藍(lán)鳳英 鄭瑩娜 李 揚(yáng) 賈燕銘 林茂源 陳雙權(quán)

(廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院1，廣東 廣州 510006;廣州市嘉特斯機(jī)電制造有限公司2，廣東 廣州 510850)

0 引言

減震器作為轎車懸掛系統(tǒng)的重要組成部件之一，其性能的優(yōu)劣將直接影響轎車運(yùn)行的安全性和可靠性［1－3］。因此，在生產(chǎn)線裝配過程中，必須對減震器進(jìn)行嚴(yán)格的在線測試。目前已有不同類型的減震器測試系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生［4－7］。

與傳統(tǒng)機(jī)械式減震器測試系統(tǒng)相比，本文研究的減震器衰減力測試系統(tǒng)采用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源。在計(jì)算機(jī)控制下，減震器的曲柄連桿機(jī)構(gòu)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，直接將電機(jī)由旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽韵露系闹本€往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成簡諧激勵(lì)。在減震器作拉伸和壓縮直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，采用合適的力傳感器，實(shí)現(xiàn)減震器示功特性測試。根據(jù)減震器示功特性曲線自動(dòng)評價(jià)判斷方法和判據(jù)以及系統(tǒng)自動(dòng)測試和繪制衰減力示功圖，可以評價(jià)被測減震器試件的性能品質(zhì)。在生產(chǎn)裝配線末端，實(shí)時(shí)剔除不合格的減震器產(chǎn)品，以確保減震器產(chǎn)品的裝配質(zhì)量。

1 測試系統(tǒng)組成及工作原理

轎車示功特性測試系統(tǒng)對減震器衰減力進(jìn)行在線自動(dòng)測試，通過分析比較示功特性曲線形狀，判斷減震器是否存在缺陷，并在生產(chǎn)裝配線末端及時(shí)剔除不合格的減震器，從而在裝配生產(chǎn)過程中保證減震器產(chǎn)品的質(zhì)量。

1.1 測試系統(tǒng)組成

參考QC/T 545-1999《汽車筒式減震器臺架試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)在線測試要求和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了轎車減震器示功特性測試系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the system

轎車減震器示功特性測試系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，由數(shù)據(jù)采集接口、伺服電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)接口以及基于PLC控制的氣動(dòng)夾具單元組成。通過實(shí)時(shí)檢測和控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)轎車減震器示功特性的自動(dòng)測試。

在測試系統(tǒng)中，工控機(jī)通過伺服電機(jī)控制接口向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制指令，進(jìn)而控制伺服電機(jī)帶動(dòng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為減震器試件的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。通過用戶程序控制伺服驅(qū)動(dòng)器，即可按照測試要求調(diào)整減震器的試驗(yàn)運(yùn)行速度;在運(yùn)動(dòng)過程中，衰減力的變化通過拉壓力傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號。數(shù)據(jù)采集卡將電壓模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并通過PCI總線傳輸?shù)轿⑻幚砥魈幚?，以獲得減震器的示功特性和速度特性，從而對減震器性能進(jìn)行在線評價(jià)。

伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，即由安裝在連桿機(jī)構(gòu)偏心輪外緣的旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生N個(gè)脈沖作為外觸發(fā)信號，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集減震器試件在直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)中拉壓力傳感器輸出的電壓值，并經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和標(biāo)度變換成為被測減震器的衰減力。

工控機(jī)是測試系統(tǒng)的核心，用來控制系統(tǒng)以及進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和通信，并根據(jù)既定算法對被測減震器示功特性進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、比較和判斷。

1.1.1 伺服電機(jī)控制接口

伺服電機(jī)控制接口是整個(gè)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)之一，伺服電機(jī)控制接口連接圖如圖2所示。

