（机械电子工程专业论文）基于labview的汽车天窗运动部件测试系统的研究.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 随着汽车产业的快速发展，人们对汽车品质和用车舒适度的要求都在不断提高。越 来越多的汽车生产厂家都已将汽车天窗作为汽车的一个标准配置，但汽车零部件有着严 格的安全性和可靠性的要求，必须经过测试才能出厂。虚拟仪器充分利用计算机强大的 运算处理功能，突破了传统仪器在数据处理、显示、存储等方面的限制。 本文针对汽车天窗运动部件测试系统进行了研究，设计了一套基于可编程控制器 ( p l c ) 和虚拟仪器l a b v i e w 的汽车天窗运动部件测试系统，利用工业控制技术、虚 拟仪器技术和网络通信技术实现在天窗装配过程中对天窗产品各项指标的检测。 首先，根据测试项目要求对汽车天窗运动部件测试系统进行了体系结构分析。本测 试系统的主体结构主要由p l c 控制系统和测试数据处理系统构成。硬件组成部分详细 介绍了西门子s 7 3 0 0 p l c 的功能特点，f m 3 5 3 步进模块的伺服控制原理及操作模式， 伺服驱动器的特点及参数配置，电流互感器、拉压力传感器、光电开关的工作原理及选 取标准，并介绍了z e b r a 斑马打印机的通讯方式及条码打印的实现流程。 其次，软件编程实现汽车天窗测试系统的各项功能。本测试系统软件部分包括伺服 电机运动控制程序和测试数据处理程序两部分，通过s t e p 7 编程软件实现西门子 s 7 3 0 0 p l c 对伺服电机的定位控制，利用交换机实现p l c 与上位机的以太网通讯。采 用图形化编程语言l a b v i e w 作为测试数据处理程序的开发平台，在上位机中实现存储 文件自动创建、测试数据地实时显示、存储和查询等功能。同时开发了上位机监控系统， 友好、直观的人机界面( h m i ) 使操作人员能够充分了解整个测试系统的运行状态。利 用n i v i s a 实现了上位机与z e b r a 打印机的并口通讯，编写了条码自动手动打印程序。 同时设计了用户管理系统，以保障软件和测试数据的安全。 最后，在上位机中对l a b w 的数据记录和监控( d s c ) 模块与o p c 服务器进行 连接，介绍了o p c 技术规范和特点，阐明了标签制作过程及全局变量绑定到与p l c 内 部地址相对应的标签上的过程，给出了d s c 访问o p c 服务器的流程图，实现了p l c 与 上位机的数据共享。 本文开发的汽车天窗测试系统设备精巧、自动化和集成化程度高、人机界面友好、 测试项目丰富，并已成功应用在某企业的汽车天窗装配生产线上。 关键词：天窗装配；伺服定位；数据采集；虚拟仪器；人机界面 基于ia b 、，；w 的汽车天窗运动部件测试系统的研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m to f 跚t 0i n d l l s l 巧，t h er e q u i n n e n ti nc a r s7 q u a l i 够a n dc o m f o r t d e g r e ei si n c r e 痂g 哥a d u a l l y m o r e 趾dm o r ec a rm 籼f l a c t u r e r sh a v eb e e nt a k e ns l m j i o o fa u s as t 趾d a r dc o 耐i 肿t i o n h o w e v e r ，a l lm o v i i l gp a n sh a v es 仃i c ts t a i l d a r d si i ls a f e 钞a n d r e l i a b i l i 饥0 n b ，p a s s e dt 1 1 et e s tt l l e nt 1 1 e yc a i lb e6 x e d i 1 1t l l ec a r v i r t u a li n s 虮吼e n t ( v i ) m a l ( e m l lu s eo fc o m p u t e rp o w e r f h lc o m p u t i l l g 凡n 嘶o i l sa n db r e a km r o u 曲t h er e s t r i c t i o 璐o f 仃a d i t i o n a li l l s t l l 皿e m si nd a t ap r o c e s s 、d i s p l a ya n ds t o r a g e t h i s p a p e rd e s i 酬as 啪r o o f t e s ts y s t 锄b 弱e d0 np r 0 铲锄m a b l el o 舀cc 咖l l 呱p l c ) a n dl a b v 正w ，u s i n gi 1 1 d u s t r i a lc o 曲1t e c h n o l o g ) r ，v i n u a li i l s 仉i m e n tt e c h n o l o g ya n dn e 