基于柔性測試技術(shù)的機電多功能試驗臺

吳健，崔異鵬，李珍，郭蓓，陳光

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司 天津 300180）

近年來，國內(nèi)的汽車工業(yè)蓬勃發(fā)展。傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機、變速器，以及新能源汽車的機電耦合機構(gòu)、驅(qū)動電機等關(guān)鍵部件，對車輛整體性能起著至關(guān)重要的作用。試驗研究是保證上述產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段[1]。

傳統(tǒng)試驗方式主要依靠專用測試系統(tǒng)和專用儀表，通用性較差?；谔摂M儀器技術(shù)的自動測試系統(tǒng)在變速器試驗[2-5]、電動控制系統(tǒng)試驗[6-7]中發(fā)揮了重要作用。對于測試系統(tǒng)開發(fā)者而言，利用有限的硬件模塊以及軟件開發(fā)平臺，即可搭建出多種多樣的自動測試系統(tǒng)。但對于使用者而言，搭建好的測試系統(tǒng)仍然是針對特定試驗功能的，靈活性依然不夠理想。

科研院所、車企研發(fā)部門的研究型試驗，要面向多種類、多型號的試驗對象，試驗內(nèi)容也不能完全確定；而由于資金、場地等方面的限制，不可能為每種試驗對象單獨配備試驗設(shè)備。這就對試驗設(shè)備的柔性化提出了更高的要求。本文基于柔性測試技術(shù)，開發(fā)了面向多種類、多規(guī)格被試對象的的機電多功能試驗臺，為用戶的需求提供了系統(tǒng)解決方案。

1 柔性測試技術(shù)

柔性測試技術(shù)是以實現(xiàn)自動測試系統(tǒng)的整體功能和性能為目標(biāo)，對滿足自動測試系統(tǒng)需求的方法和過程進行重點研究和開發(fā)的技術(shù)，具有適用性、靈活性、擴展性三個特性。采用柔性測試技術(shù)的自動測試系統(tǒng)能夠根據(jù)測試需求、測試任務(wù)及測試環(huán)境的變化，快速地改變測試系統(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)，從而調(diào)整測試系統(tǒng)的測試功能和性能來滿足新的測試需求[8]。

柔性測試概念在國內(nèi)于2008年提出，目前已經(jīng)在航空航天、汽車等領(lǐng)域有了初步的應(yīng)用。尤其在汽車行業(yè)，已有汽車儀表盤終檢系統(tǒng)、汽車傳感器通用測試系統(tǒng)、電路板功能測試系統(tǒng)、汽車保險絲盒裝配檢測系統(tǒng)以及噪聲定位源分析系統(tǒng)等柔性測試系統(tǒng)被設(shè)計出來[9]。在動力機電裝備測試領(lǐng)域，尚未有柔性測試技術(shù)相關(guān)的試驗設(shè)備。

2 設(shè)計方案

2.1 總體方案

本試驗臺的測試對象為變速器、傳動橋、機電耦合機構(gòu)、驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)等動力機電裝備，被試件最高功率800 kW。試驗臺主要包含4臺變頻電機及其驅(qū)動器、增速箱、扭矩儀、直流電源、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及夾具等輔助設(shè)備?？紤]到功率裕量及設(shè)備可靠性，4臺電機均選用ABB公司645 kW變頻電機，同時工作時可滿足被試件1.5倍功率過載需求。變頻驅(qū)動器選用ABB ACS880原裝控制柜，變頻系統(tǒng)內(nèi)部為公共母線形式。直流電源為天津電氣院自主研制的雙向DC/DC電源，輸出范圍400～1 000 V，可四象限運行，額定功率800 kW。

試驗臺所有試驗設(shè)備可以根據(jù)試驗對象和試驗內(nèi)容進行自定義組合，滿足不同試驗需求。以下以機電耦合機構(gòu)試驗和驅(qū)動電機試驗?zāi)Ｊ綖槔?/p>

機電耦合機構(gòu)試驗?zāi)Ｊ饺鐖D1所示。M1，M2兩臺電機工作在驅(qū)動狀態(tài)，逆變器向電機提供能量；M3，M4兩臺電機工作在加載狀態(tài)，通過逆變器將機械能轉(zhuǎn)換為電能回饋到直流母線，形成電能的封閉循環(huán)。

