刹车盘自动检测设备的设计

2014-03-21姜风国王燕涛

仪表技术与传感器 2014年2期

姜风国，朱　彬，王燕涛

(烟台大学机电汽车工程学院，山东省高校先进制造与控制技术重点实验室，山东烟台 264005)

0　引言

刹车盘的形位公差是决定汽车能否安全制动的一个非常重要的影响因素[1]。目前我国中小刹车盘生产企业检测手段落后，大多使用手动检测仪器、机械显示仪表检测[2]，无法适应大批量高端刹车盘的检测，严重制约了中小刹车盘生产企业的正常发展。因此，研制开发能够针对刹车盘进行自动检测及分析的设备势在必行。

该项目开发的刹车盘自动检测设备采用人工辅助上下工件，设备自动检测、电脑屏幕数字显示被测刹车盘的主要技术指标，并具有数据查询、打印和传送等功能，对减轻检测人员的劳动强度，提高检测精度和智能化程度具有重要意义。

1　刹车盘检测原理

该设备的检测原理如图1所示。9支LVDT传感器与刹车盘表面垂直安装，采用接触式测量。其中，1、2和3、4号传感器分别用来检测上、下刹车面的圆跳动指标及其平面度；5、6号传感器检测刹车盘基准面的平面度，同时作为所有其他传感器数据的比对基准；7号传感器用来检测刹车盘的外径尺寸；8、9号传感器用来检测小端面的圆跳动及平面度指标值。同时，1-4号传感器可以得到上下刹车面圆跳动差值和刹车面的厚度，与基准5、6号配合还可以测得上下刹车面相对于基准面的平行度数值；8、9号与基准5、6号配合可以测得小端面相对于基准面的平行度数值。

图1　刹车盘检测示意图

刹车盘检测流程如下：

手工放置刹车盘→接近开关检测到刹车盘→涨紧刹车盘→电动滑台带动测架进给到工作位置→工装带动刹车盘旋转→采样取值→程序软件处理采样数据→刹车盘停止旋转→电动滑台带动测架回到初始位置→松开刹车盘→手工取下刹车盘→电脑屏幕显示测量结果→检测数值存储进数据库。

2　设备总体方案设计与实现

2．1机构设计与实现

2．1．1刹车盘固定机构设计

为了利用工具代替手工旋转刹车盘操作，首先需要对刹车盘进行夹持固定。根据刹车盘零件的形状特征，以其中心安装孔为夹持固定位置，采用相应专用夹具进行涨紧松弛方式，实现刹车盘的固定夹持要求。此方案的优点是可以有效避开刹车盘的被检部位不受到夹具的干涉，方便测量。

2．1．2刹车盘驱动机构设计

刹车盘固定夹持之后，需要相应机构带动其进行旋转运动。由于夹持刹车盘的专用夹具是在刹车盘的中心孔处进行夹持固定，因此旋转驱动机构需要在专用夹具的外围进行布置，以避免二者相互干涉。为此，设备的旋转驱动机构设计成一种中空旋转机构，以步进电机进行驱动。其优点在于刹车盘的固定夹持机构可以从旋转机构的中空位置进入，并互不影响。此机构的设计是设备实现夹持后的旋转功能的关键。

2．1．3刹车盘定位支撑机构设计

除了需要固定和旋转刹车盘之外，对刹车盘的定位与支撑也极为关键。刹车盘的定位有2方面的要求：一是水平定位要求；二是轴向定位要求。水平定位要求对刹车盘在水平方向进行支撑与定位，因此定位支撑机构的定位面需要与设备总体结构保持在可控的水平度范围内。相应地，对刹车盘的轴向定位要求，需要定位支撑机构在其旋转轴线位置处保持足够高的定位精度。从而形成检测刹车盘各项指标的水平基准和轴向基准。

根据这种要求，结合刹车盘的固定夹持以及定位支撑需要，该设备基于传统的手工卡盘部件进行改进，将其改造成既能对刹车盘进行固定夹持，又能够为刹车盘提供水平和轴向定位的专用机构，从而同时实现刹车盘的定位与固定要求。

2．1．4测架设计

设备采用刹车盘旋转、传感器固定不动的方式进行数据采集，这就需要根据刹车盘的检测部位对传感器进行合理布局，从而设计出能够实现传感器准确到达检测位置的支持机构，即直线驱动机构和传感器测量支架，简称测架。要求测架可以满足传感器的支撑固定需要，而直线驱动机构可以带动测架前后移动。为此，采用步进电机驱动滚珠丝杠实现测架的直线往复运动，并能够根据不同的刹车盘对传感器进行粗调与微调。

