林礪宗，韓 帥，陳建峰，黃 超，周永欣

LIN Li-zong, HAN Shuai, CHEN Jian-feng, HUANG Chao, ZHOU Yong-xin

（華東理工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

相比較傳統(tǒng)的機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering System，EPS）具有節(jié)能環(huán)保、布置靈活、性能拓展性強等優(yōu)點，在各級別乘用車中應(yīng)用普遍[1,2]。且具備完全取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的趨勢[3]。現(xiàn)今乘用車一般所用電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為管柱式電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Column type Electric Power Steering，C-EPS）[4]，但在實際使用中其中間軸比較容易出現(xiàn)失效而對人的生命安全產(chǎn)生重大的威脅[5]。汽車設(shè)計和制造缺陷是影響汽車安全的重要因素，我國法律要求汽車制造商以召回的方式消除缺陷[6]。

2012年3月，東南（福建）汽車工業(yè)有限公司決定召回2008年6月4日至2012年1月5日期間生產(chǎn)的三菱君閣，共計7127輛。召回原因：轉(zhuǎn)向柱中間軸在生產(chǎn)過程中焊接不良，導(dǎo)致中間軸和轉(zhuǎn)向柱焊接強度不足，車輛在極端行駛情況下，該焊接處存在開裂的隱患，影響車輛正常行駛。極端情況，有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向操控失效。

2012年12月，四川一汽豐田汽車有限公司長春豐越公司、豐田汽車（中國）投資有限公司決定召回部分缺陷汽車，共計3833輛。召回原因：由于車輛轉(zhuǎn)向裝置中連接方向盤與轉(zhuǎn)向機的零件（中間軸）的齒形花鍵強度不足。如果在低速行駛中重復(fù)強力打滿舵，零件的連接部位會發(fā)生松動。

由此可以看出對C-EPS中間軸進行耐久性測試具有重大的意義，但國內(nèi)企業(yè)并沒有對這方面測試技術(shù)給予足夠的重視，也很少有相關(guān)的研究人員對其進行研究，并生產(chǎn)制造相應(yīng)的測試設(shè)備。這主要因為在對中間軸進行測試時需要高頻率大位移的來回運動，而國內(nèi)這方面的技術(shù)并不成熟。

圖1 中間軸結(jié)構(gòu)

1 硬件部分

中間軸通常由一對可滑動的內(nèi)、外軸和兩個十字軸萬向節(jié)組成，如圖1所示。

1.1 測試機結(jié)構(gòu)

測試機分為兩個工位，工位A和工位B，內(nèi)軸部分經(jīng)過萬向節(jié)和夾具固定在基座1上，外軸部分經(jīng)過萬向節(jié)和夾具固定在伸縮缸上，伸縮缸和伺服電機組成一個整體定位于基座2之上，由此通過伺服電機的旋轉(zhuǎn)動作即能帶動外軸部分進行高頻率大位移的伸縮動作，進行中間軸的耐久性測試，如圖2所示。整套設(shè)備固定于底座上保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定，可靠。機器上輔助器件有原點傳感器，平恒桿，拉壓力傳感器等，分別用于機器回機械原點，保證中間軸的平恒和實時壓力的顯示。

圖2 測試機結(jié)構(gòu)

1.2 電機選型計算

依據(jù)測試設(shè)備的要求，要滿足測試機對中間軸進行高頻率大位移的耐久性測試，對電機的選型至關(guān)重要。結(jié)合絲杠以及其他設(shè)備的一些相關(guān)參數(shù)和計算，對試驗臺電機的選型計算作如下處理。已知條件如表1所示，計算公式及結(jié)果如表2所示。

表1 實驗測試已知參數(shù)

根據(jù)以上計算結(jié)果，我們選擇了性能良好的交流伺服電機，電機的額定角加速度為31000rad/s2，額定扭矩2.39N.m，加速度314rad/s2，同時該電機從啟動到達到最大角速度的時間為0.01s。設(shè)備在實際運行中發(fā)現(xiàn)，所選電機完全滿足要求。