圖1 機電耦合機構(gòu)試驗?zāi)Ｊ紽ig.1 Test mode of electromechanical coupling mechanism

驅(qū)動電機試驗?zāi)Ｊ饺鐖D2所示。被試電機D1，D2工作在驅(qū)動狀態(tài)，被試控制器向電機提供能量；M1，M2兩臺電機工作在加載狀態(tài)，通過逆變器將機械能轉(zhuǎn)換為電能回饋到直流母線。通過電壓可調(diào)的雙向直流電源，實現(xiàn)不同直流電壓等級之間的能量流動。

除上述兩種試驗?zāi)Ｊ酵猓囼炁_四臺電機還可以搭建出其他組合，通過驅(qū)動和加載功能的配置，完成變速器、傳動橋等試驗。

圖2 驅(qū)動電機試驗?zāi)Ｊ紽ig.2 Test mode of driving motor

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于模塊化儀器，以標(biāo)準(zhǔn)采集板卡和數(shù)據(jù)總線，搭建出通用的硬件平臺。使用者在軟件中以配置的形式進行簡單的二次開發(fā)，即可完成不同被試件的柔性測試。

電機安裝夾具可適應(yīng)不同種類、規(guī)格的被試件尺寸，且調(diào)整方便、具有較高的定位精度。

2.2 三維精準(zhǔn)定位夾具

本試驗臺設(shè)計了三維精準(zhǔn)定位夾具，用于安裝設(shè)備電機。根據(jù)可預(yù)見的被試件參數(shù)，實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的調(diào)整，適應(yīng)多種類、多規(guī)格的被試件，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安裝方便，調(diào)整定位精度高，極大提高了試驗效率。

本夾具由固定底座、滑動底座、升降平板、輔助支撐、升降機構(gòu)、軸向推拉機構(gòu)、橫向推拉機構(gòu)等組成，設(shè)備電機安裝于夾具上方，如圖3所示。

圖3 三維定位夾具Fig.3 3-D positioning fixture

三個方向的移動采用電動模式，電動工具可拆卸，多點調(diào)節(jié)共用一套工具。底座采用鑄造件，具有減震性及耐磨性好的優(yōu)點。夾具設(shè)計考慮在調(diào)整試驗位置時保證移動后的精度滿足試驗要求，三維重復(fù)定位精度在0.1 mm以內(nèi)。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)管理軟件

試驗臺上位機軟件基于當(dāng)前測控行業(yè)的主流編程語言——LabVIEW開發(fā)。試驗前根據(jù)搭建好的試驗臺硬件結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)管理軟件中做相應(yīng)配置。配置以設(shè)備電機為對象，可對每臺電機設(shè)定啟用狀態(tài)、能量流動方向、是否同步控制、電慣量模擬參數(shù)，同時可根據(jù)被試控制器直流母線電壓等級匹配直流電源。配置文件可保存為模板，再做此類試驗時以標(biāo)準(zhǔn)試驗的形式直接調(diào)用。

2.4 試驗流程管理軟件

試驗控制流程及控制參數(shù)可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過系列算法實現(xiàn)自動計算。程序框圖如圖4所示。

圖4 可配置的試驗流程自動計算Fig.4 Automatic calculation of configurable test flow

在試驗流程管理軟件中，由使用者輸入被試系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)，軟件進行被試系統(tǒng)的建模，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生成自動試驗的流程。經(jīng)合理性校驗后，由使用者選擇本次要進行的試驗流程，導(dǎo)入至自動流程編輯界面。編輯界面中同時以表格數(shù)據(jù)和時間歷程曲線顯示當(dāng)前自動生成的流程，由使用者做最終修改、確認(rèn)后，將試驗流程輸出至試驗自動控制程序。

流程算法儲存在軟件的標(biāo)準(zhǔn)算法庫中，使用者可根據(jù)最新的標(biāo)準(zhǔn)，修改、增加流程算法，滿足特定試驗需求。

柔性測試不僅要求系統(tǒng)具有靈活性，還應(yīng)具有較高程度的自動控制功能。試驗流程管理軟件中的自動控制功能可實現(xiàn)順序控制、循環(huán)控制、跳轉(zhuǎn)控制、故障監(jiān)測、手動暫停和恢復(fù)。程序框圖如圖5所示。

