（机械电子工程专业论文）汽车转向拉杆球接头试验台测控系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 汽车转向拉杆球接头试验台测控系统是利用计算机建立的一套数据采集和 数字控制系统，与试验台连接起来，由计算机对各试验参数如加载、转矩等进 行数据采集、量化和处理，并输出测试结果及绘制测试曲线。在试验过程中， 计算机还可根据数字反馈或人工输入要求，对测试过程进行实时监控，达到计 算机密切跟踪和控制试验台及试件状态的目的，从而高速、高精度完成对汽车 拉杆球接头的性能测试。 本文探讨了汽车转向拉杆球接头试验台测控系统的研究开发，将先进的计 算机技术引入到汽车拉杆球接头试验系统当中，从而实现机、电的有机整合。 加载和旋转力矩动态特性的测试是本试验平台的主要两个测试类试验项目。根 据这些测得参数得到旋转力矩的动态特性试验曲线，以达到对汽车转向拉杆球 接头的性能和特性进行验证和评价的目的，于是搭建了硬件系统平台和软件系 统平台以实现这一目标。 硬件系统中，考虑了传感器的选择，完成了传感器的固定和安装、设计了 传感器信号处理电路和数据采集电路、实现了加载和旋转力矩的动态采集，以及 采取必要的抗干扰措施以保证测试数据的准确性和可靠性。利用串行通信完成 了单片机与计算机之间的数据交换，最终实现了计算机对试验台参数的测量和 控制。软件系统中，根据系统软件要实现的功能的种类，将软件划分为几个主 要模块，并且解决了w i n d o w s 环境下对底层输入输出端口的数据操作，用多线 程技术解决了数据的采集、分析与处理以及计算机与单片机间串行通讯等几个 关键问题。最后，阐述了试验系统软件的设计思想和设计流程，利用v b 6 0 开 发出了界面友好、功能完备的应用程序，利用该试验系统进行了联机试验，并 对试验结果进行了分析。 本系统实现了计算机对测控过程的自动监测，有效地提高了测控的精度和 效率。汽车转向拉杆球接头旋转力矩的动态特性现场试验结果表明，所开发的 汽车拉杆试验平台计算机测控系统满足汽车转向拉杆球接头试验的要求，验证 了汽车转向拉杆球接头试验台测控系统的设计思路和设计方法是可行的。该系 统提高了试验过程的自动化和智能化水平以及试验台的测试效率和精度，既更 新了试验设备和试验手段，又为汽车转向拉杆球接头测控设备的升级改造提供 了切实可行的方法和参考。 关键词：汽车拉杆，单片机，v b 6 0 ，数据采集，串行通信 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o t i v es t e e r i n gr o db a l lj o i n tt e s tb e n c hm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m m a k e su s eo fc o m p u t e rt ob u i l du pad a t aa c q u i s i t i o na n dn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ， a n dc o n n e c t st ot h et e s tb e d t h ec o m p u t e ri si nc h a r g eo fd a t ac o l l e c t i n g ，q u a n t i f y i n g , p r o c e s s i n ga n do u t p u t t i n gt h et e s tr e s u l ta sc o n c e r na se a c ht e s tp a r a m e t e rs u c ha s l o a da n dt o r q u e i nt h ep r o c e s so ft e s t ，t h ec o m p u t e rc a nm o n i t o ra n dc o n t r o lt h et e s t p r o c e s sa c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a lf e e d b a c ka n dr e q u e s to fa r t i f i c i a lm p u tt oa c h i e v e t h eo b j e c to fc l o s e l yt r a c k i n ga n dc o n t r o l l i n gt h es t a t eo f t e s tb e da n dt e s tp i e c e s ，t h u s c o m p l e t et h et e s to nt h ep e r f o r m a n c eo ft h es t e e r i n gr o db a l la th i g hs p e e da n dh i g l l p r e c i s i o n t