基于PAC的汽車變速器換擋試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

米 林，吳 俊，譚 偉

(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)

變速器是汽車傳動(dòng)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，其性能直接影響整車的動(dòng)力性和可靠性。對(duì)變速器零部件性能、壽命進(jìn)行測(cè)試是每個(gè)廠家及質(zhì)檢部門必須經(jīng)歷的環(huán)節(jié)［1］。

變速器換擋試驗(yàn)是檢測(cè)變速器性能必不可少的流程。在傳統(tǒng)的換擋實(shí)驗(yàn)中，選擋、換擋的動(dòng)力來(lái)源是人，不僅效率低，而且不同人的操作方式和習(xí)慣不一樣，對(duì)選換擋力、位移的把握都不同，直接影響了對(duì)變速器換擋品質(zhì)的客觀評(píng)價(jià)［2］。因此，需要一套精度高、可靠性強(qiáng)、智能化的測(cè)控系統(tǒng)來(lái)保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

通過(guò)對(duì)國(guó)外試驗(yàn)臺(tái)的借鑒和研究，結(jié)合虛擬儀器開(kāi)發(fā)了基于PAC的變速器換擋試驗(yàn)臺(tái)架。試驗(yàn)臺(tái)采用氣壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)換擋機(jī)械手，用PAC實(shí)時(shí)采集換擋位移、換擋力、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩等多項(xiàng)參數(shù)，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳送至操作員站。操作員負(fù)責(zé)試驗(yàn)臺(tái)的控制管理、了解其運(yùn)行狀態(tài)。

1 測(cè)試原理及機(jī)械結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括變頻電機(jī)、慣量飛輪、選換擋機(jī)械手、被試變速器和萬(wàn)向節(jié)等。試驗(yàn)臺(tái)的主要功能是模擬實(shí)際工況來(lái)測(cè)試變速器的換擋性能。變頻電機(jī)是整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力部分，它主要模擬實(shí)際工況下?lián)Q擋時(shí)的車速。慣量飛輪的作用是模擬行駛中整車的慣量。慣量盤模擬汽車行駛中發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。選換擋機(jī)械手模擬行駛中變速器的換擋，選擋機(jī)械手由交流伺服電機(jī)和絲杠組成，通過(guò)力矩和位置的混合控制實(shí)現(xiàn)選擋力、選擋速度、選擋位置的精確可調(diào)。換擋機(jī)械手采用氣壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)具有運(yùn)動(dòng)速度快、可壓縮和抗沖擊的特性，與人肌肉的彈性和柔順性比較吻合。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器采集變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)RS232C總線將數(shù)據(jù)傳給PAC進(jìn)行轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制，試驗(yàn)臺(tái)的單參數(shù)換擋信號(hào)也是轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)過(guò)程中，主要采集轉(zhuǎn)速(車速)、選換擋力、選換擋位移等參數(shù)來(lái)作為換擋品質(zhì)的評(píng)價(jià)依據(jù)。

圖1 變速器換擋試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用PAC+PC分級(jí)分布式控制形式。研華的ADAM-5550KW系列PAC具有獨(dú)特的雙CPU架構(gòu):上層的AMD GeodeTM GX533M CPU功能強(qiáng)大，具有HMI軟件功能、數(shù)據(jù)庫(kù)功能以及強(qiáng)大的運(yùn)算能力等;下層的 ARM7 CPU負(fù)責(zé)底層I/O模塊的操作和控制，保證I/O端口的實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、可靠操作［3］。ADAM-5017H8通道高速模擬信號(hào)輸入模塊，用來(lái)采集離合器位移，選換擋位移、力等模擬量信號(hào)。AMONet運(yùn)動(dòng)控制模塊可實(shí)現(xiàn)離合器作動(dòng)器、選換擋機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制。PAC和變頻器之間通過(guò)Modbus總線進(jìn)行通信。將工業(yè)平板電腦連接至PAC，利用PAC內(nèi)置的測(cè)控軟件可在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行試驗(yàn)臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)操作的優(yōu)先級(jí)高于測(cè)控室內(nèi)的操作。當(dāng)工作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和測(cè)試時(shí)，測(cè)控室內(nèi)的工控機(jī)只能實(shí)時(shí)監(jiān)控，不能操作。