圖2 伺服電機(jī)控制接口Fig.2 Control interface of the servomotor

工控機(jī)通過CN-PC232接口與伺服驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行交互，將相應(yīng)的控制值傳送給伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按工控機(jī)發(fā)送的指令運(yùn)動(dòng)，最終使減震器以不同頻率作拉伸和壓縮往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，通過CN－PC232接口將伺服驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行狀態(tài)傳送給工控機(jī)，供用戶程序測試判斷伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)運(yùn)行是否正常。該衰減力測試系統(tǒng)使用三菱的伺服驅(qū)動(dòng)器MRJ2S-702A和伺服電機(jī)HC-SFS 702(7 kW)。

1.1.2 數(shù)據(jù)采集接口

轎車減震器示功特性測試系統(tǒng)采用contec公司的AD16-16(PCI)EV 16位高速多功能模擬/數(shù)字量數(shù)據(jù)采集卡作為采集接口。單通道具有16 MB大容量板載內(nèi)部緩存，支持后臺采樣處理，不占用CPU時(shí)間。

本測試系統(tǒng)采用采集接口的單個(gè)模擬輸入通道，采集輸入電壓范圍為±10 V的拉壓力傳感器輸出模擬電壓信號。轎車減震器示功特性測試系統(tǒng)采用VC平臺設(shè)計(jì)用戶系統(tǒng)軟件，通過動(dòng)態(tài)鏈接庫驅(qū)動(dòng)程序，對AD16-16(PCI)EV數(shù)據(jù)采集接口進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)被測減震器示功特性拉壓力模擬信號的實(shí)時(shí)采集和處理。

1.1.3 數(shù)字 I/O接口

測試系統(tǒng)的控制核心工控機(jī)通過數(shù)字I/O接口與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

本測試系統(tǒng)使用PIO-32/32L(PCI)和PIO-32/32T(PCI)兩個(gè)數(shù)字I/O板卡。其中，PIO-32/32L(PCI，高電平)板卡與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，工控機(jī)通過該接口實(shí)時(shí)接收伺服電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。PIO-32/32T(PCI，低電平)板卡與轉(zhuǎn)速表連接，工控機(jī)通過該接口實(shí)時(shí)接收旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速表和觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，并通過用戶程序算法進(jìn)行一系列轉(zhuǎn)換，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成減震器試件在測試運(yùn)動(dòng)過程中所行進(jìn)的位移，使測試系統(tǒng)衰減力和位移之間保持相對應(yīng)的關(guān)系。

1.2 測試系統(tǒng)工作原理

示功特性是評價(jià)減震器性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)，它表示減震器在拉伸和壓縮兩個(gè)行程中衰減力隨位移變化的特性。

參考QC/T 545-1999《轎車筒式減震器臺架試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，減震器示功特性測試系統(tǒng)進(jìn)行測試和檢定的試驗(yàn)條件為:減震器在規(guī)定的行程和試驗(yàn)頻率下，其中一端固定，另一端實(shí)現(xiàn)近似的簡諧運(yùn)動(dòng)［8］，其阻力(F)隨位移(S)的變化關(guān)系為衰減力特性，其所構(gòu)成的曲線(F-S)稱為示功特性曲線。把位移(S)作為橫坐標(biāo)，阻力(F)作為縱坐標(biāo)，根據(jù)李沙育原理得到一個(gè)近似橢圓。近似橢圓所包含的面積反映減震器在拉伸和壓縮兩個(gè)行程中吸收外界震動(dòng)的能力［9］。

根據(jù)測試系統(tǒng)工作機(jī)理和大量試驗(yàn)研究，性能良好的減震器的示功特性曲線應(yīng)該是平滑流暢的，其橢圓曲線應(yīng)該是飽滿的。因此，可以根據(jù)示功特性曲線是否平滑飽滿、有無突變、突變部位及大小來判斷減震器的性能優(yōu)劣［8］。

2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

減震器示功特性測試系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集、伺服電機(jī)控制、數(shù)據(jù)分析和處理三大模塊，示功特性測試系統(tǒng)的用戶應(yīng)用軟件程序主要圍繞這三大模塊進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。

