自动线上汽车轮毂动平衡检测与位置标记技术研究.pdf

doi:10. 16576/ j. cnki. 1007-4414. 2016. 06. 064 自动线上汽车轮毂动平衡检测与位置标记技术研究 丛培田1,薛宏斌1,李 驰1,朱星桥2 (1. 沈阳理工大学 机械工程学院,辽宁 沈阳 110159; 2. 天津大学 求是学部,天津 300000) 摘 要:运用力传感器、自动滤波,计算机技术研究开发了汽车轮毂的动平衡检测系统,实现了生产线上汽车轮毂残 余不平衡量的在线检测。 重点设计了不平衡量的检测系统,利用 Visual Basic 软件将虚拟仪器技术将数字信号处理技 术、动平衡技术结合起来对轮毂振动信号进行数据采集、分析处理与结果显示,并形成了汽车轮毂动平衡系统。 实验 结果表明该测试方法可以实现自动线上汽车轮毂动平衡的检测与位置标记,具有一定的应用价值。 关键词:力传感器;汽车轮毂;动平衡;残余不平衡量 中图分类号:TP27 文献标志码:A 文章编号:1007-4414(2016)06-0192-04 Research on Dynamic Balance Detection and Location Marking Technology of Automobile Wheel Hub in Automatic Line CONG Pei-tian1, XUE Hong-bin1, LI Chi1, ZHU Xing-qiao2 (1. School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159, China; 2. Qiushi Honors College, Tianjin University, Tianjin 300000, China) Abstract: In this paper, the dynamic balance detection system of the automobile wheel hub is developed by using the force sensor and the automatic filtering, thus the on-line detection of the residual unbalance of the automobile wheel hub in the pro- duction line is realized. Focus on design of the detection system for unbalanced quantity, the digital signal processing technol- ogy is combined with the dynamic balance technology by use of the Visual Basic software virtual instrument technology so as to realize the data acquisition, analysis and process, and results display of the hub vibration signals, and thus the dynamic bal- ancing system of the automobile wheel hub is come into being. The experimental results show that the test method can realize the dynamic balance detection and location marking of automobile wheel hub in automatic line, thus it has certain application value. Key words: force sensor; automobile wheel hub; dynamic balance; residual unbalance 0 引 言 汽车轮毂是汽车行驶的重要功能部件之一,并且 对动平衡及其稳定性有非常高要求的安全部件。 车 轮作为总成部件,在汽车整车中担当非常重要的角 色,不但要通过传动实现动力转化,是整车行驶的转 动功能部件,还要在整车行驶过程中承载车辆自身重 力以及整车承载重量的安全1。 随着汽车工业生产 技术的发展越来越迅速,使用者对汽车的行驶速度要 求越来越快、对汽车的操控性及乘坐舒适性要求越来 越高,因此导致汽车振动问题也变得越来越严重,越 来越突出,这也使汽车主机厂对轮毂的平衡性能要求 也越来越高。 汽车轮毂动平衡的参数,直接影响到行 驶的安全性。 由于制造上的原因,轮毂整体各部分的 质量分布不可能非常均匀。 当汽车车轮高速旋转起 来后,就会形成动不平衡状态,造成车辆在行驶中车 轮抖动、方向盘振动的现象,在高速行驶时容易造成 轮胎摆动、跳动,失去控制而造成的交通事故2。 目 前国内普遍采用手工动平衡的方法,这种方法有如下 缺点:效率低。 由于操作人员凭经验操作,因而往 往一个工件动平衡要反复多次;精度差。 由于加工 中人的参与,因而平衡品质不可避免地会受人为因素 等影响;操作员劳动强度大。 因此,在大规模生产 中手工动平衡方法必然被自动平衡去重所代替。 随 着我国汽车制造业的快速发展,如何设计出自动化程 度高、精度高的国产设备,使其更好地满足国内需求, 对节约外汇,提高国产设备的制造水平和发展经济具 有重要的现实意义。 1 系统的总体设计 1. 1 轮毂基本参数及平衡技术要求 (1) 轮毂基本参数:轮毂直径:300 510 mm;最 大初始不平衡量 3 000 gmm/ kg;工作转速 200 1 000 r/ min。 (2) 平衡技术要求:最小可达残余不平衡量 5 g mm/ kg;不平衡量减少率:90%。 