衛(wèi) 斌 ， 衛(wèi)鵬斌 ，劉榮升 ，崔鵬偉 ，宋俊嶺

（1.鄭州交通技師學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心，河南 鄭州 450016；2.河南工學(xué)院智能工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003；3.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049）

汽車轉(zhuǎn)向外拉桿總成是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的重要零件，它直接影響著汽車操縱的穩(wěn)定性、運(yùn)行的安全性等[1-4]。因此，外拉桿總成新產(chǎn)品在量產(chǎn)之前必須進(jìn)行環(huán)境疲勞性能的試驗(yàn)。針對(duì)目前國內(nèi)相關(guān)試驗(yàn)臺(tái)存在著機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、試驗(yàn)參數(shù)通用性差以及自動(dòng)化水平較低等問題，課題組研制了一種汽車轉(zhuǎn)向外拉桿總成環(huán)境疲勞試驗(yàn)臺(tái)，采用了研華610L 工控機(jī)作為上位機(jī)，南京環(huán)科公司溫控箱為試件提供高低溫及濕度環(huán)境，以三菱Q03UDE 型PLC 作為下位機(jī)，通過J4-200B 驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)試件的轉(zhuǎn)動(dòng)與擺動(dòng)，研華1784U 數(shù)據(jù)采集卡采集轉(zhuǎn)動(dòng)與擺動(dòng)信息并反饋給上位機(jī)。實(shí)踐表明，本試驗(yàn)臺(tái)具有機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單、試驗(yàn)參數(shù)通用性強(qiáng)以及自動(dòng)化水平較高等特點(diǎn)。

1 外拉桿運(yùn)動(dòng)情況分析及試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

1.1 外拉桿運(yùn)動(dòng)情況分析

汽車轉(zhuǎn)向球頭拉桿由內(nèi)拉桿總成和外拉桿總成兩部分組成，分別由防塵罩、球銷套、球銷、球銷座等零件組成[5-6]，本試驗(yàn)臺(tái)針對(duì)外拉桿總成進(jìn)行測(cè)試，外拉桿總成的主要運(yùn)動(dòng)情況如圖1 所示，包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及一個(gè)擺角運(yùn)動(dòng)。當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時(shí)，轉(zhuǎn)向器齒條推（拉）動(dòng)轉(zhuǎn)向輪將使外拉桿總成軸向受到±F的力，轉(zhuǎn)向梯形角度變化將使球頭銷產(chǎn)生速度為±V的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，車輪的上下跳動(dòng)將使球頭銷產(chǎn)生角度為±S的擺動(dòng)[7-10]。

圖1 外拉桿總成運(yùn)動(dòng)示意圖

1.2 試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

參照QC/T 648—2015《汽車轉(zhuǎn)向拉桿總成性能要求及臺(tái)架試驗(yàn)方法》[11]，同時(shí)結(jié)合企業(yè)自身對(duì)試驗(yàn)的要求，確定試驗(yàn)項(xiàng)目為以下三點(diǎn)：常溫泥水噴灑耐久試驗(yàn)（耐久：擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、高溫泥水噴灑耐久試驗(yàn)（耐久：擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）以及低溫泥水噴灑耐久試驗(yàn)（耐久：擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）。主要參數(shù)確定如下：

