汽车轮毂螺栓压机控制系统的设计与应用.pdf

汽车轮毂螺栓压机控制系统的设计与应用
口周见行口陆旭□姜伟
浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室杭州310014
摘要:某型轿车前轮毂轴承单元上有4个螺栓需要压入。传统的加工方法会由于螺栓的加工误差而造成螺栓欠压
出现质量问题。现提出了一种基于单片机和计算机的压机控制系统,对整个螺栓压入过程进行控制,并结合过盈联接相关
理论,通过斛率窗口判断的方法对数据进行分析得出产品是否合格的结果。实际运行表明,系统切实可行,能有效地提高
加工效率和质量
关键词:轮毂螺栓压力位移控制斜率窗口判断
中图分类号:TH6
文献标识码:A
文章编号:1000-4998(2009)01-(0030-03
轿车前轮由车胎、轮毂、轮毂轴承、刹车鼓等主要选择电路、A/D转换电路、微控制器MCU、串口驱动电
部件组成り。轮毂轴承既与轴相连,又与轮彀相连,起路、人机接口、油压控制电路、油缸、压头、计算机等组
到了车轮和前轴之间的联接作用。而轮毂轴承和轮毂成。4个压头上各装有1个压力传感器和1个位移传感
之间的联接,通过车轮螺栓来实现。车轮螺栓联接在轮器。为了克服螺栓加工平面的误差,每个压头内都装上
毂轴承的外圈上,螺栓与轮毂轴承外圈上的螺栓孔之弹性元件,通过首先压到螺栓的压头内的弹性元件的
间采用过盈配合,制造时使用专用的压机将车轮螺栓压缩,来使得其余的压头可以继续向下压缩。由于系统
直接压进轮毂轴承外圈。轮毂轴承外圈与螺栓的实物存在多个传感器,而且每个压头上的压力和位移数据
见图1所示。
需要同时进行采集,所以使用了双四选一的多路开关
传统的加工方法是使用压机在人工控制下将螺栓芯片IHCr4052。单片机和计算机之间采用串口进行通
压入轮彀轴承外图,并由肉眼观察压入的深度,或者直信,采用了 MAXIM公司的MAX232芯片微控制器
接使用很大压力直接将螺栓完全压入,然后采用手工MCU和 PHILIPS公司的P89C58单片机芯片,该芯片
测试螺栓扭矩的方法来检验两者之间是否联接紧密。
由于螺栓加工平面的误差(指的是螺栓帽头的厚度,见
轮胎
图2中的A)可以达到0.6mm,并且螺栓后部的减载槽
轮毂
的加工质量不高、形状各异,因此这种传统的加工方法
轮毂螺栓
很难判断是否出现螺栓欠压状态,而且效率低下。各个
轴
轮毂轴承外圈
部件的相对位置见图2所示。
压人深度
E轮戰轴承内圈
1基于单片机和计算机的压机控制系统
减载槽
为解决上述问题,设计了现在的系统:ー个四压头
的压力位移测控系统。4个压头平齐地装在一个油缶缸
分别在每个压头上安装压力传感器和位移传感器
▲图1轮毂轴承外圈与螺栓?图2各部件的相对位置
使用单片机来对压力值和位移值进行逻辑判断,控制
讨算机
压制过程;使用计算机来存储和显示压力位移曲线,并「-
对压力位移曲线数据进行分析,控制压制质量。其中压
串门驱动电路
力位移的逻辑判断和压制质量分析功能是整个系统的
单片机
核心
人机接口
MCU
2系统实现
传感器放大滤波电路多路选择电路?A/D转换电路
如图3所示,系统主要分为3个部分,分别为压机、
单片杌和计算机;主要由传感器、滤波放大电路、多路
压机
压头
油缸
油压挖制电路
收稿日期:2008年8月
▲图3系统组成
2009/
机械制造47卷第533期
采用高性能的静态80C51设计,由先进 CMOS I艺制机发送压制过程结東的命令,并控制压头上升至起始
