基于PLC的摩托车盘式制动器性能测试系统研究.pdf

2 0 1 5年 4月 第 4 3卷 第 7 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 7 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 7 ． 0 2 8 基于 P L C的摩托车盘式制动器性能测试 系统研究 田韶鹏 一，周 文淼 ， 1 ．武汉理工大学，湖北武汉 4 3 0 0 7 0 ；2 ．现代汽车零部件技 术湖北省重点实验室，湖北武汉 4 3 0 0 7 0 摘要通过对摩托车盘式制动器的机械部分及工作原理进行分析研究 ，设计了一套基于可编程逻辑控制器 P L C的 摩托车制动器检测系统。介绍了该系统的工作原理及测试过程，并对系统的硬件和软件设计进行 了阐述。同时对样件进行 了测试，结果表明该测试系统结果精确，效率很高 ，完全满足厂商对于摩托车制动器的测试要求，实现了对摩托车制动 器合格性的 自动化检测。 关键词盘式制动器 ；制动泵；检测台； P L C 中 图分类号 T P 2 1 6 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 7 1 0 9 4 S t ud y o n M o t o r c y c l e Di s c Br a ke Pe r f o r ma nc e Te s t S y s t e m Ba s e d o n PLC T I AN S ha o p e n g ．ZH0U W e n mi a o 1 ． Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ； Wu h a n H u b e i 4 3 0 0 7 0 ，C h i n a ；2 ． H y u n d a i K e y L a b o r a t o r y o f A d v a n c e d T e c h n o l o g y o f Au t o mo t i v e Pa ns ，Wu h a n Hu b e i 4 3 0 0 7 0．C h i n a Ab s t r a c t By a n a l y s i s a n d r e s e a r c h o n wo r k i n g p rin c i p l e o f me c h a n i c a l p a r t s a n d mo t o r c y c l e d i s c b r a k e ，a t e s t b e n c h s y s t e m b a s e d o n p r o g r a m m a b l e l o g i c c o n t r o l l e r P L C f o r m o t o r c y c l e b r a k e w a s d e s i g n e d ． T h e w o r k i n g p r i n c i p l e a n d t e s t i n g p r o c e s s o f t h e s y s t e m we r e d e s c r i b e d，a n d t h e h a r d ware a n d s o f t w a r e d e s i g n o f t h e s y s t e m w e r e e l a b o r a t e d ． At t h e s a me t i me。