帆o r k c o 删m 疵c a t i o nt e c h n o l o g ) rt ot e s t 也ei 1 1 d i c a t o r si n 刚山r o o fa u s s e m b l yp r o c e s s f i r s t l y ，吐l es 仇l c t u 】r eo ft l l i sp a p e ra b o u ts 叨f o o fm o 、，i n gp a n st e s ts y s t e mw a sa n a l y s i s e d a c c o r d i 工1 9t 0t h et e s tn l i s s i o n t h es y s t e m 丘锄e w o r ki i l c l u d e s 觚op a r t s ，o n ei ss e n ，o - m o t o r p o s i t i o n j n gc o n t r 0 1s y s t e ma 1 1 dt ：h eo 也e ri st e s td a t ap r o c e s s i i l gs y s t e m 吐l eh a r d w a r ed e v i c e s h l c l u d e ds 7 - 3 0 0p l c ，f m 3 5 3s t 印p i n gm o d u l e ，s e n ，o 血v e ，c u r r e n ts e i l s o r ，p u l l 锄dp r e s s u r e s e n s o r ，p h o t o e l e c 伍cs e n s o r ，m dt h e r ew ao v e r a l l 锄d u c ea b o u tt l l e m b e s i d e s ，m e c o n m 砌c a t i o nb e t 、) l ，e e i lz e b r ap r i m e r 锄di n d u s t r i a lc o m p u t e rw a si n 仃o d u c e d ，a n d 也e b a r c o d ep r i n t i n gp r o c e s sw a sp r e s e m e d s e c o n d l y ，i i lo r d e rt 0r e a l i z et h e 向r l c t i o no fm es _ 如o fm o 、，i n gp a n st e s ts y s t e m ，m e s y s t e ms o r w a r ew a sd e s i 印e d s 7 3 0 0p l cw a sp r 0 乒磁姗e db ys t e p 7t 0c o 曲r o ls e r v o m o t o rp o s i t i o i l j m ga n dc o u e c ts e n s o rd a t a ，也es w i t c hw a su s e dt or e a l i z et h ee m e n l e t c o m m u j l i c a t i o nb e 锕e e np 【ca n di n d u s t r i a l p c t h e 伊印l l i cp r o 黟锄m i i l gl a i l g u a g e l a b v i e ww a su s e dt 0d c v e l o pt t l et e s t ( 1 a t ap r o c e s s i l l gp r o 眦w h i c hr e a l i z e dm es t o r a g e f i l ec r e a t e da u t o m a t i c a l l ya i l dt h et e s td a t ar e a l t i i i l ed i s p l a y 、s a v ea n dq u e 巧i nt h e 曲d 1 觚a lp c a tt l l es 锄et i m e ，t 1 1 ep a p e ra l s 0d e v e l o p e da 衔e n d l ya n di r 咖i t i v eh u m 趾 m a 幽en e 渤c e ( h m i ) ，w 1 1 i c hc a l lh 却t 1 1 eo p e r a r t o r s 觚l yg r a s pm ew h 0 1 em i 洫n gs t a t u s a b o u tt l l et e s ts y s t e m b e s i d e s ，au s e rm a n a g 锄e n ts y s t e mw a sd e s i 鲫e di no r d e rt oe n s u r et h e 鼢f e t yo ft h et e s td a t a 锄ds o f e w a r e t h em 锄1 1 1 锄da u t o m a t i cb a r c o d ep r i n t i i