孫紅春，李勝奇，劉一澤

(1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819；2.中國核動力研究設(shè)計院，成都 610000)

后橋扭力梁機(jī)加工面定位參數(shù)自動檢測系統(tǒng)研制

孫紅春1，李勝奇1，劉一澤2

(1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819；2.中國核動力研究設(shè)計院，成都 610000)

針對目前機(jī)加工面定位參數(shù)檢測設(shè)備檢測效率低、成本高的問題，研制了基于PLC+上位機(jī)的自動檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)采用PLC+上位機(jī)的控制模式，以O(shè)PC為通訊方式，以雙手按鈕為控制工具，通過線性傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和上位機(jī)相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了后橋扭力梁機(jī)加工面的前束角、后傾角定位參數(shù)自動檢測。為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，提出應(yīng)用重復(fù)性誤差來評價，通過系統(tǒng)現(xiàn)場運(yùn)行的數(shù)據(jù)分析可知，各定位參數(shù)的重復(fù)性誤差Cg≥7，表明系統(tǒng)具有很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，這對同類產(chǎn)品的開發(fā)提供了參考。

機(jī)加工面；定位參數(shù)；自動檢測系統(tǒng)

0 引言

由于扭力梁后橋兩端的制動盤安裝端面(機(jī)加工面)通過制動盤與輪胎相連，其端面的加工質(zhì)量對汽車后輪的車輪定位參數(shù)具有重要影響，并且該型橋一旦出廠便不可調(diào)整，因此在后橋出廠之前必須對其進(jìn)行質(zhì)量檢測，以確保其滿足使用要求。目前，對于汽車后橋的定位參數(shù)主要是指后輪外傾角和后輪前束角[1]。對于這類角度的測量，通用檢測方法是三坐標(biāo)檢測法，這種方法的優(yōu)點是檢測精度高，缺點是對檢測環(huán)境要求很高，而且每次測量只能測一個點，而且還需要一套相匹配的夾具，成本高，檢測效率低，無法對工件實現(xiàn)100%測量[2]。為了解決這一問題，本文分析了多種自動控制方案，提出了PLC+上位機(jī)的控制模式，配合采集系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了現(xiàn)場100%的扭力梁后橋端面定位參數(shù)的自動檢測，通過系統(tǒng)各定位參數(shù)的重復(fù)性誤差分析，檢測系統(tǒng)滿足現(xiàn)場檢測要求，并且這種專用檢測設(shè)備具有檢測效率高，成本低等優(yōu)點[3]。

1 定位參數(shù)

后橋定位參數(shù)主要包括后輪外傾角和后輪前束角。外傾角是指后輪安裝時其端面向外傾斜一個角度，沒有與路面垂直，車輪中心面與鉛垂線形成的角度。如圖1所示，當(dāng)中心面在鉛垂線外側(cè)時，形成的角稱為正外傾角；當(dāng)車輪中心面在鉛垂線以內(nèi)時，形成的角稱為負(fù)外傾角；當(dāng)車輪中心面與鉛垂線重合時，形成的角為零外傾角[4]。車輪前束角是指車輪安裝在車橋上時，兩輪的中心平面不平行，其前端略向內(nèi)側(cè)收束的現(xiàn)象。車輪后端距離略大于前端距離，其差值稱作車輪前束值。如圖 2所示，從汽車的上方往下看，后胎的中心面與汽車幾何中心線之間的夾角就是后輪前束角。輪胎中心面向內(nèi)收縮的角度為正前束角，反之稱為負(fù)前束角。總的前束角等于這根軸上的兩個車輪的單側(cè)前束角之和[4]。

圖1 車輪外傾角 圖2 車輪前束角

檢測時，在后橋制動器安裝的一側(cè)端面共有4個確定的檢測點J1、J2、J3、J4，另一側(cè)端面為J5、J6、J7、J8，它們處于一個矩形的四個角點，如圖3所示。根據(jù)要求，本次需要測量的就是這8個點的位移偏差，也就是所謂的輪廓度，通過這8個點的輪廓度值來計算前束角和外傾角。

圖3 后橋總成圖

具體做法是：首先，將8個位移傳感器分別固定于機(jī)加工面的垂直方向并分別與8個測點處于同一條直線上，然后通過標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行校零，以J1～J8分別表示測點輪廓度，這時，J1=J2=J3=J4=J5=J6=J7=J8=0。接著把要測的工件進(jìn)行定位裝夾，通過傳感器進(jìn)行測量，若輪廓度不為零，則Jx≠0(x=1，2，…，8)，其前束角的計算公式為：

(1)

(2)

(3)

外傾角的計算公式為:

(4)

(5)

(6)