h i sa r t i c l eh a sd i s c u s s e dt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o t i v e s t e e r i n gr o db a l lj o i n tt e s tb e n c hm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m , i no r d e rt o i n t e g r a t et h em e c h a n i c sa n de l e c t r o n i c s ，t h ea d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e dt ot h ea u t o m o t i v es t e e r i n gr o db a l lj o i n tt e s tb e n c h t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i ct e s to ft h el o a da n dt h et o r q u ei sb o t ht h em a i nt e s ts u b j e c ti nt h i s e x p e r i m e n t a lb e n c h i no r d e rt oa c h i e v et ot h ec o n f l r m a t i o na n dt h ea p p r a i s a lg o a lo f t h ep e r f o r m a n c ea n dt h ec h a r a c t e ro ft h ea u t o m o t i v es t e e r i n gr o db a l lj o i n t ，i to b t a i n s t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea c c o r d i n gt ot h et o r q u ep a r a m e t e r , t h e r e f o r e ， h a r d w a r es y s t e mp l a t f o r ma n dt h es o f t w a r es y s t e mp l a t f o r ma r eb u i l tt oa c h i e v et o t h i st a r g e t i nt h eh a r d w a r es y s t e m ，i th a sc o n c e r n e da b o u tt h ec h o o s eo fs e n s o r ，d e s i g n e d s i g n a lp r o c e s s i n ge l e c t r i cc i r c u i ta n dt h ed a t aa c q u i s i t i o ne l e c t r i cc i r c u i to ft h es e n s o r , r e a l i z e dt h ed y n a m i cg a t h e r i n go ft h el o a da n dt h ed r i v i n gm o m e n t ，a sw e l la st a k e n t h ee s s e n t i a la n t i i n t e r f e r e n c em e a s u r e st og u a r a n t e et h ea c c u r a c ya n dt h er e l i a b i l i t y o ft h et e s td a t a i tu s e st h es e r i a lc o m m u n i c a t i o nt oc o m p l e t et h ed a t ae x c h a n g e b e t w e e nt h em o n o l i t h i ci n t e g r a t e dc i r c u i ta n dc o m p u t e ra n df i n a l l yr e a l i z e st h e c o m p u t e rs u r v e ya n dt h ec o n t r o lt ot h et e s tb e n c hp a r a m e t e r i nt h es o f t w a r es y s t e m ， i td i v i d e dt h es o f t w a r es y s t e mi n t os e v e r a lm a i nm o d u l e sa c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a