楊佳樂，馬朝永，黃國興，仲光宇

（北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程與應(yīng)用電子技術(shù)學(xué)院，先進(jìn)制造技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0 引言

隨著中國汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車零部件的性能檢測(cè)要求也越來越高，特別是關(guān)乎汽車駕乘安全的制動(dòng)零部件的性能檢測(cè)。本課題中，為了更好的地還原實(shí)際制動(dòng)工況，選用電動(dòng)主缸作為比例閥檢測(cè)裝置的壓力輸入源。在傳統(tǒng)檢測(cè)臺(tái)中，液壓加載裝置通常會(huì)選用氣缸或者液壓缸作為執(zhí)行裝置，但是由于選用氣缸或者液壓缸作為液壓加載裝置難以實(shí)現(xiàn)加載力大小、加載位移、加載速度的精確控制，所以檢測(cè)臺(tái)選用可控性更好、精度更高的伺服電機(jī)作為輸入力加載執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在汽車比例閥液壓密封性、急加壓工作特性、緩加壓工作特性等檢測(cè)項(xiàng)目中，要求電動(dòng)主缸以一定的工作方式運(yùn)行，針對(duì)伺服電機(jī)的控制采用專用控制器控制，提高了控制靈活性和檢測(cè)精度。

1 電動(dòng)主缸簡介

電動(dòng)主缸由伺服電機(jī)、滾珠絲杠、制動(dòng)主缸和3個(gè)限位開關(guān)構(gòu)成（圖1），伺服電機(jī)工作通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，滾珠絲杠絲母和套筒法蘭連接，使得推桿前進(jìn)，推動(dòng)制動(dòng)主缸活塞。直線軸承和導(dǎo)軌起到導(dǎo)向的作用，防止套筒發(fā)生周向運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)工作，推桿推動(dòng)制動(dòng)主缸活塞使得整個(gè)液壓系統(tǒng)加壓，通過控制伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)保證精確控制加載壓力大小和加壓速度，以此滿足急加壓和緩加壓試驗(yàn)條件下比例閥制動(dòng)力分配特性曲線的檢測(cè)。限位開關(guān)保證伺服電機(jī)的位置限制，避免出現(xiàn)復(fù)位過度、過分加載，發(fā)生安全事故。

2 檢測(cè)臺(tái)功能以及工作原理

比例閥是汽車制動(dòng)系統(tǒng)中制動(dòng)力分配調(diào)節(jié)裝置，它能使前后輪的制動(dòng)力實(shí)際分配比更接近理想的分配特性曲線。根據(jù)汽車比例閥產(chǎn)品要求，針對(duì)檢測(cè)比例閥性能測(cè)試設(shè)計(jì)開發(fā)了檢測(cè)臺(tái)的6個(gè)功能：①液壓密封性；②耗液量檢測(cè)；③常溫緩/急加壓工作特性；④高/低溫緩加壓工作特性；⑤失效保護(hù)性能；⑥泄壓性能。

圖1 電動(dòng)主缸

整體檢測(cè)系統(tǒng)可分為液壓檢測(cè)和氣動(dòng)控制兩大部分（圖2）。液壓系統(tǒng)檢測(cè)介質(zhì)為制動(dòng)液，使用標(biāo)準(zhǔn)按照GB 12981—2012的規(guī)定使用。DT1，DT2通電，對(duì)應(yīng)的氣控球閥通氣打開，伺服電機(jī)工作帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲母帶動(dòng)推桿推動(dòng)制動(dòng)主缸活塞產(chǎn)生制動(dòng)壓力，壓力傳感器C1，C2監(jiān)測(cè)被測(cè)比例閥輸入壓力，通過被測(cè)比例閥產(chǎn)生的輸出壓力由壓力傳感器C3，C4監(jiān)測(cè)。DT3，DT4電磁閥通電相應(yīng)的氣控球閥通氣打開，可調(diào)模擬負(fù)載1、可調(diào)模擬負(fù)載2接入，可以測(cè)得比例閥接入負(fù)載后制動(dòng)力分配特性曲線。感載控制系統(tǒng)是由感載伺服電機(jī)，3個(gè)限位開關(guān)（XK4，XK5，XK6）、位移傳感器 C5 組成，執(zhí)行單元通過滾珠絲杠拉動(dòng)感載比例閥的感載彈簧伸長、收縮，模擬出比例閥空載、滿載的情況。從而保證檢測(cè)得到空載、滿載情況下感載比例閥的制動(dòng)力分配特性曲線。當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力過高超過允許壓力時(shí)，安全閥AF1，AF2自動(dòng)工作，對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)起到保護(hù)作用。

