任思穎，趙添，秦永左

（1 吉林建筑工程學(xué)院城建學(xué)院學(xué)院 130111；2 空軍航空航天大學(xué) 130112；3 長(zhǎng)春理工大學(xué) 130028）

0 引言

作為汽車最重要的安全部件，輪轂承受著汽車和載物質(zhì)量作用的壓力，受到車輛在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)扭矩的作用，還承受汽車在行駛過程中轉(zhuǎn)彎、凹凸路面、路面障礙物沖擊等來自不同方向動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生的不規(guī)則交變力[1]。汽車輪轂的跳動(dòng)量是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。當(dāng)前，歐美國(guó)家對(duì)高檔轎車輪轂的精度要求已達(dá)到微米級(jí)，并要求計(jì)算四次諧波。因此，輪轂跳動(dòng)量檢測(cè)勢(shì)必采用高精度的技術(shù)手段。隨著中國(guó)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，以及汽車零部件不斷走出國(guó)門，各個(gè)輪轂生產(chǎn)廠家都對(duì)輪轂的軸向及徑向跳動(dòng)指標(biāo)提出了嚴(yán)格的檢測(cè)要求，使得輪轂跳動(dòng)量檢測(cè)設(shè)備市場(chǎng)前景廣闊。

1 檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量的技術(shù)指標(biāo)

該系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：傳感器量程不小于15～20mm，分辨率為 0．001mm，誤差≤ 0．005mm。該系統(tǒng)完成過程中采用實(shí)驗(yàn)研究和理論設(shè)計(jì)并舉的方法。測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證微位移檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度，在保證傳感器和主軸徑向跳動(dòng)精度的前提下，整個(gè)系統(tǒng)徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)測(cè)量誤差在0．04mm范圍內(nèi)。實(shí)際的設(shè)計(jì)則針對(duì)測(cè)控過程提出解決方案。二者互為依存來解決各自的不足，保證整體功能的實(shí)現(xiàn)。

2 輪轂跳動(dòng)量的檢測(cè)方案論證

輪轂跳動(dòng)量的測(cè)量實(shí)質(zhì)上就是測(cè)量輪轂轉(zhuǎn)時(shí)將徑向跳動(dòng)和軸向跳動(dòng)通過機(jī)械傳遞機(jī)構(gòu) 的微位移量。其主要差別主要體現(xiàn)在測(cè)量的精度上，傳感器影響整個(gè)系統(tǒng)的精度。對(duì)于輪轂跳動(dòng)量測(cè)量主要有以下3種方案。

差動(dòng)變壓器式位移傳感器是一種互感式傳感器[2]。具有分辨力高、穩(wěn)定性好、精度高、溫度影響小等優(yōu)良特性，但與其他類型的位移傳感器相比，它的各項(xiàng)指標(biāo)不是最佳的。原因在于差動(dòng)變壓器輸出信號(hào)中的零點(diǎn)殘余電壓影響傳感器的精度、線性度和分辨力[3]。

光柵傳感器精度高、響應(yīng)速度快、整機(jī)體積小、重量輕、運(yùn)用靈活，在對(duì)環(huán)境溫度無特別要求，輸出為數(shù)字量，處理方便，技術(shù)成熟，在微位移檢測(cè)中得到了廣泛的使用[4]。

光三角式傳感器[6]是屬于非接觸式傳感器，它不受被檢測(cè)體空間結(jié)構(gòu)的限制，使用靈活，同時(shí)它本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，抗電磁干擾能力強(qiáng)。但受異光的影響比較大。

根據(jù)3種傳感器的特點(diǎn)分別列出其優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 3種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

鑒于以上3種方案比較，考慮到測(cè)量的實(shí)質(zhì)、測(cè)量的精度、穩(wěn)定度及成本，我們選擇了第二種方案，利用光柵傳感器來測(cè)量輪轂的跳動(dòng)量。光柵測(cè)量系統(tǒng)具有以下突出的特點(diǎn)[5]：

高精度，量程大、分辨率高，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)測(cè)量、自動(dòng)測(cè)量和數(shù)字顯示功能，抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的測(cè)量速度。

因此，光柵計(jì)量技術(shù)目前廣泛應(yīng)用于精密測(cè)量和精密定位控制等領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)資料表明，國(guó)外在各種位置檢測(cè)中計(jì)量光柵應(yīng)用最多，約占全部產(chǎn)品的80%以上。

