（机械电子工程专业论文）基于plc的载重轮胎质量在线检测系统研究与开发.pdf

摘要 轮胎是车辆行驶的保障者和体现者。当车辆高速行驶时，轮胎的动平衡与不 圆度等质量特性是影响车辆行驶安全性、可靠性、稳定性、舒适性和高效性的重 要因素。因此，轮胎的动平衡与不圆度质量检测系统对生产中提高轮胎质量及通 过配重改善车辆行驶特性具有极其重要意义。“载重轮胎质量( 动平衡、不圆度) 在线检测系统 课题来源于与企业的工程实际合作项目，本文重点在下位机控制 系统的软、硬件开发方面开展研究，主要完成了以下工作： 在分析国内外轮胎动平衡和不圆度检测技术发展状况的基础上，构建了动平 衡测试的“轮胎一轮辋一主轴系”动力学模型，给出了轮胎动平衡测试系统的量标 定原理和数学解算方法，推导了轮胎静不平衡量和偶不平衡量的解算公式，给出 了轮胎动不平衡和不圆度测试的硬件系统组成原理方案。 综合国内外轮胎质量在线检测技术及设备实现方案，通过系统的功能需求分 析，确定了对载重轮胎动平衡与不圆度性能指标进行全自动在线检测的总体方 案。依据动平衡测试力学分析模型，对系统机械结构的组成和功能进行了规划与 详述，明确了工艺流程和动作时序。基于在线测量的机械系统设计方案和结构， 结合整机系统的功能需求、技术参数性能指标要求等，完成了载重轮胎动平衡和 不圆度在线检测系统的下位机( p l c ) 控制系统的软硬件设计。 硬件组态方面，系统采用三菱q 系列高性能q 0 2 hc p u 和q 1 7 2 hc p u 组成 的多c p u 系统作为控制核心，利用三菱q d 7 5 m h 2 定位模块和运动控制器q 1 7 2 h c p u 及其扩展模块q 1 7 2 l x ，实现了整机9 个伺服轴的精确位置控制，基于 g t l 5 0 0 系列触摸屏人机接口，开发了实现整机各项操作的功能界面；网络组态 方面，系统通过模块q j 7 1 e 7 1 1 0 0 组成以太网( e t l l e m e t ) ，实现上位机( 工控 p c 机) 与下位机( p l c ) 的通信；运用q j 6 1 b t l l n 模块，组成c c l i n k 网络， 实现p l c 主站与系统各个远程分站的通信与控制。根据测试系统的工艺流程， 使用三菱的编程软件g x d e v e l o p e r 、m t - d e v e l o p e r ，开发了p l c 程序和s f c 程 序，运用g t - d e s i g n e r 工具，开发了友好的人机界面。 开发的基于三菱q 系列的载重轮胎质量检测p l c 控制系统，具有完善的自动 山东大学硕+ 学位论文 控制功能、友好的人机界面、强大的数据处理能力和通信功能，实现了载重轮胎 质量在线检测系统要求的自动润滑、测量、打标、分级等各项功能。研究成果已 成功用于某轮胎生产企业。实际生产检测结果表明，系统运行稳定、可靠，测量 精度高，静不平衡量的测试重复精度可达到2 ，相位角度小于5 。，不圆度重 复性精度0 0 5 r a m 。最后，文章就几个关键问题进行了讨论，并根据客户需求对 系统的可应用性和适用性进行了扩展。 该系统的研发解决了轮胎行业的技术难题，对载重卡车轮胎质量控制具有重 要的工程实用价值，对提升我国载重卡车行驶质量具有重要的战略意义。 关键词：动平衡；不圆度；三菱q 系列p l c ；运动控制器；伺服控制 i i a b s t r a c t mill=,i l l ：詈鼍詈詈鲁詈毫喜詈皇詈詈詈皇寡皇兽詈詈量詈詈曼曼曼鼍皇 a b s t r a c t t i r ei st h eg u a r a n t e eo ft h es a f eo f d r i v i n gv e h i c l e d y n a m i c b a l a n c e ， o u t o f - r o u n d n e s se t c a r ei m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n gt h es a f e t y , r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , c o m f o r ta n dh i g h e f f i c i e n c yo fv e h i c l e su n d e rh i 曲s p e e d t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t y m e a s u r e m e n ts y s t e mf o rt i r e sd y n a m i cb a l a n c ea n do u t o f - r o u n d n e s si se x t r e m e l y i m p o r t a n tt oe n h a n c et i r e sq u a l i t ya n di m p r o v et h ev e h i c l e sd r i v i n gq u a l i t yt h r o u g h b a l a n c e - w e i g h t t h es u b j e c ti s ac o o p e