1）擺動(dòng)角度范圍：±40°，頻率范圍：0~6 Hz；

2）轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍：±50°，頻率范圍：0~5 Hz；

3）溫度：-40 ℃~150 ℃，濕度20%~98%；恒溫溫度波動(dòng)度±2 ℃、升降溫速率0.7 ℃/min~2 ℃/min；

4）可同時(shí)搭載工件數(shù)量：6；工件長度：7 0 mm~300 mm；其中三件為一組，每組分別獨(dú)立控制。

2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)參數(shù)要求，試驗(yàn)臺(tái)需要具備如下功能：可以產(chǎn)生高低溫及濕度變化的環(huán)境箱，兩組使試件產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)以及兩組使試件產(chǎn)生擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)。因此，試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的工作原理：工控機(jī)作為上位機(jī)，在整個(gè)系統(tǒng)中起到了重要作用。用戶可以通過鍵盤、鼠標(biāo)與工控機(jī)進(jìn)行信息交互，工控機(jī)可以通過MODBUSTCP 協(xié)議向環(huán)境箱發(fā)送相應(yīng)的指令，使得環(huán)境箱可以按照規(guī)定的溫度、濕度和一定的時(shí)間運(yùn)行，同時(shí)環(huán)境箱也可將當(dāng)前的溫濕度等信息反饋給工控機(jī)；工控機(jī)可以通過OPC 通信的方式與下位機(jī)PLC 交互信息，工控機(jī)可以給PLC 發(fā)送指令，PLC 通過4 臺(tái)伺服驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)4 臺(tái)伺服電機(jī)完成2 組轉(zhuǎn)動(dòng)以及2 組擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，PLC 也可以給工控機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)次數(shù)等信息；伺服電機(jī)內(nèi)置的編碼器經(jīng)過伺服驅(qū)動(dòng)器的分頻口將編碼器的信息反饋給采集卡，采集卡再將轉(zhuǎn)動(dòng)、擺動(dòng)信號(hào)發(fā)送給工控機(jī)，工控機(jī)將其處理后顯示在顯示器上，從而完成整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的信息交互。

3 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 工控機(jī)

工控機(jī)選擇行業(yè)主流研華的IPC-610L-250W，其主要參數(shù)如下：處理器為I7-2600（CORE 3.4 G）、8 G內(nèi)存、2 T 硬盤（含1 T 備用硬盤）。其通信接口主要有485 串行接口、2 個(gè)以太網(wǎng)接口、3 個(gè)PCI 插槽以及1個(gè)PCIe插槽等。

3.2 環(huán)境箱

環(huán)境箱采用了南京環(huán)科公司定制生產(chǎn)的溫控箱，其主要參數(shù)如下：溫度范圍-40 ℃~150 ℃，濕度20%~98%；恒溫溫度波動(dòng)度±1 ℃、升降溫速率1 ℃/min。該參數(shù)滿足試驗(yàn)要求。同時(shí)，該溫控箱集成6 個(gè)單獨(dú)控制的噴泥水裝置，可以通過開關(guān)控制啟停，流量控制可以通過手動(dòng)控制節(jié)流閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3 PLC

PLC 選擇了三菱Q 系列中的Q03UDE，該型號(hào)CPU 運(yùn)算速度快，具有1 個(gè)以太網(wǎng)接口，方便與工控機(jī)進(jìn)行通信。同時(shí)，配備了D77MS4 簡單運(yùn)動(dòng)控制模塊，可以用于對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行精確的定位控制，它采用SSCNET III/H(Servo System Control NETwork)與伺服驅(qū)動(dòng)器連接，具有通信速度快、減少配線、降低干擾等優(yōu)點(diǎn)。

3.4 伺服驅(qū)動(dòng)器

伺服驅(qū)動(dòng)器選擇的是三菱J4-200B，該伺服驅(qū)動(dòng)器具有響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，并且它可以方便地與D77MS4通過SSCNET III/H線纜連接，降低外界干擾。

3.5 伺服電機(jī)

伺服電機(jī)選擇的是三菱HG-SR152J，額定功率是1.5 kW，額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，自帶了絕對(duì)位置、增量共用的22 位編碼器，每轉(zhuǎn)的分辨率為4 194 304 pulse/rev。伺服減速機(jī)采用的是紐氏達(dá)特，減速比為5.5。

該部分國內(nèi)其他試驗(yàn)臺(tái)采用的較多為普通電機(jī)+減速器+四連桿機(jī)構(gòu)+工裝方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)，而本文采用了伺服電機(jī)+減速器+工裝帶動(dòng)試件產(chǎn)生擺動(dòng)或者旋轉(zhuǎn)，減少了四連桿結(jié)構(gòu)，簡化了傳動(dòng)裝置。

3.6 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡選擇的是研華1784U，該采集卡是基于PCI 總線的4 軸正交編碼器和計(jì)數(shù)器，具有4 個(gè)32-bit 正交AB 相編碼計(jì)數(shù)器，最大正交輸入頻率為2 MHz，支持單端或者差分輸入，每個(gè)編碼周期可以×1、×2、×4 計(jì)數(shù)，配備了PCL-10137H 屏蔽電纜，有效減少了來自其他信號(hào)源的串?dāng)_和噪聲。其中一路信號(hào)與伺服驅(qū)動(dòng)器J4-200B 的CN3 分頻口輸出的差分信號(hào)連接圖如圖3所示。

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)器分頻口與1784U連接圖

3.7 系統(tǒng)電氣原理

系統(tǒng)電氣原理圖如圖4 所示，三相電380 V 經(jīng)過斷路器、伺服電子變壓器與J4-200B 伺服驅(qū)動(dòng)器相連，驅(qū)動(dòng)器與伺服電機(jī)相連?？刂菩盘?hào)脈沖通過D77MS4 簡單運(yùn)動(dòng)控制模塊經(jīng)過SSCNET III/H 總線依次與4 個(gè)伺服電機(jī)連接，伺服電機(jī)編碼器信號(hào)反饋到J4-200B的CN2口。