3 汽車輪轂跳動(dòng)量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 跳動(dòng)量檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件電路采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，包括信號(hào)處理電路單元，CPLD信號(hào)處理電路單元和單片機(jī)信號(hào)處理電路單元，其硬件框圖如圖1所示。其中傳感器部分采用北京超精細(xì)工程研究所生產(chǎn)的JGX系列光柵位移傳感器作為傳感元件來檢測(cè)位移的變化，其光柵柵距達(dá)20μm，測(cè)量重復(fù)性到1～2個(gè)分辨率,即20～40μm,電源要求為+5 VDC，輸出信號(hào)為兩路含有直流電平的相位差分別為90°的準(zhǔn)正弦信號(hào)。

圖1 跳動(dòng)量檢測(cè)系統(tǒng)硬件框圖

信號(hào)處理電路單元負(fù)責(zé)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的初步處理，它包括兩部分，一是設(shè)計(jì)放大電路單元，選用了AD620進(jìn)行放大整形實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大整形，避免了采用差動(dòng)放大電路精度差，調(diào)整復(fù)雜的不良因素。二是五細(xì)分電路設(shè)計(jì)單元，實(shí)現(xiàn)將一個(gè)正弦波周期劃分為5個(gè)方波周期，實(shí)現(xiàn)了五細(xì)分，得到兩路正交方波信號(hào)。在眾多場(chǎng)合下，五細(xì)分并不能滿足測(cè)量精度的要求，這就需要在此細(xì)分的基礎(chǔ)上能夠?qū)@兩路信號(hào)再次進(jìn)行細(xì)分，而且最好能夠使二次細(xì)分的細(xì)分?jǐn)?shù)按照不同的要求可以隨意改變，因此還需要CPLD信號(hào)處理電路單元對(duì)信號(hào)進(jìn)一步處理[7]?；诳删幊踢壿嬈骷南到y(tǒng)重復(fù)編程的特點(diǎn)，在CPLD內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的邏輯細(xì)分電路可以靈活的實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。將五倍頻細(xì)分電路輸出的兩路方波信號(hào)接至四倍頻電路的兩個(gè)輸入端，就可以組成一個(gè)20細(xì)分電路，使之滿足精度的要求。

在CPLD信號(hào)處理電路單元它包括四細(xì)分辨向電路單元和計(jì)數(shù)鎖存單元兩部分，選用美國(guó)ALTERA公司的MAX7000系列的產(chǎn)品EPM7128芯片[8]。利用其中，四細(xì)分辨向電路單元為滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，將五倍頻細(xì)分電路輸出的兩路方波信號(hào)進(jìn)一步細(xì)分。同時(shí)還要考慮到在測(cè)量過程中，被測(cè)物體的位移往往不是單向的，既有正向運(yùn)動(dòng)，也可能有反向運(yùn)動(dòng)，使用74ls54來實(shí)現(xiàn)辨向，利用QuartusII中軟件中的原理圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。計(jì)數(shù)鎖存單元是設(shè)計(jì)中的重要部分，計(jì)數(shù)的范圍是0～9999，整個(gè)計(jì)數(shù)3個(gè)模塊組成。首先編寫好帶三態(tài)輸出的鎖存模塊和可逆計(jì)數(shù)模塊。最后根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要，利用已經(jīng)編寫好的2個(gè)模塊，編寫出兩路光柵計(jì)數(shù)程序。

從CPLD信號(hào)處理電路單元輸出的信號(hào)是16位，而選用的單片機(jī)是8位單片機(jī)，所以還要設(shè)計(jì)一個(gè)與單片機(jī)端口連接部分模塊單元，先輸出低8位，再輸出高8位，這樣將得到的兩路正交方波信號(hào)經(jīng)過EPM7128芯片就可以得到輸入單片機(jī)的信號(hào)。單片機(jī)采用了AVR系列單片機(jī)，其最大的特點(diǎn)是低功耗和高速度，是8位微控器中性能較高的器件。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需要，選用了8位AVR單片機(jī)系列中的ATmega16，實(shí)現(xiàn)光柵信號(hào)的處理。