其中,LJ1-J2，LJ3-J4，LJ1-J3，LJ2-J4，分別表示測點J1到J2，J3到J4，J1到J3，J2到J4的直線距離，其中LJ1-J2=LJ3-J4，LJ1-J3=LJ2-J4;K1、K2分別為前束角和外傾角的補(bǔ)償系數(shù)。

另一端面的角度計算公式與該端面一樣，在此不在贅述。通過所給計算公式計算出對應(yīng)值，再與規(guī)定值進(jìn)行比較，即可判別是否合格。

2 檢測系統(tǒng)方案的確定

圖4展示了整個檢測系統(tǒng)的檢測和控制的可行性路線，包括從最初的位移測量、控制方式到最終的人機(jī)界面顯示，有多種方案可供選擇。使用激光位移傳感器能夠?qū)y量點進(jìn)行無接觸測量，檢測效率更高，機(jī)械結(jié)構(gòu)相對要簡單，但由于使用現(xiàn)場為焊接工廠，環(huán)境惡劣，會對激光的精度造成干擾，此外，激光傳感器的售價昂貴，不利于成本控制，因此選用電感式位移傳感器更合乎本系統(tǒng)實際需求；在信號處理方面，采用PLC和組態(tài)軟件可以有效的簡化系統(tǒng)，降低成本[5]，但由于在本系統(tǒng)中，不僅需要對系統(tǒng)進(jìn)行電氣控制，還需要對檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計過程分析以監(jiān)測工序質(zhì)量，這是組態(tài)軟件所做不到的，因此，必須選擇能夠利用編程語言進(jìn)行軟件開發(fā)的工業(yè)計算機(jī)；在控制方式上，采用單片機(jī)可以有效的降低控制成本，但它的開發(fā)難度較大，抗干擾性差[6]，對環(huán)境惡劣的焊接車間來說不太適合，且單片機(jī)主要用于微機(jī)控制，而PLC抗干擾性強(qiáng)、編程簡單、使用方便，更適合本系統(tǒng)需要，因此選用PLC作為控制裝置；對于模擬量數(shù)據(jù)采集方式，使用數(shù)據(jù)采集卡與可編程器的模擬量模塊都可以，但后者相對較貴，從成本控制角度來說，選數(shù)據(jù)采集卡合適。綜合以上考濾，選擇電感式位移傳感器+數(shù)據(jù)采集卡+工業(yè)計算機(jī)+編程語言+顯示器+PLC的方式作為本系統(tǒng)的檢測和控制方案。

圖4 后橋檢測系統(tǒng)的可行線路線

圖5 檢測系統(tǒng)整體架構(gòu)

本檢測系統(tǒng)如圖5所示，由檢測臺架、被測后橋、位移傳感器、控制柜、工控機(jī)、顯示屏、打印機(jī)和整個電氣控制電路在內(nèi)的硬件平臺和具有自動控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、結(jié)果顯示、統(tǒng)計分析、人機(jī)交互和打印等功能于一體的軟件組成。以工控機(jī)為處理核心，以檢測臺架為檢測平臺，對被測后橋進(jìn)行定位和夾緊；以PLC為控制裝置，以氣缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以各種開關(guān)量傳感器為信號來源，實現(xiàn)檢測臺架的自動控制；以電感式位移傳感器為測量硬件，依托編程軟件和計算機(jī)通信技術(shù)，實現(xiàn)角度的實時測量和實時顯示，并能夠?qū)z測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲和統(tǒng)計分析，對工序質(zhì)量進(jìn)行有效監(jiān)督。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)采集是指利用傳感器對被測物體的模擬或數(shù)字信號進(jìn)行自動采集，將獲取到的電量或非電量信號，送到上位機(jī)中進(jìn)行分析、處理，而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是指結(jié)合基于計算機(jī)軟硬件產(chǎn)品來實現(xiàn)靈活自如的測量系統(tǒng)。本文研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖6所示，整個采集過程為：首先將位移傳感器(英國Solartron Metrology公司出品的ORBIT 3直線位移傳感器)與被測端面接觸，傳感器將觸頭的位移量轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過調(diào)理器TCON和數(shù)據(jù)線將電壓信號接入數(shù)據(jù)采集卡，然后通過數(shù)據(jù)采集卡將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后傳入工控機(jī)中通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，將結(jié)果進(jìn)行顯示、存儲和打印。

圖6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

4 控制系統(tǒng)的設(shè)計

控制系統(tǒng)設(shè)計如圖7所示，以PLC為控制核心，通過與上位機(jī)結(jié)合，一起擔(dān)負(fù)著整個系統(tǒng)的控制；雙手按鈕和工控機(jī)的鼠標(biāo)作為系統(tǒng)的直接操作工具；各傳感器為系統(tǒng)的信號來源，各類型氣缸作為系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，顯示燈用來顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，整個系統(tǒng)的氣壓動力由工廠的空氣壓縮機(jī)提供。

