曾學(xué)禮，段獻(xiàn)坤，魯修軍，李笑來，李文華，王慶東

(1.長城電器集團(tuán)有限公司，浙江 325603;2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130;3.浙江正泰電器股份有限公司，浙江 325603)

0 引言

汽車制動(dòng)性能是最重要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，怎樣才能精確地獲得汽車制動(dòng)時(shí)的性能參數(shù)是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)汽車制動(dòng)性能的關(guān)鍵所在，而制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)最為關(guān)鍵的核心部件是剎車閥，因此剎車閥性能測試的研究具有重要的科研意義。近年來隨著車輛擁有量的增加趨勢，各個(gè)生產(chǎn)廠商對(duì)剎車閥性能及其檢測設(shè)備提出了更多以及更高的要求。為了滿足科研、教學(xué)的需要，設(shè)計(jì)和研制剎車閥測試系統(tǒng)是一條重要途徑。

LabVIEW是由美國國家儀器(NI)公司研制開發(fā)的軟件平臺(tái)，其含有種類豐富的函數(shù)庫，編程時(shí)只需調(diào)用相應(yīng)函數(shù)庫即可輕松完成程序的開發(fā)設(shè)計(jì)，同時(shí)可以方便靈活地搭建功能更為強(qiáng)大的測試系統(tǒng)，利用LabVIEW開發(fā)的剎車閥測試系統(tǒng)，較為容易地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理過程的自動(dòng)化[1]。

汽車生產(chǎn)商在針對(duì)氣壓剎車閥產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)采用傳統(tǒng)測試儀器，該測試儀器不僅操作煩瑣而且生產(chǎn)效率低下;而使用智能型、綜合型測試系統(tǒng)可以大大地簡化測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)項(xiàng)目的自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、記錄等，不但簡化了試驗(yàn)人員的工作量并且有利于保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。因此開發(fā)使用自動(dòng)化程度更高的測試系統(tǒng)將是同類氣壓試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展方向[2]。

本文研制的氣壓剎車閥測試系統(tǒng)大大縮小了設(shè)備的規(guī)模，簡化了操作人員的勞動(dòng)，對(duì)產(chǎn)品的試驗(yàn)結(jié)果提供了可靠的保證，并且節(jié)省了費(fèi)用。

1 測試系統(tǒng)工作原理

氣壓剎車閥測試系統(tǒng)為真實(shí)模擬實(shí)車制動(dòng)過程完整檢測整車制動(dòng)性能，設(shè)計(jì)了踏板力模擬裝置，通過力傳感器及角度傳感器可以測量施加于踏板上的力及欲剎車程度，用伺服電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)以及制動(dòng)絲桿用來下壓實(shí)車制動(dòng)踏板進(jìn)而模擬剎車過程。制動(dòng)絲桿前端安裝壓力和角度傳感器，以檢測踏板力大小和制動(dòng)踏板下壓程度。進(jìn)氣管路中接入壓力傳感器，用于監(jiān)測制動(dòng)管壓，工作原理如圖1。

圖1 工作原理圖

測試控制工作時(shí)，首先由操作系統(tǒng)啟動(dòng)主控程序，在其控制下分別進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)測試和數(shù)據(jù)處理工作。一般工作過程是先根據(jù)實(shí)測現(xiàn)場要求和控制輸出要求進(jìn)行系統(tǒng)工況參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)工況參數(shù)根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)以文本文件形式保存在系統(tǒng)內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)只需設(shè)定產(chǎn)品型號(hào)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)產(chǎn)品型號(hào)自動(dòng)調(diào)用系統(tǒng)工況參數(shù)。在系統(tǒng)工況設(shè)置結(jié)束后，啟動(dòng)自檢工作，對(duì)所測試產(chǎn)品型號(hào)及位置擺放進(jìn)行檢查，一旦發(fā)生異常，系統(tǒng)報(bào)警通知操作員人工檢查重新放置試品。