r a t i o np r o g r a m 、析md o u b l es t a rr u b b e r m a c h i n e r yc o r p o r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls u b j e c tn e e d s ，r e s e a r c hw o r ki sd o n e m a i n l yi nl o w e rc o m p u t e rc o n t r o ls y s t e m ss o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n m a i n c o n t e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： a n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fd y n a m i cb a l a n c ea n do u t - o f - r o u n d n e s so f t y r eb o t ha th o m ea n da b r o a da b o u tt h em e a s u r i n gt e c h n i q u e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa k i n e t i cm o d e lo fd y n a m i cb a l a n c em e a s u r e m e n tc a l l e d “t i r e - r i m - s p i n d l e ”，g i v i n gt h e c a l i b r a t i o np r i n c i p l ea n dm e a s u r e m e n tm o d e lo ft i r ed y n a m i cu n b a l a n c e ，i n t r o d u c i n g t h ec a l c u l a t em e t h o do fs t a t i cu n b a l a n c ea n dc o u p l eu n b a l a n c e ，d e s c r i b i n gt h e h a r d w a r ec o n s t i t u t i o no ft h i sd e t e c t i o ns y s t e m b a s eo no v e r a l lc o n s i d e r a t i o no fc u r r e n td e t e c t i o nt e c h n i q u ea n do n l i n em e a s u r i n g e q u i p m e n ta b o u tt i r eq u a l i t y , t h i sp a p e rp r e s e n t st h eo v e r a l ls c h e m eo ft h ed e t e c t i o n s y s t e m a c c o r d i n gt h ea n a l y s i sm o d e lo fd y n a m i cb a l a n c ed e t e c t i o n ，t h ec o m p o s i t i o n a n df u n c t i o no ft h em e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sd e s c r i b e di nd e t a i la n dt h e p r o c e s sa n da c t i o ns e q u e n c ea r ed e t e r m i n e d b a s e do nt h ed e s i g n e dm e c h a n i c a ls y s t e m s c h e m e sa n ds t r u c t u r e so fo n l i n em e a s u r i n g ，a sw e l l 弱f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ， t e c h n i c a lp a r a m e t e r sp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，l o g i cm o t i o nc o n t r o la n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o no fo v e r a l lm a c h i n es y s t e m ，d e t a i l e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f t h es y s t e mo ft h el o w e rc o m p u t e