汽車后橋ABS裝配質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)的應用研究

摘要：為監(jiān)測和評估汽車后橋ABS性能，提出了一種基于傳感器和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的ABS裝配質(zhì)量在線自動檢測系統(tǒng)。建立了設備方案整機結(jié)構(gòu)，分析了設備的分裝順序流程，并進一步完成了以PLC為核心的后橋ABS齒輪完整度信號檢測設備控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及其軟件實現(xiàn)，控制系統(tǒng)以光電傳感器、霍爾傳感器檢測輸入信號，完成了伺服驅(qū)動器參數(shù)設計及程序調(diào)試。

關(guān)鍵詞：輪速傳感器；汽車后橋ABS；在線裝配檢測；PLC；故障診斷

中圖分類號：U472.9 收稿日期：2023-08-22

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.10.028

1 前言

汽車ABS（防抱死制動系統(tǒng)）對于保障汽車安全具有至關(guān)重要的作用，汽車在制動過程中，當制動器制動力大于輪胎-道路附著力時，車輪就會抱死滑移。只有汽車制動器具有足夠的制動力，同時地面又能提供較大的附著力時，汽車才能獲得良好的制動效果。ABS系統(tǒng)中的ECU不斷地收到來自4個車輪轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速信號，通過對每個車輪轉(zhuǎn)速和減速度進行運算，以估算車速。當踩下制動踏板時，各個盤式制動分泵內(nèi)的液壓開始升高，車輪轉(zhuǎn)速開始降低。如果有任何一個車輪將要抱死，ECU就降低這個車輪盤式制動分泵內(nèi)的液壓。達到防止車輪抱死及打滑的危險。

輪速傳感器作為ABS的重要組成元件，其工作原理是通過對左右前輪傳感器輸出的脈沖差（左右前輪的行駛距離差）的測定，計算出汽車是否已轉(zhuǎn)向及方向的變化量。磁電式輪速傳感器和霍爾式輪速傳感器是兩種常見的輪速傳感器。本系統(tǒng)采用霍爾輪速傳感器，具有如下優(yōu)點：其輸出信號電壓幅值不受轉(zhuǎn)速的影響；頻率響應高，其響應頻率高達20 kHz，相當于車速為1 000 km/h時所檢測的信號頻率；抗電磁干擾能力強等［1］。

霍爾式車輪轉(zhuǎn)速傳感器根據(jù)霍爾效應原理產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)速相對應的電壓脈沖信號。霍爾車輪轉(zhuǎn)速傳感器也是由傳感頭和齒圈組成。傳感頭由永久磁體、霍爾元件和電子電路等組成。

輪齒的高低部分與傳感器之間的間隙發(fā)生變化。這種變化的間隙會引起傳感器附近的磁場發(fā)生變化。由于磁場的變化，來自傳感器的電壓也會改變。當齒輪位于如圖1a所示位置時，穿過霍爾元件的磁力線分散，磁場相對較弱。當齒輪位于如圖2b所示位置時，穿過霍爾元件的磁力線集中，磁場相對較強。齒輪轉(zhuǎn)動時，使得穿過霍爾元件的磁力線密度發(fā)生變化，因而引起霍爾電壓的變化，霍爾元件將輸出一個毫伏級的準正弦波電壓，通過電子電路轉(zhuǎn)換成標準的脈沖電壓輸出信號（圖2），電壓幅值為7～14 V。因此可以通過波形分析，判斷齒輪裝配質(zhì)量是否完好［2］。

2 系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)汽車后橋ABS在線自動檢測系統(tǒng)由工控機、PLC、觸摸屏、霍爾傳感器、伺服電機、變頻器、電磁閥、防護光柵、定位夾具等設備組成。工控機接顯示器可直接實時數(shù)據(jù)采集顯示、歷史數(shù)據(jù)曲線顯示及表格顯示，圖像采集和實時處理、智能控制參數(shù)設置等功能。采集控制器可以實時采集、顯示、存儲以及向工控機傳輸輪速數(shù)據(jù)，并能夠根據(jù)設定的圖像比對分析，提示ABS裝配質(zhì)量［3］。

