寧忠麟，覃光許，宋朋舉，吳亞菲

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

手制動(dòng)預(yù)緊力自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)研究

寧忠麟1，覃光許1，宋朋舉2，吳亞菲2

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

針對(duì)汽車總裝線上手制動(dòng)系統(tǒng)人工裝調(diào)工位所存在的耗時(shí)長(zhǎng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、調(diào)節(jié)精度無(wú)法保證的問題，通過(guò)深入研究預(yù)緊力調(diào)節(jié)方式、調(diào)節(jié)流程，開發(fā)了一套手制動(dòng)預(yù)緊力自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析影響系統(tǒng)精度的因素；基于LabVIEW平臺(tái)實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力自動(dòng)調(diào)節(jié)控制、檢驗(yàn)、測(cè)試結(jié)果共享及查詢等功能。

手制動(dòng)預(yù)緊力；調(diào)節(jié)控制；采集卡；電磁繼電器；LabVIEW

0 引言

汽車駐車制動(dòng)可靠性關(guān)系到人員的安全問題，駐車制動(dòng)的人工調(diào)節(jié)不僅耗時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且還會(huì)因操作人員的主觀意識(shí)及操作不規(guī)范而無(wú)法保證調(diào)節(jié)精度。為此，研發(fā)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制手制動(dòng)預(yù)緊力的裝調(diào)系統(tǒng)顯得尤其重要。

1 調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)組成及功能

系統(tǒng)主要由卡緊制動(dòng)手柄的夾具模塊、驅(qū)動(dòng)手柄圓周運(yùn)動(dòng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、自動(dòng)調(diào)節(jié)控制軟件及啟停等信號(hào)指示模塊組成。其中自動(dòng)調(diào)節(jié)控制軟件及啟停等信號(hào)指示模塊的核心硬件包括以下幾種：

1.1 電磁繼電器

電磁繼電器是一種電子控制器件，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，實(shí)現(xiàn)用較小的電流、較低的電壓去控制較大電流、較高電壓的一種“自動(dòng)開關(guān)”，在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用，相比開關(guān)采集卡而言價(jià)格更低、適應(yīng)性更強(qiáng)。

1.2 信號(hào)采集卡

信號(hào)采集卡主要用來(lái)采集不同信號(hào)以便做出相應(yīng)的指示和動(dòng)作，系統(tǒng)中采用電壓采集卡采集準(zhǔn)備開關(guān)、啟動(dòng)開關(guān)及急停開關(guān)信號(hào)，當(dāng)改變開關(guān)狀態(tài)時(shí)電壓信號(hào)發(fā)生變化，通過(guò)判斷電壓信號(hào)的變化模式(由高到低/由低到高)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，如程序的運(yùn)行、指示燈的明暗等。

1.3 扭矩傳感器

手制動(dòng)預(yù)緊力的檢驗(yàn)最終反映到驅(qū)動(dòng)手柄的扭矩，因此將電機(jī)軸扭矩反饋?zhàn)鳛樽罱K的檢驗(yàn)指標(biāo)。利用高精度的扭矩傳感器采集電機(jī)輸出軸的實(shí)時(shí)扭矩，可以提高系統(tǒng)檢驗(yàn)的精度。

2 調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)工作原理

安裝裝調(diào)設(shè)備，按下準(zhǔn)備開關(guān)，準(zhǔn)備指示燈亮，利用掃碼槍掃入車輛信息，按下啟動(dòng)按鈕，控制程序運(yùn)行，電機(jī)帶動(dòng)夾具驅(qū)動(dòng)手制動(dòng)手柄轉(zhuǎn)動(dòng)，手柄達(dá)到第一個(gè)設(shè)定位置后電槍開始工作，打緊調(diào)整螺母；為了防止手制動(dòng)拉鎖卷曲，第一次打緊調(diào)整螺母后驅(qū)動(dòng)手柄滿齒轉(zhuǎn)動(dòng)3次以消除各部間隙，再次驅(qū)動(dòng)手柄到第一個(gè)設(shè)定位置，按設(shè)定的扭矩第二次打緊調(diào)整螺母，之后驅(qū)動(dòng)手柄到第二個(gè)設(shè)定位置,通過(guò)檢驗(yàn)扭矩傳感器反饋的扭矩值判斷預(yù)緊力調(diào)節(jié)是否合格，并將最終的結(jié)果及相關(guān)信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)中以方便查詢，最后電機(jī)回位，調(diào)整結(jié)束。調(diào)節(jié)控制流程圖如圖1所示。