1.3 控制系統(tǒng)硬件

工作臺的控制系統(tǒng)采用工控機與運動控制器相結(jié)合的模式。運動控制器采用一種可編程的運動控制卡，它是用脈沖輸出的方式，對伺服控制器進行位置控制，實現(xiàn)多軸聯(lián)動，以滿足實驗測試機的要求。其功能還包括脈沖計數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出以及模擬量輸入。它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、正負脈沖方式。脈沖計數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機器準確的位置，糾正傳動過程中產(chǎn)生的誤差。專用數(shù)字輸入/輸出口可用于限位、原點開關(guān)的控制，通用數(shù)字輸入/輸出口用于控制一些開關(guān)量，以實現(xiàn)加工中的一些輔助功能。

表2 計算公式及結(jié)果

在控制系統(tǒng)的設(shè)計方案中，PC機和運動控制卡構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)。當運動控制卡接收PC機的運動命令后，把命令轉(zhuǎn)換成與運動參數(shù)相關(guān)的一定頻率脈沖串，來控制交流伺服驅(qū)動器，這些脈沖經(jīng)過伺服控制器處理后驅(qū)動電機，使電機按照相應(yīng)的頻率運行至目標位置。運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件部分

2.1 理論基礎(chǔ)

系統(tǒng)采用的是位置控制方式。位置控制器的作用是通過比較設(shè)定的目標位置與電機的實際位置，產(chǎn)生電機的速度指令并使電機準確定位和跟蹤。

在本工作臺中，為了提高測試效率，有時需要兩個工位同步工作。所以，當需要兩工位同步運動時，將A工位設(shè)置為主工位，B工位設(shè)置為從動工位跟隨主工位A的運動。

主工位A的運動模式采用的是PT（位置和時間）模式，PT模式非常靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)任意速度規(guī)劃，可以用輸入的位置和時間參數(shù)來描述運動規(guī)律。該模式使用一系列“位置、時間”數(shù)據(jù)點描述速度規(guī)劃。例如現(xiàn)在將速度曲線分割成5段，如圖4所示。

圖4 4PT模式運動圖解

整個速度曲線被分成5段，第一段起點速度為0，經(jīng)過時間T1運動位移P1，因此第一段的終點速度為第二段起點的速度為v1，經(jīng)過時間T 2 運動位移P 2，因此第2 段的終點速度為第3、4、5段以此類推。我們只需要給出每段所需的時間和位移，運動控制器會算出計算段內(nèi)各點的速度和位移，生成一條光滑的速度曲線。為了得到光滑的速度曲線，可以增加速度曲線的分割段數(shù)。一次完整的PT運動，第一段的起點位置和時間被設(shè)定為0，各段的終點的位置和時間都是相對于第一段的起點的絕對值。位置的單位是脈沖，時間的單位是毫秒。

為了將B工位的運動跟A工位的運動同步，本文中將B工位設(shè)置為電子齒輪模式。電子齒輪模式可以將2工位或者多工位聯(lián)系起來，實現(xiàn)精確的同步運動，從而替代傳統(tǒng)的機械齒輪連接。同時電子齒輪模式能夠靈活的設(shè)置傳動比，節(jié)省機械系統(tǒng)的安裝時間。在該模式下，一個主軸可以驅(qū)動多個從軸，從軸可以跟隨主軸的規(guī)劃位置以及編碼器位置。

當B工位單獨進行運動時，B工位的運動模式也采用PT模式。

由于要使得各個工位的運動路徑為正弦波形，同時速度又需要滿足要求，在本文中采取將每個周期的正弦波形分成40段。如圖5所示，一個周期T等分為40份，所以t=T/40，由此構(gòu)成一個周期的運動序列。

式中Pi為運動控制器PT模式中的Position，Ti'為運動控制器運動PT模式中的Time，A為振幅，i為(0～40)（每個周期的分割段數(shù)），t為周期的1/40。計算過程軟件代碼如下：

圖5 正弦曲線位移分割

圖6 擬合后曲線

為了驗證本文中采用的分割方法與理想條件的誤差，現(xiàn)以振幅為3mm頻率為5Hz為例對一個周期進行分析。在此分析中將一個周期按時間等分為40份。所得時間與位移均保留16位小數(shù)以O(shè)riginPro8畫出折線圖，并以方程y=y0+A×sin(pi×(x-xc)/w)對折線進行非線性擬合[7]，所得結(jié)果如圖6所示，黑色小方塊為41個獨立的點，紅線為擬合后的正弦曲線。因為分析曲線的振幅為3mm頻率為5Hz，所以原曲線方程為y=A×sin(x×pi/100)，經(jīng)過擬合所得曲線方程為：y=(1.33694E-16)+3×sin(pi(x+(2.66454E-15)/100)參數(shù)及標準誤差如圖7所示。而41個點相對于曲線所形成的誤差如圖8所示，從圖中可以看出誤差絕對值小于5.00E-0.15完全能滿足測試的要求。