采用霍爾傳感器作為輪速傳感器的檢測設備，設備在裝配前，首先借助輪速傳感器對齒輪的裝配情況進行安裝檢測，汽車車輪轉(zhuǎn)動時帶動同步轉(zhuǎn)動的齒圈轉(zhuǎn)動，引起霍爾傳感器上的磁通量發(fā)生變化，通過內(nèi)部信號放大電路，捕獲到規(guī)則的脈沖寬度條件的圖形，其脈沖寬度跟隨齒圈的角速度變化而變化，系統(tǒng)首先采集正常情況下的波形狀況，齒輪發(fā)生故障的主要情況有齒輪存在裂痕，齒輪發(fā)生磕碰變形，齒輪存在缺角等常見問題作為數(shù)據(jù)采集其信號波形，將以上圖形存入數(shù)據(jù)庫，在系統(tǒng)上通過比對圖形發(fā)生的變化，來在線監(jiān)測ABS的輪速傳感器齒輪裝配是否正常。

根據(jù)企業(yè)的實際生產(chǎn)需求，定制了專門的機械結(jié)構(gòu)及工藝流程，設備可以通過調(diào)整移動機械夾緊位置來兼顧不同型號的產(chǎn)品，按生產(chǎn)裝配線設計節(jié)拍滿足M后橋ABS信號檢測需求，實現(xiàn)通過相關(guān)數(shù)據(jù)檢測判定ABS安裝的好壞，例如檢測間隙是否合格、擰緊力、軸承轉(zhuǎn)動啟動摩擦力矩和剎車盤跳動的檢測，同時具備檢測數(shù)據(jù)與車橋總成編碼一一對應，數(shù)據(jù)自動存儲，也可以輸出，同時實現(xiàn)與系統(tǒng)對接。整體布局簡單，檢測設備安裝在車橋總成裝配線最后的工序，目前暫時需要一名ABS設備插線人員和兩名下線人員［4］。

整體布局如圖3所示，本項目ABS信號檢測設備主要由左定位、中驅(qū)動、右定位三大部分組成，其中左右定位結(jié)構(gòu)相同。具體結(jié)構(gòu)部件如圖4所示。

a.為X軸驅(qū)動機構(gòu)，用于兼容不同后橋長度的產(chǎn)品定位和壓緊。

b.為后橋頂升定位機構(gòu)，用于定位產(chǎn)品。

c.為后橋壓緊機構(gòu)，用于壓緊后橋，使其在檢測時壓緊，減少晃動影響。

d.為旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，用于檢測帶有減速器產(chǎn)品的后橋。

e.為主減驅(qū)動機構(gòu)，用于驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，檢測啟動力矩及轉(zhuǎn)速比，ABS旋轉(zhuǎn)從動檢測等。

f.為水平定位機構(gòu)，通過夾爪把產(chǎn)品定位水平，便于主減驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動。

3 系統(tǒng)軟件構(gòu)成

檢測系統(tǒng)的操作由西門子PLC控制器及觸摸屏控制程序來實現(xiàn)，通過PLC實現(xiàn)功能控制，模擬了車橋總成在不同轉(zhuǎn)速、不同工況運轉(zhuǎn)時各參數(shù)的讀取、錄入、對比、存儲等功能。工業(yè)控制計算機采用標準桌面界面，設計了人機交互界面，賦予相應操作人員的權(quán)限。驅(qū)動橋總成輸入端的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，車橋兩側(cè)輪轂的轉(zhuǎn)速，還有ABS信號運行參數(shù)和工況都能顯示，同時各種測試數(shù)據(jù)能自動進行分析判定，以曲線、圖表展示，自動存儲每件產(chǎn)品數(shù)據(jù)［5］。