系統(tǒng)自檢正常后，測試開始進(jìn)行，首先根據(jù)欲剎車程度，系統(tǒng)計(jì)算出伺服電機(jī)給定量，進(jìn)而控制制動(dòng)絲桿驅(qū)動(dòng)踏板下壓，通過力及角度傳感器測量施加于踏板上的力及踏板下壓角度，踏板下壓后使進(jìn)氣閥打開產(chǎn)生制動(dòng)壓力，通過制動(dòng)管路內(nèi)的壓力傳感器測量出氣閥的壓力值進(jìn)而判斷試品是否合格。試驗(yàn)信息的輸出和數(shù)據(jù)采集的整個(gè)過程時(shí)間短，因此設(shè)計(jì)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)完全自動(dòng)控制。試驗(yàn)結(jié)束后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析和輸出相應(yīng)測試結(jié)果。

2 硬件設(shè)計(jì)

氣壓剎車閥按國標(biāo)“GB7258－2004機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件”和“GB12676－1999汽車制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗(yàn)方法”的要求進(jìn)行研制[3]。設(shè)備采用模塊化結(jié)構(gòu):由氣源、試驗(yàn)臺(tái)架、電氣系統(tǒng)3個(gè)獨(dú)立部分組成。

氣源部分采用兩體結(jié)構(gòu):氣缸、過濾器為一體，固定在試驗(yàn)系統(tǒng)上;兩通電磁閥、過濾減壓閥等為另一體，接口采用浮動(dòng)接頭的形式以便于連接。

試驗(yàn)臺(tái)架由步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、力傳感器、角度傳感器、位移傳感器、對(duì)射傳感器、臺(tái)體及夾具等組成。

電氣系統(tǒng)由控制系統(tǒng)和采集系統(tǒng)組成，控制系統(tǒng)主要采用PCL－720+數(shù)字量I/O卡和PCI－1721模擬量輸出卡，采集系統(tǒng)采用PCI－1747U數(shù)據(jù)采集卡。

PCL－720+數(shù)字量I/O卡是一款32路TTL數(shù)字量輸入、32路TTL數(shù)字量輸出卡，具有高輸出驅(qū)動(dòng)能力、3個(gè)可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器通道以及用于定制電路的面包板擴(kuò)展功能區(qū)域。

PCI－1721模擬量輸出卡提供4路模擬量輸出通道的高速PCI總線卡，具有5 MHz最大數(shù)字更新速率、自動(dòng)校準(zhǔn)功能，每個(gè)模擬量輸出通道帶一個(gè)12位雙緩沖器DAC，帶內(nèi)部/外部觸發(fā)的實(shí)時(shí)波形輸出功能，具有靈活的輸入類型和范圍設(shè)定等。

PCI－1747U是一款高分辨率高通道計(jì)數(shù)模擬量輸入PCI總線卡，它的采樣速率可達(dá)250 kS/s，提供部分?jǐn)?shù)據(jù)采集應(yīng)用所需的16位分辨率，同時(shí)提供64路單端，32路差分模擬量輸入或組合輸入，它還帶有用于模擬量輸入數(shù)據(jù)的1 K采樣FIFO緩沖區(qū)。

PCI－1721模擬量輸出卡所提供的模擬輸出信號(hào)用來控制步進(jìn)電機(jī)，再通過減速器進(jìn)而控制踏板力的大小，面板上裝有相應(yīng)的顯示儀表和控制開關(guān)。PCL－720+數(shù)字量I/O卡控制電磁閥的開斷以及其它保護(hù)類單元的控制，同時(shí)PCI－1721模擬量輸出卡還用來控制電磁比例閥的大小進(jìn)而控制測試試品所施加壓力的大小。

采集系統(tǒng)主要采用PCI－1747U數(shù)據(jù)采集卡所提供的模擬輸入信號(hào)用來采集位移傳感器、角度傳感器、力傳感器、壓力傳感器的值。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 測試系統(tǒng)各部分之間的信號(hào)傳遞方式

測試系統(tǒng)分成:氣源、試驗(yàn)臺(tái)架、電氣系統(tǒng)三個(gè)相互獨(dú)立的部分，各部分之間需要很好地解決信號(hào)傳遞問題，信號(hào)傳遞示意圖如圖2所示，該信號(hào)傳遞方式很好地解決了信號(hào)間傳遞問題。