3.2 跳動(dòng)量檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)是測(cè)量系統(tǒng)研究工作的重要組成部分，是控制系統(tǒng)的靈魂，該系統(tǒng)輪轂微位移的測(cè)量和輸出，顯示和報(bào)警功能等都是通過軟件來實(shí)現(xiàn)的。軟件設(shè)計(jì)包括主程序模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、鍵盤管理模塊、串口通信模塊等組成。其中數(shù)據(jù)采集處理模塊和串口通信模塊是測(cè)量軟件的核心部分，它設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、執(zhí)行效率關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能夠正常和可靠運(yùn)行及性能的優(yōu)劣。因此，所設(shè)計(jì)的軟件應(yīng)該滿足系統(tǒng)的使用要求，并具有高度的可擴(kuò)充性和可維護(hù)性。

●主程序模塊，系統(tǒng)上電或復(fù)位后，即進(jìn)入主程序模塊。其功能是：數(shù)據(jù)緩沖區(qū)清零、鍵盤初始化、液晶顯示模塊初始化、開中斷，顯示等。圖2是主程序流程圖。

圖2 主程序流程圖

圖3 數(shù)據(jù)采集處理流程圖

●數(shù)據(jù)采集處理模塊，數(shù)據(jù)采集和處理是在響應(yīng)INT0中斷的服務(wù)程序里實(shí)現(xiàn)的。主要的功能是：將當(dāng)前計(jì)數(shù)值鎖存；分別讀入徑向、軸向計(jì)數(shù)值并放入數(shù)據(jù)暫存區(qū)；計(jì)算徑向、軸向跳動(dòng)量；當(dāng)量換算，將測(cè)量放入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)及通過串行通信將結(jié)果傳送到上位機(jī)等。每一個(gè)功能模塊均由相應(yīng)的C語言函數(shù)實(shí)現(xiàn)。圖3是數(shù)據(jù)采集處理流程圖。

●數(shù)據(jù)顯示模塊，采用JM12864M實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。

●鍵盤管理模塊，考慮到鍵盤的簡(jiǎn)單、實(shí)用，本設(shè)計(jì)采用程序控制掃描方式來實(shí)現(xiàn)人機(jī)控制。鍵盤按鍵掃描的識(shí)別方法分為兩步：第一步，識(shí)別鍵盤有無鍵被按下；第二步，如果有鍵被按下，識(shí)別出具體的按鍵。

●串口通信模塊，上位單片機(jī)與AVR控制器之間的通信也是雙向的，所以上位單片機(jī)實(shí)際上是與AVR控制器進(jìn)行通信，通信格式是相同的。

4 系統(tǒng)調(diào)試和分析

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由電源、光柵傳感器、系統(tǒng)電路板和JATG仿真器以及計(jì)算機(jī)組成。PCB板和仿真器均采用5V電源。在ICCAVR開發(fā)環(huán)境下調(diào)試系統(tǒng)的程序。

調(diào)試分兩步進(jìn)行，第一步是接上傳感頭，對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行整形濾波等，并對(duì)其輸出的信號(hào)進(jìn)行測(cè)試后，送入CPLD進(jìn)行細(xì)分和辨向等工作。第二步是將信號(hào)引入到單片機(jī)，把程序下載到單片機(jī)中，通過上位單片機(jī)的控制，可送液晶進(jìn)行顯示。

圖4是基于CPLD和單片機(jī)的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)電路板照片。

在系統(tǒng)的硬件、軟件調(diào)試完成后，在同樣的條件下，光柵位移傳感器的讀數(shù)直接累加到測(cè)量結(jié)果中，因此其精度直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度，需要對(duì)光柵精度進(jìn)行測(cè)量和比對(duì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用HP -5528A型雙頻激光干涉儀進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)傳感器量程不小于15～20mm的技術(shù)指標(biāo)，取15～24mm之內(nèi)的10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，為比較二者讀數(shù)之間的差值。細(xì)分?jǐn)?shù)為20，光柵柵距達(dá)20μm的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 光柵位移精度對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 基于CPLD和單片機(jī)的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)電路板照片

5 結(jié)束語

汽車輪轂跳動(dòng)量檢測(cè)系統(tǒng)采用高精度的位移傳感器，測(cè)量結(jié)果重復(fù)性好，精度高，基本滿足了技術(shù)要求。該系統(tǒng)安裝在輪轂跳動(dòng)量測(cè)量機(jī)上經(jīng)調(diào)試后，已經(jīng)在某大型企業(yè)投入使用一年多，運(yùn)行中該系統(tǒng)大大減少了工人的勞動(dòng)時(shí)間，提高了測(cè)量精度和數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性，具有潛在的應(yīng)用前景。

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