某系列綜合傳動裝置空載試驗臺自動化改造研究與應(yīng)用

李敏 鄒建洪 林雪玉 秦悅寧 李建雄 楊柳

（1江麓機電集團有限公司，2湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，自動化技術(shù)水平的高低已經(jīng)成為衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展水平和現(xiàn)代化現(xiàn)代化程度的標志。當前工業(yè)自動化技術(shù)已經(jīng)在我國很多行業(yè)中得到了應(yīng)用，自動化控制大大減輕了人工負擔，有效提升了工作效率，提高了生產(chǎn)質(zhì)量，同時自動化的應(yīng)用也是科技發(fā)展的體現(xiàn)。本文對公司空載試驗臺進行自動化改造，逐步實現(xiàn)公司綜合傳動裝置空載試驗系統(tǒng)的自動化，以自動化為橋梁探索符合工廠實際的智能制造方法。

1 現(xiàn)狀問題分析

公司內(nèi)多臺空載試驗臺，用于某系列綜合傳動裝置出廠檢驗的空載試驗。單臺產(chǎn)品試驗過程累計317個操作步驟，且需要對803 項數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，對1852 項數(shù)據(jù)進行采集，試驗操作勞動強度大，試驗持續(xù)時間長，空載試驗臺的產(chǎn)能已經(jīng)開始逐漸跟不上日益增長的生產(chǎn)計劃。

另一方面空載試驗臺交驗效率低。試驗人員磨合試驗自檢合格后，需要再次進行磨合試驗，由檢驗員現(xiàn)場驗證各項數(shù)據(jù)合格才能進行下一步試驗。完成最終試驗后需手動打印后進行人工匯總，對同批次產(chǎn)品綜合性能的統(tǒng)計分析較為不便。

2 預(yù)期效果

根據(jù)試驗內(nèi)容及流程要求，對空載磨合試驗、空載轉(zhuǎn)向試驗、空載直使試驗、拖泵試驗、風扇泵空載試驗、齒輪泵空載和加載試驗及密封試驗等各個項目實現(xiàn)自動控制。對試驗過程中被試件的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、溫度、壓力、流量、空損等幾千項測點數(shù)據(jù)實現(xiàn)全自動采集，對試驗設(shè)備和被試件異?，F(xiàn)象實現(xiàn)自動監(jiān)測、報警和安全停車。利用遠程服務(wù)器實現(xiàn)對現(xiàn)場試驗設(shè)備遠程控制與監(jiān)測，可對試驗數(shù)據(jù)集中管理，可利用接口擴展實現(xiàn)一機多控功能。

3 方案實施

空載試驗臺自動化改造主要包括以下部分：自動控制改造，即更新驅(qū)動單元調(diào)試方式、新增自動換擋功能、新增自動轉(zhuǎn)向、新增試驗后放油自動控制等；試驗數(shù)據(jù)自動采集改造；新增遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫功能；。

3.1 更新驅(qū)動單元調(diào)速方式

采用工控機通過RS485 總線與變頻器進行通訊，由工控機發(fā)出調(diào)速指令，變頻器對變頻電機的轉(zhuǎn)速自動進行調(diào)節(jié)，電機編碼器將轉(zhuǎn)速信號反饋給變頻器，可以形成對轉(zhuǎn)速的全閉環(huán)控制，這種調(diào)速方式調(diào)速性能好，系統(tǒng)特性曲線較硬，轉(zhuǎn)矩變化對系統(tǒng)速度擾動幾乎不計。

通過工控機、變頻器自動調(diào)速控制，輸入轉(zhuǎn)速具有使能控制、正反轉(zhuǎn)控制、自動無極變速功能、自動恒速等功能。

3.2 增加自動換擋功能

在保持原有手動換擋功能的同時，增加自動換擋功能。通過PLC按照變速箱的實際工況給出控制信號，控制電磁閥組完成檔位自動切換。并且在工控機軟件中和PLC 程序中都設(shè)置了保護程序，確保不會出現(xiàn)跳擋和無延時換擋現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 增加自動轉(zhuǎn)向功能