圖5 試驗過程自動控制Fig.5 Automatic control of test process

自動試驗流程導(dǎo)入后，經(jīng)參數(shù)解析，生成試驗控制數(shù)據(jù)流文件。使用者下達(dá)開始試驗命令，即交由控制系統(tǒng)自動運行，進入無人值守階段。運行過程中，試驗自動控制計算中心根據(jù)數(shù)據(jù)流文件，輸出控制信號至被試系統(tǒng)及試驗控制執(zhí)行機構(gòu)，采集現(xiàn)場狀態(tài)反饋數(shù)據(jù)，以此作為判斷條件，按預(yù)定步驟進行順序、循環(huán)、跳轉(zhuǎn)等控制。試驗過程中，采集各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，監(jiān)測被試系統(tǒng)及設(shè)備的故障，自動保護。使用者也可以隨時中止試驗進程，停機處理問題，并從任意節(jié)點繼續(xù)試驗。試驗數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)自動保存，供后續(xù)生成數(shù)據(jù)報表。

2.5 試驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集硬件基于NI公司的PXIe總線通用機箱和I/O板卡，涵蓋試驗中常用的信號類型與通訊接口。表1為系統(tǒng)硬件配置。

表1 數(shù)據(jù)采集硬件配置Tab.1 List of data acquisition hardware

數(shù)據(jù)采集軟件具有基礎(chǔ)采集、通道配置、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)記錄、歷史回放等模塊化程序?？蛇x擇、新增試驗所需采集模塊，并對所選定模塊的物理通道參數(shù)進行配置、測試；能夠根據(jù)試驗需求自定義采集通道表，并進行編輯和設(shè)置；使用者可根據(jù)自身領(lǐng)域需求和使用習(xí)慣，構(gòu)建具備特定信息結(jié)構(gòu)的測試程序界面。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計了一套傳感器接口搖臂，安裝于試驗現(xiàn)場，主要由立柱、搖臂、搖臂箱體組成。立柱上的固定箱體安裝數(shù)據(jù)采集機箱。搖臂共3個關(guān)節(jié)可以旋轉(zhuǎn)，總旋轉(zhuǎn)角度大于180°，便于使搖臂箱體盡量靠近被試對象。傳感器信號電纜通過航空插頭連接至搖臂箱體面板插座，實現(xiàn)快速拆裝，如圖6所示。

圖6 傳感器接口搖臂Fig.6 Movable sensor junction box

3 現(xiàn)場試驗應(yīng)用

本試驗臺已在多個用戶現(xiàn)場實現(xiàn)應(yīng)用，為用戶的不同試驗對象提供了多樣化且方便快捷的試驗手段，節(jié)約了用戶科研經(jīng)費和試驗場地。

圖7為本試驗臺搭建的車輛變速箱試驗現(xiàn)場照片。使用兩臺電機，一臺為被試件提供驅(qū)動轉(zhuǎn)速，另一臺作為扭矩加載電機。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量被試件油壓、溫度、振動等參數(shù)。

圖7 試驗現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.7 Photo of test site

試驗流程管理軟件根據(jù)自動計算的試驗流程，完成被試件轉(zhuǎn)速和加載扭矩的順序控制，并做自動循環(huán)試驗。圖8為自動試驗轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)曲線。

圖8 自動試驗數(shù)據(jù)曲線Fig.8 Curves of automatic test data

4 結(jié)論

本試驗臺基于柔性測試技術(shù)設(shè)計，通過設(shè)備硬件的自由組合和軟件的簡單設(shè)置，即可完成多種類、多規(guī)格機電產(chǎn)品被試對象的測試試驗。試驗流程自動計算、自動控制，數(shù)據(jù)采集覆蓋常規(guī)測試需求，使用方便靈活?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，本設(shè)計方案可以滿足科研院所、車企研發(fā)部門等用戶的研究型試驗需求，具有推廣價值。