（1）高壓密封特性檢測(cè)。電磁閥DT1，DT2先開始通電，相應(yīng)的氣控球閥打開，電動(dòng)主缸工作，比例閥輸入通道產(chǎn)生壓力。高壓密封特性檢測(cè)，當(dāng)輸入壓力達(dá)到試件額定工作壓力Pe，電磁閥DT1，DT2關(guān)閉切斷壓力源，C3，C4開始檢測(cè)30 s內(nèi)被測(cè)比例閥各腔出液口的壓力泄漏情況。

（2）耐壓性能檢測(cè)。當(dāng)輸入壓力達(dá)到130%Pe，電磁閥DT1、DT2關(guān)閉，保持5 s，檢測(cè)被測(cè)比例閥各腔出液口的壓力泄露情況。

（3）泄壓性能。比例閥工作特性檢測(cè)完成后，電磁閥DT1、DT同時(shí)斷電，相應(yīng)的氣控球閥關(guān)閉，電動(dòng)主缸復(fù)位，電磁閥DT1，DT2通電，相應(yīng)的氣控球閥打開，比例閥開始快速泄壓，泄壓0.5 s后被測(cè)比例閥各進(jìn)液口壓力值應(yīng)≤0.4 MPa。

3 加載系統(tǒng)硬件組成

加載系統(tǒng)硬件組成：工控機(jī)、伺服電機(jī)控制器（CP3000）、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、絕對(duì)值編碼器、伺服電機(jī)等。伺服電機(jī)選用埃斯頓公司的EMG-20DSB22，額定功率2 kW，電源電壓三相AC 380 V，配選的驅(qū)動(dòng)器PRONET-20DMA。編碼器采用絕對(duì)式編碼器，絕對(duì)值編碼器有固定的零點(diǎn)，標(biāo)識(shí)位置信息代碼唯一，抗干擾能力強(qiáng)，斷電后零點(diǎn)位置不會(huì)丟失，無累計(jì)誤差等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)控制器采用步科公司CP3000進(jìn)行控制，此款PLC具有16路開關(guān)量光電隔離輸入，8路開關(guān)量光電隔離輸出接口。CAN總線接口，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，卡式導(dǎo)軌固定，安裝簡單等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 檢測(cè)臺(tái)試驗(yàn)原理

電機(jī)控制器CP3000作為伺服電機(jī)控制的核心，通過輸入端采集接近開關(guān)的零點(diǎn)位置信息、極限位置信息，工控機(jī)通過上位機(jī)軟件對(duì)電機(jī)控制器進(jìn)行讀寫操作，并向控制器發(fā)送位移、速度、加速度等命令。電機(jī)控制器與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間采用CANopen通信，通過進(jìn)程數(shù)據(jù)對(duì)象（PDO）對(duì)小型的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換。1個(gè)PDO最大可傳輸8字節(jié)數(shù)據(jù)，通過存儲(chǔ)在對(duì)象字典中的PDO映射結(jié)構(gòu)，可以對(duì)應(yīng)用對(duì)象到PDO對(duì)象的分配進(jìn)行調(diào)整，這可以保證設(shè)備對(duì)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行調(diào)整。PDO的傳輸方式打破了現(xiàn)有的數(shù)據(jù)問答式傳輸理念，采用全新的數(shù)據(jù)交換模式，設(shè)備雙方在傳輸前先在各個(gè)設(shè)備定義好數(shù)據(jù)接收和發(fā)送區(qū)域，在數(shù)據(jù)交換時(shí)直接發(fā)送相關(guān)的數(shù)據(jù)到對(duì)方的數(shù)據(jù)接收區(qū)即可，減少了問答式的詢問時(shí)間，從而極大的提高了總線通信的效率，從而得到了極高的總線利用率。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器通過控制器PDO映射的控制參數(shù)，發(fā)送脈沖的頻率決定電機(jī)轉(zhuǎn)速。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用位置控制模式（脈沖列指令），脈沖輸入信號(hào)形態(tài)設(shè)定為90°相位差2相脈沖（正邏輯），90°相位差2相脈沖指令形態(tài)可設(shè)定輸入倍增（1倍、2倍、4倍）脈沖最大頻率400 kpps?？刂芇ULS，SIGN不取反。絕對(duì)值編碼器是伺服電機(jī)的典型反饋元件，通過輸出的格雷碼進(jìn)行反饋。伺服加載系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 伺服加載系統(tǒng)硬件構(gòu)成原理

4 Modbus通信協(xié)議簡介

Modbus協(xié)議是工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備中廣泛使用的公開協(xié)議、支持傳統(tǒng)的PS-232，RS-485和以太網(wǎng)設(shè)備，許多工業(yè)設(shè)備都使用Modbus協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)，這樣不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備就可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中控制。