l gp r o g m mw e r e d e v e l o p e d 锄dt 1 1 ep a r a l l e lc o i i l 】【n u l l i c a t i o nb e t 、) i ，e c l lp c 缸dz e b r ap 向t e rw a sr e a l i z e db a s e d o nn i s a l a s t l y ，t l l e r ew 嬲ai n 协) d u c t i o na b o u tm es p e c i f i c a t i o n 觚dc h a r a c t e r i s t i co f0 p c t e c l l i l o l o g y ，a i l dp r e s e n t e daw a y t 0s h o wh o wt oc r e a t et a g s ，t 1 1 ep r o c e 鹃i nh o wt ob o u n dt 1 1 e t a g st ot h e9 1 0 b a lv a r i a b l e sw 笛s h o w e dt 0 0 m ef l o w c h a r tp r e s e n t e d 吐l ep r o c e s so f 西华大学硕士学位论文 d a t a l o g g i n ga n ds u p e i s o qc o n 仃o lm o d u l e ( d s c ) a c c e s so p cs e e r f i l l a l l yt h ea n i c l e r e a l i z e dt l l et e s ld a t aw l l i c hc o l l e c t e db yp l cs h a r e db y 访d l l s t r j a lp c t h e e q u i p m e mo f t l l es u m l o o f m o v m gp a n st e s ts y s t e mi sv e 叮e x q u i s i t e ，n o to n l yh a da h i 曲d e g r e eo fa u t o m a t i o na n d 血e 刚i o n ，b u ta l s oh a da 衔e n d l yh u i n 孤m a c h i n e 血e r f a c e ， a n dm a n ys u n r o o f si nd i 虢崩1 tt ) ，p e sc 觚b et e s t e d t h es u 玎r o o ft e s ts y s t 锄h a sb e e n s u c c e s s 如l l y 叩p l i e d k e yw o r d s ： s u n r o o fa s s c n 幽1 y ；s e n r o p o s i t i o 血i 培；d a t aa c q u i s i t i o n ； v i r t u a l l n s n u m e m ：h u m a nm a c l l i n ei n t e r f a c e m 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题背景 中国汽车行业已经连续1 0 年保持产销两旺的发展态势。虽然2 0 1 1 年受宏观经济因 素及政策的影响，汽车市场总体增幅低落，一线城市的汽车销量有所萎缩，但是二、三 线城市的销量却达到了2 1 7 的增长率。根据中国汽车工业协会公布的统计数据显示， 2 0 l1 年中国汽车行业总销量将达到1 8 7 8 万辆，同比微增4 3 ，1 1 1 月乘用车销量1 1 7 6 万辆，同比增长5 8 6 。豪华车销量达9 0 万辆，保持了4 0 以上的增速【1 1 。 随着汽车保有量的快速增长，人们对汽车品质及用车舒适度的要求都在不断的提 高。因此越来越多的汽车生产厂家对汽车零部件及车饰配件的安全性、舒适性和美观性 都给予了更多的关注。近几年来，汽车天窗已成为汽车的一个标准配置，不仅具有美观、 开阔视野的作用，更在于其拥有通风换气、节能和除雾等功能而备受广大车主青喇2 】f 3 1 。 汽车天窗的需求量正随着汽车销量的快速增加而增长。 天窗产品通常由数量众多的塑料件、五金件和玻璃板装配而成，为了实现天窗产品 的批量生产并保证产品使用中的性能和质量，需要设计相关的工装和测试系统。本课题 正是在此背景下产生的。 1 2 天窗工装及生产线概述 汽车天窗定位工装包括定位架、吸盘、定位销和限位块等，用于汽车天窗零部件的 定位安装，减少天窗装配误差。在天窗的加强板上左右两侧各开有定位孔，装配天窗时 将定位销插入定位孔，然后按一定顺序装配。天窗装配生产线包括平面回转式装配生产 线和流水线循环装配生产线，将输送系统、随行夹具和检测设备连成一个有机的整体。 汽车天窗生产线广泛用于汽车天窗的组装、测试，主要采用工装板作业方式，操作人员 在独立的区域组装并进行测试，在天窗组装完成后进入静音测试，最后进行成品离线包 转，天窗零部件采用轨道输送，无需人员搬运，从而做到生产的快捷性，提高调装效率， 降低劳动强度。 