造并带有32k竽节的非易失性lash程序存储器。计位置。
算机程序主要负责判断参数的存储、传感器标定曲线3.2质董控制
的计算、压头位移压力曲线的分析、显示及其数据存储
对压制质量的控制,采用了斜率法,常用于工业在
和历史数据的查询等功能,采用 Visual Basic6.0进行线监控领域中的监控数据处理1
开发。数据的存储使用了 ACCESS数据库。
过盈配合的轴向传递力的计算公式l为
3压制过程判断及质量控制
F=-PMAXTT dr li
式中:R为传递力,即压入力;p为结合压力,由材料
3.1压制过程判断
性能及结合尺寸决定,一般取最大值;d为结合直径,
系统的单片机部分主要负责对压力和位移值进行即螺栓减载槽处的直径;l为结合长度,即螺栓压人深
逻辑判断,得出是否达标的结论。与在计算机上执行该度;心为摩擦因数,由材料种类、润滑及减载槽尺寸等
功能相比,使用单片机能减少数据传输的时间,提高压因素决定。在材料、结合尺寸及结合方式确定的情况
机控制的实时性。根据螺栓压制的顺序,压机的工作状下,pr、山、ル都为固定值,因此F与成正比例关系,
态可以分为4步:待机状态、试验状态、报警等待解锁状它们之间的比例系数可以作为压制质量判断的依据。
态和回程状态。单片机每隔100ms查询当前状态
但由于减载槽的加工误差等原因,对于不同的零件
次,其间进行相应的事务处理,包括向上位机发送相应的值可能不同,F与之间的比例系数也就很难通过
的串口通信命令和进行当前数据的判断等功能。待机理论方法求得,但可以通过对以往压力位移曲线的统
状态时,单片机向上位机发送请求判断参数的命令,上计求得。
位机将判断參数发送至单片机,判断参数包括最大压
这些复杂的统计及判断功能在单片机中是很难实
力Pnx、最小压力Pmn、最小行程Snn、合格压力Pa。最现的,所以我们将它们放到了计算机程序中,每次压制
大压力用以保护压力传感器和油缸,最小压力用来判过程结東时,进行质量判断,整个过程如图4(b)所示。
断螺栓和孔之间是否是间隙配合,最小行程用来保证有效数据是指所有大于最小压力Pnm,并距离第一点
螺栓是否完全压入轮毂轴承外圈,合格压力用来保证位置Xmm内的点为有效数据点,X表示最大结合距
螺栓和轮毂外圈之间的联接固持力。试验状态时,单片离,此处取7。由于已知压入力与压入深度之间成正比
机进行采样、数字滤波、压力值判断,主要判断流程如例,所以采用最小二乘法对有效数据进行拟合,得到
图4(a)所示。报瞽/等待解锁状态时,单片机向上位机的斜率即为比例系数,再对数据库中已有的数据统计
发送报警命令(包括压头编号和压カ/位移数据),并得出平均斜率,以此作为斜率窗口判断的参考。具体的
开启报警信号灯和蜂鸣器。回程状态时,单片机间上位判断规则见图5所示。
开始
开始
筛选有数据}?曲线拟合
40
距离第一点位置7mm
统计斜率
P>P
窗口判断下设定窗参数
报警
是否合格
报警
10
P>P
压制过程合格
结東
30
位移/m
(b)质量判断功能(途中虚线框为
▲图5判断窗口
要修改窗口参数时所要执行
图中火号为有效数据点
点划线为通过第一个有效数据点,斜率为统计值的参考线;
(a)压制过程判断
的功能)
?Lma和mt分别为平行于参考线的窗口上下界,它们与参考线之间的距
离根据产品的合格率要求统计得出。
▲图4压制过程判断及质量判断
若所有有效数据点在这4条直线所围成的梯形窗口内,