基于LabVIEW的同步器試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)

米 林，袁曉晨，譚 偉

(重慶理工大學(xué)汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

變速器作為汽車傳動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，其性能好壞直接影響汽車的動(dòng)力性、安全性和乘坐舒適性。因此，變速器質(zhì)量的提升對(duì)汽車質(zhì)量的提升有重大影響［1］。

同步器是變速器的核心零件之一，可避免換擋時(shí)花鍵齒間的沖擊，且使換擋快速準(zhǔn)確，從而提高齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的平均壽命［2］。因此，同步器性能的好壞可以決定變速器換擋性能的好壞，其使用壽命的長(zhǎng)短可以影響變速器使用壽命的長(zhǎng)短［3］。

汽車是一個(gè)由許多零部件組成的復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。由于汽車機(jī)械系統(tǒng)的復(fù)雜性和同步器工作過程的復(fù)雜性，同步器工作過程尚不能通過理論計(jì)算或者仿真的手段來進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，只有通過試驗(yàn)的手段才可得到更貼近實(shí)際情況的結(jié)果。因此，開發(fā)一套同步器性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)及原理

同步器試驗(yàn)臺(tái)由主驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)整車慣量飛輪旋轉(zhuǎn)，并通過主軸、傳動(dòng)軸將整車慣量傳遞到同步器安裝箱中的同步器上，從而模擬主軸轉(zhuǎn)速和整車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。根據(jù)不同的換擋擋位的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量來調(diào)整安裝第一、第二慣量飛輪的大小，第一、第二驅(qū)動(dòng)電機(jī)根據(jù)不同的換擋擋位調(diào)整轉(zhuǎn)速，從而模擬2個(gè)擋位齒輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

本試驗(yàn)裝置通過具有上述結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)同步器，能模擬同步器在相鄰兩擋換擋過程中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及輸入轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了一次安裝就可完成相鄰兩擋同步環(huán)的測(cè)試，效率更高。試驗(yàn)結(jié)構(gòu)臺(tái)見圖1。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，通過油缸的前進(jìn)與后退來控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的掛擋、摘擋動(dòng)作。液壓系統(tǒng)壓力的大小決定換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)換擋力的大小，油缸的運(yùn)動(dòng)速度決定機(jī)械手的換擋速度。

為滿足同步器試驗(yàn)臺(tái)的需求，考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的穩(wěn)定性和測(cè)控系統(tǒng)的兼容性，選擇ABB公司QABP系列的變頻調(diào)速三相異步電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，型號(hào)為 280S4A，160M4A;額定電壓為3AC380V;額定功率75 kW，11 kW;額定轉(zhuǎn)速為1480 r/min，1460 r/min;額定轉(zhuǎn)矩為 478 N·m，70 N·m。

2 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在試驗(yàn)過程中，測(cè)控系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)采集，包括換擋位移、潤滑油油溫、同步扭矩、轉(zhuǎn)速、換擋力、軸向力等同步器的各項(xiàng)參數(shù)。通過這些數(shù)據(jù)來分析同步器的性能。測(cè)控系統(tǒng)還將控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、換擋力、換擋位移和潤滑油油溫等參數(shù)，這樣可以在不同的條件下對(duì)同步器試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制［4］。

測(cè)控系統(tǒng)主要由變頻器、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、PLC和各種傳感器組成(見圖2)。測(cè)量控制室主要放置工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和控制操作平臺(tái);現(xiàn)場(chǎng)控制部分主要放置PLC、變頻器和數(shù)據(jù)采集卡等。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)原理圖及布局

測(cè)控系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為中心，共有2路信號(hào)進(jìn)行傳遞［5］。

第1路是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。溫度傳感器測(cè)得的溫度信號(hào)、編碼器測(cè)得的轉(zhuǎn)速信號(hào)、位移傳感器測(cè)得的位移信號(hào)及拉壓力傳感器測(cè)得的力信號(hào)傳給數(shù)據(jù)采集卡，然后數(shù)據(jù)采集卡將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后傳遞給工控機(jī)進(jìn)行處理、顯示。

第2路是對(duì)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行控制。工控機(jī)和PLC之間通過Profinet通訊協(xié)議進(jìn)行通訊。試驗(yàn)員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和試驗(yàn)樣件的需求通過工控機(jī)向PLC發(fā)出控制命令，PLC對(duì)變頻器進(jìn)行控制，從而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速等。PLC同時(shí)控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位移、換擋力。