1 3 国内外汽车天窗研究现状和发展趋势 1 3 1 研究现状 随着人们对驾乘舒适性要求不断提高，汽车天窗以其时尚气息和优越性能赢得了广 阔市场，进而成为一种迅速蔓延全球的时尚热潮。 国外有众多专业汽车天窗生产厂家， 基于i 庙e w 的汽车天窗运动部件测试系统的研究 如德国的w e b a s t o ( 韦巴斯特) 汽车天窗公司、荷兰矾a l f a 汽车天窗系统公司、美国 a s c 天窗公司，他们在汽车天窗的研发、生产和销售等诸多环节均处于世界领先地位。 国内在汽车天窗产品设计、工装和测试系统等方面从事相关研究和开发的机构比较 少。上海交通大学的俞雪峰等人曾做过汽车天窗马达测试系统的研究，利用k 线通信技 术解决了汽车天窗马达和工控机之间的通信问题【4 ；江南大学张金美采用虚拟仪器技术 对电机测试系统的测试数据进行处理，提高了数据处理的方便性和灵活性【5 】；西华大学 毕见卫基于o p c 和l a b v m w 对工业测控中系统数据采集采用“l 曲w + d s c + o p c ” 的方案管理测试系统，实现了测试数据的采集、存储及查询等功能【6 】；上海安规机电设 备有限公司开发的汽车天窗电机测试系统具有角度控制功能，能精确测量天窗电机的初 始化角度值及偏差【7 】：浙江台州怡发汽车天窗有限公司拥有多条国产化组装线，同时引 进了国际领先的自动装配生产线【8 1 ；上海布朗汽车天窗有限公司从国外引进的外开式和 内藏式天窗生产线，具有柔性集成的特点，通过更换部分工装，每条生产线可生产两款 同类型的产品【9 】。虽然国内企业发展速度较快，但在相关领域起步较晚，在技术含量和 研发能力上与国外厂家相比还有一定差距。 1 3 2 发展趋势 测试仪器一般分为三部分：数据采集、数据处理和测试数据的显示与记录。自上世 纪八十年代以来，由于计算机技术、测控技术和虚拟仪器技术的飞速发展和普遍应用， 自动化测试系统得到了极大的发展。随着网络技术的飞速发展和网络通信速度的不断提 高，测控系统的网络化已经成为现代测量、测试与自动化应用的发展趋势。可编程控制 器( p l c ) 具有可靠性高、开发周期短等特点，在自动化及工业现场控制领域得到了广 泛的应用。虚拟仪器结合工业计算机，配备必要的测试硬件和软件，利用网络通信技术 实现测试数据的采集、存储与显示，并对整个生产、测试过程进行监视和控制，极大突 破了传统仪器的限制。国外厂家对汽车天窗的测试技术十分重视，进行了深入的研究。 许多公司和科研机构开始研发基于虚拟仪器技术的测试系统，在自动化、智能化、集成 化方面都有新发展。其中尤以美国国家仪器公司( n i ，n a t i o n a li i l s 仉匝e n t ) 开发的系列 虚拟仪器产品最为著名，在测控领域应用最为广泛的软件l a b v 正w ，采用图形化语言 ( g 语言) 开发系统，充分利用工控机的软硬件资源，将管理和测控结合在一起，减少 了开发系统的周期和成本。据调查表明，国外新开发的汽车天窗测试系统主要有如下特 点： ( 1 ) 设备精巧、自动化和集成化程度高； ( 2 ) 同时实现了天窗电机的装配和测试功能； 西华大学硕士学位论文 ( 3 ) 采用上、下位机实现功能，下位机一般采用可编程控制器( p l c ) 实现运动 控制和数据采集，上位机处理采集得到的数据及其他复杂功能； ( 4 ) p l c 通过串口或者以太网口和上位机进行通讯； ( 5 ) 人机交互界面友好，测试项目丰富，可应用于多个型号的天窗电机的测试； ( 6 ) 测试结果直观地显示在软件界面上，实现了对测试数据的保存和查询功能。 综上所诉，以工控机为核心，结合可编程控制器( p l c ) 的智能化、数字化的测试 系统已成为工业测控领域的发展趋势。系统开放化、通信多元化、人机交互多样化、数 据处理网络化等将成为测控系统发展的新方向。 1 4 研究目的及意义 汽车天窗运动部件测试系统的研究涉及机械理论、机械设计、电工学、传感与测试 技术、自动化控制技术、虚拟仪器编程技术、数据采集及信号处理等多个领域，是一种 典型的集成化系统，有利于从各方面提升学生的理论知识水平。虽然国内汽车天窗有广 阔的市场、但技术研究不够深入、天窗产品长期依赖国外进口的现状对汽车天窗本土化 开发提出了必然要求。 计算机测控技术利用传感器将被测量转换为电量，再将这些代表实际物理参量的电 量转换为计算机可识别的数字量，并在计算机中以数字、图形或曲线方式显示出来，从 而使操作人员能够直观迅速地了解被测对象的变化过程。计算机测控系统能简化电路， 提高测控精度，显著增强测控系统智能化、自动化程度，而且还具有缩短系统研发周期， 降低成本，易于升级换代等特点。本文开发的基于虚拟仪器技术和计算机技术的汽车天 窗运动部件测试系统集成化、自动化程度高，可用于多个型号的天窗测试，人机界面友 好、直观，有利于提高企业生产效率。根据测试数据及相应的指标判定天窗性能的优劣， 提高了产品出厂合格率，在一定程度上平衡了国内汽车天窗的供求关系。 1 5 论文研究内容安排 本论文主要的研究内容有：汽车天窗运动部件测试系统运动控制部分的设计、数据 采集系统的设计、人机界面系统的设计及软件程序的实现。 