作者:

徐 猛 -

1、引言

車輛各系統(tǒng)及零部件的疲勞耐久性能是評價(jià)汽車質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此開發(fā)通用的耐久試驗(yàn)裝置對各零部件進(jìn)行測試是車輛開發(fā)過程中的極為重要的工作。本文以某款車型的換擋桿耐久試驗(yàn)臺的搭建為例，系統(tǒng)說明了光電開關(guān)作用原理、開關(guān)觸發(fā)信號采集、LABVIEW編制控制程序及通過LABVIEW的Modbus協(xié)議控制伺服電機(jī)技術(shù)等關(guān)鍵問題，并針對實(shí)際中可能出現(xiàn)的問題增加了優(yōu)化程序—極限位置反轉(zhuǎn)保護(hù)方案，避免了試驗(yàn)臺運(yùn)行中可能出現(xiàn)的錯誤。

2、系統(tǒng)開發(fā)背景

車輛的換擋桿試驗(yàn)臺用來考核換擋系統(tǒng)的耐久性能的專用設(shè)備，也是車輛零部件試驗(yàn)中重要的試驗(yàn)之一。如某款車型試驗(yàn)要求如下：換擋桿經(jīng)40萬次試驗(yàn)后，換擋桿各零部件無破裂，操作靈活且無卡滯現(xiàn)象；換擋桿力載荷60N，頻率要求0.5Hz。其中運(yùn)行次數(shù)、換擋力載荷及運(yùn)行頻率均要求實(shí)時(shí)可變。圖 1為最終搭建的換擋桿耐久試驗(yàn)臺。其中重塊作為負(fù)載，伺服電機(jī)帶動轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，通過與轉(zhuǎn)盤連接的拉桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)換擋桿動作，換擋桿的兩個極限位置分別通過兩個鐵片和一個光點(diǎn)開關(guān)確定，并傳輸?shù)経SB-6251中，由于伺服電機(jī)與轉(zhuǎn)盤的傳動比為10，則電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定為33rpm，滿足試驗(yàn)要求。

1  換擋桿耐久試驗(yàn)臺

3、系統(tǒng)組成及總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求本系統(tǒng)包括上位機(jī)、NI數(shù)據(jù)采集卡USB-6251、光電開關(guān)、交流伺服電機(jī)組成，機(jī)械裝置五部分，系統(tǒng)組成框圖如圖 2所示。本裝置采用美國國家儀表公司（National Instruments，簡稱NI）開發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡USB-6251實(shí)時(shí)采集光電開關(guān)的模擬電壓信號，當(dāng)機(jī)械裝置在運(yùn)行行程中光電開光輸出高電平，上位機(jī)不動作；而機(jī)械裝置運(yùn)行到預(yù)先設(shè)置上/下極限位置時(shí)，光電開關(guān)輸出低電平，上位機(jī)根據(jù)用Labview編訂的程序完成計(jì)數(shù)、顯示及判斷等工作，并通過Modbus協(xié)議控制伺服電機(jī)向反方向運(yùn)行，從而機(jī)械裝置進(jìn)入下一個循環(huán)周期，直至運(yùn)行次數(shù)滿足要求。運(yùn)行頻率/速度由伺服電機(jī)的速度運(yùn)行模式實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)組成框圖

3.1    傳感器及數(shù)據(jù)采集方案

光電開關(guān)是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實(shí)現(xiàn)控制的，一般情由發(fā)送器，接收器和檢測電路三部分構(gòu)成。它是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均可檢測。本文選用的漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時(shí)，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。

本文選用NI公司開發(fā)的USB-6251數(shù)據(jù)采集卡及Labview軟件的Express技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)光電開關(guān)的實(shí)時(shí)電壓采集。USB-6251數(shù)據(jù)采集卡是NI公司最新推出的USB總線M系列數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品，可提供高達(dá)16路模擬輸入通道，并達(dá)到1.25 MS/s數(shù)據(jù)采集速率，且增加了USB即插即用的簡單易用性以及全新高速信號流技術(shù)，可實(shí)時(shí)快速的采集各種物理信號。Express技術(shù)是Labview最新提供的一種快捷簡便搭建專業(yè)測試系統(tǒng)的技術(shù)^[1]。它將各種基本函數(shù)進(jìn)一步打包為更加智能，功能更加豐富的函數(shù)；并對其中某些函數(shù)提供配置對話框，通過配置框可以對函數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的配置，因此其可以實(shí)現(xiàn)較少的步驟完成功能完善的測試系統(tǒng)，尤其對于復(fù)雜的采集系統(tǒng)，Express技術(shù)起到了極大的簡化作用。圖 3為光電開關(guān)電壓信號采集設(shè)置圖，電壓信號最大值及最小值設(shè)定為+10V及-10V，采集率及待讀取采樣均設(shè)定為1，即1秒采集1個并實(shí)時(shí)的傳到上位機(jī)，采集模式設(shè)為連續(xù)采樣。

3 光電開光電壓信號采集

3.2    Labview控制程序

采集到的光電開關(guān)信號將輸入到程序中執(zhí)行控制策略。如圖 4所示，DAQ助手為采用Express技術(shù)建立的光電開關(guān)電壓信號采集，信號實(shí)時(shí)輸入到循環(huán)結(jié)構(gòu)中執(zhí)行判定，這里閾值選定為5V，即電壓信號大于5V(此時(shí)電機(jī)正常運(yùn)行)時(shí)，不執(zhí)行任何操作；當(dāng)電壓信號低于5V時(shí)(此時(shí)電機(jī)運(yùn)行到上/下極限位置)時(shí)，首先當(dāng)前次數(shù)增加0.5(電機(jī)在上/下極限位置間運(yùn)行一個來回定義為1)并比較當(dāng)前次數(shù)是否等于循環(huán)次數(shù)，等于則程序停止；不等于則電機(jī)反轉(zhuǎn)，程序繼續(xù)運(yùn)行。