用自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)替代原有轉(zhuǎn)向手柄、蝸桿等組成手動機械轉(zhuǎn)向裝置。該系統(tǒng)由步進電機驅(qū)動模塊、帶離合器的步進電機、接近開關(guān)、前梁等組成。

工控機控制PLC 向步進電機驅(qū)動器發(fā)出脈沖和轉(zhuǎn)向信號，控制步進電機的轉(zhuǎn)向、速度和角度，從而帶動前梁進退，以此來帶動轉(zhuǎn)向擺臂轉(zhuǎn)向。加裝了接近開關(guān)（雙向）以保證機械限位，當接近開關(guān)動作后，可以判斷，轉(zhuǎn)向擺臂轉(zhuǎn)到了工位角±30O的極限位置，在此位置保持3 分鐘（時間由工藝要求決定）。保持時間達到后，工控機通過PLC 控制離合器斷開，轉(zhuǎn)向擺臂自由落下，回到工位角0°位置，可以實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)向的目的，既可靠又能提高效率。

3.4 增加自動換油功能

原設(shè)備在完成磨合試驗后，需要等變速箱內(nèi)油溫下降至50℃以下方可手動換油，工作效率低。設(shè)計自動放油裝置，由直線步進電機推動頂珠實現(xiàn)自動放油。當磨合試驗完成后，工控機向PLC 發(fā)出指令，PLC 控制電機將頂珠頂起，產(chǎn)品中的油自動放回油槽中，既能降低試驗勞動強度，也能縮短試驗時間。自動放油裝置結(jié)構(gòu)圖如下：

3.5 數(shù)據(jù)自動采集

由PLC 給出采集信號，各參數(shù)的物理量都是由傳感器（含壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器等）獲取，變換成電信號，經(jīng)調(diào)理、放大、屏蔽處理，數(shù)據(jù)采集處理后，傳輸至工控機，并能自動生產(chǎn)試驗報表。信號采集系統(tǒng)框圖如下：

3.6 軟件改造升級

在原有軟件基礎(chǔ)上，根據(jù)自動控制的需求進行升級改造。新版軟件由控制軟件、測量軟件、診斷軟件和數(shù)據(jù)庫組成。

3.6.1 控制軟件

控制軟件包含主控軟件和PLC 梯形圖軟件兩部分。主控軟件主要負責試驗流程控制，包括操作授權(quán)模塊、專家?guī)焓跈?quán)模塊、報警庫授權(quán)模塊、性能試驗程序模塊、數(shù)據(jù)試驗程序模塊、封閉試驗程序模塊、專家?guī)鞌?shù)學(xué)分析模塊、報警庫對比模塊、試驗報告生成模塊等。PLC 梯形圖軟件主要負責功能和安全控制，主要包括：動力、換擋、轉(zhuǎn)向、拖車泵、風扇泵、齒輪泵、散熱器冷卻等及其它控制程序。

3.6.2 測量軟件

測量軟件通過人機對話獲得參數(shù)修改權(quán)限，可進行傳感器參數(shù)標定、通道選擇、零點校正等。另一方面，測量軟件具備相應(yīng)的數(shù)字濾波功能，以濾除這些雜波干擾信號，數(shù)字濾波器可開啟和關(guān)閉。

3.6.3 診斷軟件

在軟件中對常見故障進行了編輯，試驗過程中一旦設(shè)備或功能出現(xiàn)故障，將自動給出報警，并顯示故障、事故發(fā)生的時間、地點及性質(zhì)。

3.6.4 數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫用ACCESS 小型數(shù)據(jù)庫。它是在小型數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位的產(chǎn)品，系統(tǒng)可移植性好、使用方便、功能強，適用于各類大、中、小、微機環(huán)境。

