變速器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及控制軟件的開發(fā)

1、    變速器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及控制軟件的開發(fā)        夏際金 方 凱 張廣斌 昂勤樹 時(shí)間:2008年09月11日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:        摘? 要:關(guān)鍵詞: 變速器 試驗(yàn)臺(tái) 體系結(jié)構(gòu) 控制軟件?汽車變速器是汽車中的一

2、個(gè)關(guān)鍵設(shè)備,其性能直接影響到汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。汽車變速器綜合性能的測(cè)試比較復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)的汽車變速器試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化程度低、人機(jī)界面不友好、測(cè)試過程依賴于測(cè)試者的經(jīng)驗(yàn)。因此，研制了一套汽車機(jī)械式變速器綜合性能試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)。本試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)自動(dòng)化程度高、測(cè)試項(xiàng)目多、實(shí)時(shí)性強(qiáng)且安全可靠。1 系統(tǒng)介紹1.1系統(tǒng)硬件介紹1.2 系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)2.1系統(tǒng)要求廠方要求試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)能夠在線檢測(cè)變速器的綜合性能,包括以下試驗(yàn):各檔換檔試驗(yàn);變速器加載能力測(cè)試;變速器操縱(同步器)性能的測(cè)試;跳檔檢測(cè);變速器的疲勞壽命試驗(yàn);傳動(dòng)效率試驗(yàn)。工作性能要求為:(1)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠;(2)測(cè)試

3、數(shù)據(jù)報(bào)表和測(cè)試及故障診斷的界面友好;(3)臺(tái)架試驗(yàn)方法科學(xué)、規(guī)范,達(dá)到汽車機(jī)械式變速器臺(tái)架試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn);(4)在同一臺(tái)架上對(duì)不同種變速器完成測(cè)試功能。2.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。?系統(tǒng)分為三大模塊:控制部分;換檔機(jī)械手部分;試驗(yàn)臺(tái)機(jī)電部分。控制部分以計(jì)算機(jī)為中心,控制軟件根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和當(dāng)前工作狀態(tài)控制系統(tǒng)的流程、任務(wù)分配、指令發(fā)送、故障檢測(cè)等;通過板卡通訊向PLC機(jī)械手發(fā)送換檔控制指令、通過RS485總線向變頻器發(fā)送測(cè)試所需的轉(zhuǎn)速和加載扭矩信號(hào)。控制部分還包括變頻器、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集卡(PCL818L)、PLC控制器。變頻器可以實(shí)現(xiàn)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速。變頻器選用西門子

4、6SE70系列變頻器,該系列變頻器采用交流電機(jī)的矢量控制技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。矢量控制也叫磁場(chǎng)定向控制。它的基本思路是利用d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換,將定子電流分成勵(lì)磁電流id1和轉(zhuǎn)矩電流iq1,在調(diào)速過程中保持轉(zhuǎn)子磁鏈不變,即id1為常數(shù),此時(shí)交流電機(jī)調(diào)速原理與直流電機(jī)相同。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集卡將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。PLC控制器根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令完成將換檔信號(hào)轉(zhuǎn)換為換檔機(jī)械手的執(zhí)行命令。換檔機(jī)械手部分是控制部分的執(zhí)行機(jī)構(gòu),機(jī)械手根據(jù)PLC發(fā)送的換檔指令完成指定的換檔動(dòng)作。試驗(yàn)臺(tái)機(jī)電部分是本系統(tǒng)的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu),完成將變速器驅(qū)動(dòng)到相應(yīng)轉(zhuǎn)速和加載扭矩，以達(dá)到特定測(cè)試工況。機(jī)械部分包括兩個(gè)功率比較大的變頻

5、電機(jī)和試驗(yàn)臺(tái)架。本系統(tǒng)中電機(jī)的性能對(duì)整體性能影響很大,因而選用交流變頻電機(jī)。該電機(jī)能滿足高精度的扭矩、轉(zhuǎn)速控制,而且功率足夠大,可以滿足本系統(tǒng)試驗(yàn)工況要求。在工作時(shí),加載電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)下,能量回饋到電網(wǎng),大大節(jié)約了能源。試驗(yàn)臺(tái)架包括離合器、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和汽車變速器。因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)要達(dá)到高轉(zhuǎn)速、高扭矩的工作狀態(tài),所以機(jī)械部分加工精度要高。汽車變速器是本系統(tǒng)測(cè)試對(duì)象,為了使裝卸變速器的時(shí)間短,本試驗(yàn)臺(tái)變速器的夾緊松開操作是通過油缸4軸連動(dòng)壓板來實(shí)現(xiàn)的。2.3 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)采用雙電機(jī)模擬汽車工況,其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過變頻器的速度閉環(huán)控制模擬汽車的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),加載電機(jī)通過變頻器的扭矩閉環(huán)控制模擬汽車加載。機(jī)