2．1．5支撑台设计

刹车盘检测指标的精度要求很高，任何轻微的震动都有可能影响到检测结果的准确性，因此支撑台的设计充分考虑了防震性能。

2．2电气控制部分设计与实现

电气控制部分采用工控机和运动控制卡构成开放式运动控制系统[3]，工控机驱动运动控制卡向步进电机细分驱动器发出指定数量的驱动脉冲和方向信号控制步进电机的精确运动，进而带动运动机构运动。

运动控制分点动和连动2种方式。点动方式可以任意设置驱动脉冲数控制运动机构的目标位置，主要用于设备调试；连动方式用于正常生产，检测命令下达后按照刹车盘检测流程自动进行，不需要人工干预。为了保证设备的安全，运动控制卡通过端子板与限位开关、急停按钮等相连。当正、负向限位开关动作或操作人员按下控制面板上的“急停”按钮时，运动控制卡驱动脉冲输出即被终止，同时急停所有的运动机构。为了避免测架反复运动过程中产生累积误差影响定位精度，测架需要定期执行回原点操作。电动滑台自带原点返回运行功能，但由于回原点时速度较快，测架撞击电动滑台，因此设置了一个行程开关作为减速开关，先快速回零，测架碰到减速开关时减速运行，再进行一次回零，保证了测架运动的精确性。

16位高精度数据采集卡采集精密位移传感器的输出数据，并实时检测按钮、接近开关等的输入信号。传感器输出信号经低通滤波器处理之后再送入数据采集卡，可有效地滤除使用环境对系统的干扰。这里采用双二次型低通滤波电路，由两个二阶滤波电路串联构成四阶滤波器。

2．3系统软件实现

软件部分主要完成数据的采集、分析与处理、运动控制及系统管理等功能，其中数据采集与处理、运动控制非常重要，是软件部分的核心。

2．3．1数据采集

PCI-1716是一款功能强大的多功能数据采集卡[4]，具有16位高分辨率和最大250 KS/s的采样速度。PCI-1716有软件、中断和DMA 3种模拟量输入采集方式，其中DMA方式速度最快，采集的数据可以直接经DMA传输至计算机内存，不占用CPU的时间，可以进行连续的高速采集，降低了高速采集时数据丢失的可能性[5]，特别适用于采样速率高、数据采集量大、数据实时性要求高的场合[6]，因此采用DMA方式。DMA模式下数据采集程序流程如图2所示。

图2　DMA数据采集程序流程图

2．3．2数据处理及误差修正

2．3．2．1随机误差的处理

生产车间噪声很大，不可避免地会对采样数据造成影响，除了硬件设计上采取抗干扰措施外，软件中也要采取抗干扰措施。用示波器对原始采样数据进行观察，发现采样数据中除了幅度较小的噪声外，还夹杂着脉冲噪声。因此，软件中采用中值平均滤波法对采样数据进行数字滤波，即在刹车盘每个测量位置采样50次，将50个采样值从小到大排序，去除5个最大值和5个最小值，剩下的40个取平均值，这样可有效地消除噪声引起的随机误差。

2．3．2．2系统误差的处理

系统误差主要包括机械误差和电气误差。机械误差主要由工装误差及刹车盘旋转过程中的震动引起，通过多次检测标准件，找出机械误差的变化规律，总结出经验值，在软件中对检测结果进行修正。电气误差主要由传感器以及处理电路的非线性、元器件受温度变化影响特性发生变化等引起。由于传感器本身的线性度很好，选用了最小二乘法线性拟合的方式处理非线性误差，找出采样数据(电压值)与位移量之间的函数关系。由于一般情况下温度变化很缓慢，只要每隔一段时间，对系统的零电平进行采样，采样值作为这一段时间内的零电平漂移值，将被测数据减去这个零电平漂移值，即可补偿温度变化带来的影响。

2．3．2．3传感器测头磨损的处理

长时间工作造成传感器测头磨损也会影响检测精度。软件中增加调零功能自动补偿校正，过一段时间补偿一次，即将传感器测头置于中间位置，按“调零”键进行采样，零点输出电压保存进数据库，测量时将采样数据减去此零点输出电压，这样基本就可以消除测头磨损给测量带来的影响[7]。

2．3．3运动控制

运动控制部分软件采用模块化设计，根据不同的运动控制的需要，在Borland C++ Builder环境中开发了不同的运动控制函数，封装成动态链接库的形式供上位机软件调用，方便实现移植。具体包括定位运动模块、实时监控模块、复位模块和原点校准模块。定位运动模块发出控制定位机构到达指定位置的脉冲数，为减少电机启停时对设备的冲击，采用T曲线模式对电机进行加减速控制；实时监控模块读取电机反馈信号，存储当前的运动位置，判断运动位机构是否定位结束，并检测限位开关信号确保设备运动的安全性；复位模块用于突然断电等原因引起运动中断，待恢复通电后通过读取断电前的运动位置值，使设备恢复到初始状态；原点校准模块用于消除电动滑台反复运动过程中产生的累积误差，保证定位的精确度。