圖1 預(yù)緊力調(diào)控流程圖

LabVIEW作為整個(gè)系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)，通過(guò)Ether CAT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)完成后測(cè)試中指示燈熄滅，緊急情況可以通過(guò)急停開關(guān)切斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路，急停解除后恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及主要控制電路

3.1 3類控制開關(guān)控制設(shè)計(jì)

整個(gè)過(guò)程通過(guò)改變開關(guān)狀態(tài)來(lái)采集對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，并發(fā)出相應(yīng)的控制指令，為保護(hù)電路用電器，每個(gè)開關(guān)電路串聯(lián)2個(gè)千兆歐姆電阻，電壓采集卡的通道并聯(lián)在其中一個(gè)電阻兩端，采集對(duì)應(yīng)電阻電壓?？刂葡到y(tǒng)中配備了準(zhǔn)備開關(guān)、啟動(dòng)開關(guān)及急停開關(guān)，并分別匹配以黃色、綠色及紅色指示燈，準(zhǔn)備開關(guān)和啟動(dòng)開關(guān)處于常開狀態(tài)，急停開關(guān)處于常閉狀態(tài)。如圖2所示為3類控制開關(guān)的電路設(shè)計(jì)，電壓采集卡0、1、2三個(gè)通道分別采集R11、R21、R31三個(gè)電阻兩端電壓。

其中電壓采集卡的工作電壓為±10 V，額定電流為1 A；控制電路部分采用U=12 V的直流電壓，每個(gè)電阻阻值R=1 000 Ω，則電路中最大電流Imax=0.006 A，3類開關(guān)閉合后采集到的電壓值UR11=UR21=UR31=6 V，電流和電壓都在安全范圍內(nèi)。

圖2 3類開關(guān)信號(hào)采集電路

3.2 3類信號(hào)指示燈控制設(shè)計(jì)

準(zhǔn)備、測(cè)試中及急停指示燈都應(yīng)與3類開關(guān)協(xié)調(diào)使用，保證在開關(guān)信號(hào)狀態(tài)改變后相應(yīng)的指示燈改變狀態(tài)。測(cè)試前，3類指示燈處于熄滅狀態(tài)，安放好夾具準(zhǔn)備指示燈亮；按下啟動(dòng)開關(guān)，測(cè)試中指示燈亮、準(zhǔn)備指示燈熄滅；整個(gè)調(diào)控流程結(jié)束后測(cè)試中指示燈自動(dòng)熄滅；按下急停開關(guān)后急停指示燈亮；僅僅通過(guò)串聯(lián)電路的通斷來(lái)控制3類指示燈的明暗不能夠滿足實(shí)際需求，此系統(tǒng)采用數(shù)字輸出模塊給指示燈提供電壓，即當(dāng)接收到開關(guān)狀態(tài)改變產(chǎn)生的電壓信號(hào)后閉合數(shù)字輸出模塊通道，通過(guò)通道輸出的電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)指示燈的工作，3類指示燈數(shù)字輸出控制電路如圖3所示。

圖3 3類指示燈及電槍控制電路

3.3 電槍固定與控制設(shè)計(jì)

電槍用來(lái)調(diào)整螺母預(yù)緊力，然而手動(dòng)打緊調(diào)整螺母時(shí)操作人員很難保證電槍不動(dòng)，用支架固定的方式代替人手動(dòng)操作，解決了電槍晃動(dòng)的問題，調(diào)整螺母與電槍輸出端通過(guò)萬(wàn)向節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞。為實(shí)現(xiàn)電槍按規(guī)定流程工作，因此需要控制電槍的正反轉(zhuǎn)，系統(tǒng)采用電磁繼電器對(duì)電槍電路實(shí)現(xiàn)控制。如圖3所示。