ra r ea c c o m p l i s h e d i nh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n ，t h es y s t e mt a k e sm i t s u b i s h iq - s e r i e sm u l t i - c p u i i i 山东大学硕士学位论文 s y s t e mc o n s t i t u t e do fq 0 2 h c p ua n dq 17 2 h c p u 弱t h ec o n t r o lc o r e t h es y s t e m a d o p t st h ep o s i t i o nm o d u l eq d 7 5 m h 2 ，m o t i o nc o n t r o l l e rq 17 2 hc p ua n di t s e x t e n d e dm o d u l eq17 2 l xo fm i t s u b i s h it or e a l i z et h ep r e c i s ep o s i t i o nc o n t r o lo ft h e n i n es e r v oa x l e s b a s e d0 1 1t h em a n m a c h i n ei n t e r f a c eo fm i t s u b i s h it o u c hs c r e e n g t l5 0 0 ，f u n c t i o ni n t e r f a c ef o rr e a l i z i n ga l lo p e r a t i o n so ft h eo v e r a l lm a c h i n ei s d e v e l o p e d i nn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n , t h es y s t e m c o n s t i t u t e se t h e m e tb y u s i n g q j 7 1 e 7 1 - 1 0 0m o d u l et or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p p e rc o m p u t e r ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) a n dl o w e rc o m p u t e r ( p l c ) ，a n du s e sq j 6 1 b t l1 n m o d u l ec o n s t i t u t i n gc c l i n kt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e np l cm a i ns t a t i o n a n dr e m o t es u b s t a t i o no ft h es y s t e m se a c hf u n c t i o n a ll o c a t i o n a c c o r d i n gt ot h e m e a s u r e m e mp r o c e s sf l o w so fm e a s u r i n gs y s t e m ，t h eg x d e v e l o p e r , m t - d e v e l o p e r a n dg t - d e s i g n e rp r o g r a m m i n gs o f t w a r ea r ea p p l i e dt ot h ed e v e l o p m e n to fp l c p r o g r a mf o ra u t o m a t i co n l i n em e a s u r e m e mm a c h i n eo ft h et i r e sd y n a m i cb a l a n c ea n d o u t - o f - r o u n d n e s s ，s f cp r o g r a mf o rs e r v oc o n t r o la n df r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e o p e r a t i o np r o g r a m t h eo n l i n ed e t e c t i o ns y s t e mo ft i r eq u a l i t yb a s e do nm i t s u b i s h iq - s e r i e sh a s s o p h i s i t i c a t e da u t o m a t i cc o n t r o lf u n c t i o n , f r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，p o w e r f u l d a t ap r o c e s s i n ga b i l i t