劉寧霞，羅 哉，邱國鋒

（中國計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

汽車頻繁制動(dòng)會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)元件的不斷磨損，使制動(dòng)鼓與蹄片之間的制動(dòng)間隙增大［1］，造成踏板行程加長、制動(dòng)滯后和制動(dòng)力降低等安全隱患.為保證車輛行駛安全，維持踏板行程的相對穩(wěn)定和各制動(dòng)器之間工作均衡，需對制動(dòng)間隙進(jìn)行調(diào)整.手動(dòng)調(diào)整臂由于價(jià)格較低，在重卡市場上占的份額較大.但由于其不能滿足大噸位重型車所應(yīng)有的持續(xù)、高效、始終一致的制動(dòng)效果，且易導(dǎo)致制動(dòng)滯后、偏剎，甚至造成摩擦片松動(dòng)、脫落，給運(yùn)行車輛帶來重大的安全隱患，所以自動(dòng)調(diào)整臂已經(jīng)逐漸取代了手動(dòng)調(diào)整臂［2，3］.作為汽車制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵性部件，自動(dòng)調(diào)整臂壽命是保證汽車制動(dòng)性能長期良好的重要因素.因此，設(shè)計(jì)了基于PLC（可編程邏輯控制器）和MCGS（監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)）組態(tài)軟件自動(dòng)調(diào)整臂檢測系統(tǒng)，對自動(dòng)調(diào)整臂進(jìn)行往復(fù)試驗(yàn)，測定其壽命.

1 自動(dòng)調(diào)整臂結(jié)構(gòu)

自動(dòng)調(diào)整臂結(jié)構(gòu)如圖1.殼體內(nèi)保留了手動(dòng)調(diào)整臂的蝸桿與渦輪的結(jié)構(gòu)，且蝸桿的左端仍留有可供人為調(diào)節(jié)過量間隙的六角螺母.

圖1 自動(dòng)調(diào)整臂結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure of automatic slack adjuster

控制盤是自動(dòng)調(diào)整臂區(qū)別于手動(dòng)調(diào)整臂的關(guān)鍵技術(shù)之一，作為定位元件固定在車軸上，其上的缺口對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)的制動(dòng)間隙值.齒條在殼體的帶動(dòng)下可在缺口內(nèi)上下移動(dòng)［4］.超量間隙的調(diào)整在制動(dòng)回位的過程中完成.回位時(shí)，殼體沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，殼體帶動(dòng)齒條移到開口的上端.如果存在超量間隙，殼體繼續(xù)回位，齒條被缺口上沿?fù)踝〔荒芤苿?dòng)，齒條驅(qū)動(dòng)與之嚙合的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng).齒輪帶動(dòng)蝸桿沿逆時(shí)針方向驅(qū)動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)一永久的角度，從而消除超量間隙，調(diào)節(jié)制動(dòng)間隙到標(biāo)準(zhǔn)值.

2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

壽命檢測需要對單個(gè)調(diào)整臂進(jìn)行2×106循環(huán)試驗(yàn)，對自動(dòng)調(diào)整臂的夾具疲勞強(qiáng)度要求較高，所以設(shè)計(jì)了專門的夾具.

2.1 整體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、壽命檢測部分等組成.上位工控機(jī)在線實(shí)時(shí)記錄、監(jiān)控，并顯示數(shù)據(jù)；PLC向上位機(jī)傳遞設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，接受并執(zhí)行上位機(jī)的實(shí)時(shí)控制命令.系統(tǒng)測試原理如圖2.專用夾具可模擬汽車制動(dòng)間隙的變化.

圖2 系統(tǒng)測試原理圖Figure 2 Diagram of the system testing principle

調(diào)整臂固定在專用夾具上，在彈簧缸推桿的帶動(dòng)下做往復(fù)的圓弧運(yùn)動(dòng)，其圓弧運(yùn)動(dòng)的幅值通過設(shè)置腔室內(nèi)的氣壓值控制.位移傳感器和力傳感器共同監(jiān)測加載的扭矩，并將實(shí)時(shí)扭矩反饋到工控機(jī)中控制推桿制動(dòng)力大小，使扭矩維持在設(shè)定的扭矩值.在壽命測試中，若制動(dòng)間隙過大，調(diào)整臂不能將其調(diào)節(jié)至合格的范圍內(nèi)，則測試中斷.