s a mp l e p a r t s we r e t e s t e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e s t s y s t e m i s a c c u r a t e a n d h i g h l y e f fi c i e n t ，w h i c h f u l l y me e t s t h e t e s t r e q u i r e me n t s for mo t o r c y c l e b r a k e ma n u f a c t u r e r s a n d a c h i e v e s a q u a l i f i c a t i o n f o r mo t o r c y c l e b r a k e a u t o ma t e d t e s t i n g ． Ke ywo r ds Di s c b r a k e；Br a ke p ump；Te s t b e nc h；PLC 0前言 制 动系统是摩托车 的最重要 的部 分之一 ，它在摩 托车的性能是否安全方面起着重要的作用。目前大多 数摩 托车都采用 了盘式制动器 ，其制 动力矩较大且工 作过程平稳 ，能使摩托车在最短的时间内获得制动 力 ，保 证 了行车安全 。 因此，为了保证盘式制动器的产品质量，必须对 其性能进行精确而有效的检测，从而找出产品存在的 缺陷，对生产过程进行进一步优化，提高产品的合格 率。国内企业在对盘式制动器的检测长期采用传统的 人工操作 的检测 方法 ，这种检测方法效率较低 ，并且 因为操作 的不稳 定性而降低 了检测精度 ，同时也无法 满足 自动化生产的需求。国外的检测设备很多采用了 闭环电液伺服控制，其在控制和精度上面都远远优于 国内的同类设备 ，但是因此检测标准 同国内相 比差异 较大，同时考虑到成本方面的因素，目前也很难采 用 。因此 ，根据某 厂家对盘式制动器 的测试要求 ，本 文作者开发了一套基于可编程逻辑控制器 P L C 的 摩托车制动器检测系统。 1 制动 器 结构及 工作 原 理 液压盘式制动器 的原理是通过应用 帕斯卡定律 和 杠杆原理，使作用在制动手柄上的操作力被放大并传 递到活塞 上 ，当作用 在制 动卡钳 上 的操作力 很小 时 ， 就足够产生一个非常大 的制动压力 。当制动压力增 加 ，制动力矩和摩擦轮 之间产生 的摩擦力 也将相应增 加，因此在驾驶摩托车时通过转化动力来产生摩擦热。 而相应的部件在吸收或释放摩擦产生的热量以后，车 辆的速度会慢下来 ，直到停止。盘式制动器的结构可 分为制动泵总成等几个部分，包括制动钳总成、制动 软管和制动盘等 。制动泵 的主要结构如图 1 所示 。 图 1 制动泵结构图 1 m 回位 弹 簧 2 m 泵 体 3 - - 油 杯 4 _ _ 油杯 固定螺钉 5 _ _ 活 塞 防尘罩 6 _ - 挡 圈 7 一 后 皮碗 - -活 塞 9 _ _ 前 皮碗 收稿 日期 2 0 1 4 0 3 0 7 基金项 目国家科技部 “ 8 6 3 ”项 目 2 0 1 1 A A 1 1 A 2 6 0 作者简介田韶鹏 1 9 7 4 一 ，男 ，博士，教授，研究方 向为新能源汽车动力系统设计与仿真、动力机械智能检测技术。 E ma i l my r d q z 1 6 3 ． c o m。 1 1 0 机床与液压 第 4 3卷 制动泵总成主要 由制动泵 、制 动钳 、主油缸 、制 动握 柄 、制 动 踏 板 、制 动 油 管 与 制 动 盘 等 部 件 构 成 。其中重要性最为突出的是制动泵，它包括了制 动泵主体、气缸、活塞 、储油缸及复位弹簧等部件。 用螺栓将出油口与制动软管相连接 ，此时制动器需要 保持常开，可以通过回位弹簧将其打开 ，此时前皮碗 通过了供液孔，位于供液孔和补偿孔的中间。当需要 进行制动的时候，骑乘人员会对制动手柄或者制动踏 板施加一个外 力 ，使制动液受 到的压力增大 ，此压力 又会通 过油管到达制 动泵活塞上 。当压力超过 回位弹 簧的拉力后，制动泵中的活塞被推进。此时制动泵中 的钳体、软管和压力腔会形成一个密封的空间，而前 皮碗的位置超过旁通孔之后，减少了密封腔的容积， 内部的压力会 突然增 大 ，活塞推动摩擦片 向制动盘方 向移 动 ，并 紧 压 住 制 动 盘 ，从 而 实 现 了 制 动 的 效 果 。当需要结束制动时，骑乘人员松开制动手柄或 者制动踏板 ，操纵力消失，回位弹簧带动制动泵活塞 向后运动，前皮碗在退回到旁通孔之前以后，腔内压 力降低 ，活塞与摩擦片向后滑动 ，与制动盘分离，使 制动状态结束。