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計基于WINDOWS 操作平臺的基礎(chǔ)上采用 VB6.0+NI的MEASUREMENT STUDIO工具編制而成，具有良好的人機(jī)界面， 操作簡單[5]。根據(jù)系統(tǒng)實際功能需求和界面顯示直觀、操作方便的要求，上位機(jī)軟件采用模塊化設(shè)計方法，將該軟件總共分為8個模塊，如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)功能模塊

6 系統(tǒng)評定

德國汽車工業(yè)從生產(chǎn)實際出發(fā)，把反映檢測設(shè)備自身誤差的重復(fù)性因素放在主要位置，提出了測量能力指數(shù)Cg評定法。同時一些文獻(xiàn)中也使用測量能力指數(shù)作為評估誤差的重復(fù)性因素[8]。在進(jìn)行重復(fù)性測試時，假若樣本n≥50 ，據(jù)此求出實際標(biāo)準(zhǔn)偏差S，再進(jìn)一步獲得測量能力指數(shù)Cg，以對設(shè)備做出評定，其精確和可靠程度較高[9]。1999 年 8 月制定的指導(dǎo)性文件“測量系統(tǒng)能力”中，采用了測量能力指數(shù)Cg這一評定方法[10]。

若測量誤差呈正態(tài)分布，則有：

(7)

式中：S為實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差，k為置信因子,T為工件被測參數(shù)公差。

在驗收一臺新的檢測設(shè)備時，若被測工件參數(shù)的公差T≥10μm時，必須保證Cg≥2，若T<10μm時，必須保證Cg≥1.33。

根據(jù)以上對Cg的定義和分析，利用本檢測系統(tǒng)對扭力梁后橋加工面的輪廓偏差值、前束角和外傾角各重復(fù)進(jìn)行了50次檢測，其測量數(shù)值的平均值標(biāo)準(zhǔn)差和相應(yīng)Cg值如表1和表2所示。

表1 測量50次輪廓偏差值的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及Cg值

表2 測量50次前束角和外傾角的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及Cg值

通過計算分析可知，各輪廓值與角度值的分散性很小，輪廓值的標(biāo)準(zhǔn)差小于7.6μm，角度值的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.00045°，此外，各參數(shù)的重復(fù)性誤差Cg≥7，遠(yuǎn)大于規(guī)定值Cg≥2，所以有著很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，滿足使用要求。

7 結(jié)論

本文設(shè)計開發(fā)了一套用于某型轎車扭力梁后橋加工面定位參數(shù)的專用檢測設(shè)備，通過采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了后橋扭矩梁機(jī)加工面的前束角和外傾角定位參數(shù)的檢測。對現(xiàn)場運(yùn)行測得的數(shù)據(jù)使用重復(fù)性誤差來衡量系統(tǒng)的重復(fù)性和穩(wěn)定性，結(jié)果表明各定位參數(shù)的重復(fù)性誤差Cg≥7，遠(yuǎn)大于規(guī)定值Cg≥2，表明系統(tǒng)不但操作簡便而且具有很好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，該設(shè)計思想可推廣到其他工程應(yīng)用領(lǐng)域。

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DevelopmentontheSurfacePositioningParametersAutomaticDetectionSystemofTorsion-BeamRearAxle

SUN Hong-chun1, LI Sheng-qi1,LIU Yi-ze2

(1.School of Mechanical Engineering &Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China；2.Nuclear Power Institute of China, Chengdu 610000, China)

At present, the testing equipment of machining surface alignment parameter is low efficiency and high cost, so this paper developed the automatic test system based on PLC + PC to avoid the problem. The system realized the detection forthe surface alignment parameter of toe angle and caster angle of torsion beam rear axle by the control mode with PLC + PC, OPC communication way, both hand buttons as the control tool, and the data acquisition system using the combination of the linear sensor, data acquisition card and PC. In order to verify the system stability and repeatability, repeatability error is put forward. Finally, the test experiments show that the repeatability errorCgof the alignment parameters is higher than 7, so the system has a good repeatability and stability. The research provides the reference for the development of similar products.

machining surface; alignment parameter;automatic detection system

1001-2265(2017)11-0096-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.11.025

2017-01-05；

2017-02-04

孫紅春(1974— )，女，遼寧綏中縣人，東北大學(xué)副教授，博士，研究方向為傳感器與設(shè)備測試、信號處理與故障診斷,(E-mail)hchsun@mail.neu.edu.cn。

TH162;TG506

A

(編輯李秀敏)