2.2 可編程控制器選擇

PLC作為檢測系統(tǒng)運(yùn)行的核心元件，它的選擇對整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建至關(guān)重要.通過對系統(tǒng)控制對象和控制任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，可知系統(tǒng)中的的輸入輸出器件有：電氣比例閥1個(gè)、傳感器2個(gè)、電磁閥1個(gè)、各類按鈕與開關(guān)等5個(gè)，故系統(tǒng)需要配置不同性質(zhì)的I／O口有：2個(gè)模擬量輸入，5個(gè)數(shù)字量輸入，1個(gè)數(shù)字量輸出和1個(gè)模擬量輸出.選用歐姆龍CP1H可控制編程器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集與處理，其主要技術(shù)參數(shù)：內(nèi)置輸入24點(diǎn)／輸出16點(diǎn)，整體可以達(dá)到最大320點(diǎn)的輸入輸出，可進(jìn)行RS－232C通信或RS－422A／485通信.

2.3 控制程序的設(shè)計(jì)

CX－Programmer是歐姆龍公司開發(fā)的新的編程環(huán)境，可以完成用戶程序的建立、編輯、檢查、調(diào)試以及監(jiān)控，同時(shí)還具有完善的維護(hù)功能，使得程序的開發(fā)及系統(tǒng)的維護(hù)更為簡單、快捷.用梯形圖法編寫測試系統(tǒng)的控制程序，其流程圖如圖3.

圖3 控制程序流程圖Figure 3 Flowchart of control program

2.4 操作界面設(shè)計(jì)

MCGS為用戶提供了解決實(shí)際工程問題的完整方案和開發(fā)平臺［5，6］，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)處理、報(bào)警和安全機(jī)制、流程控制、動(dòng)畫顯示、趨勢曲線和報(bào)表輸出以及企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)等功能.壽命測試系統(tǒng)界面如圖4.包括菜單區(qū)、圖形顯示區(qū)、測量實(shí)時(shí)監(jiān)控區(qū)以及控制按鈕區(qū).

圖4 測試系統(tǒng)界面Figure 4 Interface of the test system

系統(tǒng)具有自動(dòng)識別能力.在試驗(yàn)中，軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測各信號，位移傳感器或者壓力傳感器任意出現(xiàn)失效或過載等異常情況，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警信號同時(shí)自動(dòng)停機(jī).若人為退出或由于硬件故障退出試驗(yàn)過程，程序能夠自動(dòng)記錄當(dāng)前試驗(yàn)狀況及系統(tǒng)狀況，故障修復(fù)后試驗(yàn)可以繼續(xù)運(yùn)行.

2.5 上位機(jī)與下位機(jī)的通信

上位機(jī)與下位PLC的通信是檢測系統(tǒng)必不可少的，可以用其他高級語言實(shí)現(xiàn)，但是要求用戶必須熟知所用PLC及PLC網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，并嚴(yán)格按通信協(xié)議的格式要求編寫，對用戶要求較高.MCGS組態(tài)軟件提供了多種相關(guān)設(shè)備的通信驅(qū)動(dòng)程序，使用時(shí)只需做一些相應(yīng)設(shè)置，大大簡化了程序設(shè)計(jì)過程［7］.

首先將歐姆龍PLC添加到MCGS的“選定設(shè)備”中，然后再掛接到“串口通信父設(shè)備”下，然后設(shè)置通信參數(shù).通信時(shí)，雙方必須遵守相同的通信協(xié)議，檢測系統(tǒng)通過HostLink通信協(xié)議讀取PLC上的各個(gè)繼電器區(qū)和寄存器，通過上位機(jī)中的串行口和PLC上的通訊單元建立串行通訊連接.通信參數(shù)必須與PLC的設(shè)置一樣，否則上位機(jī)與下位機(jī)無法通信.

歐姆龍PLC常用的通信參數(shù)：波特率9600，2位停止位，偶校驗(yàn)，7位數(shù)據(jù)位.最后構(gòu)造數(shù)據(jù)通道，上位機(jī)與下位PLC之間數(shù)據(jù)信息通過數(shù)據(jù)通道傳遞.系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過通道連接，微機(jī)不斷從PLC讀取狀態(tài)并放入MCGS的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫提取控制信息發(fā)送給PLC，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和工作過程的自動(dòng)控制.

3 測試結(jié)果及分析

3.1 測試系統(tǒng)運(yùn)行

打開測試臺預(yù)熱一定時(shí)間，按照被測樣件的尺寸安裝好調(diào)整臂，啟動(dòng)MCGS運(yùn)行系統(tǒng)，設(shè)置彈簧氣室的氣壓值及自動(dòng)調(diào)整臂臂長，在寫入PLC程序后，將PLC開關(guān)指向RUN狀態(tài)，按下啟動(dòng)測試按鈕，觀察試驗(yàn)結(jié)果.測試過程位移、壓力及扭矩實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線如圖5，其中時(shí)間軸在1min內(nèi)循環(huán)變化.