本论文共有五章，具体安排如下： 第一章：介绍课题的来源，研究背景及国内外研究概况，并对本论文研究内容的主 体架构作了安排。 第二章：简要介绍了汽车天窗的基本结构、汽车天窗运动部件测试系统的功能及要 求和设计测试系统需遵循的原则，提出了本文开发的汽车天窗运动部件测试系统的设计 方案。简要说明了硬件的选取、传感器的工作原理、选取原则及安装方式，重点介绍了 基于ia b 、! w 的汽车天窗运动部件测试系统的研究 由f m 3 5 3 定位模块和伺服驱动器构成的伺服系统的工作原理、控制模式及测试系统的 工作流程：简述了斑马打印机与上位机的通讯方式，给出了条码打印流程。 第三章：系统地介绍了汽车天窗运动部件测试系统的软件结构。主要介绍了测试数 据处理程序及天窗运动控制程序两大主体内容，详述了虚拟仪器l a b v w 开发的用户 管理模块、数据管理模块、条码打印模块的功能，并开发了人机界面；同时介绍了西门 子编程软件s t e p 7 及实现天窗运动控制的流程及部分程序。 第四章：介绍了o p c 技术规范、技术特点，简述了d s c 内置o p c 访问服务器的 流程，说明了标签制作流程和全局变量绑定标签的方法，在l a b v 匝w 基础上利用以太 网实现了p l c 与上位机之间的o p c 通讯。 第五章：对全文工作进行总结，并指出需要改进和完善的地方，展望虚拟仪器技术 在测试领域进一步的应用。 4 西华大学硕士学位论文 2 汽车天窗运动部件测试系统的总体方案 2 1 汽车天窗运动部件测试系统概述 2 1 1 汽车天窗的基本结构 如图2 1 所示，汽车天窗主要由天窗玻璃、遮阳板、驱动电机、电子控制单元e c u ( e l e c 仃0 i l i cc o n n d lu n i t ) 、驱动齿轮、软轴及前后枕座构成。天窗的开合过程通过e c u 模块控制天窗自带电机的运动实现，驱动电机工作时，它产生的转矩由驱动齿轮传送给 软轴，将驱动齿轮的转动转化为软轴的直线运动，电机的正反转带动枕座前后运动，实 现天窗的打开或者闭合过程【1 0 】【l l 】。 图2 1 汽车天窗结构图 f i g 2 1 s u n 瑚fs 仃u c t l l r d i a g r 锄 2 1 2 电控单元引脚说明 汽车天窗自带的电机体( 如图2 2 所示) 上装配了电子控制单元( e c u ) ，具有专 用的数据接口，专用接口定义了供电及转动控制功能的针脚。 a ) 正面 图2 2 天窗电机实物图 f i g 2 2 s u n 啪fm o 自d fr e a l 丘g u 他 5 b ) 背面 基于ia b e w 的汽车天窗运动部件测试系统的研究 以b o s c h 某型天窗电机为例，接口各针脚的功能定义如下：l 为电源正极，需 提供1 3 v 直流电压；2 为用于控制全开或者全闭信号针脚；5 用于控制天窗的翘起动作； 8 为天窗打开动作控制信号；9 为天窗闭合控制信号针脚；4 、6 脚悬空；1 0 为接地信号。 2 1 3 汽车天窗运动部件测试系统的功能分析 在确定系统软硬件结构之前，首先需要对系统所要实现的功能进行分析，随之才能 确定系统规模，选用的硬件类型及软件结构。根据项目任务书要求，本测试系统需要实 现的功能要求如下： ( 1 ) 系统适用于多种型号天窗的不同参数的测试。能对不同规格天窗的不同参数 ( 如电流值、防夹力、滑移力等) 进行测试。 ( 2 ) 对测试数据进行采集，在上位机中能对采集到的数据进行显示、保存等处理。 能够以多种形式( 如数据形式、波形形式及表格形式) 显示测试结果。 ( 3 ) 在上位机中能实现对各工序历史数据的查询。 ( 4 )能实现条形码的自动和手动打印功能且操作者能够手动设置打印参数。 ( 5 ) 在上位机中能够对测试系统工作状态进行监控。 ( 6 ) 系统对操作者的误操作具有一定的预防措施。 根据生产厂家提供的技术指标要求，表2 1 罗列了本测试系统的各项技术参数。 表2 1 汽车天窗测试系统技术参数表 t a b 2 1s u n r o o ft e s ts y s t e mt e c h i l i c a lp a 姗e t e rt a b l e 输入输出 稳压电源输出电压 0 3 0 v 稳压电源输出电流 5 0 a 天窗测试要求 天窗玻璃打开关闭电流 4 o 7 0 a 电流测试精度 o 1 a 天窗玻璃打开关闭时间 5 o 8 0 s 天窗玻璃翘起关闭防夹力6 0 1 0 0 n 遮阳板打开关闭滑移力l o 6 0 n 环境温度 适宜环境温度范围o 4 0 0 6 西华大学硕士学位论文 天窗运动部件的测试主要包括两部分：1 ) 遮阳板打开和关闭拉压力测试，2 ) 玻璃 板打开、关闭和起翘的电流及防夹力测试。其中，遮阳板的运动通过外部的运动平台实 现，玻璃板的运动由天窗电机本身的运动控制实现。在天窗玻璃和遮阳板动作过程中测 试遮阳板打开关闭滑移力，玻璃打开关闭时间，玻璃打开关闭电流，玻璃翘起关闭防 夹力等数据。本文设计的汽车天窗运动部件测试系统的测试流程如图2 3 所示。 