n dt y p ew h i c ht h es y s t e ms o f t w a r ew i l lr e a l i z e ，t h e ns o l v e dt h ei m p l e m e n to fb o t t o m i n p u ta n do u t p u tp o r t s d a t ao p e r a t ei nt h ee n v i r o n m e n to fw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m 1 i 武汉理工大学硕士学位论文 i ts o l v e ds e v e r a lk e yq u e s t i o n ss u c ha sd a t ag a t h e r i n g ，a n a l y s i sa n d p r o c e s s i n g 笛w e l l 勰t h es e r i a lc o m m t m i c a t i o nb e t w e e nt h ec o m p u t e ra n dt h es i n g l e - c h i pc o m p u t e rw i t h t h em u l t i - t h r e a d t e c h n o l o g y f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e ms o f t w a r ed e s i g n c o n c e p ta n df l o wh a sb e e ne l a b o r a t e d af r i e n d l yi n t e r f a c ea n dm u l t i f u n c t i o n a l a p p l i c a t i o np r o g r a mh a sb e e nd e v e l o p e db yv b 6 0 w i t ht h eh e l po ft h i ss y s t e mf o r t h eo n l i n ee x p e r i m e n t , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l th a sb e e na n a l y z e df i n a l l y t h i ss y s t e m r e a l i z e dt h ec o m p u t e ra u t o m a t i cm o n i t o ro ft h eo b s e r v i n ga n dc o n t r o l l i n gp r o c e s sa n d e n h a n c e dt h ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo fo b s e r v a t i o ne f f e c t i v e l y t h ef i e l dt e s tr e s u ro fd r i v i n gm o m e n t 。sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fa u t o m o t i v e s t e e r i n gr o db a l lj o i n tt e s ts h o w e dt h a tt h ed e v e l o p e dc o m p u t e ro b s e r v a t i o ns y s t e mo f a u t o m o t i v es t e e r i n gr o db a l lj o i n tt e s tb e n c hc a nm e e tt h en e e dw i t l le x p e r i m e n t a l r e q u e s ta n dp r o v e dt h a ti d e aa n dm e t h o da lef e a s i b l ei nt h ed e s i g no fa u t o m o t i v e s t e e r i n gr o db a l lj o i n tt e s tb e n c h t h i ss y s t e mi m p r o v e da u t o m a t i ca n di n t e l l i g e n t l e v e l i tr e n o v a t e de x p e r i m e n t a lc o n t e n t sa n de x p e r i m e n tm e t h o d s ，a n dp r o v i d e ds o m e f e a s i b l e w a y sa n dr e f e r e