根據(jù)伺服電機(jī)的選型，使用的通信協(xié)議為Modbus-RTU通信協(xié)議，Modbus詳細(xì)的定義了校驗(yàn)碼、數(shù)據(jù)序列等，這些都是特定數(shù)據(jù)交換的必要內(nèi)容。數(shù)據(jù)通信采用主從方式，允許一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)從設(shè)備或者多個(gè)從設(shè)備之間通信。首先，主機(jī)的信號(hào)尋址到一臺(tái)唯一的終端設(shè)備（從機(jī)），終端設(shè)備發(fā)出的信號(hào)以相反的方向傳輸給主機(jī)。Modbus協(xié)議只允許主設(shè)備和終端設(shè)備之間通信，而不允許獨(dú)立的終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，這樣各個(gè)終端設(shè)備不會(huì)在初始化時(shí)占據(jù)通信線路，而僅限于相應(yīng)到達(dá)本機(jī)的查詢信號(hào)。在一個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上，所有的設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。所選的RTU方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)，它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸消息段的每一位，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。其特點(diǎn)是檢錯(cuò)能力強(qiáng)，花費(fèi)CPU開銷小。表1是RTU傳輸模式的消息格式。CP3000電機(jī)控制器站號(hào)51，COM口采用RS232接口，波特率設(shè)定38400，校驗(yàn)方式采用無校驗(yàn)，停止位為1。

表1 信息幀格式

5 軟件設(shè)計(jì)

此檢測(cè)臺(tái)軟件采用Delphi語言編制，代碼效率高、執(zhí)行速度快。Delphi編程環(huán)境包括：編譯器、匯編器、事實(shí)操作系開發(fā)環(huán)境。上位機(jī)軟件作為整個(gè)系統(tǒng)的大腦，其程序包括初始化模塊、主控程序模塊、手動(dòng)調(diào)試模塊、通信模塊、故障報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)

汽車比例閥檢測(cè)臺(tái)軟件部分總體可分為兩部分，以菜單形式區(qū)分調(diào)用，分別是系統(tǒng)調(diào)試界面（圖5）和檢測(cè)界面（圖6）。系統(tǒng)調(diào)試界面中以指示燈的形式進(jìn)行各種按鈕狀態(tài)、電磁閥通斷狀態(tài)、傳感器初值、電機(jī)限位的狀態(tài)顯示，可以通過點(diǎn)擊按鈕或者改變參數(shù)等方式改變伺服電機(jī)、電磁閥等工作狀態(tài)。檢測(cè)界面根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目要求設(shè)定加壓速度滿足急加壓、緩加壓試驗(yàn)要求（0～40）MPa/s自動(dòng)繪制出被測(cè)試件輸入“—— ”輸出特性曲線，并求出拐點(diǎn)值。

圖5 系統(tǒng)調(diào)試界面

圖6 檢測(cè)界面

主控程序中加載系統(tǒng)控制主要是針對(duì)伺服電機(jī)的電機(jī)使能、左右限位、和脈沖輸入輸出、方向進(jìn)行編寫，同時(shí)通過光耦讀取伺服電機(jī)的報(bào)警信號(hào)。將伺服電機(jī)工作狀態(tài)，輸入輸出脈沖、有無報(bào)警等在調(diào)試界面顯示。伺服加載系統(tǒng)控制流程如圖7所示。

圖7 控制流程

6 試驗(yàn)結(jié)果

通過人為設(shè)定不同的加壓速度，測(cè)得比例閥輸入輸出特性曲線。如圖8所示，加壓速度為3.43 MPa/s（緩加壓）；如圖9所示，加壓速度為40 MPa/s。

圖8 緩加壓輸入—輸出力特性

圖9 急加壓輸入—輸出力特性

快速泄壓性能檢測(cè)結(jié)果如圖10所示，比例閥快速泄壓0.5 s后各進(jìn)液口壓力值≤0.4 MPa。高壓密封特性檢測(cè)、耐壓性能檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，高壓密封檢測(cè)中被測(cè)比例閥各出液口壓力泄漏≤0.35 MPa，耐壓性能檢測(cè)中各出液口壓力泄漏≤0.6 MPa。

圖10 泄壓性能檢測(cè)

圖11 高壓密封特性和耐壓性能

通過輸入—輸出液壓特性、快速泄壓性能、耐壓性能以及高壓密封特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電動(dòng)主缸完全可以作為此檢測(cè)臺(tái)液壓力輸入裝置，滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)于所需加壓速度和壓力值大小的要求。

7 結(jié)論

本課題結(jié)合目前汽車比例閥檢測(cè)現(xiàn)狀以及遇到的問題，設(shè)計(jì)研發(fā)全新的汽車比例閥綜合性能檢測(cè)臺(tái)，采用電動(dòng)主缸作為被測(cè)比例閥壓力輸入裝置，電機(jī)控制器控制伺服電機(jī)動(dòng)作，試驗(yàn)結(jié)果證明，設(shè)計(jì)符合試驗(yàn)要求、檢測(cè)效率高、通用性好，檢測(cè)數(shù)據(jù)精確、可靠性能高，具有很好的推廣價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

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