盧 磊 ，桂兵昌，覃光許，庫亞斌，魏樂文，王 萌

(1.武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.上汽通用五菱汽車股份有限公司 技術(shù)中心，廣西 柳州 545007；3.上汽通用汽車有限公司 武漢分公司，湖北 武漢 430200)

駐車制動系統(tǒng)是在汽車停駐時，用于穩(wěn)定車輛，防止汽車滑行的制動裝置[1]。乘用車及各類小型車輛其駐車制動系統(tǒng)中的制動器大多采用與后輪行車制動器共用的結(jié)構(gòu)，因此駐車制動系統(tǒng)的裝調(diào)質(zhì)量還會直接影響汽車行車制動系統(tǒng)的使用性能，主要是制動效能和制動阻滯力[2]。為此在汽車總裝線進(jìn)行制動系統(tǒng)裝配的過程中需對駐車制動系統(tǒng)進(jìn)行精確調(diào)整，確保其良好的駐車制動效果和盡可能小的車輪阻滯力[3-4]。

駐車制動系統(tǒng)的裝調(diào)有人工和自動兩種不同的裝配工藝[5]?，F(xiàn)階段，國內(nèi)仍有相當(dāng)數(shù)量的車企采用人工裝調(diào)工藝，雖然有明確的調(diào)整指標(biāo)和監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，但是人工裝調(diào)受到很多因素如工人的熟練程度及精神狀態(tài)等的影響，裝調(diào)質(zhì)量的一致性較差。由于駐車制動系統(tǒng)自動裝調(diào)工藝所用到的設(shè)備主要依賴進(jìn)口，價格較高，因此僅在汽車合資公司得到了較廣泛的應(yīng)用。為了適應(yīng)自主品牌汽車產(chǎn)品質(zhì)量提升的要求，開發(fā)了基于LabVIEW與PLC聯(lián)合控制的駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)[6-8]。

1 駐車制動裝調(diào)要求與工藝

汽車制造企業(yè)根據(jù)《GB7258-2012機(jī)動車運(yùn)行安全技術(shù)條件》中對于駐車制動系統(tǒng)的要求，針對具體車型進(jìn)行測試，并根據(jù)測試結(jié)果制定人工裝調(diào)工藝要求。車企對于目標(biāo)車型的人工裝調(diào)工藝要求為：拉起駐車制動手柄至第二棘輪齒位置，對調(diào)整螺母進(jìn)行預(yù)擰緊；用200 N以上的力拉起駐車制動手柄再放下，重復(fù)2～3次；將駐車制動手柄再次拉到第二棘輪齒位置，用定扭矩扳手(扭矩值設(shè)定為15 N·m)進(jìn)行終擰緊；將駐車制動手柄拉起到指定位置，用專用的檢測工具檢測扭矩值是否合格。

2 駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

要實(shí)現(xiàn)裝調(diào)流程的自動化，就需要控制駐車制動手柄和駐車制動調(diào)整螺母按照要求運(yùn)動[9-10]。工業(yè)上多采用控制器配合電機(jī)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

系統(tǒng)的控制思路分為兩部分，第一部分控制裝調(diào)的流程；第二部分控制系統(tǒng)的急停和復(fù)位操作，二者并行運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行時，上位機(jī)不斷監(jiān)控PLC內(nèi)各個軟元件的狀態(tài)，以此來判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。當(dāng)完成上一步操作之后，方可進(jìn)行下一步操作，直到裝調(diào)流程結(jié)束。急停及復(fù)位部分的優(yōu)先級高于系統(tǒng)流程控制部分。一旦系統(tǒng)檢測到急停狀態(tài)變化，流程控制循環(huán)即刻被終止，系統(tǒng)運(yùn)行急停復(fù)位控制循環(huán)。自動裝調(diào)系統(tǒng)控制流程如圖1所示，控制系統(tǒng)的急停和復(fù)位操作流程如圖2所示。