因此制动泵是制动系统的核心部分， 制动泵的合格性对行车安全起了决定性的作用，有必 要对其性能进行准确检测。 2 检测系统组成及工作原理 该检测系统主要由检测台体、P L C 、触摸屏以及 上位机等设备构成。 2 ． 1 检 测 台体硬 件 配置 测试台体主要由工作台、夹具、手柄操作力仿真 设备 、电机、气缸 、位移传感器、气缸压力传感器、 接近开关 、真空装置 、高压泵 以及气动管路组件等组 成 ，是整个检测系统 的机械部分 。测试系统结构如图 2所示 图 2 测试 系统 总成结 构图 2 ． 2 测试对象 在该测试系统 中的 台架有 7个 之多 ，限于篇 幅 ， 仅介绍其中测试前皮碗保持力和后皮碗密封性试验台 的程序设计 。因为在制动泵的检测过程中 ，密封性是 极其重要的一部分 ，如果 制动泵 没有 良好 的密封性 ， 制动器将无 法正常工 作 ，所 以应对其 密封性进行 重点 ．检测。 当制动过程结束 的时候 ，制动 手柄被松 开 ，但此 时制动液会 由于 自身的黏性 而流动较慢 ，无法快速 回 到活塞在向左移动时让出的空档里 ，因此在旁通孔被 打开之前，会有一点程度的真空度在制动泵工作腔的 右腔产生，使活塞无法向起始位置移动。同时真空会 产生一定程度 的压力差 ，制动液会被压力推动而流进 补偿孑 L 里 ，之后再流进活塞上 的fl -c L ，通过小孑 L 进入 工作 腔的右腔 ，同时随着真空度 的不断减小 ，活塞也 开始向相反方向运动 ，直到回到原点。之后旁通孔也 被打开 ，剩余的制动液就可以不经过补偿孑 L 直接从旁 通孔流 回进储油室 。 从 中可以看 出 ，制动泵 的管路是与储油室互相连 通的，当制动开始时，只有将这两边断开，将制动泵 的管路完全密封住 ，才能在制动泵中产生压力来推动 活塞前进。如果制动泵与皮碗之间l 的密封性不合格， 制动泵 中的压力将无法增大到规定值 ，会极大破坏制 动效果 。因此 两 个皮 碗在 制 动过 程 中发挥 了重要 作 用 ，前皮碗如果过硬会增大皮碗刃 口的弹力 ，使制动 液流进制动右腔的阻力增大，制动液将难以及时回流 进储油室 ，如果过软又会使制动泵中的压力增加较 慢 ，无法推动活塞运动 。后皮碗 的密封性如果达不到 要求会使制动泵与储油室无法完全隔离，从而影响加 压效果，使制动性能难以达到要求。因此必须重点对 前皮碗保持力和后皮碗密封性进行测试。 2 ． 3工作过 程 工作人员将制动泵安装在台架上，打开电源，测 试系统启动初始化程序 。P L C通过 位移传 感器采 集步 进 电机 的位置信号并进行判断 ，若步进电机不在起始 点上 ，则 P L C给步进 电机的驱动器发出一个高电平 信号 ，驱动步进电机反向转动，当步进电机到底初始 点时 ，相应 的接 近 开 关 会 发 出 一 个 高 电 平 信 号 给 P L C，P L C对 电机 发 出一 个低 电平信 号 ，电机停 止 ， 系统初始化完成 。开始测试 时 ，按下启 动按 钮 ，P L C 驱动步进电机正向转动，前进一段距离后，机构前端 的盘形柱头会接触到制动手柄，柱头后面的接近开关 发出一个高电平给 P L C，P L C将此时位移传感器读进 的数值传送给上位机并计算出到达旁通孔的位移。当 前皮碗经过旁通孔的时候，P L C控制气源打开，随后 气缸向前推进，同时压力传感器不断将气缸内的压力 值传送给上位机，P L C判断压力达到一定值时，向气 源发出一个低电平信号 ，关闭气源。 关 闭气源后正式开始低压密封性检测 ，P L C继续 第 7期 田韶鹏 等基于 P L C的摩托车盘式制动器性能测试系统研究 1 1 1 通过步进电机推动制动手柄向前移动一段距离到达设 定 的终点位 移 ，电机停止几秒钟使气缸 内的压 力稳定 下来 。在这个 过程 中，上位机会不停地将压力 传感 器 的值与设定值 进行 比较并记 录下来 。如果压力 传感器 的值不低于设定值，则判定其低压密封性合格 ，程序 继续运行 ；反之则 说 明压力有 了较大程度 的泄漏 ，该 工件的低压密封性不合格，P L C停止测试程序并将所 有部件复位 。