291 检测与控制 2016 年第 6 期 (第 29 卷,总第 146 期)机械研究与应用 收稿日期:2016-09-22 作者简介:丛培田(1960-),男,辽宁朝阳人,教授,硕士,研究方向:机械检测及信号处理、故障检测与诊断。 万方数据 1. 2 系统基本结构 系统的总体结构如图 1 所示。 汽车轮毂动平衡 检测系统主要由机械系统、测量系统、标记系统、微机 控制系统等部分组成。 具体工作流程:轮毂精确定位 后,由下位机(PLC)发出脉冲控制字控制伺服电机, 使其带动主轴快速旋转,当达到所要求的转速后,系 统开始对振动信号采集,利用相关算法计算出不平衡 量的大小和相位,将其转换为相应的脉冲个数。 下位 机控制伺服电机准确定位到标记位置,并对主轴进行 气动抱死。 此时启动步进电机和光栅位移传感器进 行不平衡量位置标记。 图 1 总体结构图 2 测量原理 本测量系统的主要功能是利用相关算法对来自 传感器的不平衡信号进行处理,滤除无用的直流分 量、各次谐波分量、异频分量和各种干扰躁声,取出有 用的不平衡基波分量,并进行运算,最终得出不平衡 量的幅值和相角。 2. 1 相关计算 相关算法的理论依据是三角函数的正交性3。 振动信号和与其对应的标准正弦波、余弦波作互相关 运算时,振动信号的直流分量和高次谐波分量互相关 函数值为 0,随机噪声分量的互相关函数值也趋近于 04。 因此,只要将激振信号和所测得的响应信号进 行互相关处理,就可以得到由激振而引起的响应幅值 和相位5。 设传感器的输出信号为: y(t) = A + Y1cos (1t + 1 ) + N i = 2 Yicos (it + i) + n(t)(1) 式中:A 为传感器输出的直流分量;Y1cos (1t+1)为 基波分量,即待测的不平衡信号;Y 为不平衡信号的 幅值; 为不平衡信号的初始相角; 为相应工作转 速下的角频率; N i = 2 Yicos (it + i) 为各次谐波分 量;n(t)为随机干扰信号。 设有: x1(t) = cos (0t)(2) x2(t) = sin (0t)(3) 根据互相关函数的定义使 x1(t)和 x2(t)都与 y (t)做互相关分析: Rx1y() = 1 T0T0 x1(t)y(t)dt = 1 2 y0cos (0 + 0)(4) Rx2y() = 1 T0T0 x2(t)y(t)dt =- 1 2 y0sin (0 + 0)(5) 令 =0 则可以得到基波的幅值和相位: y1 = 2 (Rx1y(0)2+ (Rx2y(0)2(6) 1= arctan ( - Rx2y(0) Rx1y(0) (7) 综上所述,相关分析过程如图 2 所示。 图 2 相关分析算法图解 3 测量系统硬件设计 系统硬件主要有:传感器、模拟信号处理电路、 AD 采集卡和上位机 PC。 硬件系统结构框图如图 3 所示。 传感器接收到的振动信号经过模拟信号处理 电路处理后送给 AD 采集卡转换成数字信号,数字信 号通过 USB 送给上位 PC 机进行分析、处理。 图 3 硬件系统结构框图 3. 1 模拟信号处理电路 模拟信号处理部分包括放大、滤波等处理。 电路 包括电荷放大器、低通滤波器、高通滤波器等。 电荷 变换电路是模拟检测部分的核心,它是一个具有深度 391 机械研究与应用2016 年第 6 期 (第 29 卷,总第 146 期) 检测与控制 万方数据 负反馈的高增益电荷放大电路,被广泛用于电场型传 感器的输入接口。 模拟信号处理原理图如 4 所示。 振动信号通过电荷放大器部分进行电荷放大,然 后经过两级滤波后送给 USB 2811 数据采集卡 A/ D 转换后送给上位机。 图 4 模拟信号处理电路原理图 3. 2 A/ D 采集 为了实时精确的获取振动信号,测试系统选用北 京阿尔泰科技发展有限公司生产的便携式 USB 2811 型号数据采集卡。 USB 2811 数据采集卡转换器采用 AD 7663,采样频率范围为 31 Hz 250 kHz,16 位 AD 精度,采集卡内部设置深度为 16 K 字 FIFO 存储器, 系统的测量精度可以达到 0. 1%。 由于本系统轮毂 平衡转速在 200 1 000 r/ min 内,因此在该设计中, 为了保证系统精度初始采样频率应设置大于 6 kHz。 A/ D 采集过程如图 5 所示。 图 5 AD 采集实现过程 4 测量系统软件设计 本系统利用 Visual Basic 6. 0 语言进行设计。 运 行在 Windows 系统平台上。 4. 1 主程序 主程序负责各模块的初始化和流程控制工作。 计算和数据发送命令,完成下位机与上位机的交互。 其程序流程图如图 6 所示。 4. 2 定标模块 根据影响系数法完成了轮毂动平衡的标定并对 标定参数和影响系数进行了存储。 汽车轮毂在主轴 带动下旋转,在不平衡质量 M1、M2所产生的离心力 作用下,支架产生 V1、V2的正弦振动。 不平衡质量和 振动量之间存在如下关系: M1 = A 11V1 + A 12V2 (8) M2 = A 21V1 + A 22V2 (9) 式中:M1、M2为不平衡质量;V1、V2为处理过的压电 传感器信号;A11、A12、A21、A22为系统的标定参数6。 通过对轮毂上缘加重,轮毂下缘加重和不加重分 别进行测量,将测得的数据带入上式,可求得 A11、 A12、A21、A22。 确定 A11、A12、A21、A22的过程为系统标 定。 该测试系统对同一类型轮毂的标定参数相同,为 避免重复操作,系统采用数据存储方式,将标定参数存 入数据库,当用户启动同一类型轮毂时,不必重新定 标,输入相应转子号调用标定参数,就可直接进入动平 衡测试。 图 6 主程序流程 4. 3 测试模块 整个测试主要模块包含了测量、连续测量等功 能。 在测量过程中轮毂的机械转速一直被监测,并与 不平衡质量和不平衡量角度一同