n c e s f o rt h e e x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s u p d a t i n ga n d r e b u i l d i n g k e y w o r d s ：a u t o m o t i v es t e e r i n gr o d ，s i n g l e - c h i pc o m p u t e r ，v b 6 0 ，d a t a a c q u i s i t i o n ， s e r i a lc o m m u n i c a t i o n i 独创性声明 本入声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名彳逖导师签名：弛期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车转向拉杆球接头试验台测控系统概述 汽车转向拉杆球接头试验台是一个专门为检测、改进球接头性能而设计的 试验台，试验台集多门学科内容于一体，所涉及的范围包括自动控制、微型计 算机、测试技术、数字信号处理、单片机原理、可靠性等。汽车转向拉杆球接 头试验台测控系统是利用计算机建立一套数据采集和数字控制系统，与试验台 连接起来，由计算机对各试验参数，如压力、转矩等参数进行数据采集、量化 和处理并输出测试结果。在试验过程中，计算机还可根据数字反馈或人工输入 要求，对测试过程进行控制，达到计算机密切跟踪和控制试验台及试件状态的 目的，从而高速、高精度完成对汽车前拉杆球接头的性能测试。 1 2 国内外汽车转向拉杆球接头的研究现状 汽车发展到今天，各种配置不断完善，唯有汽车零部件中重要的“保命件” 球接头的安全性能滞后，存在诸多缺陷，非人为事故中绝大部分是由于汽车球 接头不安全引起，由此而造成的损失巨大。 国外对球接头的研究和开发起步较早，采用的技术也较国内先进，随着高 级轿车的发展、对球接头的要求越来越高，国外不断改进球接头的加工方法， 融合了机械制造、液压、微机控制与检测技术等。国内对球接头的研究制造相 对落后，汽车拉杆转向球接头的合格率较低，大量的不合格产品充斥市场，其 主要缺陷包括【l 】： ( 1 ) 选用材质不当，无表面硬化措施。为了使转向拉杆球接头总成达到足够 的耐磨性和使用寿命，球座与球接头应选用规定的材质和表面硬化工艺，硬化 层深度、硬度和金相组织要达到相应要求。不合格产品表面硬度与标准相差甚 远，耐磨性差，使用寿命低。 ( 2 ) 产品结构不合理，装配质量差。例如，摆动角度达不到设计要求，销孔 加工位置不当等。 不合格产品的耐磨性差，磨损快，使用寿命低。如没有相应的检测设备对 武汉理工大学硕士学位论文 其进行质量检验，将极大影响汽车的性能： ( 1 ) 加大了汽车转向操作机构的反向间隙。转向盘必须空转一定角度才能消 除此间隙，所以造成转向盘自由行程加大，操作灵敏性降低。 ( 2 ) 改变了转向机构的前束性。汽车的前轮略向里收束的，用来补偿前轮引 起侧滑。球销松旷，改变了原车的前束性，将引起转向沉重，前轮摆振，对汽 车的油耗、轮胎磨损有较大影响。 ( 3 ) 过渡表面处理不当，将引起应力集中，可能突然折断球接头杆，使汽车 方向失控。 1 3 计算机测控系统的特点和发展趋势 计算机测控技术是- - 1 7 综合性技术，他是计算机技术( 包括硬件技术、软 件技术、通信技术以及网络技术) 、自动控制技术、自动检测和传感器技术的综 合应用。总的来说，计算机测控技术包括计算机测量和计算机控制两个方面。 计算机测量是指利用传感器装置将被测控对象中的物理参量( 如温度、压 力、流量、液位、速度) 转换为电量( 如电流、电压) ，再将这些代表实际物理 参量的电量送入输入装置中转换为可以被计算机识别的数字量，并以数字或图 形的方式显示出来，从而使得工作人员能够直观、迅速地了解被测对象的变化 过程。除此之外，计算机还可以将采集到数据存储起来，随时进行分析、统计 和显示并制作各种报表。 计算机控制是指由计算机中的应用软件和程序根据采集到的物理参量的大 小和变化情况以及按照工艺所要求的物理量的设定值进行判断，然后在输出装 置中输出相应的电信号，并且推动执行装置( 如调节阀、电动机) 动作，从而完成 相应的控制任务。 1 3 1 计算机测控系统的组成 计算机测控系统可简单地分为硬件和软件两部分【2 1 ，典型的计算机测控系统 结构如图1 1 所示。系统中包括：测控对象、输入环节、输出环节、计算机( 含 可视化人机界面) 、计算机外设等几个部分。输入环节包括：测量变换装置、a d 、 d i ( 数字量输入) ；输出环节包括：d a 、d o ( 数字量输出) 、功率放大器及执 行装置。被测控对象是一个物理装置或一个物理过程，了解及记录其运行状态 2 武汉理工大学硕士学位论文 并使被测控对象按照预先设定的规律运动是设计计算机测控系统的目的。测量 变换装置将系统的运行及状态变换为满足a d 、d i 所需的信号范围及形式，此 环节包括传感器和信号调理电路。