汽車空調(diào)控制面板綜合檢測系統(tǒng)研究

回 春,田韶鵬,徐達偉

(1.武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

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汽車空調(diào)控制面板綜合檢測系統(tǒng)研究

回 春1,2,田韶鵬1,2,徐達偉1,2

(1.武漢理工大學 現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 汽車零部件技術湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430070)

基于VC++軟件開發(fā)平臺，設計了汽車空調(diào)控制面板綜合檢測系統(tǒng)試驗臺。介紹了試驗臺檢測系統(tǒng)基本結構，主要包括旋鈕、撥桿、按鈕3個檢測系統(tǒng)的結構，說明了其測試工作原理、控制系統(tǒng)軟硬件的詳細情況、控制流程，以及檢測系統(tǒng)的測試過程。針對某類型空調(diào)控制面板樣件的旋鈕、撥桿、按鈕進行了測試。結果表明，該檢測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與實際操作時的情況吻合，可以滿足廠商對汽車空調(diào)面板的要求。

VC++軟件；空調(diào)面板；檢測系統(tǒng)

汽車空調(diào)由制冷系統(tǒng)、供暖系統(tǒng)、通風和空氣凈化裝置及控制系統(tǒng)組成，是提升汽車舒適性的主要總成之一。汽車空調(diào)面板作為人機交互界面是必不可少的。它直接關系到使用者在使用時的操作效率、準確性和穩(wěn)定性。空調(diào)面板上的旋鈕也是汽車上數(shù)量較多且使用較為頻繁的控制鍵，主要對溫度、風向和風量進行控制。

根據(jù)某汽車空調(diào)生產(chǎn)廠家對控制面板的需求，基于VC++軟件平臺，開發(fā)了汽車空調(diào)面板旋鈕檢測系統(tǒng)。其主要用于查找空調(diào)面板在生產(chǎn)過程中的缺陷，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，有效提高其操縱性能，保證產(chǎn)品的合格率。

1 試驗臺機構

1.1 機構整體設計

汽車空調(diào)控制面板檢測試驗臺主要由控制臺、試驗臺、電氣柜組成?？刂婆_是由電腦機箱和顯示器組成，同時連接著電氣柜中的數(shù)據(jù)采集板卡、電機控制卡。電氣柜是試驗臺的核心部分，由電源、信號處理模塊、電機控制模塊組成，它連接著試驗臺和控制臺，利用操作臺來控制測試臺運作。試驗臺由夾具、傳感器、電機、被測試元件等組成[1]，如圖1所示。

圖1 試驗臺的基本布置

試驗臺工作過程是：將待測面板裝夾好，裝夾臺和檢測裝置在同一基座上，通過調(diào)整夾具的傾角來確定待測面板的正確位置。利用該裝置來模擬該空調(diào)面板的實際工作狀況。

信號傳輸過程如圖2所示。首先，通過機械輪搖動，利用絲桿傳動來調(diào)整測試裝置在X、Y、Z方向的位置，使測試電機放置在正確位置，與待測面板銜接起來；然后，利用電機來驅動待測面板在一定范圍內(nèi)運動，實時顯示扭矩和角度；最后，觀察測試結果，并在軟件和硬件上同時顯示檢測結果。 測試工件發(fā)送以電壓形式來表達的信號(包括數(shù)字信號和模擬信號)，通過傳感器采集該信號，電路將該信號調(diào)整到設備所需要的電壓范圍，最后送到工控設備和反饋控制機構。

圖2 信號傳輸過程

圖3 旋鈕檢測系統(tǒng)結構

1.2 檢測系統(tǒng)工作原理

1.2.1 旋鈕檢測系統(tǒng)