圖1 自動裝調(diào)系統(tǒng)控制流程圖

圖2 控制系統(tǒng)的急停和復(fù)位操作流程圖

系統(tǒng)的控制思路確定后，需要對應(yīng)的硬件設(shè)備配合來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。系統(tǒng)的硬件根據(jù)功能可以分為5個部分，硬件名稱及功能如表1所示。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖3所示。

系統(tǒng)安裝就緒后，LabVIEW對PLC發(fā)送指令，PLC收到指令后開始工作。按下系統(tǒng)的“啟動”開關(guān)，PLC通過將扭矩傳感器反饋的信號與設(shè)定值不斷進(jìn)行比較，以此完成兩個伺服電機(jī)的運(yùn)動控制，將最終的調(diào)整結(jié)果控制在目標(biāo)力矩附近較小的范圍內(nèi)，裝調(diào)結(jié)果存儲至本地數(shù)據(jù)庫，同時上傳至生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，便于后期的查驗(yàn)。

裝調(diào)過程的具體步驟如下：

(1)將裝置安裝到位，用掃碼槍掃描車輛的vin碼并錄入系統(tǒng)，按下啟動開關(guān)；

(2)駐車制動手柄驅(qū)動機(jī)構(gòu)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在輔助裝置的幫助下使制動手柄抬高到第二棘輪齒位置；

表1 系統(tǒng)硬件組成

圖3 駐車制動裝調(diào)系統(tǒng)架構(gòu)圖

(3)調(diào)整螺母擰緊機(jī)構(gòu)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在輔助裝置幫助下對調(diào)整螺母進(jìn)行預(yù)擰緊；

(4)駐車制動手柄操縱機(jī)構(gòu)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，在輔助裝置的幫助下使駐車制動手柄上抬到力矩值達(dá)到60 N·m以上再放回原點(diǎn)，重復(fù)2～3次；

(5)使駐車制動手柄重新回到第二棘輪齒位置，對調(diào)整螺母進(jìn)行終擰緊操作；

(6)駐車制動手柄下放至原點(diǎn)，再上抬至指定位置進(jìn)行力矩檢測，檢測結(jié)果被存儲并上傳至生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)；

(7)駐車制動手柄放回原點(diǎn)，系統(tǒng)停止運(yùn)作，駐車制動裝調(diào)過程完成。

2.2 系統(tǒng)傳動方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)動機(jī)構(gòu)分為兩部分，均采用伺服電機(jī)與減速機(jī)配合來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。調(diào)整螺母擰緊所需力矩為6 N·m，電機(jī)額定扭矩為0.64 N·m，選用的減速機(jī)為直線型行星齒輪式，減速機(jī)減速比為10:1，能滿足裝調(diào)需求。制動手柄驅(qū)動所需力矩為60 N·m，預(yù)留25%的儲備功率，電機(jī)與減速機(jī)配合后的輸出扭矩需達(dá)到75 N·m 以上，系統(tǒng)采用的電機(jī)額定扭矩為1.3 N·m，減速機(jī)減速比為60:1，可以達(dá)到相應(yīng)輸出扭矩。但由于輸出的力矩較大，設(shè)備所承受的反向力矩M0(其作用效果是使設(shè)備發(fā)生翻轉(zhuǎn)，故下文稱為翻轉(zhuǎn)力矩)也較大，系統(tǒng)采用直角減速機(jī)進(jìn)行傳動來維持設(shè)備穩(wěn)定。

行星齒輪傳動時內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力情況如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)傳動方案受力分析

圖4中r1,r2分別為第1,2級周轉(zhuǎn)輪系太陽輪半徑；r3為周轉(zhuǎn)輪系齒圈半徑；rH為周轉(zhuǎn)輪系行星架半徑；r4,r5分別為錐齒輪主從動齒輪半徑；M0為翻轉(zhuǎn)力矩；M0’為翻轉(zhuǎn)力矩經(jīng)過錐齒輪傳遞后的力矩；M1為第1級周轉(zhuǎn)輪系太陽輪所受力矩；M3為第1級周轉(zhuǎn)輪系齒圈所受力矩；F0為行星架對行星輪的作用力；F1,F2分別為太陽輪與齒圈對行星輪的切向力；F1′,F2′分別為行星輪對太陽輪與齒圈的切向力。