測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software structure of the test system

2.1 系統(tǒng)軟件主要功能

示功特性測試系統(tǒng)的主要功能就是對裝配線上的待測減震器逐個(gè)進(jìn)行在線測試，并根據(jù)測試結(jié)果，判斷減震器的質(zhì)量優(yōu)劣，將不合格的減震器剔除出生產(chǎn)線。

測試系統(tǒng)三大模塊的主要功能介紹如下。

①數(shù)據(jù)采集模塊的主要功能是通過數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)采集測試過程中待測減震器在直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)中承受的拉壓力信號(即拉壓力傳感器的輸出電壓信號)，并將它轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的數(shù)字信號，最終通過數(shù)據(jù)總線將該信號傳送給工控機(jī)。

②伺服電機(jī)控制模塊的主要功能是接受工控機(jī)發(fā)出的命令，控制驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)待測減震器進(jìn)行拉伸和壓縮直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成測試系統(tǒng)所需的機(jī)械運(yùn)動(dòng)激震源;并可根據(jù)用戶要求，設(shè)置運(yùn)動(dòng)速度和測試速度段數(shù)等參數(shù)。

③數(shù)據(jù)分析和處理模塊的主要功能是對采集信號進(jìn)行預(yù)處理、示功特性繪制，基于所設(shè)計(jì)算法的示功特性進(jìn)行比較和判定，以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等。對采集信號進(jìn)行的預(yù)處理包括將采集到的減震器衰減力進(jìn)行數(shù)字濾波，同時(shí)把來自旋轉(zhuǎn)編碼器的圓周脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線位移S，以獲取待測減震器示功特性曲線(F-S)。其中，橫坐標(biāo)為位移S，縱坐標(biāo)為衰減力F。由測試系統(tǒng)工作機(jī)理可知，待測減震器工作一周所吸收的震動(dòng)能量大小與示功曲線所包圍的面積大小相對應(yīng)。性能良好的減震器，其示功圖曲線應(yīng)該豐滿圓滑，沒有空行程、突變等現(xiàn)象。通過所設(shè)計(jì)算法和相應(yīng)判據(jù)進(jìn)行在線分析比較，可以判斷減震器性能的優(yōu)劣，并實(shí)時(shí)顯示被測減震器的示功特性曲線和判斷結(jié)果:減震器示功特性正常(OK)或減震器示功特性不正常(NG)。

2.2 數(shù)據(jù)采集控制

減震器示功曲線是通過數(shù)據(jù)采集接口對減震器在拉伸和壓縮行程中衰減力和相應(yīng)位移信號的實(shí)時(shí)采集以及對數(shù)據(jù)分析處理而獲得的。在此過程中，伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，安裝在連桿機(jī)構(gòu)偏心輪外緣的旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生N個(gè)脈沖。數(shù)據(jù)采集卡由編碼器脈沖實(shí)施外觸發(fā)，并同步采集拉壓力傳感器的輸出電壓信號，將其轉(zhuǎn)化成衰減力，最后結(jié)合直線運(yùn)動(dòng)位移，繪制減震器的衰減力-位移曲線。數(shù)據(jù)采集流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.4 Flowchart of data acquisition

2.3 伺服電機(jī)控制

伺服電機(jī)控制單元在減震器示功特性測試系統(tǒng)中起著重要的作用。它由伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，進(jìn)而控制待測減震器按照用戶的設(shè)置運(yùn)動(dòng)并完成測試。伺服電機(jī)控制流程圖如圖5所示。

圖5 伺服電機(jī)控制流程圖Fig.5 Flowchart of servo motor control

2.4 判據(jù)設(shè)計(jì)

