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(píng)價(jià)汽車質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此開(kāi)發(fā)通用的耐久試驗(yàn)裝置對(duì)各零部件進(jìn)行測(cè)試是車輛開(kāi)發(fā)過(guò)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(tái)的搭建為例，系統(tǒng)說(shuō)明了光電開(kāi)關(guān)作用原理、開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)采集、LABVIEW編制控制程序及通過(guò)LABVIEW的Modbus協(xié)議控制伺服電機(jī)技術(shù)等關(guān)鍵問(wèn)題，并針對(duì)實(shí)際中可能出現(xiàn)的問(wèn)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(tái)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

2、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)背景

車輛的換擋桿試驗(yàn)臺(tái)用來(lái)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(wàn)次試驗(yàn)后，換擋桿各零部件無(wú)破裂，操作靈活且無(wú)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(tái)。其中重塊作為負(fù)載，伺服電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，通過(guò)與轉(zhuǎn)盤連接的拉桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)換擋桿動(dòng)作，換擋桿的兩個(gè)極限位置分別通過(guò)兩個(gè)鐵片和一個(gè)光點(diǎn)開(kāi)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(dòng)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(tái)

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(kāi)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(guó)國(guó)家儀表公司（National Instruments，簡(jiǎn)稱NI）開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡USB-6251實(shí)時(shí)采集光電開(kāi)關(guān)的模擬電壓信號(hào)，當(dāng)機(jī)械裝置在運(yùn)行行程中光電開(kāi)光輸出高電平，上位機(jī)不動(dòng)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(kāi)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(guò)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(gè)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(kāi)關(guān)是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的，一般情由發(fā)送器，接收器和檢測(cè)電路三部分構(gòu)成。它是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測(cè)。本文選用的漫反射光電開(kāi)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(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，將光電開(kāi)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(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。

本文選用NI公司開(kāi)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(kāi)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(jiǎn)單易用性以及全新高速信號(hào)流技術(shù)，可實(shí)時(shí)快速的采集各種物理信號(hào)。Express技術(shù)是Labview最新提供的一種快捷簡(jiǎn)便搭建專業(yè)測(cè)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(duì)其中某些函數(shù)提供配置對(duì)話框，通過(guò)配置框可以對(duì)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(cè)試系統(tǒng)，尤其對(duì)于復(fù)雜的采集系統(tǒng)，Express技術(shù)起到了極大的簡(jiǎn)化作用。圖 3為光電開(kāi)關(guān)電壓信號(hào)采集設(shè)置圖，電壓信號(hào)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(gè)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(kāi)光電壓信號(hào)采集

3.2    Labview控制程序

采集到的光電開(kāi)關(guān)信號(hào)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(kāi)關(guān)電壓信號(hào)采集，信號(hào)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(hào)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(hào)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(gè)來(lái)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(kāi)關(guān)信號(hào)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L(zhǎng)abview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(yǔ)言，通過(guò)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(hào)：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(hào)：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(guò)與給定值對(duì)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(gè)光亮的金屬鐵片觸出發(fā)光電開(kāi)關(guān)，由于鐵片的寬度和電機(jī)慣性，電機(jī)往往要超過(guò)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(kāi)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(gè)界限位置，而造成電機(jī)在一個(gè)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(kāi)啟，而此時(shí)光電開(kāi)關(guān)已經(jīng)遠(yuǎn)離觸發(fā)鐵片，不會(huì)再次發(fā)生以上問(wèn)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(jiàn)即可得是Laview的一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)^[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(guò)按鈕、對(duì)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(gè)對(duì)話框彈出，用戶可以通過(guò)鍵盤輸入要求的循環(huán)次數(shù)；再按下開(kāi)始按鈕程序?qū)㈤_(kāi)始運(yùn)行，同時(shí)開(kāi)始按鈕將保持按下?tīng)顟B(tài)，開(kāi)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(gè)程序。

 7 換擋桿耐久試驗(yàn)臺(tái)人機(jī)交互界面

4.2    未來(lái)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(guò)伺服電機(jī))的參數(shù)設(shè)定，通過(guò)電壓和電流傳感器將電機(jī)運(yùn)行電流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟�擬電壓信號(hào)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(duì)電機(jī)參數(shù)的實(shí)施監(jiān)控。在以上平臺(tái)上的建立基礎(chǔ)上，可盡快的搭建以上平臺(tái),并建立數(shù)據(jù)保存及報(bào)警功能。

5、結(jié)論

本文通過(guò)光電開(kāi)關(guān)發(fā)出模擬電壓信號(hào)，NI數(shù)據(jù)采集卡采集電壓信號(hào)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(guò)Modbus協(xié)議控制交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)往復(fù)動(dòng)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(guò)程中出現(xiàn)的極限位置控制策略失效的問(wèn)題。實(shí)踐證明這種搭建的試驗(yàn)臺(tái)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(duì)其他零部件耐久試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)也有參考意義。