刹车片内部缺陷检测装置的设计

2021年10月24日汽车技术评论1,377阅读模式

摘要：针对刹车片内部缺陷检测困难问题，根据刹车片通常出现的内部缺陷形式，对检测装置的整体结构进行了设计。整体包括刹车片的输送、检测、分类三部分，用柔性链板作为输送部分的传送带，检测部分中电极贴片感应刹车片位置，电磁铁释放小锤完成敲击动作，麦克风收集声音进行处理检测，控制筛选机构中的电机，将良好、缺陷的刹车片导入不同的滑道分拣出来。该装置中各部分分工明确、相互配合，实现刹车片从输送到分拣的自动化控制，可实现刹车片内部缺陷检，根据数据验证检测效率有较大提高。

引言

刹车系统是汽车的安全保障，而刹车片又是刹车系统中的关键部件，刹车片是由多种化学物质混合好后倒入模具重压成型的，在制作的过程中难免会出现气泡、裂纹和分层等现象[1]，直接影响刹车片的使用效果，为了剔除不合格的刹车片，一般采用人工敲击听声音的方法来辨别刹车片是否合格，这种方法不仅效率低，而且对工人的技术要求高，刹车片的检测仅仅依靠人工敲击，已经不能满足市场的需求了[2]。针对上述问题，本文设计了一套能代替人工且分拣准确率高的刹车片内部缺陷检测装置。

1 检测装置总体结构的设计

机械装置的总体设计是以检测、分类为目的，协调装置各部分有序运转，实现刹车片的自动运输、检测、筛选剔除等步骤。通过传送带输送刹车片，实现刹车片定位，保证刹车片的持续稳定输送；进入敲击检测部分，能够自动检测刹车片的位置并迅速响应自动敲击，通过数据采集系统采集敲击信号，并将声音信号转化为可微处理器处理的数字信号，根据实验得到的判定方法对刹车片内部缺陷进行准确判定[3]；设计筛选剔除机构将存在缺陷的刹车片进行准确剔除，实现良好和缺陷刹车片分类，结构如图1所示。

该模型样机主要包括9大部分。传感器主要为接触开关和金属传感器(电感式接近开关)，分别位于敲击支架和筛选机构面上。工作流程：将刹车片置于传送带低位挡板前面，由低位挡板定位并拖拽刹车片运动，驱动电机带动传送带运动将刹车片拖拽到敲击检测平台，当光电传感器准确检测到刹车片置于敲击平台的敲击位置，电磁铁控制开关自动断电，敲击锤在重力作用下下落实现敲击过程，同时声音采集麦克风采集敲击声音信号导入计算机进行信号分析[4]，判断刹车片是否存在内部缺陷，记录每一片刹车片的缺陷信息，传送带继续运动，传动带高位挡板将敲击平台的刹车片拖拽下平台由传动带带入筛选机构，刹车片滑落进筛选机构由筛选挡板将刹车片分类到良好和缺陷两个通道，最终实现刹车片分类，具体流程如图2所示。

1. 传送带支架 2. 柔性链板传送带 3. 刹车片 4. 声音采集麦克风 5. 敲击检测平台 6. 驱动电机 7. 变速箱 8. 筛选机构 9. 筛选挡板机构
图1 装置整体图

图2 工作流程图

2 传送带设计

传送带的种类很多，一般分为具有牵引件的传送带设备和没有牵引件的传送带设备，具有牵引件的传送带种类较多，包括：带式、板式、小车式、刮板、斗车、悬挂等，自动扶梯和自动人行道也归于此类；没有牵引件的传送带设备常见的即为辊子输送机。根据本文的设计要求本文选用新型的柔性链板传送带，具体结构如图3所示。

图3 传送带三视图

塑料链板种类有很多，其材质主要有塑钢ACETAL、聚丙烯、PP、聚乙烯等，具有高强度、耐酸、盐、碱等，形状多种多样，可加挡板，提升角度大。本文使用的基础链板如图4所示，基础链板是传送带中最多的类型，与其他几种链板组合成链板模块，链板与链板之间通过不锈钢销轴连接[5]，如图5所示。