工控機(jī)選用研華公司的IPC-610H，配以工業(yè)以太網(wǎng)卡MIC2660;人機(jī)界面采用三星17寸液晶顯示器，主要負(fù)責(zé)聯(lián)網(wǎng)、流程顯示、數(shù)據(jù)和圖表的處理［4］。通過(guò)Modbus TCP/IP協(xié)議和PAC實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

3 試驗(yàn)臺(tái)軟件系統(tǒng)

該測(cè)控系統(tǒng)的軟件分為上位機(jī)監(jiān)控軟件和PAC測(cè)試控制軟件。上位機(jī)軟件操作界面截圖如圖3所示，軟件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)速、擋位、選換擋力、位移等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行整理和趨勢(shì)分析等;圍繞試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警、保護(hù)等輔助功能。軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司的虛擬儀器開(kāi)發(fā)軟件LabView［5］。LabView沒(méi)有常規(guī)儀器的控制面板，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖形用戶界面(GUI)，采用可視化的圖形編程語(yǔ)言，在計(jì)算機(jī)屏幕上建立圖形化的軟面板來(lái)替代傳統(tǒng)儀器面板。在操作時(shí)，用戶通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤操作軟面板來(lái)檢驗(yàn)儀器的通信和操作。下位機(jī)PAC運(yùn)行的是WinCE 5.0操作系統(tǒng)，采用基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)軟件 KW-Multiprog進(jìn)行開(kāi)發(fā)，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)完成設(shè)定的試驗(yàn)［6］。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)操作界面圖

如圖4所示，上位機(jī)軟件主要由系統(tǒng)登錄、試驗(yàn)管理、歷史數(shù)據(jù)查詢、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、新建試驗(yàn)和報(bào)警監(jiān)控等部分組成。系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫(kù)的形式存儲(chǔ)用戶信息，如用戶信息匹配則登錄系統(tǒng)，才可使用軟件提供的各項(xiàng)功能，否則不能進(jìn)入該軟件系統(tǒng)。用戶信息匹配成功后可進(jìn)入試驗(yàn)管理模塊，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。管理員可以動(dòng)態(tài)刪除不用的數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以對(duì)試驗(yàn)信息進(jìn)行管理。在歷史數(shù)據(jù)查詢時(shí)可以以圖表和報(bào)表2種方式顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用戶只需選擇相應(yīng)的試驗(yàn)名稱即可動(dòng)態(tài)載入試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該模塊同時(shí)具有圖表和報(bào)表打印功能。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊的主要作用是設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)(如采樣周期、報(bào)警參數(shù)閾值、通信參數(shù)等)。新建試驗(yàn)?zāi)K需要用戶輸入試驗(yàn)編號(hào)、試驗(yàn)地點(diǎn)、試驗(yàn)人員等信息，系統(tǒng)確認(rèn)后進(jìn)入變速器性能試驗(yàn)?zāi)K，同時(shí)將所填寫的試驗(yàn)信息錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，創(chuàng)建試驗(yàn)數(shù)據(jù)表。

圖4 上位機(jī)軟件系統(tǒng)框架

3.1 報(bào)警監(jiān)控

報(bào)警監(jiān)控模塊提供兩級(jí)報(bào)警保護(hù)機(jī)制。使用人員通過(guò)預(yù)設(shè)報(bào)警參數(shù)來(lái)控制報(bào)警，在測(cè)量參數(shù)到達(dá)第1級(jí)報(bào)警值時(shí)，通過(guò)燈光、字體反色等方法提示使用者系統(tǒng)已進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)。使用者這時(shí)可以采取相應(yīng)的措施來(lái)解除報(bào)警。當(dāng)測(cè)量參數(shù)到達(dá)第2級(jí)保護(hù)值時(shí)，將自動(dòng)按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)程序采取相應(yīng)的保護(hù)措施(如降低轉(zhuǎn)速、停車等)，同時(shí)通過(guò)燈光、字體反色等方法提示使用者系統(tǒng)已進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。系統(tǒng)還提供機(jī)械、電氣、控制等3方面的聯(lián)鎖保護(hù)，實(shí)現(xiàn)在故障等特殊情況下對(duì)系統(tǒng)重要部分和測(cè)試人員的保護(hù)。