軟件方面分為三大模塊：檢測模塊、參數(shù)設定模塊、檢測記錄模塊。啟動計算機，進入檢測程序，測試系統(tǒng)主界面主菜單及下拉菜單如下：

a.檢測模塊。選擇產(chǎn)品型號，輸入編號，進入測試工作狀態(tài)。例如150 m后橋的相關(guān)數(shù)據(jù)。

b.參數(shù)模塊。設定產(chǎn)品的型號、參數(shù)，或者修改產(chǎn)品型號、參數(shù)，設定或者修改測試的檢驗參數(shù)，并以此作為產(chǎn)品合格的判定條件。

c.檢測記錄模塊。對試驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行記錄存儲并可查詢，并按檢測型號和結(jié)果進行歸類統(tǒng)計；根據(jù)檢測結(jié)果打印檢測報告，為保證數(shù)據(jù)真實性，檢測記錄禁止修改。

軟件邏輯如圖5所示。

4 工藝流程

待測后橋到達ABS檢測工位后，通過氣動滑臺使驅(qū)動裝置到達前位，通過類似多軸擰緊機找正定位，再向上運動頂升到位，使驅(qū)動盤與車橋端面接觸。員工插線連接車橋ABS接口后，卡爪夾持使后橋水平到位，后橋壓緊機構(gòu)向下壓緊，防止后橋檢測時因晃動影響數(shù)值，定位壓緊完成后，主減速驅(qū)動輪下降貼合后橋，系統(tǒng)向變頻器發(fā)出控制信號，變頻器按預先設置好的參數(shù)控制主減速輪升速，通過主減速輪帶動被測車橋旋轉(zhuǎn)，當車橋升至設定的轉(zhuǎn)速值并穩(wěn)定后，系統(tǒng)高速采集左右兩側(cè)的ABS信號，通過必要的數(shù)據(jù)處理，將有關(guān)的檢測數(shù)據(jù)反饋給系統(tǒng)，以便于系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)預先設定的工藝參數(shù)作出合格與否的評判，用安裝在電氣控制柜上的塔型指示燈和蜂鳴器進行聲光報警。待數(shù)據(jù)檢測及錄入完畢后，主減速驅(qū)動輪減速至停止轉(zhuǎn)動，然后上升回位，卡爪受驅(qū)動上升并松開，后橋機構(gòu)回到原位，滑塊小車放行。后橋頂升定位機構(gòu)可根據(jù)產(chǎn)品的總成狀態(tài)，不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式可以進行切換，實現(xiàn)更多產(chǎn)品線的兼容，目前該150 m項目定位是選擇外圓管作為定位位置，如需切換需員工根據(jù)實際情況來對支撐塊增減或?qū)飧赘叨鹊恼{(diào)節(jié)，如圖6所示。其余位置部件都采用程序自動切換。

a.傳感器：使用加速度傳感器和轉(zhuǎn)速傳感器等，實時監(jiān)測車輛的運動狀態(tài)和輪胎的旋轉(zhuǎn)速度。

b.數(shù)據(jù)采集和處理：收集傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并對其進行處理和分析，以獲取與后橋ABS性能相關(guān)的參數(shù)。

c.故障診斷算法：數(shù)據(jù)采集自動生成圖形，通過圖形識別技術(shù)，判斷ABS裝配質(zhì)量的檢測方法，能夠根據(jù)采集的數(shù)據(jù)判斷后橋ABS是否存在故障或性能下降的情況。

d.結(jié)果顯示與報警系統(tǒng)：將檢測結(jié)果以圖形界面的形式顯示給駕駛員，并在檢測到故障時觸發(fā)報警系統(tǒng)，提醒駕駛員采取相應的措施。

此外，為了確保操作人員的安全，后橋ABS信號檢測系統(tǒng)設備需做好安全防護設施。具體方案如下，在系統(tǒng)無操作后方一側(cè)，采用隔離網(wǎng)防護，阻斷與運行機構(gòu)的接觸。在操作人員一側(cè)，系統(tǒng)設備的線路進行絕緣包裹，裝入線槽，線槽走設備上方。相關(guān)的操作人員區(qū)域在地面上安裝光柵防護，一旦人員過線設備自動停機，確保人員操作時候的安全。維修防護門有信號檢測，如果打開防護門設備就會停止運行，防止運行維修引發(fā)的卷入事故［6］。