P L C对换向端口发出一个低电平信号使 步进 电机反转并再次通过 电机推 动制动手柄 ，反复推 动 3 次后 ，如果 压力传感 器 的值仍 然不 低 于设定 值 ， 则 P L C控制各部件复位 ，测试结束。 3 P L C程序设计 为了实现该检测 系统 中对各 个执行机构进行稳定 控制 和数 据采集 ，采用 S 7 3 0 0系 列 P L C为下 位机 对 系统 中的步进 电机 、气缸 、阀 门等 进行控 制 。s 7 ． 3 0 0 是一 种模块化 的中小 型 P L C，它 能满 足大多数 中等性 能 自动化生产 中的应用 。它具有模 块化设计 、安装方 便 、分布式结构、模板的诊断、过程监视及易于掌握 等特点 ，使 s 7 ． 3 0 0系列 的 P L C性能 强大 ，基 本 可 以 满 足 中、小规模 的工业控制要求 ，能为任务提供低成 本又简洁的解决方案。 3 ． 1 P L C硬 件 配置 为 了实现 P L C在 检测 时 的具体 功 能 ，现 对 P L C 进行硬件配置。电源模块选用 P S 3 0 7 5 A，其输出电 流 5 A，输 出电压 2 4 V，可 以与常用 的 D C 2 4 V电源 连接，为 P L C供电。中央处理单元选用 3 1 3 C ． 2 D P ， 这是一种紧凑型 C P U模块 ，它 内置 了 1 6个 I ／ 0输入 和输 出，拥有 6 4 k B的高 速 R A M，MP I ／ D P接 口，处 理速度 达 到 了 1 0 0～2 0 0 m s ，可 以完 全 满 足 运 算 需 求 。数字量输入模块选用了S M3 2 1 D I 1 6 x D C 2 4 V， 数字量输出模块选用了S M3 2 2 D O 1 6 x D C 2 4 V ／ 0 ． 5 A， 可以与检测台中的直流型电磁阀配套，并且端 口数与 C P U的 内置端 口相 加 后 可 以 完 全满 足数 字 量 输 入 、 输出要 求 。模 拟 量 输 ／ k ／ 输 出模 块 选 用 S M 3 3 4 A I 4 ／ A 0 2 ，该模块分辨率很高，同时拥有多种输入 、输出 范围，与大多数模拟量传感器和执行器都可以直接连 接，完全满足测试台的模拟量采集要求。 3 ． 2控 制 系统 l ／ 0接 口 在将 P L C的模块进 行组 态后 ，就 可 以对 各个 接 口的地址进行分配 ，使所有硬件 的连接点都能与程 序中的地址一一对应。该测试台需要的输入端 口有 检测 系统 的启 停按 钮 、步进 电机 的启停 及 正 反转 按 钮 、定 时器 、接 近 开 关 、极 限 开 关 、压 力 传 感 器 、 位移传感器等，需要 的输出端 口有步进电机的启停 及正反 转 ，气 缸 的推动 、接 气开关 、气源 、泄压 阀、负压阀、高压泵、位移传感器 、压力传感 器、 合 格性判 定 、报 警器及 打 印机 等 。各接 口的地 址 分 配情况 如表 1 所 示 。 表 1 检 测系统 I ／ 0地址分配表 3 ． 3 P L C检 测 流程 设计 P L C程序使用西 门子 s t e p 7编程软件编写，使用 分块式结构 ，根据检测台的不同功能，在程序里也建 立相应 的功能模块 ，在运行 时只要 扫描需 要使用的模 块 即可 ，这样 就 缩短 了 P L C的扫描 时 间 ，提高 了运 行效率。同时在对不同的工位进行修改和调试时只需 要对某一模块进行操作 ，方便 编程 人员的操作。 程序使用逻辑梯形图 L A D编写，通过程序设 计使检测系统在启动之后 自动运行 ，并根据设定好的 标准，自动检测 出不合格 的产品，其流程图如图 3 所示 。 第 7期 张戚 等基于 A ME S i m的泵车水泵液压系统流量匹配装置设计与研究 1 4 3 0 2 一 口 - ．6 ．8 袭 ． 