繼電器5、9端口和8、12端口分別組成一個(gè)常開通道。

當(dāng)數(shù)字輸出模塊DO6通道無(wú)電壓輸出時(shí)，繼電器5、9、12、8四個(gè)端口和電槍、電源構(gòu)成的電路處于斷開狀態(tài)；當(dāng)有電壓輸出時(shí)，繼電器控制電路通電，吸合動(dòng)觸點(diǎn)，常開通道閉合，電槍電路通電，開始工作。

4 控制部分軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括開關(guān)及相應(yīng)指示燈模塊、主控制程序模塊及數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，分別實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的傳遞及指示、電機(jī)及電槍運(yùn)行、結(jié)果存儲(chǔ)、查詢等功能。

4.1 開關(guān)及相應(yīng)指示燈控制策略

3類開關(guān)的功能主要有：控制相應(yīng)指示燈的明暗、傳遞相應(yīng)的信號(hào)。不同模塊間信號(hào)的傳遞主要通過(guò)通知器或隊(duì)列的形式完成，在開關(guān)控制部分發(fā)送通知，主程序部分等待并接收通知，根據(jù)不同的通知內(nèi)容完成對(duì)應(yīng)的事件。圖4是信號(hào)通知及部分指示燈控制程序框圖。

圖4 信號(hào)通知及部分指示燈控制程序框圖

啟動(dòng)開關(guān)按下后，測(cè)試中指示燈亮，準(zhǔn)備指示燈熄滅，通知器向主程序發(fā)送“開始”指令；緊急情況時(shí)，按下急停按鈕，通知器會(huì)發(fā)送“急?！敝噶?，電機(jī)停止工作。

4.2 主控制程序

4.2.1 指令接收

主控制程序部分時(shí)刻等待通知器的消息，當(dāng)接收到“開始”指令后，運(yùn)行電機(jī)及電槍控制程序，完成圖1所述的工作流程，當(dāng)接收到“急停”指令后運(yùn)行停止電機(jī)控制程序。

4.2.2 影響測(cè)試精度的因素

綜合考慮控制精度、矩頻特性、過(guò)載能力及速度響應(yīng)性能等，選取了額定扭矩為4.82 N·m的伺服電機(jī)，其中編碼器分辨率為65 536，即電機(jī)轉(zhuǎn)一周發(fā)出65 536個(gè)脈沖信號(hào)或者接收到65 536個(gè)脈沖信號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周。為了提供更高的位置精度和比較平滑的運(yùn)動(dòng)，LabVIEW平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制模塊默認(rèn)的頻步率為16，即在LabVIEW平臺(tái)上控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)每轉(zhuǎn)一周將會(huì)接收到65 536×16個(gè)脈沖，設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度α，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)位移為δ，則有：

δ=(α×65 536×16)/360

電機(jī)本身由于摩擦存在著一定的阻力矩，通過(guò)減速器和夾具后阻力矩會(huì)成倍增加，這對(duì)于最終檢驗(yàn)有很大影響。傳感器反饋的力矩包括了電機(jī)、減速器、夾具帶來(lái)的阻力矩，設(shè)作用在手制動(dòng)上的實(shí)際力矩為Ts，檢驗(yàn)力矩上限值、下限值分別位Tu、Td，則有：

Ts=Tf-Tz

式中：Ts為實(shí)際作用在手剎上的力矩；Tf為傳感器反饋的實(shí)時(shí)力矩；Tz為電機(jī)、減速器、夾具等產(chǎn)生的阻力矩；

當(dāng)TdTs或Ts>Tu時(shí)，不合格。

4.2.3 阻力矩確定

為確定電機(jī)、減速器及夾具部分帶來(lái)的阻力矩，在相同時(shí)間、同一位置處，以不同力矩進(jìn)行了7組試驗(yàn)，利用Origin數(shù)據(jù)分析工具對(duì)7組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。圖5是7組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布圖，圖中橫坐標(biāo)代表測(cè)試時(shí)間，縱坐標(biāo)代表電機(jī)軸的線速度，其中線速度作為電機(jī)軸是否開始轉(zhuǎn)動(dòng)的指標(biāo)。