图2 3 测试系统工作流程图 f i g 2 3 p r o c e s sn o wf o rn l et e s ts ) ，s t 锄 基于ia b 、! w 的汽车天窗运动部件测试系统的研究 根据测试结果对相应的天窗产品作出处理，测试不合格的天窗产品可能通过重复测 试进行更进一步的合格与否的判断，确认为不合格的产品则直接从当前工位剔除，不再 进入下一工位。 2 1 4 测试系统设计原则 根据本论文相关项目技术协议所遵循的数字化、自动化、现代化的总体目标要求， 在相关企业标准和行业标准的基础上，考虑实现系统的安全性、可靠性、灵活性、可扩 展性和实用性等系统设计原则1 1 2 】。 ( 1 ) 安全性：测试系统的首要任务是保证人身安全、数据安全和设备安全； ( 2 ) 可靠性：只有在系统可靠运行的前提条件下测得的数据才有意义，网络通讯、 数据传输、开关夹具和仪器设备等的选用都遵行可靠运行的设计原则； ( 3 ) 灵活性：仪器设备的检修互换、测试项目的增减、测试对象的变化都要满足 系统灵活性的设计原则； ( 4 ) 可扩展性：测试系统选用的硬件内存容量、组网设计等应考虑对其后续设备 有良好的兼容性和共享性； ( 5 ) 实用性：测试系统直接面向测验人员，测试机构、软件界面等都应遵循友好 实用原则，以提高操作人员的工作效率； ( 6 ) 先进性：在测试系统、通讯网络的设计和仪器设备的选取方面，应采用先进、 成熟的技术，以保证系统的先进性。 2 1 5 汽车天窗运动部件测试系统的方案设计 传统的测试设备通常以某一特定的测量对象为目标，采用手工操作、目测读数的方 法，工作效率低、测试误差大。工控机+ 数据采集卡的检测方案无法实现测试系统的自 动化控制功能，系统可扩展性较差。p l c 测控系统虽然能实现数据采集和自动化控制功 能，但用组态软件开发的监控系统数据处理能力较差，不利于实现测试系统对测试数据 的管理。本文设计的汽车天窗运动部件测试系统，充分考虑工程的兼容性、可扩展性、 自动化及数据传输网络化等因素，采用上位机+ 下位机的方案实现系统功能，上位机采 用研华工控机，下位机采用西门子p l c ，通过以太网进行组网设计，使系统能够适应数 字化、信息化的要求。利用o p c 技术实现工控机对p l c 内部地址的读写操作，o p c 技 术无需自定义通讯协议，能简化应用程序和计算机之间数据传输的过程。 ( 1 ) 采用西门子s 7 3 0 0 p l c 作为控制核心，实现数据的采集、电气控制及与上位 机的以太网通讯。s 7 3 0 0 是模块化的中小型p l c 系统，各模块之间可进行广泛的组合， 能满足中等性能要求的应用，无排风扇结构，易于实现分布，为自动化控制领域提供了 8 西华大学硕士学位论文 方便又经济的解决方案。考虑到本测试系统i o 点数较多，需要配置e t 2 0 0 m 分布式i o 模块，故选用带d p 接口的3 1 5 2 d p 型c p u ，方便系统的扩展。 ( 2 ) 通过西门子定位模块f m 3 5 3 实现松下伺服电机的定位控制。f m 3 5 3 定位模块 是西门子在高速机械设备中使用的步进电机控制模块，无需位置解码系统，适用于所有 低负载的定位任务以及无较大负载波动的位置控制，能提供较高的动态响应和精确度， 从而处理广泛的定位任务。f m 3 5 3 定位模块一般用于控制步进电机，此外它还可以和日 系的伺服驱动器配合使用以实现伺服电机的定位控制。本文选择f m 3 5 3 和日本松下伺 服驱动器实现伺服电机的定位控制。 ( 3 ) 上位机监控系统选用虚拟仪器l a b v i e w 开发。采用文本编程语言开发监控系 统需要逐行编写代码，效率较低，而且程序无法实现并行运行，影响测试系统的实时性 要求。基于计算机技术的虚拟仪器，充分利用了计算机丰富的软、硬件资源及强大的数 据处理能力，突破了传统仪器在数据显示、存储等方面的限制。从基本的功能函数到高 级分析库，l a b v i e w 基本涵盖了仪器设计所需的全部函数，用户可直接调用大量现成 的函数。基于“所见即所得 的可视化技术，能通过l a b v i e w 开发友好、直观的人机 界面，其图形化的开发平台能极大缩短系统开发时间。 2 1 6 汽车天窗运动部件测试系统的组成 汽车天窗运动部件测试系统由p l c 控制系统和上位机监控系统两部分组成。p l c 控制系统主要实现对伺服电机运动平台的定位控制和模拟天窗电机e c u 控制信号，电 机的定位控制是实现汽车天窗遮阳板运动测试的前提条件。上位机监控系统主要通过以 太网通讯，实现西门子s 7 3 0 0 p l c 采集的数据在工控机上实时地显示、保存等处理，同 时利用并口通讯实现条码打印。测试系统结构框图如图2 4 所示。 图2 4 天窗测试系统结构图 f i g 2 4 s u n r 0 0 ft 髂ts y s t e ms 仉l c 仙r ed i a 卵n 9 基于m w 的汽车天窗运动部件测试系统的研究 2 2p l c 系统硬件配置 p l c 控制系统主要实现对伺服电机的定位控制，包括p l c 控制部分、伺服驱动部分、 机械传动机构、位置检测元件。根据项目实际需要，p l c 控制系统选用的硬件参数如表 2 2 所示。 