输入环节中的a d 、d i 将该信号变换为计算 机中实际运行的数字类型信号。输出环节中的d a 、d o 将计算机中运行的数字 类型信号变换为对象或过程所需的模拟类型信号、开关量信号及脉冲频率量信 号，送到功率放大器及执行装置环节。执行装置将这些控制信号转化为作用于 被控对象的控制作用量，从而影响被测控对象的工作状态及其过程，功率放大 器的存在是为了使计算机输出模块送出的弱电信号能够推动相应的执行机构。 测控系统中的核心部分为计算机，它负责信号的存储与处理、控制指令的形成、 控制信号的输入输出操作等任务。 - j 涮暑存墒拈罾i- j 埔托i 吾墙 苗措f - 1 硼里x 伏霰且l - 1 侧m 里捌7 迥堪l 应用软件 被 执行装置 一 模拟量输出通道 开发软件 人机接口 测 控 系统软件 对 象 测量变换装置 开关量输入通道 卜+ 通信接口 硬件 执行装置 h 开关量输出通道 图1 1 计算机测控系统典型结构 1 3 2 计算机测控系统的特点 在计算机测控系统中，计算机代替了传统控制设备，对系统进行调节和控 制，由于计算机具有采集、传送、存储、处理大量数据的能力，控制过程进入 了以计算机为主要控制设备的自动控制阶段。计算机系统与模拟硬件构成的系 统相比较，具有以下特点： ( 1 ) 程序控制任何一种控制规律的实现都可以程序化，而控制规律的改变只 不过是程序的改变而已； ( 2 ) 数字控制计算机的输入输出信息都是数字信息，计算机控制系统是对被 武汉理工大学硕士学位论文 控对象的信息进行采样、量化、保持等变换； ( 3 ) 实时控制计算机的信息处理过程要与控制过程相适应； ( 4 ) 综合控制可以以计算机为中心实现多变量、多回路、多对象、多工具、 变参数和自适应的综合控制。 1 3 3 计算机测控系统的发展趋势 计算机测控系统的发展经历了五个阶段：数据采集测控系统d a s ( d a t a a c q u i s i t i o ns y s t e i ：n ) 、直接数字测控d d c 系统( d i r e c td i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ) 、 监督测控系统s c c ( s u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e m ) 、集散型测控系统d c s ( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ) 和现场总线测控系统f c s ( f i e l db u sc o n t r o ls y s t e m ) 。其中d c s 是融d d c 系统及整个工厂的生产管理为一体的高级控制系统，该系统克服了其 它控制系统中存在的危险集中问题，具有较高的可靠性和实用性。但是，为了 进一步适合现场的需要，d c s 也在不断更新换代，近年来，集计算机、通信、 控制三种技术为一体的第5 代控制体系结构，即现场总线控制系统，成为国内 外计算机过程控制系统一个重要的发展方向。 近年来，分布计算技术、网络技术与微电子技术的长足发展为测控系统向 分布式、网络化和以计算机作为平台的方向拓展提供了良好的条件，也为测控 领域中m c 3 ( i 贝! j 量、通信、控制、计算机) 技术的应用提供了技术基础。m c 3 是 工业自动化的一种全新的设计方法，其核心思想是以信息处理技术为核心，以 网络技术为基础，以实现测控仪表智能化为手段，形成多级分布式智能测控系 统，通过将测控系统数字化、智能化任务分布于多级测控系统的各级上，形成 集测量、通信、控制与处理于一身的低成本、高精度、高效率、高可靠性及可 管理的，具有自由扩展与升级能力的工业自动化系统。从该系统的提出到现在 不足5 年的时间内，国际电子电器工程师学会己形成了i e e l 4 5 1 标准系列，成 为测控系统领域的关键技术。 随着控制的对象逐渐向非线性、时变和随机、模糊的方向发展，在微处理 器和计算机技术、人工智能中关于知识的表达与推理技术以及专家系统的设计 与建造方面进展的推动下，智能测控系统的研究和应用展现出广阔的前景。在 美国、日本及欧洲等先进的工业国家，智能型的计算机测控系统已开始应用于 工业生产中，并取得了非常好的效果。因此，采用一体化智能控制的计算机测 控系统将逐渐成为今后测控领域的主流。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本课题研究的目的和意义 随着我国汽车工业的不断发展，对一些汽车部件的装配工艺要求越来越严格， 这就要求生产厂家采用新技术、新工艺来生产出合格的产品。转向拉杆接头总 成包括球头销、球座及球座内的支承弹簧、非金属球碗、球后盖板等，是汽车 上的一个重要部件，其强度和可靠性直接关系到汽车行驶安全及整车性能。因 此，转向拉杆球头销应具有足够的强度、刚度、可靠性、耐磨性和使用寿命， 以避免因零件损坏而造成严重的交通事故。由于转向拉杆球头销的质量从外观 上不易鉴别，只有使用仪器设备才能检测其内在质量，因此汽车拉杆出厂之前 必须模拟实际情况进行疲劳试验、检测和控制。 