旋轉檢測系統(tǒng)結構如圖3所示。其中，動態(tài)扭矩傳感器是專為測量動態(tài)扭矩、轉速和角速度設計的，具有精度高、抗干擾性強的優(yōu)點[2]。 首先，將聯(lián)軸器固定到電機軸上，再用螺栓支桿將電機固定到電機連接套上；其次，將已固定好軟管的半聯(lián)軸器固定到扭矩傳感器上，再將扭矩傳感器安裝座與電機連接套相連；然后，將軟管與電機上聯(lián)軸器固定，裝上扭矩傳感器安裝板；最后，安裝旋鈕夾具。

測試過程如下：將旋鈕夾具夾緊旋鈕，啟動檢測系統(tǒng)，當電機啟動時，帶動傳感器的軸轉動，即旋動旋鈕。旋動過程中，旋鈕的扭矩反饋到扭矩傳感器上，同時內(nèi)部發(fā)送出脈沖數(shù)，用得到的脈沖數(shù)來計算旋鈕轉過的相應角度。檢測系統(tǒng)將獲得的扭矩值與轉過的相應角度以圖形方式顯示。

1.2.2 按鈕檢測系統(tǒng)

按鈕檢測系統(tǒng)結構如圖4所示。按鈕檢測系統(tǒng)主要由步進電機、拉壓力傳感器、位移傳感器、電感型接近開關等組成。該系統(tǒng)是用來測試按鈕力與按鈕運動位移之間的關系。利用按鈕力與位移的關系可評價汽車空調(diào)面板中按鈕按鍵的性能。

圖4 按鈕檢測系統(tǒng)結構

測試過程如下：首先轉動手輪，調(diào)節(jié)按鈕測試機構的位置使按鈕處于待檢測位置。開始測試時，按鈕測試機構向前移動，待按鈕測試機構觸碰到按鈕，按鈕力從零逐漸增大，傳感器開始讀取數(shù)據(jù)，測得按鈕力與位移之間的關系。按鈕測試機構繼續(xù)運動，按鈕達到預先設定的力，電機反轉，測試機構往后運動，若撥桿未在設定位置停止，而是運動到極限位置，此時接近開關對步進電機進行保護，系統(tǒng)急停。

1.2.3 撥桿檢測系統(tǒng)

撥桿檢測系統(tǒng)結構如圖5所示。撥桿檢測系統(tǒng)主要由步進電機、壓力傳感器、位移傳感器、電感型接近開關等組成[3]。該系統(tǒng)用來測試撥桿推拉力與撥桿運動位移之間的關系。利用撥桿力和位移的關系可評價汽車空調(diào)面板中撥桿的性能。

圖5 撥桿檢測系統(tǒng)結構

測試過程如下：首先轉動手輪，使撥桿測試機構與汽車空調(diào)面板中撥桿相接觸。開始測試時，測試機構正向移動，傳感器開始讀取數(shù)據(jù)，測得撥桿位移與力之間的關系。撥桿繼續(xù)運動，若撥桿測試機構未在設定位置停止，而是運動到極限位置，則前接近開關對電機保護，系統(tǒng)急停；若撥桿測試機構正常運行，測試完成后，測試機構則反向運動，繼續(xù)測試，同反向一樣，若撥桿測試機構未在設定位置停止，此時接近開關對電機進行保護。

圖6 控制系統(tǒng)架構

2 檢測系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)架構

檢測系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要分為3個部分，數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)處理、程序界面，如圖6所示。其中數(shù)據(jù)采集包括電路信號和傳感器信號；數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)濾波、存儲、計算、統(tǒng)計、分析；程序界面利用VC++軟件中MFC制作程序界面，包括參數(shù)設置和數(shù)據(jù)顯示[4]。

控制過程如下：控制系統(tǒng)采集到由傳感器傳輸過來的信號，再經(jīng)過電路信號的處理，將信號送給數(shù)據(jù)采集卡[5]?？刂葡到y(tǒng)接受到數(shù)據(jù)采集卡各個端口的數(shù)據(jù)信號，由VC++軟件將數(shù)據(jù)處理后，通過數(shù)字和曲線將數(shù)據(jù)信號顯示出來。