錐齒輪傳動比為：

nb=r5/r4=2:1

翻轉(zhuǎn)力矩經(jīng)過錐齒輪傳遞后作用于行星架上的力矩為：

M′0=M0/2

行星架對行星輪中心的作用力為：

F0=M0′/rH

根據(jù)行星輪受力分析，可得

F1+F2=F0，且F1=F2=M0′/(2rH)

由相互作用力的關(guān)系有：

F1′=F1，F(xiàn)2′=F2

太陽輪與齒圈上的力矩分別為：

M1=F1′·r1，M3=F3′·r3

太陽輪與齒圈上力矩之和為：

M總=M1+M3=M0′(r1+r3)/(2rH)

由

rH=(r1+r3)/2

故

M總=M0′

故力矩經(jīng)周轉(zhuǎn)輪系傳動后，施加在太陽輪和齒圈上的力矩之和保持不變。

M1=r1r1+r3M總

M3=r3r1+r3M總

同理可得，第2級周轉(zhuǎn)輪系太陽輪所受力矩M2,第2級周轉(zhuǎn)軸系齒圈所受力矩M′3分別為:

M2=r2r2+r3M1=r1·r2(r1+r3)(r2+r3)M0′

M3′=r3r2+r3M1=r1·r3(r1+r3)(r2+r3)M0′

作用在電機(jī)輸出軸上的力矩為：

M軸=r1·r2(r1+r3)(r2+r3)M0′=KM0′

其中

K=r1·r2(r1+r3)(r2+r3)

作用在減速機(jī)殼體上的力矩為：

M殼=M3+M3′=M0′-M軸=(1-K)M0′

系數(shù)K較小，說明大部分扭矩作用于減速機(jī)殼體部分，少部分傳遞到電機(jī)的輸出軸上。

制動手柄對設(shè)備產(chǎn)生的力矩為M0，經(jīng)過錐齒輪傳遞后，只有一半作用于周轉(zhuǎn)輪系部分，周轉(zhuǎn)輪系將扭矩的大部分傳遞給減速機(jī)殼體。剩余的少部分力矩傳遞給伺服電機(jī)的輸出軸，通過伺服電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子與定子之間力的作用，這部分力矩被傳遞到電機(jī)殼體部分。電機(jī)殼體與減速機(jī)殼體采用螺栓連接，故力矩M0′全部作用于設(shè)備的殼體部分。因而設(shè)備受到的翻轉(zhuǎn)力矩大小和方向與圖4中M0′一致。

相比于使用直線傳動方案，直角傳動方案可使設(shè)備承受的翻轉(zhuǎn)力矩減小1/2，并將力矩方向改變90°，使設(shè)備可以依靠自重及與制動手柄支座之間力的作用抵消翻轉(zhuǎn)力矩，維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

2.3 駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制部分主要分為LabVIEW與PLC兩大部分，LabVIEW是搭載在工控機(jī)上的，作為系統(tǒng)的指令發(fā)送端和結(jié)果顯示、存儲端；PLC作為一個獨(dú)立控制單元，由嵌入其內(nèi)部存儲中的程序來實(shí)現(xiàn)控制功能。

2.3.1 LabVIEW控制部分

將LabVIEW作為系統(tǒng)的核心控制部分，通過上位機(jī)與PLC的通信，能很好地實(shí)現(xiàn)對PLC的控制；在整個裝調(diào)流程結(jié)束后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并分別存儲至本地數(shù)據(jù)庫和企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，方便后期查驗(yàn)；此外，能方便快捷地進(jìn)行系統(tǒng)的參數(shù)修改以及裝調(diào)記錄查詢。