ya n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n i ta c h i e v e st h ef u n c t i o nd e m a n d s o fr e q u i r e m e n t sa u t ol u b r i c a t i o n ，m e a s u r e m e n tm a r k i n g ，g r a d i n ga n ds oo n t h eo n l i n e m e a s u r e m e n ts y s t e mo fl o a dt i r eq u a l i t yb a s e do np l ch a sb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yi n a c t u a lp r o d u c t i o np r a c t i c e i n d i c a t e db yt h ea c t u a lp r o d u c t i o na n dm e a s u r e m e n tr e s u l t s ， t h es y s t e mo p e r a t e ss t a b l ea n dr e l i a b l e i t sm e a s u r e m e n ta c c u r a c yi sv e r yh i g ha n di t s m e a s u r e m e n tr e p e a tp r e c i s i o no fs t a t i ci m b a l a n c ev a l u ec a nr e a c h4 - 2 ，t h ed e g r e e f l u c t u a t i o nc a nb el e s st h a n5 0a n dt h er e p e a tp r e c i s i o no fo u t - o f - r o u n d e n e s si sn o t m o r et h a n0 0 5 m m s o m ek e yt e c h n o l o g i e si nt h et e s ta r er e s e a r c h e d a tt h es a m e t i m e , s u i t a b l i t y a n da p p l i c a b i l i t yo ft h e s y s t e ma r ee x t e n d e da c c o r d i n gt o c u s t o m e r r e q u i r e m e n t sa n da c t u a ls i t u a t i o n t h er e s e a r c ho ft h i sd e t e c t i o ns y s t e ms o l v e st h et e c h n i q u ep r o b l e m si nt i r e i v a b s t r a c t p r o d u c t i o ni n d u s t r y i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nc o n t r o l l i n gt h et i r eq u a l i t yo fc a r g o t r u c k si ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，i ta l s ow i t hg r e a ts t r a t e g i cs i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h e d r i v i n gq u a l i t yo f l o a dt i r e k e y w o r d s ：d y n a m i cb a l a n c e ；o u t - o f - r o u n d n e s s ；m i t s u b i s h iq - s e r i e sp l c ；m o t i o n c o n t r o l l e r ；s e r v oc o n t r o l v 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 1 1 1 轮胎的性能指标 第1 章绪论 在汽车数量日益增多的今天，汽车的安全性，可靠性，稳定性，舒适性，高 效性，成为了人们追求的目标。在汽车的零部件中，轮胎作为连接车辆和地面的 唯一部件，对车辆行驶性能的影响至关重要。因为车辆的任何运动，包括产生驱 动和制动、改变行驶方向、加速等都是通过滚动的轮胎作用于地面实现的。轮胎 还可以承受载荷，起到缓冲和吸震作用。它不仅影响了汽车的驱动性，平稳性和 安全性等，还会影响车身、底盘等总成及零部件的寿命，它是车辆性能的体现者、 保障者和执行者。所以，为了更好地保证车辆安全行驶，人们对轮胎开展了广泛 的试验研究，并不断完善试验方法和标准【1 j 。 