表2 2p l c 控制系统硬件列表 t a b 2 2p l cc o n 们1s y s t 锄h a r d w a r em e n u 序号描述型号数量备注 1p s 3 0 75 a6 e s 73 0 7 1e a o o o a a ol p l c 电源 2d n 导轨4 8 0 m m6 e s 73 9 0 1 a e 8 0 0 a a 03 p l c 背板 3c p u 31 5 2 d p6 e s 73 1 5 2 a g l 0 0 a b 01 c p u 4 e t 2 0 0 m 6 e s 715 3 1a a 0 3 o x b o 2 远程i o 模块 5f m 3 5 36 e s 73 5 3 1 a h 0 1 o a e 0l 步进定位模块 6s m 3 2 l6 e s 73 2 1 1 b l 0 0 0 a a 04 数字量3 2 路输入 7 s m 3 2 26 e s 73 2 2 1b l o o o a a o4 数字量3 2 路输出 8s m 3 2 36 e s 73 2 3 1b l o o o a a 02 1 6 路输入输出 9s m 3 3 16 e s 73 3 1 7 h f 0 1 0 a b ol 8 通道模拟量输入 l o 伺服驱动器 m b d h t 2 51 01p a n a s o n i c 1 1 减速器 p g 6 0 l 1 5 1 4 0 5lv g m 1 2 伺服电机 m h m d 0 4 2 g 1 u1p a n a s o n i c 1 3 光电开关 e e s x 6 7 2 p4o m r o n 其中，数字量输入输出模块的作用是实现现场数字信号电平与s 7 3 0 0 内部信号电 平之间的相互转换，输入输出额定电压均为d c 2 4 v ，输入电压“1 信号电平为1 1 3 0 v ，“0 信号电平为3 + 5 v ，输入电流7 m a ，最大输出电流0 5 a 。输入输出电路 通过光耦合器与背板总线相连。 模拟量输入输出模块的输入测量范围和输出范围均为0 1 0 v 或o 2 0 m a ，i o 测 量范围是通过恰当的接线而不是通过组态软件编程设定的。模拟量模块的每个通道占一 个字地址( 如模拟量输入通道r w 4 4 0 由字节i b 4 4 0 和i b 4 4 l 组成) ，从o 号机架的4 号槽 开始，每个槽位分配1 6 b ( 1 6 个字节即8 个字，等于8 个通道) 的地址。s 7 3 0 0 为模拟量 模块保留了专用的地址区域，字节地址范围为m 2 5 6 一i b 7 6 7 。由于模拟量模块的最小地 址已超过了i o 映像表的最大值1 2 8 b ，因此模拟量模块的输入输出只能以字节、字或双 字的形式通过外设存储区( p i 和p o ) 直接存取，不能利用i o 映像表进行数据的输入、输 l o 西华大学硕士学位论文 出。为缩短循环时间，应使用s t e p 7 组态工具屏蔽掉不用的模拟量通道，同时将硬件 上未用通道的输入端短路【l 孙。 e t 2 0 0 m 是高密度配置的模块化i o 站，适用于复杂的自动化任务和过程控制。 e t 2 0 0 m 作为被动站( 从站) 挂接在p r o f m u s d p 总线上，用于扩展系统的i o 接口。本 系统配置的e t 2 0 0 m 模块如图2 5 所示。 图2 5e t 2 0 0 m 分布式i o 模块 f i g 2 5e t 2 0 0 md i s t i i t ，m e dl ，om o d u l c s 2 2 1 西门子s 7 3 0 0p l c 的特点 在本文的汽车天窗运动部件测试系统中，s 7 3 0 0 p l c 的主要任务是接收各种外部开 关量信号( 继电器、按钮、行程开关) 和模拟量信号，判断当前系统的运行状态，通过 内部程序输出各种控制信号去控制继电器、接触器等器件，以完成相应的控制任务。其 主要特点为【1 4 】： ( 1 ) 拥有多种规格的处理器，采用独特的导轨安装方式； ( 2 ) 高速的指令处理，满足系统高速运行的要求； ( 3 ) 浮点数运算，能有效实现复杂的算术运算； ( 4 ) 具有开环定位、时间中断和p d 等高级控制功能； ( 5 ) 拥有伺服定位控制、高速计数等特殊应用模块； ( 6 ) i o 模块采用前连接器方式，维修、更换都很方便； ( 7 ) 硬件系统自行组态，信号模块、通讯模块安装位置灵活； ( 8 ) c p u 集成多点接口( m p i ) ，具有多种适应不同应用场合的通讯模块，可连 接a s - i 接口、p r 0 舳u s 等现场总线系统和工业以太网总线系统。 基于i 栅w 的汽车天窗运动部件测试系统的研究 2 2 2f m 3 5 3 定位模块简介 f m 3 5 3 硬件接口提供最大2 0 0 k 的脉冲输出，方向控制信号等，另外提供可编程 4 d d 0 ，一般用于参考点接近、使能、限位等信号的连接。f m 3 5 3 有连接器x 1 和x 2 两种接口。连接器x 1 接口为2 4 v 兼容，主要包含4 输入、4 输出，r mp 和i 蝴n 两 个控制器信息输入接口。