3.2 自動(dòng)換擋的實(shí)現(xiàn)

本試驗(yàn)臺(tái)主要測(cè)試變速器的選換擋性能，故采用較簡(jiǎn)單的單參數(shù)(轉(zhuǎn)速)的換擋規(guī)律［7］。當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)速范圍時(shí)，發(fā)出換擋命令，PAC將讀取的當(dāng)前擋位和程序設(shè)定的擋位進(jìn)行比較。如果兩者擋位相同則直接退出換擋程序;若不一樣，則執(zhí)行選擋、換擋操作。在選換擋過(guò)程中，利用位移傳感器來(lái)檢測(cè)擋位位置，不同的擋位分別對(duì)應(yīng)不同的位移值，這樣就能確定實(shí)際是哪個(gè)擋位。換擋操作和選擋操作工作方式一樣，也是利用位移傳感器來(lái)確定是否換擋到位［8］。

如圖5所示，選換擋操作包括離合器分離、選擋、選擋到位、換擋、換擋到位、離合器接合等一系列步驟。每一個(gè)動(dòng)作命令的發(fā)出都要驗(yàn)證其條件是否滿足，以確保安全。程序具有換擋失敗報(bào)警功能。當(dāng)換擋操作失敗時(shí)，換擋失敗次數(shù)累加1，然后繼續(xù)執(zhí)行換擋操作，如此循環(huán)。若失敗次數(shù)累加到超過(guò)預(yù)設(shè)次數(shù)時(shí)，程序發(fā)出警報(bào)并且停機(jī)等待。

圖5 自動(dòng)換擋流程

4 DCS集散控制系統(tǒng)

變速器臺(tái)架試驗(yàn)主要包括變速器傳動(dòng)效率試驗(yàn)、疲勞壽命試驗(yàn)、換擋性能試驗(yàn)、同步器壽命試驗(yàn)及變速器噪聲測(cè)試等［9］。為了實(shí)現(xiàn)“集中監(jiān)測(cè)，分散控制”的設(shè)計(jì)思想，整個(gè)試驗(yàn)中心采用圖6所示的集散控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)分為3個(gè)部分:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、控制管理層和信息管理層。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層由現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)組成，是DCS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，直接面向生產(chǎn)過(guò)程。由于其特殊的工作環(huán)境，現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)必須具有較高的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性。現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)多是指各種總線的集合。目前總線種類繁多，標(biāo)準(zhǔn)不一，主要以485總線、CAN總線、Profibus總線、Modbus總線為主流，各種總線并存。

控制管理層由工業(yè)以太網(wǎng)組成，將上位機(jī)等監(jiān)控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，主要負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層控制節(jié)點(diǎn)上傳的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。對(duì)于測(cè)試環(huán)境比較惡劣的，這一層的設(shè)置尤為重要。本系統(tǒng)采用的是基于Modbus TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)，利用傳統(tǒng)通信以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)介入控制管理層勢(shì)必成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

信息管理層采用普通的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，將其通過(guò)網(wǎng)關(guān)和控制網(wǎng)絡(luò)連接，使得企業(yè)高層能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)時(shí)時(shí)掌管，有利于高層的調(diào)度和統(tǒng)籌安排。在信息管理層中融入底層的生產(chǎn)信息可作為科學(xué)管理、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要手段［10］。

圖6 集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了某型汽車變速器換擋試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了其機(jī)械結(jié)構(gòu)和軟硬件結(jié)構(gòu)，并介紹了某齒輪廠測(cè)控中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該試驗(yàn)臺(tái)有以下優(yōu)點(diǎn):自動(dòng)化程度好，系統(tǒng)測(cè)試控制精度較高;人機(jī)界面友好，減輕了工作人員的負(fù)擔(dān);用PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)換擋和轉(zhuǎn)速的精確控制;可方便地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和測(cè)控室監(jiān)控。

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