圖2 信號(hào)傳遞示意圖

該測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用虛擬儀器LabVIEW作為開發(fā)工具，LabVIEW是一門基于數(shù)據(jù)流技術(shù)的圖形化編程語言，其內(nèi)嵌了非常豐富的工程應(yīng)用函數(shù)，編程時(shí)只需調(diào)用其鏈接庫函數(shù)就可方便地對(duì)其調(diào)用，降低了對(duì)編程者編程經(jīng)驗(yàn)和熟練程度的要求，簡化了程序的開發(fā)，特別是在構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面有著其他基于過程的文本語言無可比擬的優(yōu)勢，良好運(yùn)行于windows2000/xp、linux、sun和HP-UX等多種標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)平臺(tái)，在自動(dòng)測量系統(tǒng)，工業(yè)自動(dòng)化控制，實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)模擬仿真方面得到十分廣泛地的應(yīng)用[4]。

通過工控機(jī)的模擬輸入板卡采集并記錄系統(tǒng)壓力值、位移值和載荷值等。通過模擬輸出板卡輸出信號(hào)控制系統(tǒng)的壓力給定以及控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的進(jìn)給速度，控制操縱機(jī)構(gòu)的位置變化等等。

3.2 該測試系統(tǒng)開發(fā)的軟件結(jié)構(gòu)

3.2.1 用戶交互界面

主要包括:產(chǎn)品型號(hào)設(shè)置、用戶自動(dòng)/手動(dòng)模式選擇、測試系統(tǒng)手動(dòng)調(diào)節(jié)、系統(tǒng)維護(hù)、數(shù)據(jù)采集輸出實(shí)時(shí)顯示等多個(gè)模塊。本部分主要實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)與用戶的直接交流，使用戶能夠?qū)⒃囼?yàn)中的外界限定條件輸入到試驗(yàn)系統(tǒng)當(dāng)中，其程序如圖3所示。

圖3 試品測試參數(shù)調(diào)用程序圖

在試驗(yàn)過程中，通過報(bào)警信號(hào)指示燈和面板數(shù)值顯示及圖形用來觀察當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。試驗(yàn)結(jié)束后，邏輯單元通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出相應(yīng)的測試結(jié)果，并通過報(bào)警信號(hào)指示燈直觀地顯示出測試結(jié)果。

3.2.2 后臺(tái)應(yīng)用程序

包含控制信號(hào)的輸出、傳感器信號(hào)采集、數(shù)據(jù)邏輯運(yùn)算三個(gè)部分[5]。其中控制信號(hào)的輸出既可用來控制電磁閥模擬量進(jìn)而控制制動(dòng)氣路的壓力大小，又可控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制制動(dòng)力的大小;信號(hào)采集部分的功能是通過用戶界面獲得試驗(yàn)時(shí)的外界條件和試驗(yàn)中所測的信號(hào)，包括模擬信號(hào)采集、數(shù)字濾波和開關(guān)量采集與處理;數(shù)據(jù)邏輯運(yùn)算的功能包含對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與處理、試驗(yàn)結(jié)果存儲(chǔ)等部分，其邏輯運(yùn)算程序如圖4所示。

圖4 邏輯運(yùn)算程序圖

3.3 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

測試系統(tǒng)軟件的測試流程如圖5所示。系統(tǒng)開機(jī)后，首先進(jìn)入系統(tǒng)主界面，進(jìn)行試品型號(hào)選擇，然后讀取測試型號(hào)試品參數(shù)，用戶通過點(diǎn)擊控制面板上的單擊按鈕進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)兩種方式執(zhí)行程序。進(jìn)入自動(dòng)測試程序后，首先夾緊和密封被測工件，驅(qū)動(dòng)制動(dòng)絲桿前進(jìn)，同時(shí)通過采集卡從傳感器采集數(shù)據(jù)，并在屏幕上動(dòng)態(tài)顯示采集得到的數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)曲線和數(shù)據(jù)值。測試完成后，根據(jù)用戶的標(biāo)準(zhǔn)值判斷試品是否合格，測試結(jié)果和特征點(diǎn)數(shù)據(jù)都保存在數(shù)據(jù)庫中，供用戶需要時(shí)查詢、打印;最后系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，等待下一個(gè)工件檢測的開始或退出測試系統(tǒng)。

