前制動盤端面震動測試分析

陳雙權

（廣州市嘉特斯機電制造有限公司，廣東廣州510850）

0 引言

目前國內各汽車廠商在中小型商品車上使用較多的為前盤后鼓式剎車系統，部分車型為四輪盤式剎車，相對于鼓式剎車，盤式剎車在技術上更為先進，質量上更為輕量化，散熱性能、制動性能及復雜天氣、路況的適應性能更為優良。汽車在高速行駛過程中剎車系統的靈敏度和耐久性對保證駕乘人員的人身安全極為重要，對轎車前制動盤端面震動進行檢測分析就是為了減少汽車行駛過程中制動盤端面不平對剎車片的磨損及制動盤端面本身的磨損，從而延長制動盤及剎車片的使用壽命。

1 系統結構組成

（1）機械結構組成：機架結構、升降導軌裝置、升降壓緊氣缸、上定位夾具、工件定位夾具、旋轉電機、光柵防護裝置等，如圖1所示。

圖1 機械結構

（2）工作流程：放置工件（前制動盤）在升降夾具臺上，由PLC驅動升降機構舉升工件至上定位夾具處實現工件定位夾緊，并驅動旋轉電機帶動旋轉機構實現制動盤端面旋轉，置于工件上方的高精度激光傳感器探頭檢測制動盤端面機械跳動并將檢測信號傳送至高速數據采集卡，同時旋轉編碼器記錄制動盤端面旋轉角度并將信號傳送至高速數據采集卡。數據采集卡將接收到的數據傳送至研華工控機，由運行中的數據采集分析軟件對數據進行處理分析，按照一定算法計算得出結果并顯示在工控機界面上。若檢測制動盤端面合格則設備夾具松開工件并返回至工件初裝狀態待人工取出，若檢測制動盤端面NG則設備蜂鳴器發出聲光信號。光柵保護裝置用于防止操作者肢體進入正在運行的設備中，以免發生不必要的人身傷害。

（3）電氣系統組成：數據采集系統由高精度激光位移傳感器探頭、角度編碼器、高速數據采集卡、研華工控機組成，控制系統由I/O傳感器、氣缸、電機、三菱PLC系統等組成，如圖2所示。

圖2 電氣系統組成

高精度激光傳感器：采用OMRON系列ZX-LD30VL激光位移傳感器，由傳感器探頭和放大器兩部分組成，性能穩定可靠。其位移距離與電流、電壓的關系特性如圖3所示，分辨率可達到0.25 μm，線性±0.2%F.S.，測定中心距30 mm，測定范圍±2 mm，以保證采集數據的準確性。

圖3 傳感器特性

角度編碼器：采用MES-30-3600P角度編碼器，分辨率達到3 600 PLS/R，用于檢測旋轉電機帶動工件轉動的實時角度。

數據采集卡：采用NI PCI-6220M系列高速數據采集卡，分辨率16 Bit，采樣率250 kS/s。用于將傳感器輸入的模擬電壓信號轉換成數字信號。采集卡安裝在工控機內，卡上集成2路脈沖計數器，用于采集編碼器角度信號。

工控機：選用研華PPC-6150-RI5AE平板式工控機。

PLC控制器：三菱Q02U系列PLC。PLC控制器作為電氣系統的中樞集成控制中心，實現和工控機的聯機通信及和外圍I/O信號的輸入、輸出。PLC檢測外圍I/O信號狀態判別設備運行狀態，并及時取得工控機軟件處理分析結果，作出聲光提示，驅動外圍執行機構完成檢測過程。在檢測過程中若設備出現異常狀況，按下急停及時停機并發出聲光報警。

外圍I/O傳感器組成：接近開關、磁性開關、對射開關等。指示檢測設備執行機構處于何種動作狀態，動作到位或在原位置。

工控機和PLC交互信息通過第三方OPC_Server實時通信，軟件開發平臺基于Labview10.0。

2 測試原理

（1）機械夾具舉升工件（制動盤），并夾緊固定好。

（2）旋轉電機啟動旋轉，同時編碼器開始采集角度值，當旋轉角度值到達380°時旋轉電機停止旋轉。同時采集卡將數據傳送至PC工控機，數據采集分析軟件將實時描繪出角度-位移曲線，如圖4所示。