轮胎的性能指标主要包括承载性能、高速性能、高速耐久性、胎面耐磨性能、 胎体耐屈挠性能、乘坐舒适性能和行驶安全可靠性能等，具体分为牵引性、滚筒 阻力、力和力矩、噪声、气压保持、均匀性和平衡度等方面。针对轮胎的以上性 能要求，国内外进行了很多的相关研究，涌现出了很多实用技术，申请了不少的 专利。 国际上涌现出了许多新型的高性能、多功能的轮胎性能试验机。1 9 9 9 年，德 国的b e i s s b a r t h 公司开发了一种称作m t t 2 1 0 0 微型轮胎试验机的新型轮胎试验装 置，对不同气压下的轮胎断面二次成像，用软件对所得信息进行对比和分析，通 过图像可以观察到割伤、撕裂和机械损伤等轮胎内部缺陷1 2 】。2 0 0 1 年4 月，世界 著名的轮胎制造商荷兰v m i 公司生产出通用轮胎试验机，可对轿车及卡车轮胎4 种不同的操作特性进行试验。由于一台设备可进行多种试验，从而极大地节省了 空间和经费【3 l 。2 0 0 3 年2 月，日本普利斯通公司在东京的技术中心安装了一台世 界上最大的汽车轮胎试验机m t s 模拟路面动态系统，该试验机在速度、垂直输 入、侧向力和扭矩等方面的测试指标均胜过其他汽车轮胎试验机，并可评价轮胎 山东大学硕士学位论文 在拐弯、刹车时的特性以及高速和大负载下的加速度1 4 】。s h t e i n h a u z ， g r e g o r y d a v i d 和b e e b e ，j a m e s 等则对轮胎均匀性进行了研刭5 6 1 。 近年来，我国在轮胎试验机的设计和研究方面也有了很大的进展，开发出多 种类型的轮胎试验机，如天津久荣轮胎技术有限公司的轮胎耐久、高速性能试验 机，广州市橡胶工业制品研究所的双二位轮胎耐久高速试验机，天津赛象科技股 份有限公司的轮胎高速耐久试验机，国家轮胎质检中心及广东汕头橡塑机械所联 合研制的轮胎强度脱圈静负荷试验机等。部分高校也相继对轮胎的各项性能进行 了研刭7 d 们。汽车轮胎的压力和温度监控预警系统1 1 1 - 1 6 1 ，防爆系统以及其他方面的 技术均得到研究和发展。 1 1 2 轮胎动平衡不圆度检测意义及立项背景 轮胎的诸多性能指标都从不同的层面上体现了轮胎的质量。其中，作为衡量 轮胎质量的动平衡和不圆度指标对汽车的安全更是起到了举足轻重的作用。 实际应用价值：由于轮胎材料组织的非均匀性，几何结构的不对称性以及零 件的外形尺寸误差、加工装配误差等，轮胎整体各部分的质量分布不可能完全均 匀。当汽车车轮高速旋转时，由于通过轮子重心的主惯性轴线与旋转轴线不重合， 旋转的轮子将会产生不平衡力1 1 7 1 。由于该力的作用，质量分布不平衡的轮胎在高 速旋转时会产生径向波动和侧向波动，影响汽车的操纵稳定性和乘坐舒适性。对 于高速运转的车轮而言，极小的偏心距都会引起很大的不平衡力，导致车轮的持 续振动。尤其是方向轮的振动，会导致方向盘的抖动，加速悬架和转向系统部件 的磨损，加速车轮内轴承的磨损【1 引。因此，轮胎的平衡对于现代的车辆来讲，是 极其重要的一项工作，轮胎的不平衡量必须被控制在一定的范围之内。车辆在出 厂前或者运行一段时间后，都要对车轮进行动平衡调试，以达到车轮要求的平衡 精度。所以，轮胎动平衡质量的检测对不平衡量的补偿、校正和消除都具有非常 重要的指导作用。 轮胎的不圆度测量在实际运用中同样具有非常重要的意义。即使在平整的路 面上行驶，有时也会感到车辆在上下跳动或者左右摇摆，这就是由轮胎的不圆度 导致的车辆行驶的不平稳。 2 第1 章绪论 理论研究意义：轮胎的动平衡不圆度测试技术是- f - j 综合的应用技术，涉及 到动力学、电子学、光学、信号处理、传感器及测试技术等多门学科。随着电子 技术、计算机技术以及测控技术数字化、智能化的发展，对该设备的进一步研究 将在一定层面上给动平衡技术、理论和算法带来发展。因此，轮胎动平衡不圆度 质量检测系统的研究与开发具有潜在的理论研究价值。 战略意义：随着参与国际竞争的需要，国家标准g b t l 8 5 0 5 也对轮胎动平衡 测试方法作出了明确的规定，因此，国内的轮胎企业对轮胎动平衡试验机的需求 也与日俱增。从目前来讲，我国的轮胎检测应用虽然得到普及，研究水平也有了 相应的发展，或者说取得了很大的突破，但国内对于动平衡检测技术的掌握依然 是空白，自行研发的能力依旧相当薄弱，国外仍然一直对我国进行技术封锁，我 国的很多轮胎制造企业的轮胎检测设备仍然依赖于国外进口。 所以，轮胎动平衡不圆度检测系统的开发与研究，从提高自主创新能力和研 发能力，拥有自己的知识产权方面讲，具有非常重要的战略意义。应企业发展的 需要，本文也是山东大学和青岛双星橡塑机械有限公司合作的项目之一。 1 2 轮胎动平衡研究现状和发展趋势 轮胎动平衡试验机自诞生发展至今的几十年间，机械结构上虽然有改进，但 总体上变化不大。因此本文将不再介绍动平衡试验机机械结构的发展情况，仅阐 述几项对轮胎动平衡试验机影响较大的内容，希望在参考理论之后，能够指导实 践，明确研究思路，确定技术路线。 1 2 1 动平衡理论的发展 从动平衡理论发展的层面上讲，国内外都取得了瞩目的成绩，而且已经比较 成熟。 国外关于动平衡理论的研究，早在1 8 7 0 年，加拿大的h e n r ym a r t i n s o n 首次 申请了平衡专利，开创了平衡理论与技术的先河。