1 0 12 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 时间， s 图 8 水泵驱 动马达液压油输入流量 综合图 7 、图 8的数据分析可知，定量泵一定量 马达 的 泵 车水 洗 液 压 系统 ，采 用 流 量 匹 配技 术 后 ， 泵车从 怠速 到 全速 ，水泵 始 终 能获 得 恒定 的 、且 在 额定 要 求 范 围 内 的输 入 转 速 1 3 0 0～1 4 0 0 r ／ m i n ， 即泵车水洗时，不用特地对发动机提速 ，任何工况 均能进行水洗工作。 计算机仿真结果表明，该系统 的动态工作性能 完全满 足设计 的要求 。 4 水泵流量 匹配系统的实际应用情况 泵 车水 泵 流量 匹配 系统 ，经 实 际装 车 ，已投 入 使用近一年半。图 9是实际装车图片。 图9 泵车水泵流量匹配系统实物照片 实际使用情况反馈表明该技术的泵车水洗系 统，性能优 良运行可靠 ，使用以来一直未 出现故障 问题 ，确实 做 到 了不用 泵 车 提速 就 可 随 时洗 车 ，一 年半来，该技术的应用在节能降耗方面成绩突出。 5结 论 1 涉及的流量匹配泵车水洗系统，结构简单 、 性能优良、运行可靠 ，且成本低廉 、节能降耗效益 可观 。 2 涉及 的流量 匹配 泵 车水 洗 系统 的技 术 ，已 于 2 0 1 3年 3 月 2 0 日获 得 专 利 授 权 专 利 号 2 0 1 2 1 0 0 7 3 1 9 1 ． 5工程机械及其清洗系统。 3 不涉及电气控制方面的更改 ；三通流量匹 配阀可与泵车原搅拌水洗阀组集成一体设计 ，也可 单独 串接 在 原泵 车 水洗 液 压 系统 中，方 便对 现 有设 备 的升级改造 。 参考文献 [ 1 ]成 大 先． 机 械设 计 手册 [ M] ． 北 京 化 学 工业 出版 社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 ]刘海丽 ， 李华聪． 液压机械系统建模仿真软件 A ME S i m 及其应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 6 ， 3 4 6 1 2 4 1 2 6 ． [ 2 ]刘会勇， 李伟 ， 林勇刚， 等． 基于 A ME S i m的混凝土泵搅 拌系统建模与仿真研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 5 1 6 51 6 7． [ 4 ]付永领， 祁晓野． A M E S i m系统建模和仿真 从入门到精 通 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 上接 第 1 1 2页 目 蠢 耀 幽 图5 低压密封性检测结果 6 结束语 该 系统是 采用 了以 P L C作 为控 制 核心 ，与触 摸 屏联合 的控制模 式。经过在线测试 ，系统运行稳定可 靠，功能完善 ，操作简便 ，同时系统的参数修改起来 十分方便 ，只需少量改动便可 以对不同型号的产品 进行检测 ，完全满足了实际检测要求，有很高的推广 价值 。 参考文献 [ 1 ]董 敬． 摩 托 车机 构设计 [ M] ． 北京 人 民 邮电 出版 社 ， 1 9 9 7 ． [ 2 ]郝磊． 托车液压盘式制动器总成性能试验台的研制[ D] ． 武汉 武汉理工大学 ， 2 0 0 9 ． [ 3 ]贺吉凡． 液压盘式制动器制动液的加注[ J ] ． 摩托车信 息 ， 2 0 0 8 ， 2 2 2 7 3 7 4 ． [ 4 ]杨莉玲． 液压盘式制动器建模与仿真分析[ D] ． 武汉 武 汉理 工大学 ， 2 0 0 9 ． [ 5 ]姜建芳． 西门子 s 7 3 0 0 ／ 4 0 0 P L C工程应用技术[ M] ． 北 京 机械工业出版社， 2 0 1 2 ． [ 6 ]白雪松． 基于组态技术的车轮冲击试验研究 [ D] ． 长春 长春 理工大学 ， 2 0 1 1 ． [ 7 ]唐勇奇． MC G S在电厂锅炉监控系统中的应用[ J ] ． 仪表 技术与传感器， 2 0 0 5 ， 4 2 1 2 5 9 - 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