圖4 測試原理

（3）基于Labview10.0軟件開發平臺設計的數據分析軟件將去除前10°和后370°以后的位移數據，即提取制動盤端面勻速旋轉一周360°的位移數據。目的是消除旋轉電機在啟動加速和停止減速時對采集的數據帶來的干擾等因素，更好地還原檢測時的真實數據。

（4）由既定的軟件算法計算出這組數據中的位移最大值Amax（端面最大跳動值）和位移最小值Bmin（端面最小跳動值），制動盤端面震動值X=|Amax-Bmin|，|Amax-Bmin|在允許的工藝管理值范圍內即為合格件，超出允許的工藝管理值范圍即為不合格件。

（5）判定基準：工藝管理規格值≤35 μm。

（6）結果數據按工件編碼存入數據庫，以便后期批量追索查詢。

（7）前制動盤端面檢測上位機的數據庫是SQL Server，在本應用程序中主要包含兩個表格：

1）檢測數據結果的儲存，表格數據中包含生產日期、工件的流水編碼、機種型號、檢測結果。

2）另一個表格儲存待生產的工件序列編碼。具體操作：當工廠MES服務器發送待生產的工件序列編碼號過來時將其存儲到數據庫中，當設備選擇為自動選擇機種時將會到數據庫去提取當前工件編號及識別機種型號。每檢測一個工件將會對此數據庫中的對應工件序列號進行標記，標記過的機種序列號表示為已檢測完成工件，生產時將不再提取。

3 抗干擾措施

在模擬量數據采集中最重要的是如何防止干擾源進入數據采集系統，所以做好采集系統的抗干擾是數據采集測試的關鍵。

（1）一般大功率電機本身就是強干擾源，它能輻射強大磁場，對弱電線路產生尤其大的干擾，所以對大功率電機線路采用金屬屏蔽線纜連接，且屏蔽層牢固接地，必要時可考慮加載濾波器，最大限度降低強電線路對弱電線路帶來的磁場干擾。

（2）傳感器信號傳輸線路單獨敷設，避開強電線路且采用同軸屏蔽層線纜，并將屏蔽層牢固接地，防止干擾源進入采集系統。

（3）在軟件上增加數字濾波處理，去除角度-位移曲線上的雜波數據，得到更加接近工件實況的角度-位移曲線數據。

（4）必要時可在電源進線部分增加電抗器，濾除電源本身帶來的諧波干擾。

4 機械部件精度要求

機械強度和精度是檢測設備的基礎，是制動盤震動檢測數據正確性、穩定性的關鍵保證，以下幾個方面直接影響檢測結果：

（1）機械升降機構與上端定位固定夾具的同軸度要求≤10 μm，同軸度差會導致制動盤端面在旋轉過程中產生旋轉變形差異，對檢測數據的穩定性帶來影響。

（2）機械升降機構與定位固定夾具的接觸壓力要求≤2 kPa，較大的接觸壓力會帶來制動盤端面的微弱變形，同時也影響機械結構的剛性。一般情況下采用升降機構驅動氣缸調壓的方式來降低接觸壓力。

（3）機械旋轉機構夾具的平面度跳動要求≤2 μm，這個參數直接影響檢測數據的精度，夾具的跳動量會直接疊加在采集數據上，造成結果偏差。

5 結語

檢測設備的精度和穩定性主要取決于機械總體結構和各個重要部件的加工、裝配精度，輔以合理的電氣系統組成構架。主要的電氣部件至關重要，如工控機的性能、數據采集板卡的分辨率和轉換速度、傳感器探頭和放大器的分辨率及穩定性等直接影響采集數據的真實性。防止干擾源進入采集測試系統也是不容忽視的，必須在物理層面盡可能把干擾源屏蔽在采集測試系統之外，以保證采集數據波形無雜波干擾。

此制動盤端面震動檢測設備用于在線生產檢測和線下抽檢檢測，通過多年應用極大程度保證了前制動盤生產線的產品合格率。另外，在和工廠MES系統聯網交互信息后，通過數據庫查詢追索產品信息也更加方便快捷。

[1]成大先.機械設計手冊[M].6版.北京：機械工業出版社，2017.

[2]王晰，王阿根.PLC應用指令編程實例與技巧[M].北京：中國電力出版社，2016.

[3]張皓陽.公差配合與測量技術[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[4]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW8.20程序設計[M].北京：清華大學出版社，2007.

[5]王先逵.機械裝配工藝[M].北京：機械工業出版社，2010.