1 9 0 7 年，l a w a c z e k 写了一份 关于动平衡机理论与设计的报告，并于1 9 0 8 年提出专利申请，经过改进后由德国 申克公司正式应用【1 9 1 。1 9 7 3 年j o h nd h a u g e 和a l f r e da r e s e r 设计了旋转物体的 3 山东大学硕士学位论文 动平衡检测装置【2 0 1 。1 9 8 9 年h m l ds c h o n f e l d 研发的动不平衡测试操作台已经可以 适用于传送系统和装配生产线【2 。之后关于动平衡研究的著作和专利不断涌现。 早期的平衡设备机械结构复杂，平衡精度和效率低，但有的机构已经比较接近子 现在市场上的检测装置。 在国内，近年来，通过学者的不断努力，有许多新的动平衡理论问世。其中 在线动平衡方面，西安交通大学的屈梁生等提出全息动平衡技术【捌；浙江大学的 汪希萱等研制出了电磁式在线自动平衡系统【乃1 ；张志新等在用于微速差双转子系 统的动平衡仪等方面进行了研刭2 4 】；哈尔滨工业大学的李顺利进行了精密离心机 在自动平衡方法的研究【2 5 】；l e e 和m o o r h e m 对自动平衡仪也进行了研究【2 6 1 。在柔 性转子平衡方面，c h u n c t j 和j a n g i 对平衡机上柔性转子的平衡进行了分析【2 7 】： s h i h ，y u a n p i n 等提出基于转移矩阵法的柔性转子不平衡量的计算等【2 引；x u 和 q u 等提出使用最d - - 乘法优化影响系数进行柔性转子的平衡 2 9 1 ；西安交通大学 的屈梁生等提出基于影响系数以及人工智能的无试重平衡法【3 0 1 。此外，在利用数 字信号处理技术高保真提取不平衡量幅值和相位方面也进行了大量研究【3 1 , 3 2 】。在 此理论基础上，更是涌现出了不少的动平衡测试和检定方法【3 3 弓6 】。 1 2 2 动平衡测试算法的发展 国外对轮胎动平衡的研究较早，但主要集中在几个生产厂家。由于市场竞争 压力等原因，轮胎动平衡的测试算法一直进行受到封锁。从动平衡测试算法的层 面上讲，需要涵盖标定、振幅相位提取、数字信号处理分析等多方面的内容和不 同的测试方法与算法。其中标定方法就包括：方程组标定法，基于最小二乘法的 标定法，永久标定法等。振幅相位的提取也分为：划线法，相对相位法，幅相影 响系数法，电脑动平衡仪法以及复影响系数法和多元线形回归法等。当前用的较 多的主要是以t h e a r l e 、b a k e r 、g o o d m a n 为代表的影响系数法( 幅相影响系数法) ， 以m e l d a l 、b i s h o p 、g l a d w e l l 、f e d e m 为代表的振型平衡法，或称模态平衡法。 在c h y u a n y o wt s e n g ，t i n g w e is h i h ，j u n t s u nl i n 的文章中，提出了一种新颖 的适应性参数调整算法，通过在搭建的实验系统上反复试验，对计算所需的向量 矩阵参数进行在线估算和设定，然后对汽车发动机的不平衡量进行补偿【3 7 1 。其实 4 第1 章绪论 验结果表明，该方法所达到的平衡效果优于传统的影响系数法【3 引。日本的k a t s u m i t s u j i ，s e t a g a g a k u 使用原始的振动向量来对车轮不平衡量的大小和角度进行计 算。具体算法是：测出轴承到两个校正面之间的距离以及轴承本身的受力，然后 建立平衡方程求解不平衡量1 3 9 1 。 近几年，国内一直在探索新型的平衡算法以试图克服现有算法的不足，进一 步提高平衡效率和精度。因此，遗传算法、神经网络、有限元法、全息谱技术、 无试重平衡法、全息动平衡法等相继出现。但这些方法需要大量的实验数据而且 数学运算较为复杂。之后，出现了离散傅里叶变换快速算法即f f t 、小波变换以 及相敏检波的信号分析等方法，使测试精度有所提高，核心算法也稍有简化。随 着轮胎动平衡质量检测重要性的深入民心，国内的部分科研机构以及高校的一些 学者也就新的测试算法相继展开了研究【4 2 1 。 1 2 3 轮胎动平衡测试系统的发展 对动平衡测试系统的研究，国外在早期就投入了较大的人力和物力，如德国、 美国、日本等国家在国际上均处于领先地位，技术上相对成熟。 1 9 1 5 年，第一台双面平衡机面世。在上世纪末4 0 年代之前，所有的平衡工 序都是在采用纯机械的平衡设备上进行的。转子的平衡转速通常取振动系统的共 振转速，以使振幅最大。在这种方式下测量转子平衡，测量误差较大，也不安全。 8 0 年代初期的产品是手摇式、脚踏式等简易型产品【4 3 】。8 0 年代，h u n t e r 和l e e 对车辆轮胎的平衡测试系统进行了研究 4 4 1 。c u r c h o d 和d o n a l db 对轻重量低速度 级的轮胎动平衡测试装置进行了设计【4 5 】。对于侧向装在轮胎上的动平衡检测设备 在p o l i n gs r ，d a v i d 的专利中也有相应介绍【4 6 】。尤其值得参考的是s h o o t e r 和 d o n a l dh 在1 9 7 5 年设计的卧式轮胎动平衡检测装置，该装置已经具备了比较完 善的操作台，而且具有可视的操作面板【4 7 】；以及e n g e l 、j e a n 和s a n n a 、e r i c 等 人在2 0 0 0 年设计的能够自动测量充气轮胎不平衡量和振动力的整套装置。