藍(lán)鳳英 鄭瑩娜 李 揚 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)運而生［4－7］。

與傳統(tǒng)機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)采用伺服電機作為驅(qū)動源。在計算機控制下，減震器的曲柄連桿機構(gòu)由伺服電機驅(qū)動，直接將電機由旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)樽韵露系闹本€往復(fù)運動，形成簡諧激勵。在減震器作拉伸和壓縮直線往復(fù)運動過程中，采用合適的力傳感器，實現(xiàn)減震器示功特性測試。根據(jù)減震器示功特性曲線自動評價判斷方法和判據(jù)以及系統(tǒng)自動測試和繪制衰減力示功圖，可以評價被測減震器試件的性能品質(zhì)。在生產(chǎn)裝配線末端，實時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)對減震器衰減力進行在線自動測試，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方法》標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)在線測試要求和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計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)以工控機為核心，由數(shù)據(jù)采集接口、伺服電機控制驅(qū)動接口以及基于PLC控制的氣動夾具單元組成。通過實時檢測和控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)轎車減震器示功特性的自動測試。

在測試系統(tǒng)中，工控機通過伺服電機控制接口向伺服驅(qū)動器發(fā)送控制指令，進而控制伺服電機帶動曲柄連桿機構(gòu)進行往復(fù)運動，將電機旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為減震器試件的直線往復(fù)運動。通過用戶程序控制伺服驅(qū)動器，即可按照測試要求調(diào)整減震器的試驗運行速度;在運動過程中，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行在線評價。

伺服電機每旋轉(zhuǎn)一周，即由安裝在連桿機構(gòu)偏心輪外緣的旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生N個脈沖作為外觸發(fā)信號，觸發(fā)數(shù)據(jù)采集卡實時采集減震器試件在直線往復(fù)運動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。

工控機是測試系統(tǒng)的核心，用來控制系統(tǒng)以及進行數(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行實時檢測、比較和判斷。

1.1.1 伺服電機控制接口

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

圖2 伺服電機控制接口Fig.2 Control interface of the servomotor

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

本測試系統(tǒng)采用采集接口的單個模擬輸入通道，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)計用戶系統(tǒng)軟件，通過動態(tài)鏈接庫驅(qū)動程序，對AD16-16(PCI)EV數(shù)據(jù)采集接口進行底層驅(qū)動，從而實現(xiàn)被測減震器示功特性拉壓力模擬信號的實時采集和處理。

1.1.3 數(shù)字 I/O接口

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

本測試系統(tǒng)使用PIO-32/32L(PCI)和PIO-32/32T(PCI)兩個數(shù)字I/O板卡。其中，PIO-32/32L(PCI，高電平)板卡與伺服驅(qū)動器連接，工控機通過該接口實時接收伺服電機的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。PIO-32/32T(PCI，低電平)板卡與轉(zhuǎn)速表連接，工控機通過該接口實時接收旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號，驅(qū)動轉(zhuǎn)速表和觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，并通過用戶程序算法進行一系列轉(zhuǎn)換，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成減震器試件在測試運動過程中所行進的位移，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方法》標(biāo)準(zhǔn)，減震器示功特性測試系統(tǒng)進行測試和檢定的試驗條件為:減震器在規(guī)定的行程和試驗頻率下，其中一端固定，另一端實現(xiàn)近似的簡諧運動［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行程中吸收外界震動的能力［9］。

根據(jù)測試系統(tǒng)工作機理和大量試驗研究，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

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行相應(yīng)設(shè)計。

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進行在線測試，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)采集卡實時采集測試過程中待測減震器在直線往復(fù)運動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。

②伺服電機控制模塊的主要功能是接受工控機發(fā)出的命令，控制驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)，帶動待測減震器進行拉伸和壓縮直線往復(fù)運動，形成測試系統(tǒng)所需的機械運動激震源;并可根據(jù)用戶要求，設(shè)置運動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行預(yù)處理、示功特性繪制，基于所設(shè)計算法的示功特性進行比較和判定，以及數(shù)據(jù)的存儲等。對采集信號進行的預(yù)處理包括將采集到的減震器衰減力進行數(shù)字濾波，同時把來自旋轉(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)工作機理可知，待測減震器工作一周所吸收的震動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)計算法和相應(yīng)判據(jù)進行在線分析比較，可以判斷減震器性能的優(yōu)劣，并實時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)位移信號的實時采集以及對數(shù)據(jù)分析處理而獲得的。在此過程中，伺服電機每旋轉(zhuǎn)一周，安裝在連桿機構(gòu)偏心輪外緣的旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生N個脈沖。數(shù)據(jù)采集卡由編碼器脈沖實施外觸發(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)合直線運動位移，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 伺服電機控制

伺服電機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)動器驅(qū)動伺服電機，進而控制待測減震器按照用戶的設(shè)置運動并完成測試。伺服電機控制流程圖如圖5所示。

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

2.4 判據(jù)設(shè)計

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］，更不能實現(xiàn)在線自動判斷。

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個判據(jù);然后設(shè)定判據(jù)的公差范圍。這12個判據(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，當(dāng)包括公差范圍的12個判斷結(jié)果全部落在示功曲線包含的橢圓內(nèi)部時，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個判斷結(jié)果有任何一個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)，并同時向系統(tǒng)報警。顯然，選擇12個有效判據(jù)是算法確定后實施自動判斷的關(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)過大量的試驗測試，才能獲取有效判據(jù)，從而實現(xiàn)在線測試和自動判斷減震器的示功特性，自動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 試驗結(jié)果和分析

利用上述方法和已經(jīng)實現(xiàn)的算法，對正常的和有缺陷的減震器試件進行測試，得到減震器的示功曲線并進行自動判斷，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行測試的條件為:直線運動速度為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行測試和獲取的示功曲線如圖7所示。試驗條件為:直線運動速度為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判斷結(jié)果和右下角的四個判斷結(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，隨著直線運動速度的逐漸增加，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)計的示功特性測試系統(tǒng)對轎車減震器進行在線測試和分析，所繪制的示功曲線能準(zhǔn)確反映被測減震器試件的實際性能。試驗表明，該測試系統(tǒng)是一種有效的減震器性能測試和自動判斷系統(tǒng)。在工控機的協(xié)調(diào)控制下，基于數(shù)據(jù)采集接口和運動控制接口的減震器示功特性測試系統(tǒng)能夠自動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。

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