測試完成后，獲得被測減震器示功特性曲線，通過分析和判斷示功曲線，評價(jià)被測減震器的性能優(yōu)劣。傳統(tǒng)的對于系統(tǒng)減震器示功特性的判斷主要依靠人工判別，效率低、存在誤判;即使有的測試系統(tǒng)采用了簡單自動(dòng)判別，也只是判別拉伸復(fù)原阻力和壓縮復(fù)原阻力的峰值，而無法識別示功圖的飽滿度和光滑度［7］，更不能實(shí)現(xiàn)在線自動(dòng)判斷。

本測試系統(tǒng)采用了區(qū)域衰減力判據(jù)方法。在減震器拉伸和壓縮的不同區(qū)域共設(shè)定12個(gè)判據(jù);然后設(shè)定判據(jù)的公差范圍。這12個(gè)判據(jù)表示在關(guān)鍵區(qū)域?qū)?yīng)位移處相應(yīng)的衰減力(F)。在比較判斷減震器示功特性測試結(jié)果時(shí)，當(dāng)包括公差范圍的12個(gè)判斷結(jié)果全部落在示功曲線包含的橢圓內(nèi)部時(shí)，表示該示功曲線是正常的，曲線豐滿圓滑，無空行程、突變等特征，則判斷該減震器合格(OK);如果12個(gè)判斷結(jié)果有任何一個(gè)落在示功曲線所包含的橢圓之外，則判定該示功曲線異常，且曲線必然存在突變、空行程甚至畸形等特征，則判斷該減震器不合格(NG)，并同時(shí)向系統(tǒng)報(bào)警。顯然，選擇12個(gè)有效判據(jù)是算法確定后實(shí)施自動(dòng)判斷的關(guān)鍵步驟。而有效判據(jù)的選擇則依賴于減震器的機(jī)種、裝配生產(chǎn)線工藝管理水平、裝配精度控制要求以及判斷區(qū)域的正確選擇等。因此，必須根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和用戶裝配生產(chǎn)線工藝過程以及精度控制要求，經(jīng)過大量的試驗(yàn)測試，才能獲取有效判據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)在線測試和自動(dòng)判斷減震器的示功特性，自動(dòng)鑒別和剔除不合格的減震器，以提高減震器產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

利用上述方法和已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的算法，對正常的和有缺陷的減震器試件進(jìn)行測試，得到減震器的示功曲線并進(jìn)行自動(dòng)判斷，以獲得正確的判斷結(jié)果。

3.1 正常的示功特性曲線

測試系統(tǒng)對正常的減震器試件進(jìn)行測試的條件為:直線運(yùn)動(dòng)速度為0.52 m/s，設(shè)定的公差范圍為±50 N，從左往右依次設(shè)定12個(gè)判據(jù)，左上角:(5，300)、(15，500)、(25，700)，右上角:(75，700)、(85，500)、(95，300)，左下角:(5，－200)、(15，－400)、(25，－500)，右下角:(75，－500)、(85，－400)、(95，－200)。其中，橫坐標(biāo)表示減震器的位移(S)，縱坐標(biāo)表示位移對應(yīng)的衰減力(F)。正常的減震器示功特性曲線如圖6所示。

圖6 正常的減震器示功特性曲線Fig.6 Normal dynamometer curve of the shock absorber

由圖6可知，示功曲線是光滑和飽滿的。依據(jù)前面所敘述的判定方法，該減震器試件的示功曲線是合格的，系統(tǒng)判定結(jié)果為OK。

3.2 異常的示功特性曲線

測試系統(tǒng)對非正常的減震器試件進(jìn)行測試和獲取的示功曲線如圖7所示。試驗(yàn)條件為:直線運(yùn)動(dòng)速度為0.52 m/s，公差范圍為±50 N，從左往右依次設(shè)定12個(gè)判據(jù)，左上角:(5，300)、(15，500)、(25，700)，右上角:(75，700)、(85，500)、(95，300)，左下角:(5，－300)、(15，－500)、(25，－ 700)，右下角:(75，－ 700)、(85，－500)、(95，－300)。