2.2 控制系統(tǒng)硬件部分

試驗臺采用研華板卡PCI-1711L、PCI-1784數(shù)據(jù)采集卡和VC++軟件來共同控制步進電機，同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集[6]。其中，PCI-1711L多功能采集卡具有完善的數(shù)據(jù)采集與控制功能，擁有12位A/D轉換器，采樣速率可達100 kHz，16位模擬量輸入，16位數(shù)字量輸入及輸出。同時，還具有一系列針對VC++程序的端口，只需調(diào)用相應的函數(shù)便可實現(xiàn)。PCI-1784的4軸數(shù)據(jù)采集卡是根據(jù)光柵尺的使用要求和數(shù)量選定的。4位數(shù)字量輸入和4位數(shù)字量輸出擁有4個32位加/減計數(shù)器。

針對數(shù)字量信號采集所編寫的程序較簡單，直接在程序循環(huán)中調(diào)用函數(shù)打開采集卡，利用端口控制步進電機運行(類型/方向)，最后關閉采集卡；模擬量信號的采集首先要選定采集的通道，再將采集到的電壓信號轉化為所需要的模擬量。

該檢測系統(tǒng)主要用于測量旋鈕的扭矩。數(shù)據(jù)卡模擬量如表1所示。在測試中，PCI-1711L中數(shù)字量信號輸出主要用于控制步進電機的開關、運轉和方向。數(shù)據(jù)卡數(shù)字量端口如表2所示。

表1 數(shù)據(jù)卡模擬量

2.3 控制系統(tǒng)軟件部分

控制系統(tǒng)主要利用VC++軟件的MFC編寫。

表2 數(shù)據(jù)卡數(shù)字量端口

圖7 旋鈕測試控制系統(tǒng)界面

以旋鈕測試控制系統(tǒng)為例，其界面如圖7所示。旋扭測試控制系統(tǒng)主要包括測試按鈕命令欄A、實時圖形顯示欄B、產(chǎn)品信息欄C、當前數(shù)據(jù)顯示欄D和指示燈E。測試按鈕命令欄A主要是發(fā)出指令以使系統(tǒng)響應，如開始執(zhí)行或者結束；圖形顯示欄B是顯示根據(jù)角度和扭矩繪制的曲線，并將繪制的實際曲線與理想曲線對比；產(chǎn)品信息欄C是用來記錄當前產(chǎn)品的信息、型號；當前數(shù)據(jù)顯示欄D是顯示當前實時的數(shù)據(jù)，包括扭矩和角度，以方便操作人員觀察；指示燈E主要用來提示操作人員當前機器運行的狀態(tài)，更直觀地對整個操作過程進行提示。

2.4 控制過程流程圖

空調(diào)測試面板由3個電機測試組成，由于控制過程相似，因此主要介紹旋鈕檢測系統(tǒng)的控制流程圖，如圖8所示。

圖8 測試流程圖

首先，初始化系統(tǒng)，使旋鈕回到起始位置，接著正式開始測試；其次，正向旋轉旋鈕，同時測量旋鈕的角度和扭矩；再次，電機反方向測試，使旋鈕反向旋轉，同樣測量角度和扭矩；最后，反向測試完成，電機回位完成，關閉電機、切斷電源，同時，將測試數(shù)據(jù)和圖形保存在EXCEL中，測試結束。

3 測試結果分析

3.1 旋鈕測試結果分析

取某類型空調(diào)的面板進行旋鈕、按鈕、撥桿測試。用步進電機來代替“人手”的動作，進而對空調(diào)面板進行改進[7]。

通過對該類型空調(diào)面板的旋鈕進行測試，得到旋鈕力與角度的關系曲線。在分析數(shù)據(jù)過程中發(fā)現(xiàn)，旋鈕在正向運行時轉過270°；而當它逆向運行時，卻不是從270°位置開始記錄，而是存在滯后，大約是從269°開始，出現(xiàn)了大約1°的正反轉的角度偏差，如圖9所示。