該試驗(yàn)臺(tái)需采集轉(zhuǎn)速、溫度、力、位移等信號(hào)，需選購的傳感器包括編碼器、溫度傳感器、拉壓力傳感器、位移傳感器等。傳感器具體選用情況如下:

編碼器:驅(qū)動(dòng)變頻電機(jī)由變頻器進(jìn)行實(shí)時(shí)精確控制，這就需要得到電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速信號(hào)。本試驗(yàn)臺(tái)選用倍加福(P+F)增量式編碼器，型號(hào)為RHI58N，這種增量型編碼器的兼容性好。

溫度傳感器:在試驗(yàn)過程中，為準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)變速器油液溫度，需使用溫度傳感器。該試驗(yàn)臺(tái)選用鉑測(cè)溫電阻Pt100，三線制接口。

根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)原理可知數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要對(duì)3路轉(zhuǎn)速信號(hào)、1路溫度信號(hào)，1路位移信號(hào)、3路拉壓力信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集?？紤]和工控機(jī)系統(tǒng)的兼容性等因素，分別選用研華公司生產(chǎn)的一塊脈沖計(jì)數(shù)卡PCI－1780U用于對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集，一塊A/D轉(zhuǎn)換卡PCI－1711用于對(duì)溫度、拉壓力、位移信號(hào)的采集。

PCI－1711數(shù)據(jù)采集卡是研華公司開發(fā)的一款PCI總線多功能卡。該數(shù)據(jù)采集卡擁有功能多、成本低等特點(diǎn)。PCI－1711數(shù)據(jù)采集卡具有16通道單端模擬輸入，而且每個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換精度是12位，采樣頻率最高可達(dá)100 kHz。該型號(hào)數(shù)據(jù)采集卡完全可以滿足對(duì)換擋力、潤滑油溫度、同步位移等數(shù)據(jù)的檢測(cè)要求。而且數(shù)據(jù)采集卡自帶了LabVIEW的驅(qū)動(dòng)程序，在LabVIEW平臺(tái)中可以直接調(diào)用驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)。

PCI－1780U數(shù)據(jù)采集卡是研華公司生產(chǎn)的PCI總線計(jì)數(shù)卡。該數(shù)據(jù)采集卡擁有8個(gè)獨(dú)立16位計(jì)數(shù)器和8個(gè)可編程時(shí)鐘源，擁有最高20 MHz的輸入頻率，完全可以滿足轉(zhuǎn)速的測(cè)量要求。

本試驗(yàn)臺(tái)的輸入量和輸出量都比較少，而且對(duì)試驗(yàn)設(shè)備的控制要求相對(duì)簡(jiǎn)單，通信網(wǎng)絡(luò)并不復(fù)雜，因此可以選用相對(duì)簡(jiǎn)單的PLC模塊，只需選用電源模塊、CPU模塊、信號(hào)模塊和接口模塊即可。本試驗(yàn)選擇的CPU模塊是西門子S7－300系列的CPU315－2PN/DP。

3 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)是試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵部分，軟件則是測(cè)控系統(tǒng)的靈魂。本試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，以LabVIEW虛擬儀器為開發(fā)平臺(tái)。

LabVIEW是一種用圖形化編程語言代替文本編程語言的應(yīng)用程序。與基于文本的程序語言相比具有簡(jiǎn)單、易學(xué)、可以模塊化編程的特點(diǎn)。Lab-VIEW程序被稱為虛擬儀器，這是因?yàn)樗暮芏嘟缑婵丶筒僮鞣椒ǘ寄M了現(xiàn)實(shí)世界中的儀器。LabVIEW還包含了大量的用于數(shù)據(jù)采集、顯示、分析與儲(chǔ)存的工具和函數(shù)［6－8］。

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)軟件分為上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件和下位機(jī)控制軟件。工控機(jī)(上位機(jī))采用LabVIEW軟件對(duì)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，主要負(fù)責(zé)控制參數(shù)的設(shè)定和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、顯示、分析和存儲(chǔ)等;下位機(jī)控制軟件主要負(fù)責(zé)變頻器、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)和各種開關(guān)的控制，是現(xiàn)場(chǎng)控制的核心部分。試驗(yàn)管理軟件系統(tǒng)框架見圖3。