圖7 擬合結(jié)果參數(shù)

圖8 變量殘余

圖9 參數(shù)設(shè)置界面

2.2 參數(shù)設(shè)置及實現(xiàn)

中間軸的耐久性測試過程分為多個Loop，每個loop包含多個Step。軟件實現(xiàn)如圖9所示。本機可以設(shè)置多達65535個Loop，每個Loop可以由65535個Step組成，每個Loop的循環(huán)次數(shù)最高可達231次。而在對Loop中Step設(shè)置中可以對Step進行循環(huán)次數(shù)設(shè)定，最高次數(shù)可達32767次。

Step最高頻率可達15Hz，最大位移為10mm。因為頻率越高時位移越小，經(jīng)過對實際機器測試，對參數(shù)的設(shè)置必須做如下的限制：

1～5Hz最大位移10mm；

6～9Hz最大位移8mm；

10～12Hz最大位移5mm；

13～15Hz最大位移2mm。

當參數(shù)設(shè)置好后，把參數(shù)保存入數(shù)據(jù)庫，而在運動過程中將先對參數(shù)進行如上一節(jié)所述的計算，而后通過軟件寫入運動控制器中開始運動。

2.3 軟件結(jié)構(gòu)及流程

上位機選用通用操作系統(tǒng)Windows XP作為開發(fā)平臺，該平臺支持豐富的軟件開發(fā)工具，采用模塊化的軟件設(shè)計方法，利用VC++6.0編寫上位機控制程序。其主要包括初始化模塊，設(shè)置模塊，狀態(tài)顯示模塊等，初始化模塊包括軟件初始化，運動控制器初始化；設(shè)置模塊包括參數(shù)修改及運動工位選?。伙@示模塊包括測試過程中運動狀態(tài)顯示，實時運動波形顯示，以及實時拉/壓力波形顯示等。具體控制流程如圖10所示。

圖10 程序流程圖解

2.4 軟件界面及功能簡介

軟件界面分為運動工位選取區(qū)，Loop設(shè)置區(qū)，運動曲線顯示區(qū)，執(zhí)行狀態(tài)顯示區(qū)，Step設(shè)置區(qū)，壓力狀態(tài)顯示區(qū)，功能區(qū)。

運動工位的選取區(qū)：可以單獨選擇A工位或B工位也可以同時選擇。

Loop設(shè)置區(qū)：軟件可以設(shè)置65535個Loop，每個Loop中可以設(shè)置65535個STEP。

運動曲線顯示區(qū)：可以顯示當前運動中的正弦曲線波形并提示當前運動幅度和運動頻率；執(zhí)行狀態(tài)顯示區(qū)：顯示當前運動的Step及Loop，以及當前的運動次數(shù)。

圖11 程序界面及功能

Step設(shè)置區(qū)：設(shè)置每一個Step的振幅，頻率，及相應(yīng)的執(zhí)行次數(shù)，最大設(shè)置振幅為5mm，最高設(shè)置頻率為15Hz。

拉/壓力狀態(tài)顯示區(qū)：顯示當前中間軸所受到的拉/壓力，并以波形顯示。

功能區(qū)：此區(qū)包括對設(shè)置數(shù)據(jù)庫的保存及對實驗結(jié)果的報表導(dǎo)出，運動的回零，開始，停止及暫停等。

3 結(jié)束語

汽車中間軸測試系統(tǒng)已經(jīng)于2013年12月設(shè)計安裝完成并交付生產(chǎn)使用，完成了多種型號的汽車中間軸多次的試驗檢測，目前機器運行正常，功能完善，測試數(shù)據(jù)準確，操作簡便，可靠性高，為工廠的生產(chǎn)發(fā)展提供了有力的監(jiān)測手段。

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