chǎn)環(huán)境下對ABS齒圈共200只產(chǎn)品進行了測試，測得合格齒圈數(shù)量為184個，不合格齒圈數(shù)量為16個。經(jīng)采用人工檢測方法核對后，在所測試的200個齒圈中，合格齒圈數(shù)量為185個，不合格齒圈數(shù)量為15個，計算可得裝置正確率可達99.5 %。

為了進一步驗證系統(tǒng)能有效檢測出不同缺陷類型齒圈，系統(tǒng)對300個不合格齒圈進行了自動掃描檢測，檢測結(jié)果如表1所示。

圖7　傳感器輸出信號Fig 7　Output signal of sensor

缺陷類型實驗次數(shù)各齒圈數(shù)量/個合格不合格總量誤檢量正確率/%缺齒100199積液100199300299.3黑點1000100

實驗表明：該測試系統(tǒng)的設(shè)計滿足要求，實現(xiàn)了全面自動檢測ABS齒圈，系統(tǒng)的檢測速度可達10 s/PCS，正確率大于等于99 %，且檢測系統(tǒng)可靠性較高，穩(wěn)定性好，可取代人工目視方法。

4結(jié)論

1)本文提出了雙重轉(zhuǎn)換測量方法，設(shè)計了汽車ABS測速傳感器齒圈缺陷檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對ABS齒圈缺陷的自動掃描檢測。

2)通過生產(chǎn)現(xiàn)場對產(chǎn)品連續(xù)大批量的測試，檢測結(jié)果準確可靠，證明了系統(tǒng)的高穩(wěn)定性。檢測速度達到10 s/PCS，誤檢率不大于1 %，滿足了生產(chǎn)中對齒圈檢測的高效率要求。

3)系統(tǒng)人機接口良好，工作穩(wěn)定，性能可靠，減少了人工因素的影響，保證了齒圈出廠合格率在100 %的水平，滿足了現(xiàn)代化生產(chǎn)對測試的要求，完全可取代人工目視方法，為大批量檢測ABS齒圈提供了有效手段。

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Design of automobile ABS speed measurement sensor gear ring defect detection device

YU Shi-mei,HU Jia-cheng,WANG Chan-yuan,SHAO Yang-feng,YE Lan-zhi

(College of Metrology Technology and Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

Abstract:Quality of automobile ABS speed measurement sensor gear ring is artificial visually test in current production line,but this method has labor-intensive,high error detection rate,low efficiency and other shortcomings.Aiming at this problem,develop an ABS gear ring defect detection device,which uses conversion measurement technology,data acquisition technology,and automation control technology to realize automatic scan and defect error detect on gear ring by reflective fiber-optic sensor.Through practical operation test，it shows that its reliability and stability is very good，software interface is user-friendly，and false detection rate is less than 1 %,testing speed reaches 10 s/pcs,and can rapidly detect whether the gear ring is qualified，and effectively increases testing efficiency and accuracy of ring gear and guarantee 100 % of exfactory pass rate．

Key words:automobile anti-lock braking system(ABS);speed measurement sensor gear ring;gear ring defect detection;reflective optical fiber sensor

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0117—04

收稿日期：2015—09—01

中圖分類號:TP 216

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)05—0117—04

作者簡介:

余施美(1991-)，女，江西九江人，碩士研究生，主要研究方向為精密儀器與機械。

胡佳成，通訊作者，E—mail:hujiacheng@cjlu.edu.cn。