圖5 不同力矩下電機(jī)軸速度曲線分布

從圖5可知：當(dāng)施加的力矩小于31 N·m時(shí)，電機(jī)軸的線速度在0上下波動(dòng)，即施加的力矩不能克服自身的阻力矩；當(dāng)施加的力矩為31、32、33時(shí)，電機(jī)軸速度逐漸增加并趨于穩(wěn)定。綜合考慮實(shí)際情況及曲線波動(dòng)最終阻力矩Tz=32。圖中的力矩是LabVIEW平臺(tái)上經(jīng)過(guò)歸一化處理的量綱為一的標(biāo)量，其中標(biāo)量1 000對(duì)應(yīng)電機(jī)額定扭矩4.82 N·m,則有國(guó)際單位制下扭矩T(N·m)與標(biāo)量Tb的線性關(guān)系為：

T=0.004 82×Tb

即當(dāng)Tb=32時(shí)，T=0.154 24 N·m。假設(shè)選用減速器速比為25,則電機(jī)、減速器、夾具部分產(chǎn)生的阻力矩Tz=25T=3.856 N·m；經(jīng)過(guò)減速器減速增扭后阻力矩成倍增加，這對(duì)于施加在手剎上的實(shí)際力矩的確定造成了很大的誤差，嚴(yán)重影響測(cè)試精度，因此在檢驗(yàn)過(guò)程需要加以考慮。

4.3 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

數(shù)據(jù)庫(kù)主要是完成信息存儲(chǔ)、查詢等功能，為方便數(shù)據(jù)整理，查詢模塊分為按時(shí)間范圍和按測(cè)試結(jié)果合格性兩種方式。

5 結(jié)論

基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)半自動(dòng)化手剎預(yù)緊力調(diào)整系統(tǒng)，通過(guò)控制系統(tǒng)完成各類操作指令及指示；綜合考慮適用性與系統(tǒng)成本，利用電磁繼電器實(shí)現(xiàn)電槍電路的通斷及保護(hù)。

分析電機(jī)工作原理，確定電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)角度與位置量的關(guān)系；分析影響測(cè)試精度的因素，用控制變量的方法確定電機(jī)、減速器及夾具自身帶來(lái)的阻力矩，優(yōu)化最終的檢驗(yàn)參數(shù)。

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ResearchofAutomaticalRegulationSystemofHandbrake’sPretighteningForce

NING Zhonglin1,QIN Guangxu1,SONG Pengju2,WU Yafei2

(1.Technical Center,SAIC-GM-Wuling Automobile,Liuzhou Guangxi 545007,China;2.Automotive Engineering School of Wuhan University of Technology,Wuhan Hubei 430070,China)

Appropriateness of handbrake’s pretightening force seriously affects the driver’s maneuverability and driving safety. In view of the present manual regulating station, there are some questions, such as time consuming, low degree of mechanization,accuracy cannot be guaranteed, with lucubrating its regulating mode and process, a set of automatical regulation system of the handbrake’s pretightening force was developed.The signal acquisition card was used to collect all kinds of switch signal,the transmission of switch signal was completed through the notifier,implementing the corresponding control functions.The electromagnetic relay was used to implement electromagnetic relay’s circuit on and off and protection.Based on the experimental data,the factors affecting the accuracy of the system were analyzed.Based on the LabVIEW platform,the functions including automatical regulation,inspection,test result’s sharing,inquiring and so on were achieved.

Handbrake pretightening force; Regulation; Acquisition card; Electromagnetic relay; LabVIEW

2017-05-27

寧忠麟(1983—)，男，學(xué)士，工程師，主要從事汽車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：719343354@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.007

U270.7

B

1674-1986(2017)10-029-04