6、械手根據(jù)計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令信號(hào)完成對(duì)不同型號(hào)變速器的換檔動(dòng)作,從而能控制變速器換檔到指定的檔位。在測(cè)試過程中,控制軟件對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)記錄顯示,并對(duì)溫度、轉(zhuǎn)速、扭矩、電流、安全罩到位信號(hào)等實(shí)時(shí)監(jiān)控,遇到故障自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)分析。3 系統(tǒng)軟件的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)控制軟件是基于組態(tài)王6.01二次開發(fā)的,功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。?本系統(tǒng)從功能上完成了自動(dòng)試驗(yàn)、手動(dòng)試驗(yàn)、單獨(dú)換檔試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)和效率試驗(yàn)。計(jì)算機(jī)自動(dòng)試驗(yàn)是本系統(tǒng)的主要部分,在這種狀態(tài)下計(jì)算機(jī)控制變速器的測(cè)試過程,包括:試驗(yàn)流程、試驗(yàn)過程中換檔順序、各個(gè)檔位的轉(zhuǎn)速給定、加載扭矩給定、系統(tǒng)協(xié)調(diào)、信號(hào)檢測(cè)及處理等。在自動(dòng)試驗(yàn)控制下,完成從空檔到最高

7、檔位的換檔和加載交替過程,接著完成從最高檔位降低到最低檔位的降檔換檔,最后完成倒檔測(cè)試。手動(dòng)試驗(yàn)是由人操作手動(dòng)操作臺(tái)的按鈕完成的,其程序主要完成監(jiān)測(cè)、報(bào)警功能。單獨(dú)換檔是應(yīng)廠家要求對(duì)某一指定檔位進(jìn)行試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)和效率試驗(yàn)分別對(duì)變速器的耐久性和傳動(dòng)效率進(jìn)行測(cè)試。組態(tài)王6.01有豐富的畫面制作系統(tǒng),支持無限色和二十四種過渡色,并具有豐富的圖庫和圖庫精靈、豐富的動(dòng)畫連接向?qū)А＠媒M態(tài)王6.01界面開發(fā)系統(tǒng)可給各種控制模式開發(fā)出生動(dòng)的界面,非常形象、美觀。由于自動(dòng)試驗(yàn)過程是本軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵,故以下僅對(duì)自動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行討論。3.1 接口通訊參數(shù)組態(tài)王與I/O設(shè)備之間的通訊很方便,主要通過以下幾種方式進(jìn)行通

8、訊:串口通訊方式、DDE方式、板卡方式、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方式、人機(jī)接口方式。組態(tài)王有豐富的數(shù)據(jù)類型,使用起來特別方便。接口通訊參數(shù)如圖3所示。?計(jì)算機(jī)通過檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),根據(jù)任務(wù)規(guī)劃狀態(tài)向PLC和變頻器發(fā)送相應(yīng)的控制指令?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)包括:變速器當(dāng)前檔位、轉(zhuǎn)速、扭矩、通過拉壓力傳感所測(cè)得的掛檔力、離合器開關(guān)信號(hào)、變速器夾緊信號(hào)、軸承溫度等。其中與PLC的通訊利用組態(tài)王的板卡通訊方式,組態(tài)王與變頻器通訊采用組態(tài)王的串口通訊方式,組態(tài)王與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通訊通過PCL818L擴(kuò)展板卡來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)用于檢測(cè)工作狀態(tài)是否到位和故障報(bào)警等,如機(jī)械手是否換檔到位是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的速度之比和配方中的速比是否一致來判斷的,而溫度、