同步器試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試過程共分測(cè)試前數(shù)據(jù)設(shè)置、測(cè)試和測(cè)試后數(shù)據(jù)處理3個(gè)階段。測(cè)試前數(shù)據(jù)設(shè)置階段主要包括對(duì)傳感器的標(biāo)定和參數(shù)配置;測(cè)試階段的主要工作是對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制和數(shù)據(jù)的采集;測(cè)試后數(shù)據(jù)處理階段主要包括數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和處理等功能［9］。

圖3 試驗(yàn)管理軟件系統(tǒng)框架

傳感器的標(biāo)定:對(duì)位移、力、轉(zhuǎn)速和溫度等傳感器系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，目的是對(duì)傳感器進(jìn)行校核，以保證試驗(yàn)臺(tái)的檢測(cè)精度。

參數(shù)配置:對(duì)同步器兩擋齒輪轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩及功率的設(shè)定，目的是設(shè)定實(shí)驗(yàn)的加載量。每次試驗(yàn)前試驗(yàn)員要根據(jù)測(cè)試樣件的規(guī)格進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置工作。通過這種方式來確保測(cè)試程序在檢測(cè)不同的樣件時(shí)都能正確地進(jìn)行測(cè)試工作，從而提高試驗(yàn)效率。

數(shù)據(jù)處理:同步器試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試軟件對(duì)濾波實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理。

測(cè)控系統(tǒng)軟件主界面(圖4)包括試驗(yàn)登錄、試驗(yàn)人員管理、參數(shù)設(shè)置、測(cè)試、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等6個(gè)模塊。測(cè)控系統(tǒng)軟件主界面簡(jiǎn)潔大方，操作簡(jiǎn)便，具有很好的人機(jī)交互性。

圖4 測(cè)控系統(tǒng)軟件主界面

進(jìn)入該測(cè)控軟件主界面后，為了保證試驗(yàn)安全，試驗(yàn)人員需要點(diǎn)擊試驗(yàn)登錄，輸入程序已經(jīng)存儲(chǔ)的用戶名和密碼，登錄成功后才能進(jìn)行試驗(yàn)。為方便試驗(yàn)人員的管理以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，在試驗(yàn)管理模塊中，驗(yàn)證為管理員的用戶可以對(duì)試驗(yàn)人員進(jìn)行添加和刪除。試驗(yàn)登陸后，需按照相應(yīng)的變速器臺(tái)架試驗(yàn)規(guī)范對(duì)試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。此時(shí)，點(diǎn)擊“測(cè)試”，即可進(jìn)入測(cè)試界面，開始試驗(yàn)。

測(cè)控系統(tǒng)主程序界面(圖5)從功能上分為3個(gè)部分。最左面是一系列同步器性能試驗(yàn)時(shí)需要的各種功能按鈕，點(diǎn)擊后進(jìn)入?yún)?shù)配置、數(shù)據(jù)查詢和報(bào)表生成等界面。中間是試驗(yàn)臺(tái)控制部分，控制各種驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩和換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。最右側(cè)是試驗(yàn)臺(tái)檢測(cè)部分。檢測(cè)量就是試驗(yàn)臺(tái)需要測(cè)試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，即轉(zhuǎn)速、潤滑油溫度、換擋位移和換擋力等。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)主程序界面

4 試驗(yàn)結(jié)果

在同步器性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)同步器進(jìn)行換擋性能試驗(yàn)，同時(shí)實(shí)時(shí)采集換擋過程中的換擋力。從圖6可以看出同步器換擋階段產(chǎn)生了2個(gè)波峰:第1個(gè)波峰對(duì)應(yīng)同步器二次撥環(huán)的力，沖擊力度不大，僅使換擋力有輕微的振蕩;第2個(gè)波峰處換擋力出現(xiàn)回落的情況，這是由撥轉(zhuǎn)的階躍振動(dòng)引起的，系統(tǒng)振動(dòng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)對(duì)同步器形成激振。由圖6可知:采集的數(shù)據(jù)符合理論分析結(jié)果，能夠完成同步器性能測(cè)試試驗(yàn)。

圖6 換擋力曲線

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了同步器性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和測(cè)控系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)。該同步器性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)是一次安裝就可完成相鄰兩擋同步環(huán)的測(cè)試，效率更高，并且能實(shí)時(shí)測(cè)得同步器換擋過程中的各項(xiàng)參數(shù)，自動(dòng)化程度較高，應(yīng)用前景廣闊。

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