连接器x 2 为1 5 针接口，5 v 电平兼容，管脚1 和9 实现脉冲 输出；管脚2 和1 0 实现方向输出；管脚1 5 为输入信号，用于伺服电机运行状态的反馈。 准备好，则运行，否则，f m 3 5 3 不输出脉冲，伺服电机不工作。5 、6 、8 、1 3 、1 4 为接 地信号【1 5 】。通过西门子f m 3 5 3 定位模块实现伺服电机运动控制的系统框图如图2 6 所 示。 图2 6 伺服电机运动控制系统框图 f i g 2 6 s e r v om o t o rm o t i o nc o n 臼o ls y s t e md i a g r a m 2 2 3 伺服电机的选取 伺服系统的伺服电机一般采用高速、中小惯量的电机，以满足系统高速、高精度的 控制要求。伺服电机的选择包括确定电机类型、安装形式、转速、输出转矩与加减速能 力等。其中，电机类型和安装形式取决于机械部件的结构，一般由机械设计人员确定， 转速、转矩与减速比需要通过计算才能确定【1 6 】。电机选择步骤如下： 1 确定机构部分结构( 本文采用滚珠丝杆机构) ； 2 确定运转模式( 本文采用多段速运行模式) ； 3 计算负载惯量及惯量比； 西华大学硕士学位论文 4 计算转速； 5 计算转矩； 6 选择电机( 满足以上3 5 项条件即可) 。 卜b l 叫 图2 7 滚珠丝杆机构图 f i g 2 7 b a l ls c r c w i i l s t i t u t i o 嬲f i g i l d 滚珠丝杆机构如图2 7 所示。其中，装载传感器的工件质量w a = 5 埏，工件摩擦系 数u = o 1 ，外力f 为2 0 0 n ，滚珠丝杆长度b f 0 5 m ，滚珠丝杆直径b d = 0 0 1 m ，滚珠丝 杆螺距b p = o 0 0 4 m ，滚珠丝杆效率b 。= o 9 ，移动距离为d = 0 3 m ，轴连器惯量j c 为1 0 1 0 。6 k g m 2 。根据松下伺服选型手册中电机选择示例的相关计算公式可知： 滚珠丝杆质量： 岛= p 万( 鲁) 2 吃 ( 2 1 ) ：7 9 1 0 3 3 1 4 ( 旦二堕) 2 o 5 2 = o 3 l 瞎 负载部分的牖 = 厶+ 厶= 厶+ 言q 蟛+ 簪 ( 2 2 ) ：l o 1 0 _ 6 + 旦：兰! 兰q ：q ! ：+ 曼兰q ：旦旦笔 8 4 3 1 4 = 1 0 1 0 一6 + 3 8 7 5 1 0 6 + 2 0 8 5 1 0 一6 = o 1 5 9 1 0 一4 船j | 刀2 预选m h m d 0 4 2 g 1 u 型松下伺服电机作为天窗遮阳板运动控制的定位电机，其主要 技术参数有：额定输出功率o 4 k w ，额定转矩1 3 n m ，额定转速3 0 0 0 r m i n ，最高转 速5 0 0 仉，m i n ，转动惯量为0 6 7 1 0 q k g m 2 ，配带2 0 位增量式编码器，其每转分辨率为 1 0 4 8 5 7 6 ，采用5 芯导线接线。 1 3 基于ia b 、，正w 的汽车天窗运动部件测试系统的研究 艟比乃- o 6 7 枷么旧枷一“2 根据惯量比，本文选择v g m 行星减速器p g 6 0 l 1 5 1 4 0 5 作为测试系统的减速机构， 其减速比i _ 5 ，p g 系列减速器体积小、重量轻，适用于各种伺服与步进电机。把负载端 惯量折算到电机端的惯量记为j l 7 ，则： ! ： j 2 ( 2 3 ) 3 l ，= 2 5 o 1 5 9 1 0 4 = 3 9 9 1 0 一船历2 形v _ 3 9 9 1 0 么6 7 1 0 一“9l 一 o 6 7 l o 4 一u 。j 在假设机械传动机构设计是合理的前提下，对于伺服系统的机械传动部件采用直接 连接或用减速器连接的场合，为保证伺服系统稳定工作，作为日系伺服系统的一般设计 准则，应满足如下公式： 0 1 0 l ( 2 4 ) 其中，j l 7 为折合到电机端的负载惯量；j m 为电机转子惯量。由公式2 4 可知，伺服 系统一般要求折合到电机轴上的负载惯量小于电机转子惯量的1 0 倍，预选电机惯量比 为5 9 1 0 ，符合要求。为了实现伺服电机的精确定位，本文采用如图2 8 所示的多段 速运行模式。其中，电机加速时间t a - 1 s ，匀速时间t f 5 s ，减速时间t c = 1 s 。 巨厦一 。稳云i i 踞离 么笏| 二 lt a 。 一t b lt 。i葫 加速时间匀速时间减速时问 图2 8 电机运行模式图 f i g 2 8 m o t o r m o 、，i n gm o d e ld i a 鲫n d 司 假设，电机的最高运行速度为v m 觚，经过减速器后丝杆的最高速度v 一7 - v m x 5 ， 则：丝杆最高速度：( 丢乞+ 丢乞 1 k + 寺乞乙) 5 = j ( 2 5 ) 1 4 西华大学硕士学位论文 7 = 煮尚一o 形 y = 一= i f 7 腰 n x 5 ( 1 + 5 + 1 ) s 丝杆转速：= 鲁= no 0 0 4 = 4 2 5 形= 2 5 5 么i n ( 2 6 ) 贝| j 电机转速：k = 5 2 5 5 = 1 2 7 5 ，m