4 測量數(shù)據(jù)的優(yōu)化處理

4.1 信號(hào)調(diào)理

工控機(jī)采集到的數(shù)字信號(hào)是通過傳感器輸出的模擬電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸入到工控機(jī)內(nèi)的，但是傳感器輸出的是微弱電信號(hào)，不可避免地會(huì)混入干擾噪聲。為了保證測試數(shù)據(jù)的精確可靠，在采集回路中加入了信號(hào)調(diào)理電路。濾波電路設(shè)計(jì)中，采用低通濾波器進(jìn)行濾波，有效地抑制了信號(hào)中噪聲的干擾，根據(jù)工況條件，設(shè)定截止頻率，使采集到的數(shù)據(jù)更加逼近實(shí)際信號(hào)。終端電路采用隔離變送器WS1521，使傳感器輸出的微弱電信號(hào)變送為數(shù)據(jù)采集卡能夠接受的量程范圍，進(jìn)而準(zhǔn)確可靠地送至工控機(jī)。

4.2 測量數(shù)據(jù)濾波

主要是為了剔除測量信號(hào)中的畸變點(diǎn)，保留正常的測量值。

采集到計(jì)算機(jī)中的實(shí)時(shí)模擬信號(hào)量，由于測量現(xiàn)場的環(huán)境干擾、電磁干擾、傳感器輸出信號(hào)量的漂移以及其他人為因素等復(fù)雜條件的影響，數(shù)據(jù)點(diǎn)不可避免地出現(xiàn)一些非可靠點(diǎn)。直接對(duì)這些非可靠點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理顯然會(huì)造成測試結(jié)果的不可靠，因此數(shù)據(jù)處理程序必須先對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。

在本測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件中，濾波程序采用了逐點(diǎn)分析的濾波方法[6]。該方法不僅能夠跟蹤和處理實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)而且可以與信號(hào)同步分析，從而使數(shù)據(jù)丟失的可能性更小。

圖5 系統(tǒng)測試流程圖

4.3 數(shù)據(jù)組均值模塊

測量數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波化處理后，其畸變點(diǎn)已經(jīng)剔除，但部分微小波動(dòng)量仍存在于測量數(shù)據(jù)之中，進(jìn)而造成測試結(jié)果的不準(zhǔn)確，因此設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)組均值模塊，經(jīng)過數(shù)據(jù)組均值模塊化處理，其測量值將不會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，使測量結(jié)果更加精確可靠。

5 結(jié)束語

使用虛擬儀器LabVIEW開發(fā)設(shè)計(jì)出的測試系統(tǒng)不僅軟件界面生動(dòng)、直觀而且操作方便，同時(shí)開發(fā)周期短、數(shù)據(jù)采集速度快、測量精度高、系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、軟硬件抗干擾能力強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠、測試功能齊全，滿足了汽車制動(dòng)性能的測試要求。另外，該系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，硬件不需作較大幅度改動(dòng)，對(duì)軟件作適當(dāng)修改就可將其用作其它相關(guān)試驗(yàn)的測試與分析，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展，同時(shí)測試精度、實(shí)時(shí)性、自動(dòng)化程度比傳統(tǒng)儀器有了明顯提高。

[1]盛朝強(qiáng)，謝昭莉.基于電慣量的汽車慣性式制動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，28(1):90 － 92，101.

[2]高燕紅，劉茂生.剎車閥綜合試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)[J].航空精密制造技術(shù)，2006，42(6):59 －61.

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[4]黃偉，孫仁云，王波，等.基于 LabVIEW 的汽車制動(dòng)性能測試系統(tǒng)[J].西華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007，26(1):5 －7.

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