圖4 系統(tǒng)電氣原理圖

4 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)是在美國NI 公司的LabVIEW 軟件上進(jìn)行二次開發(fā)，LabVIEW 軟件在測(cè)試、測(cè)控領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并且它是以圖形符號(hào)為主的編程語言，因此易于學(xué)習(xí)，上手快，縮短了程序的開發(fā)周期。測(cè)控系統(tǒng)軟件的主界面如圖5 所示，該界面主要包括7個(gè)部分。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)軟件主界面

第1 部分菜單欄，具有配置試驗(yàn)參數(shù)、數(shù)據(jù)處理、生成報(bào)表等功能。配置的試驗(yàn)參數(shù)如轉(zhuǎn)動(dòng)角、擺動(dòng)角，可以在給定的范圍任意設(shè)置而無需改變機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，試驗(yàn)參數(shù)配置通用性強(qiáng)，而國內(nèi)其他的試驗(yàn)臺(tái)由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加了四連桿機(jī)構(gòu)，要使試件產(chǎn)生指定的擺動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)角，通常也需要調(diào)整傳動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)參數(shù)配置通用性弱。第2 部分控制按鈕，具有啟停試驗(yàn)、保存數(shù)據(jù)、手動(dòng)自動(dòng)切換等功能。第3 部分曲線的顯示部分，最多可以顯示出12 種不同的曲線，包括1 組擺動(dòng)角、1 組轉(zhuǎn)動(dòng)角、2 組擺動(dòng)角、2 組轉(zhuǎn)動(dòng)角、溫度、濕度、流量1、流量2、流量3、流量4、流量5 以及流量6。第4 部分是顯示部分，包括項(xiàng)目名稱、測(cè)試已用時(shí)間等。第5 部分也是顯示部分，主要顯示三層程序嵌套循環(huán)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。第6 部分主要顯示數(shù)據(jù)記錄中的一些狀態(tài)等參數(shù)。第7 部分是運(yùn)行狀態(tài)的指示燈。

上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6 所示。

圖6 上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)流程圖

5 測(cè)試及分析

對(duì)外拉桿進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)給定條件是：1 組擺動(dòng)角為±20°、頻率為1 Hz，1 組轉(zhuǎn)動(dòng)角為±40°、頻率為0.4 Hz；2 組擺動(dòng)角、轉(zhuǎn)動(dòng)角均為0；溫控箱溫度為20℃，噴泥水閥1~3 打開，噴泥水閥4~6 關(guān)閉。測(cè)控系統(tǒng)測(cè)試的數(shù)據(jù)以圖表的形式進(jìn)行顯示，如圖7所示。

圖7 測(cè)試曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，1 組擺動(dòng)角是按照±20°并以頻率為1 Hz的速度均勻擺動(dòng)，1組轉(zhuǎn)動(dòng)角按照±40°并以頻率為0.4 Hz的速度均勻擺動(dòng)，均呈現(xiàn)近似三角波的形式，2 組擺動(dòng)角、轉(zhuǎn)動(dòng)角均未轉(zhuǎn)動(dòng)；溫度實(shí)時(shí)采集值為19.9 ℃，在溫控箱的波動(dòng)范圍內(nèi)，1~3 號(hào)噴泥水閥均打開，流量實(shí)時(shí)顯示為6.7 L/min，4~6 號(hào)噴泥水閥關(guān)閉。結(jié)果表明，該測(cè)控系統(tǒng)滿足試驗(yàn)要求。

6 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前國內(nèi)同類試驗(yàn)臺(tái)存在的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、試驗(yàn)參數(shù)通用性差以及自動(dòng)化水平較低等問題，課題組設(shè)計(jì)了一種全新的汽車轉(zhuǎn)向外拉桿總成環(huán)境疲勞試驗(yàn)臺(tái)，取消了機(jī)械傳動(dòng)的四連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)設(shè)計(jì)了全新的測(cè)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有試驗(yàn)參數(shù)通用性強(qiáng)、自動(dòng)化水平高等特點(diǎn)。實(shí)踐表明，本試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)能夠滿足試驗(yàn)要求，并可以為國內(nèi)相關(guān)同類產(chǎn)品提供一定的技術(shù)參考。