圖5 實(shí)時(shí)監(jiān)測曲線Figure 5 Real－time monitoring curve

3.2 系統(tǒng)不確定度的計(jì)算

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用于檢測結(jié)果時(shí)其表述應(yīng)包含不確定度.不確定度的大小與檢測設(shè)備的精度、檢測手段、檢測條件及人們對測量過程的認(rèn)識有關(guān)［8］.因此，在自動(dòng)調(diào)整臂壽命測試中計(jì)算測量不確定度是很有必要的.在自動(dòng)調(diào)整臂壽命測試系統(tǒng)中，影響不確定度大小的因素主要有三個(gè)：

1）疲勞試驗(yàn)機(jī)的示值誤差在±1.0%范圍內(nèi)服從均勻分布［9］，包含因子，則uF1的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2）設(shè)備標(biāo)定時(shí)由標(biāo)定方給出的擴(kuò)展相對不確定度為0.4%，k＝2，則設(shè)備標(biāo)定引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3）計(jì)數(shù)器校準(zhǔn)時(shí)校準(zhǔn)源引入的相對擴(kuò)展不確定度為0.1%，k＝2，則由其引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

試驗(yàn)在規(guī)定的載荷下以平穩(wěn)的加載速度連續(xù)進(jìn)行，并剔除不合格的測試數(shù)據(jù)，這樣由溫度、頻率、加載速度變化以及其他因素引入的不確定度就可以忽略不計(jì).

由于引入的三個(gè)不確定度分量彼此無關(guān)、互相獨(dú)立，基于泰勒級數(shù)一階近似可得不確定度的傳播律：

所以疲勞性能的合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

一般取包含因子k＝2，所以合成相對擴(kuò)展不確定度：

在報(bào)告與測量結(jié)果相關(guān)聯(lián)的測量不確定度時(shí)，可以有不同的表達(dá)方式.這里采用下列形式：檢測結(jié)果N＝2.0×106，不確定度U＝1.2%，包含因子k＝2，即最終結(jié)果為2.024×106周次以上.

3.3 試驗(yàn)結(jié)果討論

表1是某型號的四個(gè)自動(dòng)調(diào)整臂樣件的在3000Nm加載扭矩下的檢測數(shù)據(jù)和相對不確定度換算成絕對不確定度.

表1 測試數(shù)據(jù)與絕對不確定度Table 1 Test data and absolute uncertainty

按傳統(tǒng)判定方法，在規(guī)定的循環(huán)載荷下，試驗(yàn)次數(shù)小于2×106周次即判為合格.顯然只有1號零件不合格.不確定度的引入，使測試結(jié)果的判斷劃分為三個(gè)區(qū)間：不合格區(qū)，合格區(qū)和不確定區(qū).只有當(dāng)檢測結(jié)果大于2.024×106周次時(shí)才可判定真正意義上的合格，這就要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮不確定因素對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，才能使所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品質(zhì)量更可靠.

4 結(jié) 語

采用MCGS組態(tài)軟件與PLC設(shè)計(jì)自動(dòng)調(diào)整臂壽命檢測臺，簡單方便，節(jié)省了編寫大量腳本語句的時(shí)間，曲線顯示實(shí)時(shí)性.試驗(yàn)證明所設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)整臂壽命測試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，軟件設(shè)計(jì)方便合理.該測試平臺現(xiàn)已成功應(yīng)用于自動(dòng)調(diào)整臂的生產(chǎn)測試中，可以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)對測試的要求.

［1］吳劍增.氣壓制動(dòng)自動(dòng)調(diào)整臂的可行性及前景分析［J］.汽車與配件，1999（2）：24.

［2］王 軍，賴 鋒.制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)整臂的設(shè)計(jì)原理［J］.汽車科技，2006（2）：7－9.

［3］段 敏，趙安成.汽車制動(dòng)器間隙自動(dòng)調(diào)整裝置［J］.遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，22（2）：59－61.

［4］邱國鋒，羅 哉，林 敏.汽車自動(dòng)調(diào)整臂自調(diào)功能檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，22（3）：212－216.

［5］鄒 偉，楊 平，徐 德.基于MCGS組態(tài)軟件的上位機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2008，30（12）：103－108.

［6］陸 藝，郭 斌，潘小汪，等.基于PLC控制的制動(dòng)缸檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011，24（3）：95－98.

［7］王 堅(jiān).段正剛，劉雪蓮.基于MCGS組態(tài)軟件的電梯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.冶金電氣，2011，30（4）：81－83.

［8］國家技術(shù)監(jiān)督局.JJF 1059—1999測量不確定度評定與表示［S］.北京：中國計(jì)量出版社，1999

［9］李永利.疲勞試驗(yàn)測試分析理論與實(shí)踐［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011：55－79