4 光電開關(guān)信號的判斷與計(jì)數(shù)

3.3    Modbus協(xié)議控制伺服電機(jī)方案

圖 5為Labview程序采用Modbus協(xié)議控制伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)。Modbus 協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言，通過此協(xié)議控制器相互之間、控制器和其它設(shè)備之間可以通信。它已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)^[2,3]。Modbus協(xié)議有兩種傳輸模式：ASCII(American standard code for information interchange)或RTU(Remote terminal unit)，兩種方式均須指定串口通信參數(shù)（如波特率、校驗(yàn)方式等）。伺服電機(jī)預(yù)先設(shè)定以下參數(shù)：站號：1；傳輸模式：RTU；數(shù)據(jù)位：8；校驗(yàn)：偶校驗(yàn)；停止位：1；通訊超時(shí)：5000ms；串口號：Com4。并將電機(jī)內(nèi)部寄存器20B(16進(jìn)制)位置設(shè)定為命令輸入反向控制，即此寄存器變化時(shí)(即由106變?yōu)?06，或者由006變?yōu)?06)電機(jī)反轉(zhuǎn)；缺省為106，電機(jī)按先指定方向運(yùn)行。圖 5中程序首先提取內(nèi)部寄存器20B位置的當(dāng)前值，通過與給定值對比判斷后再輸入新值，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)的操作。

5 Modbus協(xié)議控制電機(jī)反轉(zhuǎn)

3.4    極限位置反轉(zhuǎn)保護(hù)方案

在電機(jī)實(shí)際運(yùn)行中采用兩個光亮的金屬鐵片觸出發(fā)光電開關(guān)，由于鐵片的寬度和電機(jī)慣性，電機(jī)往往要超過鐵片內(nèi)側(cè)邊緣一部分后再執(zhí)行反轉(zhuǎn)操作，電機(jī)反轉(zhuǎn)初期光電開關(guān)仍處于低電平，這極易讓程序認(rèn)為電機(jī)已經(jīng)到達(dá)另一個界限位置，而造成電機(jī)在一個極限位置附近反復(fù)運(yùn)行，不能正常工作。圖 6為程序新增加的極限位置反轉(zhuǎn)保護(hù)功能。即在電機(jī)運(yùn)行到極限位置后，關(guān)閉NI數(shù)據(jù)采集功能2秒，2秒后數(shù)據(jù)采集再次開啟，而此時(shí)光電開關(guān)已經(jīng)遠(yuǎn)離觸發(fā)鐵片，不會再次發(fā)生以上問題。

6 極限位置反轉(zhuǎn)保護(hù)

4、軟件實(shí)現(xiàn)

4.1    人機(jī)交互界面

人機(jī)交互界面編輯的可見即可得是Laview的一個重要的優(yōu)勢^[4]。Labview的前面板包含大量形象逼真的控件，用戶還可以創(chuàng)建自定義控件。前面板的窗口形式可以以不同的方式顯示以滿足不同的需求，用戶可以通過按鈕、對話框、聲音、菜單及鍵盤輸入等不同方式與程序進(jìn)行交互。圖 7為程序設(shè)計(jì)界面，其中清零按鈕可以將當(dāng)前次數(shù)歸零；按下設(shè)定按鈕將有一個對話框彈出，用戶可以通過鍵盤輸入要求的循環(huán)次數(shù)；再按下開始按鈕程序?qū)㈤_始運(yùn)行，同時(shí)開始按鈕將保持按下狀態(tài)，開始命令變?yōu)闀和９δ�，可以隨時(shí)按下暫停程序；停止按鈕將退出整個程序。

 7 換擋桿耐久試驗(yàn)臺人機(jī)交互界面

4.2    未來擴(kuò)展能力

現(xiàn)在設(shè)計(jì)的方案僅滿足耐久試驗(yàn)的循環(huán)次數(shù)要求和指定速度(通過伺服電機(jī))的參數(shù)設(shè)定，通過電壓和電流傳感器將電機(jī)運(yùn)行電流電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)槟�擬電壓信號輸入到NI-6251采集前端，并在軟件中設(shè)定相應(yīng)的換算參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)參數(shù)的實(shí)施監(jiān)控。在以上平臺上的建立基礎(chǔ)上，可盡快的搭建以上平臺,并建立數(shù)據(jù)保存及報(bào)警功能。

5、結(jié)論

本文通過光電開關(guān)發(fā)出模擬電壓信號，NI數(shù)據(jù)采集卡采集電壓信號并輸入到上位機(jī)，上位機(jī)中運(yùn)行使用Labview軟件編制的人機(jī)接口界面及數(shù)據(jù)處理程序，根據(jù)判斷結(jié)果通過Modbus協(xié)議控制交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)往復(fù)動作，最后增加極限位置電機(jī)反轉(zhuǎn)程序，解決電機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的極限位置控制策略失效的問題。實(shí)踐證明這種搭建的試驗(yàn)臺的技術(shù)路線及控制策略是可行的，同時(shí)這也是一種用較為通用方法，不僅能滿足換擋桿耐久試驗(yàn)的要求，對其他零部件耐久試驗(yàn)臺的開發(fā)也有參考意義。