该装置 使用具有多种速度的电机和离合器组合，在底部的旋转法兰处安装有和气路耦合 的接口，可以对轮胎进行充气。通过调整上下法兰之间的位置，可以改变轮胎的 断面宽度，从而实现对不同规格轮胎的测量【4 8 4 9 。k on a m i k i 和t o k i ok i k u c h i 5 山东大学硕士学位论文 把轮胎通过一个悬挂机构连接到车身上，然后使用相位和位移检测器测量轮胎旋 转时的振动，从而对轮胎的不平衡量进行补偿。该装置在机械机构上也已经初具 现代轮胎测试系统的规模【5 0 】。对轮胎动平衡试验机的设计在9 0 年代进入了一个 新的阶段，很多企业和学者都纷纷申请了专利陆5 5 1 。 轮胎动平衡测试机发展至今已然跨入了多功能全电脑型的时代，以申克 s c h e n c k 公司和霍夫曼公司为代表的产品质量在国际上都享有盛誉，生产的动 平衡机已形成系列化。日本虽起步较晚，但发展很快，以国际计测器株式会社为 代表，集平衡、校正一体化的多工位全自动动平衡机代表了当前该领域的最高水 平。此外，具有代表性的还有意大利米兰b a l a n c es y s t e m ss e a 公司生产的a b m 8 型多工位全自动动平衡机、日本b a n z a i 公司的c w b 系列车轮动平衡机、美国 m i c r o p o i s e 公司的“b a l c o 车轮平衡机。这些公司的动平衡机采用先进的技 术，功能齐全并且已形成系列化，生产制造技术已趋于成熟。这些产品代表了当 今世界动平衡机的发展水平和发展方向，其测量系统稳定可靠、精度高，能达到 的技术性能指标水平高。 与欧美的国家相比，我国动平衡技术的发展起步较晚，轮胎动平衡质量检测 行业相对落后。国家于1 9 8 4 年发布了g b 4 2 0 1 8 4 中华人民共和国国家标准一通 用卧式平衡机校验法( m e t h o do fv e r i f i c a t i o nf o ru n i v e r s a lh o r i z o n t a lb a l a n c i n g m a c h i n e s ) t 5 6 】；1 9 8 8 年颁布了关于动平衡精度等级和许用不平衡量的国家技术标准 ( g b 9 2 3 9 8 8 ) t 5 7 l ；1 9 9 5 年又在机械振动平衡术语定义方面等效采用了国际标准 i s 0 1 9 2 5 ：1 9 9 0 而制定了国家标准g b t 6 4 4 4 1 9 9 5 。截至今日，采用的已经是平衡 机的描述检验与评定的标准( g b t 4 2 0 1 2 0 0 6 ) 1 5 8 1 。9 0 年代之后，国内有些企业 和高校在动平衡理论的基础上，才开始对轮胎的动平衡质量进行研究。北京航空 工艺研究所在充分调研的基础上于1 9 9 6 年研制出国内第一台轮胎动平衡单机，之 后在轿车轮胎动平衡机的开发经验基础之上，于2 0 0 3 年又成功开发出我国第一台 在线全自动轮胎动平衡测量机y l h d j 2 0 0 1 并出口越副5 9 1 。青岛高校软控股份有 限公司也于2 0 0 3 年1 0 月自行研制出第一台在线轮胎动平衡实验机q n 俾一 1 2 1 6 a 。 6 第1 章绪论 1 3 轮胎不圆度的研究现状与发展趋势 不圆度是几何量检测中经常需要检测的形状误差参数。轮胎不圆度会影响轮 胎的使用，产生振动和噪声，降低其安全性、稳定性和使用寿命。圆形轮胎表面 在生产过程中由于橡胶受热不均等原因产生的波动和随机扰动会导致轮胎胎面与 标准圆存在一定的误差f 删。 1 3 1 不圆度测量方法的研究 对不圆度的测量方法的研究，文献【6 l 】主要介绍了最小外接圆中心法( m c c ) 、 最大内接圆中心法( m i c ) 、最小二乘圆中心法( l s c ) 和最小半径差中心法( m r s ) ， 并对各种测试方法的优缺点进行了比较分析。针对实际零件不圆度误差的周期性， 其引入了“三v 法和“斜测法 的v 形架近似测量法、跳动测量法和直径测量 法。 邹自强【6 2 】在其多年工程实践的基础上，采用实际的例子介绍了三种计算方 法：福氏分析法、误差联系法和简化计算法。他通过大量的实验获取了一批实验 数据，然后运用以上算法对实验数据进行处理，最后得出所需要的不圆度误差。 这些方法对于工程实践中不圆度的测量，起到了很好的指导作用。 随着计算机技术的发展引入了微机技术，通过与传统的圆度仪配套使用，利 用微机控制进行数据处理、绘图、显示和评定不圆度，大大提高了圆形工件的测 量精度和工作效率，对生产过程控制和成品检测的自动化也有积极的意义【6 3 】。 1 3 2 轮胎不圆度检测的发展与研究 由于车轮和轮胎的不圆度质量对交通轨道和车辆的安全性和平稳性运行影 响很大，因此，需要对车轮的轮周外形和轮胎加以监控并及时镟轮，将不圆度控 制在一定的范围内，也因此涌现出了很多对轮胎和车轮轮周不圆度进行测试的设 备和技术【6 1 ，6 4 , 6 5 1 。 上个世纪八十年代，德国c o l l m a n n 公司生产了立式不圆度测试机【6 6 】。