圖9 旋鈕扭矩隨角度的變化關系曲線

出現(xiàn)1°偏差的原因有兩點：①在測試過程中，被測件的旋轉方向發(fā)生改變，產(chǎn)生了間隙；②旋鈕夾具與被測旋鈕之間有間隙。這兩個原因使得正向曲線與反向曲線之間出現(xiàn)角度偏差。因此，為了解決這個微小的擾動值，對角度值做補償，在測試時，需要將這兩點列為考慮因素，來實現(xiàn)更精確的測試。

曲線在剛開始和結束，曲線都有陡升，是由于電機剛開啟，所采集的數(shù)據(jù)會突然變化，但均在正常范圍內(nèi)。 分析采集到的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，將波形放大，其波形變化規(guī)律如圖10所示。

圖10 某段扭矩隨角度的變化關系曲線

按鈕扭矩隨著角度的變化在3～8 N·cm內(nèi)波動。旋鈕的規(guī)律為：除去電機剛開始運行的陡升，每個周期內(nèi)，當旋鈕角度先轉過7°，扭矩下降到3 N·cm，再轉過3°，扭矩上升到8 N·cm，以此類推，電機有規(guī)律地旋轉。將步進電機的測試旋轉代替了人的手工測試，使測試過程更加簡單，結果更加準確[8]。

3.2 撥桿測試結果分析

對該類型空調(diào)面板的撥桿進行測試，得到撥桿力與位移的關系曲線，如圖11所示。檢測系統(tǒng)的步進電機推動撥桿正向運動時，出現(xiàn)兩個波峰，分別代表撥桿按鈕的兩個擋位；反向運動時，波谷代表兩個擋位。撥桿按鈕在開始運動和準備結束時，分別出現(xiàn)較大波動。開始時，曲線波動是由于電機剛與撥桿接觸；而結束時，曲線波動是由于步進電機已經(jīng)將撥桿推到了極限位置所致。撥桿力與位移的關系曲線基本符合實際情況[9]。

圖11 撥桿力隨位移變化的關系曲線

4 結論

基于VC++軟件平臺，對汽車空調(diào)面板旋鈕檢測系統(tǒng)進行了研究。該檢測系統(tǒng)界面簡潔、操作簡便、運行穩(wěn)定、測試精度高。它不僅能夠對空調(diào)面板旋鈕產(chǎn)品進行抽樣檢測，還能為產(chǎn)品后期的優(yōu)化提供重要的依據(jù)。檢測系統(tǒng)達到了設計要求，滿足空調(diào)面板檢測廠商的要求。同時，其可縮短開發(fā)周期，提升產(chǎn)品質量，有良好的應用前景。

[1] 孫恒,陳作模,葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社,2006:38-73.

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HUI Chun:Postgraduate; Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, WUT, Wuhan 430070, China.

[編輯：王志全]

Test System of Automotive Air Conditioner Panel

HUIChun,TIANShaopeng,XUDawei

Based on the VC++ development platform, test system of automotive air conditioner panel was developed. Firstly, the basic structure was introduced, which included of three parts: the knob, shift lever and button. Then, its working principle, hardware parts and software parts of this control system were illustrated in detail. Meanwhile, the whole control process was introduced. In the end, the knob, shift lever and button of one panel from certain manufacturer were tested. The results show that this test system completely meets real working conditions and also the demand of factory.

VC++ software; air conditioner panel; test system

2015-04-15.

回春(1990-)，女，湖北武漢人，武漢理工大學現(xiàn)代汽車零部件技術湖北省重點實驗室碩士研究生.

國家科技部“863”基金資助項目(2011AA11A260).

2095-3852(2015)06-0693-05

A

TH39;U463.7

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.007