9、轉(zhuǎn)速等指標(biāo)又是故障報(bào)警的依據(jù)。3.2 自動(dòng)換檔過程的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔過程流程圖如圖4所示。?自動(dòng)換檔過程要完成松開離合器、換檔、閉合離合器的動(dòng)作和定時(shí)加載以及檔位的自動(dòng)更替。由于松開離合器、換檔、閉合離合器都是在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下工作的,因而每一動(dòng)作命令的發(fā)出都要先檢驗(yàn)其條件是否嚴(yán)格滿足以保證安全。離合器松開的條件為:電機(jī)的轉(zhuǎn)速必須在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi);換檔的條件為:必須檢測(cè)到離合器已松開;離合器閉合條件為:換檔到位。如果條件不滿足就等待條件滿足,但是等待時(shí)間也是有限制的,故采用定時(shí)器計(jì)時(shí)的方法來控制順序動(dòng)作等待時(shí)間。當(dāng)檔位換到位時(shí),按該檔位的測(cè)試參數(shù)加載,加載一段時(shí)間就可以測(cè)得變速器的加載能力,因而加載

10、的定時(shí)也采用定時(shí)器來完成。加載計(jì)時(shí)完畢,將進(jìn)行下一檔位的測(cè)試,在程序中進(jìn)入換檔準(zhǔn)備過程。在換檔準(zhǔn)備過程中,當(dāng)前檔位標(biāo)志更替為下一個(gè)測(cè)試檔位的標(biāo)志,檔位參數(shù)(變比、檔位、加載扭矩、加載轉(zhuǎn)速)更改為下一測(cè)試檔位的參數(shù)。組態(tài)王事件命令語言可以規(guī)定在事件發(fā)生、存在和消失時(shí)分別執(zhí)行的程序。離散變量名或表達(dá)式都可以作為事件。當(dāng)該事件剛剛發(fā)生時(shí),該單元的程序只執(zhí)行一次;當(dāng)該事件存在時(shí),按照設(shè)定的時(shí)間間隔反復(fù)執(zhí)行該單元程序;當(dāng)該事件消失時(shí),該單元程序只執(zhí)行一次。事件命令語言存在時(shí)的循環(huán)執(zhí)行程序與普通程序的while循環(huán)類似,但不完全相同。事件命令語言在事件存在條件下可以控制和調(diào)節(jié)系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行的時(shí)間，因而有利于

11、過程控制的定時(shí)操作。事件命令語言可以完成普通程序的if、while條件,同時(shí)可以達(dá)到定時(shí)功能。而且工業(yè)控制中很多都是通過離散狀態(tài)變更來激發(fā)程序的流程。組態(tài)王命令語言形式很適合開發(fā)這種過程。自動(dòng)換檔過程建立了多種工作狀態(tài):“換檔準(zhǔn)備”、“換檔開始”、“換檔成功”、“加載”、“運(yùn)行”、“試驗(yàn)完成”等。以這些工作狀態(tài)和計(jì)算機(jī)檢測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)組合構(gòu)成不同的事件,再以這些不同的事件之間相互激發(fā)、轉(zhuǎn)換的邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換檔過程的邏輯關(guān)系。這里采用了組態(tài)王事件命令語言中事件存在時(shí)循環(huán)的定時(shí)功能。當(dāng)程序進(jìn)入定時(shí)器狀態(tài)時(shí),采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行倒計(jì)時(shí),事件存在時(shí)命令語言其它的程序都處于不被激發(fā)狀態(tài)。在這種狀態(tài)下,通過設(shè)

12、定計(jì)數(shù)器起始計(jì)數(shù)值n和事件命令語言存在時(shí)循環(huán)執(zhí)行一次的時(shí)間t,可以設(shè)定定時(shí)器的定時(shí)T(T=n×t)。組態(tài)王還具有配方功能。在制造領(lǐng)域,配方用來描述生產(chǎn)一件產(chǎn)品所用的不同配料之間的比例關(guān)系,是生產(chǎn)過程中一些變量對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)定值的集合。不同型號(hào)變速器和不同檔位的測(cè)試參數(shù)(轉(zhuǎn)速、加載扭矩等)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型是一致的,只是比例關(guān)系不同,因而采用配方功能比較方便。該軟件系統(tǒng)具有連網(wǎng)功能,可以遠(yuǎn)程檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)工作狀態(tài),可并入企業(yè)的CIMS系統(tǒng)。本試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)綜合了計(jì)算機(jī)、通訊、自動(dòng)化、電子、電氣、機(jī)械等方面知識(shí),是一個(gè)智能化的變速器綜合性能在線檢測(cè)機(jī)電一體化試驗(yàn)系統(tǒng),自動(dòng)化程度高、檢測(cè)時(shí)間縮短,大大降低了運(yùn)行成