系統(tǒng)運(yùn)行時，PLC獨(dú)立執(zhí)行其內(nèi)部嵌入程序，因此可能出現(xiàn)在整個設(shè)備尚未準(zhǔn)備就緒的情況下，工人誤操作導(dǎo)致設(shè)備異常運(yùn)轉(zhuǎn)，造成設(shè)備損壞甚至引發(fā)安全事故。因此，在LabVIEW程序中加入以下程序，即在車輛的vin碼已錄入完畢而且設(shè)備已經(jīng)安裝就緒(手柄抓持器處感應(yīng)開關(guān)電位發(fā)生變化)的情況下，向PLC發(fā)出一個設(shè)備已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的指令(讓內(nèi)部的一個輔助繼電器由0置1)，這樣就確保了系統(tǒng)能安全可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)。

LabVIEW與PLC之間的正常通信是通過LabVIEW中VISA配置串口函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，在程序中對通信時的VISA資源名稱、波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位等進(jìn)行規(guī)定，制定通信協(xié)議。

進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時，基于LabVIEW與PLC之間的通信協(xié)議，LabVIEW程序可以直接對PLC中各個軟元件的狀態(tài)進(jìn)行讀取，快速地實(shí)現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)值的修改。程序分為3個部分，即參數(shù)名稱的選定，參數(shù)的寫入和參數(shù)的讀取。程序采用在While循環(huán)里面嵌套一個事件結(jié)構(gòu)的方式來實(shí)現(xiàn)，事件結(jié)構(gòu)的3個分支分別為參數(shù)名稱值改變，寫入值改變及讀取值改變。在參數(shù)名稱值改變的分支下將選定參數(shù)對應(yīng)的軟元件編號賦給PLC地址這一中間變量；在寫入和讀取值改變的分支下分別通過LabVIEW與PLC之間的通信協(xié)議對所選定的參數(shù)進(jìn)行寫入和讀取操作。

出于生產(chǎn)安全的考慮，在參數(shù)設(shè)置之前需要添加密碼驗(yàn)證模塊，只能由特定人員進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置。密碼驗(yàn)證程序的設(shè)計(jì)思路為：將需要設(shè)置的密碼寫入一個文本文件中，將文本文件隱藏起來，讀取文本文件中的內(nèi)容，并與輸入的密碼相比對，密碼正確的情況下才能對參數(shù)設(shè)置的子VI進(jìn)行調(diào)用，否則提示密碼錯誤。

2.3.2 PLC控制部分

PLC可以直接將編好的控制程序?qū)懭肫鋬?nèi)部的存儲器，從而執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時和計(jì)數(shù)等功能。根據(jù)輸入輸出的點(diǎn)數(shù)及存儲器容量，系統(tǒng)的PLC選型為三菱FX-2N型PLC。

在接收到由上位機(jī)傳來的指令后，PLC開始運(yùn)行其內(nèi)部嵌入的程序。在主程序運(yùn)行的過程中，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到某一狀態(tài)時，便相應(yīng)地調(diào)用對應(yīng)功能的子程序完成相應(yīng)的操作，然后再返回主程序繼續(xù)運(yùn)行。按照功能可以將程序分為7個模塊，如表2所示。

表2 PLC程序功能模塊組成

PLC的工作模式為掃描式工作，即不斷地對程序進(jìn)行掃描，檢測PLC中各個軟元件的狀態(tài)，通過邏輯狀態(tài)來控制程序各分支的執(zhí)行與否。

主程序中用到了M8000和M8002兩個特殊繼電器，M8000為運(yùn)行監(jiān)控常開觸點(diǎn)，在PLC運(yùn)行時一直處于ON；M8002為初始化脈沖常開觸點(diǎn)，在PLC運(yùn)行時處于ON一個掃描周期。M8000用于P1和P6，在每個掃描周期都進(jìn)行調(diào)用，在子程序中添加一個軟元件來控制其是否運(yùn)行。M8002用于P0的調(diào)用，在每次PLC啟動時對指示燈及其他軟元件的狀態(tài)進(jìn)行復(fù)位。