该 测试机需要人工上胎，当左右半轮辋合拢并充气到规定的气压后，测试不圆度的 7 山东大学硕十学位论文 两接触式机械传感器通过气缸的带动分别与胎冠左右接触，待显示器显示的接触 压力达到规定值后方可启动电机，使轮胎在缓慢旋转状态下进行测试。阿克隆标 准公司研究生产了跳动度测量的试验机，它的工作方式是：轮胎以及装卡主轴一 起沿导轨移动到指定工位进行测量，可以减少因轮胎重复装卡引入的误差，其中 跳动度测量工位也可以根据需要灵活更换，可以是线结构光测量方式，也可以采 用是点结构光测量方式。该工位的传感器还可以在机械传动辅助下增大测量范围， 弥补传感器量程小的缺点。之后不少国家生产的轮胎动平衡试验机上集成安装了 不圆度的检测装置，在动平衡检测结束之后可以根据需要对不圆度进行选择性地 测量，降低了单独开发轮胎不圆度检测设备的成本【6 7 , 6 8 1 。 上海水产大学海洋学院的姜少杰旧】对德国c o l l m a n n 公司生产的立式不 圆度测试机进行了改造，采用激光传感器代替机械式传感器，使用美国 m i c r o p o i s e 公司的第五代信号处理装置，通过程序过滤后进行处理，并在屏幕 上显示每条胎最高点及最低点的值，根据该规格轮胎标准，判断其质量等级。此 外，还可参照美国i d 7 0 均衡机的测试方法，将立式改成卧式，使其可以自动上 胎和自动卸胎，加快了检测速度。青岛科技大学设计了一种基于测距原理的轮胎 外形轮廓检测系统【7 0 , 7 1 】。该系统用运动控制器将激光传感器定位到特定的固定位 置，通过传感器测量到轮胎表面的距离，然后上位机对传感器检测的数据进行处 理，最终解算出轮胎外轮廓的不圆度。天津大学精密仪器与光电子工程学院，光 电信息技术科学教育部重点实验室设计了一种基于激光三角法的轮胎圆度误差嵌 入式检测系统【7 2 1 。采用改良过的反向法误差分离技术采集轮胎轮廓信息并消除偏 心误差；设计了滤波和拟合算法消除花纹对检测结果的影响；应用最小二乘法评 定轮胎圆度误差。桦林佳通轮胎有限公司的谭宁采用自相关算法，应用离散傅立 叶变换得到信号周期和主要频谱分量，求得轮胎的一次谐波和二次谐波，克服了 原测量机不能测量谐波的不足 7 3 j 。青岛高校软控股份有限公司还对轮胎不圆度的 测量方法等相关内容申请了专利【_ 7 4 】。 1 4 本课题的研究内容 8 本课题来源于山东大学与青岛双星集团橡胶机械有限公司合作的“载重轮胎 第1 章绪论 质量在线检测系统 合作项目，课题围绕载重轮胎质量在线检测，主要是对轮胎 的动平衡和不圆度这两项衡量轮胎质量的技术指标进行测量。测量项目包括：轮 胎上下面的动不平衡量及其角度、静合成不平衡量及其角度、力偶不平衡量及其 角度、上下面动不平衡量之和、侧向凸凹低点和径向不圆度一次谐波及角度等。 “载重轮胎质量在线检测系统”整机设备包括机械部分结构设计、上位机测 量解算与信息管理系统、下位机p l c 控制系统设计三大部分。双方进行整体测量 方案的总体设计，对于机械系统的结构设计与制造由合作厂商承担，其余由我方 负责完成。上位机控制系统的工作主要是对采集到的数据进行解算分析以求出系 统的不平衡量和不圆度，并对测量数据信息存储、分析和汇总管理报表等；下位 机的工作则是对系统的动作逻辑进行可靠控制以及伺服运动控制；上、下位机之 间要求能够进行信息交互与通信。本文重点放在下位机控制方面，研究内容如下： ( 1 ) 载重轮胎动平衡测试系统测量原理与算法研究，构建“轮胎一轮辋一 主轴系”动力学模型，研究相关的不平衡量测试算法、参数标定原理、系统偏心 补偿原理等。 ( 2 ) 研究不圆度的测量方法，构建不圆度的测控系统。 ( 3 ) 研究动平衡、不圆度全自动在线精确测试的实现方案及评判测试质量 的关键技术。开发基于给定机械系统结构下测量工艺流程的动作实现程序、人机 接口程序、伺服运动控制程序以及智能故障诊断与报警程序等。 ( 4 ) 系统的硬件设计。根据机械结构、工艺流程和控制要求，构建系统的 硬件组态。根据实际所需的i o 点数、控制规模和控制精度选择性价比合适的元 器件。 ( 5 ) 系统的软件开发。运用三菱编程软件g x d e v e l o p e r 和m t - d e v e l o p e r 编写系统的p l c 系统监控程序、伺服运动控制s f c 程序、系统故障诊断与报警 程序等；运用三菱触摸屏软件工具g t - d e s i g n e r 开发各种操作模式下的人机接口 界面；运用g x - c o n f i g u r a t o r - q p 和m r c o n f i g u r a t o r 设置并优化伺服参数等。 ( 6 ) 系统量标定方法、偏心补偿方法和零校正方法研究以及系统实现的关 键技术研究。 ( 7 ) 系统样机试制、现场调试及实际反复测试基础上对系统稳定运行考核。 9 第2 章载重轮胎质量在线检测系统的测量原理 第2 章载重轮胎质量在线检测系统的测量原理 2 1 轮胎动平衡的概念与平衡原理 2 1 1 不平衡量的产生和影响 根据牛顿运动定律可知，物体在做匀速旋转运动时，其内部的各个质点会产 生离心力并形成离心惯性力系。如果该物体的质量分布相对于旋转轴均匀，那么 各质点所受的离心力也将相对于旋转轴对称分布，根据力学原理中任一力系向一 点简化的原理，无论在旋转状态或是不旋转状态，该物体支撑轴所受的离心力系 的合力为零，不会对轴承产生动压力，