5 實驗及結(jié)果

本文成功地開發(fā)了一種基于傳感器和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的汽車后橋ABS在線自動檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)將ABS傳感器線束接頭接入檢測設備，啟動按鈕開始檢測，檢測完成后取下接頭放行，設備有聲光報警，具有高效、準確和實時性的特點，能夠有效地監(jiān)測和評估后橋ABS的性能。通過及時發(fā)現(xiàn)后橋ABS的故障和性能下降情況，可以避免潛在的安全隱患，提高汽車的安全性和可靠性。為驗證所提出的在線自動檢測系統(tǒng)的有效性，我們進行了一系列實驗。通過模擬后橋ABS故障和性能下降的情況，收集了大量的數(shù)據(jù)，并使用該系統(tǒng)進行檢測和評估。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準確地檢測到后橋ABS裝配質(zhì)量缺陷，并能夠提醒操作員及時采取行動消除質(zhì)量不合格產(chǎn)品。

本系統(tǒng)的特點主要有：

a.采用的工業(yè)控制計算機作為核心，配上相關(guān)的硬件，檢測精度高，可靠性強。

b.作為裝配線的終檢工序，對產(chǎn)品進行測試分析，提高生產(chǎn)過程的可控性。

c.通過軟件實現(xiàn)質(zhì)量管理、過程追蹤、數(shù)據(jù)分析功能，簡化工作流程。

d.在線檢測少生產(chǎn)線上人工干預，可以降低人力成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，具有廣泛的應用前景。

此外，系統(tǒng)還能夠?qū)髽駻BS的性能進行定量評估，為后續(xù)維修和優(yōu)化提供了參考依據(jù)。未來的研究可以進一步改進系統(tǒng)的性能，并將其應用于更廣泛的汽車制動系統(tǒng)中。

存在不足：

a.因后橋為總成狀態(tài)，此時線比較多，在定位過程中可能會造成油管、線干涉，線繞向要規(guī)范一致否則會有壓線風險。

b.小車定位問題，現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)線體工裝小車有松動，有的未有主減支撐塊，會造成定位不準而導致檢測不了或者誤報；以上問題有待后續(xù)生產(chǎn)實踐過程中不斷總結(jié)完善。

6 結(jié)語

隨著制造業(yè)的信息化、自動化、智能化發(fā)展，自動搬運、自動加工、自動檢測與信息化相結(jié)合，必定是未來的一個發(fā)展趨勢，作為車橋裝配線的在線檢測設備，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)后橋兩側(cè)的ABS信號的自動檢測，并根據(jù)檢測結(jié)果做出相應評判。目前，設備已投入使用，利用PLC設備監(jiān)測齒輪裝配情況，可以及時避免ABS在線裝配過程中發(fā)生的潛在故障，替代人工監(jiān)測的不足，設備在使用中作為一個生產(chǎn)工藝流程，大大提升自動化水平，可以有效提升生產(chǎn)效率。同時，設備機械部件位置可調(diào)，可兼容不同車型的ABS設備的齒輪監(jiān)測。該設備自投入使用以來，檢測數(shù)據(jù)精確、穩(wěn)定，起到了對車橋ABS性能進行在線監(jiān)控的目的。

參考文獻：

[1]梁兆喜.汽車防抱死制動系統(tǒng)（ABS）知識[J].汽車維修，2017（3）：22-23.

[2]凌永成，于京諾.汽車電子控制技術(shù)（21世紀全國應用型本科大機械系列實用規(guī)劃教材）[M].北京：中國林業(yè)出版社，2006.

[3]秦杰.汽車后橋在線檢測方法的研究[D].廣州：華南理工大學，2015.

[4]陳甦欣，丁蘇赤，張良.車橋ABS信號在線自動檢測系統(tǒng)的研制[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2006（10）：18-24.

[5]西門子有限公司.深入淺出西門子S7-1200 PLC[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

作者簡介：

韓立星，男，1987年生，講師，研究方向為電氣自動化、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。