系統(tǒng)的急停狀態(tài)主要有3種：急停開關(guān)被手動按下，副電機(jī)旋轉(zhuǎn)超時和主電機(jī)過載。程序主要針對前兩種急停的情況，第三種情況可以通過對電機(jī)的伺服驅(qū)動器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。將急停開關(guān)對應(yīng)的軟元件放在主程序的主干部分，確保急停狀態(tài)的優(yōu)先級為最高。利用PLC內(nèi)部的計(jì)時器對副電機(jī)的工作時間進(jìn)行監(jiān)控，在發(fā)生超時時將系統(tǒng)判定為急停狀態(tài)。系統(tǒng)發(fā)生急停時，關(guān)閉主副電機(jī)的使能，熄滅所有指示燈，復(fù)位PLC內(nèi)部的軟元件狀態(tài)。

急停狀態(tài)下，電機(jī)使能關(guān)閉，但駐車制動手柄在副電機(jī)及減速機(jī)的重力作用下不能順利回到原點(diǎn)。復(fù)位用于使駐車制動手柄回到原點(diǎn)位置，以方便拆卸設(shè)備進(jìn)行檢查，或重新完成調(diào)整過程。復(fù)位按鈕按下時，PLC開啟主電機(jī)的使能，讓主電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)使駐車制動手柄下放至原點(diǎn)處停下，通過傳感器檢測的實(shí)時力矩值判斷手柄是否已回到原點(diǎn)。

為了防止某些系統(tǒng)參數(shù)在誤操作之后發(fā)生改變，特別添加了參數(shù)重置模塊。在發(fā)生參數(shù)混亂的情況下，只需將特定軟元件置1，程序即利用MOV命令給對應(yīng)的軟元件分別賦值，完成參數(shù)重置功能。

3 駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)系統(tǒng)的組成完成系統(tǒng)硬件部分的連接，完成系統(tǒng)控制模塊程序的編寫，進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的設(shè)置后，完成了試驗(yàn)臺架的搭建，試驗(yàn)臺架模擬汽車的駐車制動系統(tǒng)，在駐車制動拉鎖的尾部連接一根彈性模量較大的彈簧，模擬汽車駐車制動系統(tǒng)的彈性機(jī)構(gòu)。

重復(fù)臺架試驗(yàn)100次，臺架試驗(yàn)測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 臺架試驗(yàn)測試結(jié)果

接著進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)，分別在100輛實(shí)車上進(jìn)行人工裝調(diào)和自動裝調(diào)，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 實(shí)車試驗(yàn)測試結(jié)果

從圖5和圖6中可看出，臺架試驗(yàn)自動裝調(diào)的結(jié)果在15±2 N·m的范圍，而實(shí)車試驗(yàn)自動裝調(diào)的結(jié)果在15±1 N·m的范圍，這是因?yàn)榕_架試驗(yàn)的彈性機(jī)構(gòu)與實(shí)車駐車制動系統(tǒng)中彈性機(jī)構(gòu)剛度不同，導(dǎo)致檢測力矩的一致性較差。并且看出在實(shí)車上進(jìn)行人工裝調(diào)的結(jié)果在15±3 N·m的范圍內(nèi)，自動裝調(diào)結(jié)果的一致性明顯優(yōu)于人工裝調(diào)結(jié)果。

4 結(jié)論

(1)對傳統(tǒng)的駐車制動人工裝調(diào)工藝進(jìn)行分析，找出其中不足之處，分析對汽車性能的影響，提出自動裝調(diào)系統(tǒng)的設(shè)想。

(2)對照駐車制動系統(tǒng)人工裝調(diào)流程，設(shè)計(jì)駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)的整體架構(gòu)，提出LabVIEW與PLC聯(lián)合控制的思路。

(3)完成系統(tǒng)硬件的選型，根據(jù)軟件部分的控制思路完成程序的編寫。

(4)為了測試駐車制動自動裝調(diào)系統(tǒng)的性能，搭建了駐車制動系統(tǒng)試驗(yàn)臺架，進(jìn)行了臺架試驗(yàn)并對結(jié)果進(jìn)行分析。

(5)進(jìn)行了實(shí)車試驗(yàn)，與人工裝調(diào)的結(jié)果進(jìn)行對比，可靠性和穩(wěn)定性更高，用時更短，能滿足工業(yè)生產(chǎn)需要。