图4 基础链板

1. 不锈钢销轴 2. 基础链板 3. 高位链板 4. 定位链板 5. 低位链板
图5 链板模块

低位链板、定位链板、高位链板分别起到不同的作用，在传送带运动时，通过低位链板拖拽刹车片运动并固定刹车片位置，防止滑动，表面斜坡是使刹车片形成倾斜角度便于进入敲击平台；高位链板和定位链板的作用是当敲击完成后通过高位链板将敲击平台上的刹车片推下来重新放置于定位链板上[6]，并形成一定倾斜角度角度以便于进入下一步筛选机构。刹车片在敲击前后在传送带上的位置状态如图6所示。

图6 刹车片状态

3 敲击平台设计

敲击平台的目的是获取每一片刹车片的敲击声音信号，并能在长时间内连续不断实现敲击，本文设计的敲击平台结构如图7所示。

1.声音采集麦克风 2.刹车片 3.锤头 4.锤柄 5.电磁铁 6.定位支架 7.横梁 8.滑轨
图7 敲击平台

横梁可以在滑轨上移动调整敲击锤的前后敲击位置，三个螺栓分别用来固定定位支架和横梁位置。

敲击平台的工作过程为：传送带将刹车片输送到敲击平台上，当刹车片完全置于支架上的时候，通过支架上的金属贴片发出信号控制电磁铁短暂断电。电极贴片的安装位置如图8所示。然后，接通麦克风采集声音信号，此时敲击锤因重力自然落下完成敲击，然后电磁铁重新通电吸起锤柄实现复位[7]，传送带继续运动使得高位链板将敲击支架上的刹车片重新推落到传动带上，刹车片状态如图6所示，完成整个敲击过程，此设计的优点是整个敲击过程中传送带不需要停止等待，提高工作效率。

图8中，A、B、C、D为金属贴片，作为电极接入电路，刹车片钢背为金属材质，当置于敲击支架会导通电路，起到接触开关的作用。

图8 金属贴片

敲击锤由锤柄和锤头组成，通过锤柄前端的螺纹连接，如图9所示，更换不同锤头可以达到改变敲击力度的目的，锤柄固定端近端有用作电磁铁吸引的基座。

图9 敲击锤

4 筛选机构设计

筛选机构是整个检测设备的最后部分，如图10所示，设计的筛选机构为1、2两个滑道，左侧为缺陷，右侧为良好，通过分析刹车片敲击后的声音信号，判断刹车片是否存在内部缺陷，检测后的刹车片进入筛选机构滑道，金属传感器(电感式接近开关)感应到刹车片进入，步进电机执行动作移动筛选挡板将刹车片导入相对应的滑道。

1.金属传感器 2.筛选挡板 3.步进电机 4.步进电机支架

图10 筛选机构

筛选机构用到的金属传感器即为电感式接近开关，将其接入电路，当金属对象进入检测区域，传感器即发出相应的指令，指示系统执行下一动作。

5 实验验证

为了验证装置的准确性和工作效率，选用26片刹车片，其中良好个数为13片，缺陷个数为13片，分别由该装置和有经验的工人进行检测，对两种形式检测结果的效率和准确率进行了对比。

利用具有自适应能力的变分模态分解理论对声音信号进行分解[8-9]，提取分解后的信号特征，然后用K近邻分类模型作为分类器[10]，在MATLAB智能分类算法程序中，两种分类情况赋予分类标签0,1,1代表良好，0代表缺陷，测试的结果如图11所示。

图11 准确率测试结果图

为了验证该装置的稳定性，对该组刹车片进行了三次测试，分别对工作用时和分类准确率做了统计，然后与人工检测的结果进行对比，详细结果如表1所示。

表1 装置和人工检测准确率和耗时的对比

6 结论

本文主要对检测装置的整体结构进行了设计，实现刹车片自动敲击检测，介绍部分主要结构的特点，使用柔性链板传动带运输刹车片，将刹车片顺利载入敲击检测平台，经过系统对敲击信号的判断，通过筛选机构将刹车片分为缺陷和良好两类，最终实现刹车片有无缺陷分类的自动化，有效代替人工，通过数据对比，机械装置的检测准确率稳定、耗时短，检测效率提高了一倍，为刹车片内部缺陷检测装置的设计提供了可靠参考。

作者：王峰，隋文涛，张洪波，金亚军，袁林，粱钊

山东理工大学机械工程学院