圖7(a)為某減震器試件右下角凹陷的示功曲線，圖中右下角有一個(gè)判斷結(jié)果位于示功曲線所包含的橢圓之外，示功曲線右下角出現(xiàn)突變、不光滑、有凹陷，表示該減震器試件示功特性有缺陷，因此系統(tǒng)判斷結(jié)果為“不合格”，顯示“NG”;圖7(b)為左上角和右下角都存在凹陷的減震器試件示功曲線，可明顯看出左上角的三個(gè)判斷結(jié)果和右下角的四個(gè)判斷結(jié)果都位于示功曲線所包含的橢圓之外，示功曲線嚴(yán)重畸形，因此系統(tǒng)判斷結(jié)果為“不合格”，顯示“NG”。

圖7 異常減震器示功曲線Fig.7 Abnormal dynamometer curves of the shock absorber

3.3 速度特性曲線

測試系統(tǒng)除了可以測試減震器的示功特性之外，還可以測試減震器的速度特性。減震器的速度特性是指在不同的速度段測得減震器的最大拉伸力和壓縮力，將在各個(gè)速度段所獲得的最大拉伸力和壓縮力值擬合為一條曲線，即可得到速度(V)與衰減力(F)的關(guān)系曲線。減震器速度特性曲線如圖8所示，減震器的最大拉伸力和壓縮力是在速度段分別為0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.5 m/s、0.6 m/s、0.7 m/s、0.8 m/s、0.9 m/s、1.0 m/s、1.1 m/s時(shí)得到的。

圖8 減震器速度特性曲線Fig.8 Characteristic curves of speed of shock absorber

由圖8可看出，隨著直線運(yùn)動(dòng)速度的逐漸增加，減震器所承受的拉力和壓力也逐漸增加。

4 結(jié)束語

使用本文設(shè)計(jì)的示功特性測試系統(tǒng)對轎車減震器進(jìn)行在線測試和分析，所繪制的示功曲線能準(zhǔn)確反映被測減震器試件的實(shí)際性能。試驗(yàn)表明，該測試系統(tǒng)是一種有效的減震器性能測試和自動(dòng)判斷系統(tǒng)。在工控機(jī)的協(xié)調(diào)控制下，基于數(shù)據(jù)采集接口和運(yùn)動(dòng)控制接口的減震器示功特性測試系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成示功特性的在線測試、比較和性能判斷。與傳統(tǒng)的判斷方法相比，該系統(tǒng)在一定程度上提高了在線測試的準(zhǔn)確性和效率。目前，該測試系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于轎車減震器裝配生產(chǎn)線末端的在線測試中。

［1］于兆華，尚景華.國內(nèi)油壓減振器試驗(yàn)臺現(xiàn)狀及未來發(fā)展探討［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2005(2):28－30.

［2］王天利，曾慶東，劉小寧，等.汽車減震器試驗(yàn)臺微機(jī)測控系統(tǒng)［J］.遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1993，13(1):14－20.

［3］黃偉福.微機(jī)控制油壓減振器試驗(yàn)臺的研制［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［4］萬杰.汽車減震器電液伺服試驗(yàn)臺的研究及測控系統(tǒng)開發(fā)［D］.成都:西華大學(xué)，2008.

［5］騰一寧.汽車阻尼器特性試驗(yàn)臺與測試系統(tǒng)的研究［D］.淄博:山東理工大學(xué)，2009.

［6］張冰蔚，李金梅.減振器外特性的虛擬測試系統(tǒng)研究［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，22(4):48 －52.

［7］吳亞楠.基于交流伺服系統(tǒng)的油壓減震器試驗(yàn)平臺的研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2007.

［8］上海汽車底盤廠，長春汽車研究所，北京工業(yè)學(xué)院.QC/T545-1999轎車筒式減震器臺架試驗(yàn)方法［S］.長春:1999.

［9］李東義，邵立鵬，王明海.油壓減震器性能檢測系統(tǒng)［J］.鐵道車輛，2010，48(4):32－34.