數(shù)據(jù)庫包括實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，實時數(shù)據(jù)庫實時性能好，滿足試驗試軟件對所需數(shù)據(jù)的要求。歷史數(shù)據(jù)庫從實時系統(tǒng)中接受數(shù)據(jù)與事件并存儲、統(tǒng)計。

3.7 新增遠程監(jiān)控功能

主要由中央控制室操作員工作站（也稱工作總站、遠程監(jiān)控主機）軟件系統(tǒng)及工位操作員工作站（也稱子站、從機）系統(tǒng)軟件組成。工作總站可監(jiān)測子站所屬空載試驗臺工作狀態(tài)及實時試驗情況，也可對子站下達試驗流程，遠程控制試驗進行，并能自動接收各工位操作員工作站試驗數(shù)據(jù)，自動存貯試驗數(shù)據(jù)或上傳至公司內(nèi)部網(wǎng)。

4 應(yīng)用效果分析

4.1 降低勞動強度，提高試驗產(chǎn)能

改造后的自動化試驗臺以自動化為基礎(chǔ)，利用自動控制技術(shù)及軟件分析處理平臺，做到試驗步驟、數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)采集自動控制，在空載試驗臺未出報警的情況下，通過一鍵啟動可完成整套試驗，將單臺次產(chǎn)品的試驗時間由22.34 小時縮減至20 小時以下，大大降低試驗操作人員勞動強度。

4.2 統(tǒng)計分析試驗產(chǎn)品性能，助力產(chǎn)品可持續(xù)化改進

通過遠程監(jiān)控系統(tǒng)的文件傳輸功能，將離散型的試驗數(shù)據(jù)進行匯總，對產(chǎn)品的最終試驗數(shù)據(jù)進行分類統(tǒng)計，進行橫向比較，并生成圖表，分析產(chǎn)品的一致性，從而對產(chǎn)品進行有針對性的可持續(xù)改進。

4.3 數(shù)據(jù)采集的有效性得到可靠保障

為了解決試驗臺改造前數(shù)據(jù)采集受干擾，波動大的問題。采用了三組獨立隔離型電源模塊供電：Ue3、Ue4、Fn1、Fn2 一組，Rt 一組，風扇泵電磁閥一組；信號線采用測量專用電纜，并做了分項屏蔽和雙層屏蔽處理，防止共地干擾和電磁干擾。另一方面，在軟件中優(yōu)化了濾波算法，對于油溫、油壓等量是非快速變化信號用64 點快速FFT 算法計算出直流分量，在此基礎(chǔ)上，對油溫信號，首先采用中位值濾波法，再采用限幅濾波法；對油壓信號，先采用限幅濾波法，再采用消抖濾波法。對于頻率信號，直接用快速FFT 算法，得到信號頻率。通過不同信號的特性，采用合適的濾波算法，有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，有良好的濾波效果。在試運行過程中，采集數(shù)據(jù)顯示基本無波動，產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)得到了較好的可靠性。

4.4 降低消耗，節(jié)約試驗成本

通過優(yōu)化傳動結(jié)構(gòu)，利用變頻調(diào)速的優(yōu)勢，采用軸間直連的方式替代原有增速箱傳動，避免了增速箱的損耗。原設(shè)備每年損耗1-2 個增速箱，每臺增速箱約3 萬元。另一方面，自動化試驗臺具有自動采集、自動控制及邏輯判斷功能，減少每臺產(chǎn)品的試驗時間，大大降低電力消耗。

5 結(jié)語

本文通過對空載試驗臺進行自動化改造，將原試驗臺手動換擋，手動轉(zhuǎn)向、實時人工采集等手動操作改成了全自動操作，初步實現(xiàn)整套試驗流程的自動化，生產(chǎn)效率將顯著提升、勞動強度大幅降低，試驗數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性也得到有效保障。對于探索符合工廠實際的智能制造方法，走向智能化、網(wǎng)絡(luò)化、便捷化的道路，具有較大的意義。