我国已于1 9 8 8 年实施专业标准z bt 2 3 0 0 0 6 8 7 汽车转向拉杆接头总成台 架试验方法，于1 9 9 9 年实施q ct3 0 4 1 9 9 9 汽车转向拉杆接头总成台架试验 方法，该方法的实施为检测转向汽车拉杆的试验的设计提供了依据。该试验台 测控系统的设计就是在满足国家专业标准的基础之上，模拟转向拉杆接头总成 在汽车运行当中实际的状态，对球头销的实际受力和载荷进行动态模拟，并对 其数据进行实时检测、监控和处理，判断拉杆失效的临界点，从而完成汽车转 向拉杆的检测，从最大程度上保证拉杆的安全可靠。 1 5 本课题研究方法及主要内容 依据厂方的要求，按照专业标准q ct3 0 4 1 9 9 9 汽车转向拉杆接头总成台 架试验方法，设计出汽车拉杆球接头试验台，在了解实际生产过程的基础上确 定该设备受力较大的部位，并对该部位进行初始强度检验。同时采用现场的工 业控制机与主控室微机二级计算机进行测控，其中工业控制机完成数据采集， 系统控制等工作，主控室微机则实现数据管理、测试、远程命令发送等功能， 并对相关部位做疲劳分析以使我们的产品满足使用寿命的要求。本文的研究内 容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 试验台概述及系统总体设计 为了模拟汽车拉杆接头总成的真实运动，我们设计了汽车转向拉杆球接头 试验台，试验平台是一个系统，主要包括试验台架、加载系统和测控系统三个 部分，本课题主要研究对象是试验台的测控系统，包括数据的检测、采集、分 5 武汉理工大学硕士学位论文 析、反馈、控制几个部分。 ( 2 ) n 控系统硬件设计 首先给出测试系统硬件结构以及数据采集传感器的安装固定，接下来是各 种信号的采集原理及实现方法。采集到信号后需要对其进行调理以满足单片机 的要求。对于测试系统，实验数据在采集和传输过程中不可避免地要受到各种 各样的干扰，必然会影响数据分析的准确性和可靠性，需要对干扰产生的机理 进行分析并给出相应的抗干扰措施。 ( 3 ) 测控系统软件设计 首先需要选择合适的软件开发平台，由于测试系统软件要实现的功能很多， 需要根据实现功能的种类，将软件系统进行模块划分。此外需要解决w i n d o w s 环境下对底层输入输出端口的数据操作，用多线程技术实现数据的采集、分析 与处理以及实现计算机与单片机间串行通讯等几个关键问题。 ( 4 ) 试验结果与分析 在系统软硬件开发完成后，进行汽车栏杆球接头旋转力矩动态特性试验及 结果分析以判断系统开发得是否成功。 ( 5 ) 结论与展望 对全文工作做出总结，并对进一步的工作提出设想。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章试验台概述及测控系统总体设计 汽车转向拉杆球接头试验台测控系统是一个大的系统，主要包括试验台架、 加载系统和测控系统三个部分，本课题主要研究对象是试验台的测控系统，包 括数据的检测、采集、存储、分析、控制几个部分。下面对汽车转向拉杆球接 头试验台架的机械整体、测量参数、测量原理、加载系统及测控系统进行简单 说明。 2 1 试验台的机械结构模型 为了方便对汽车转向拉杆球接头进行测量控制，我们设计了汽车转向拉杆 球接头试验台。该试验台不但安全、可靠以及有足够的强度和刚度，还具有结 构简单、拆装方便、自动化程度高、通用性强等特点，能够正确地模拟汽车转 向拉杆球球接头的实际运动及加载情况。 2 1 1 试验台测量参数的确定 汽车机械式转向系统”蜘图2 - 1 所示： l 转向盘；2 安全转向轴；3 转向节：4 转向轮：5 转向节臂：6 转向横拉杆；7 转向减震器；8 机械转向器 图2 - 1 汽车机械式转向系统 武汉理工大学硕士学位论文 驾驶员对转向盘l 施加的转向力矩通过转向轴2 输入转向器8 ，从转向盘到 传动轴这一系列零件即属于转向操纵机构。作为减速传动装置的转向器中有1 、 2 级减速副( 上图所示转向系统中的转向器为单级减速传动副) 。经转向器放大 后的力矩和减速后的运动转到转向横拉杆6 ，再传给固定于转向节3 上的转向节 臂5 ，使转向节和它所支撑的转向轮偏转，从而改变汽车的行驶方向。这里，6 即为转向横拉杆。 由图可以看出，转向横拉杆球接头有3 个运动参数： ( 1 ) 摆动力矩t 1 ，球销以一定的频率，在接头总成的对称平面或设计指定平 面内作连续摆动时的最大力矩( n m ) 。 ( 2 ) 旋转力矩t 2 ，球销轴线与接头球座孔轴线重合，球销绕轴线匀速旋转时 的最大力矩( n m ) 。 ( 3 ) 最大轴向位移量6 ，球销轴线与接头球座孔轴线重合，沿该轴线对球销施 加压力，使总成内部除弹性零件外的其他零件均不发生变形时，球销的最大位 移量c r a m ) 。 2 1 2 试件结构及实验条件 汽车转向拉杆球接头总成主要由球头销、球头销座、防尘罩、拉杆组成， 球头销座内包括支撑弹簧和后盖板等【4 1 ，如图2 2 所示。 旋转角度v 1 1 球头销座；2 左接头座合成；3 防尘罩；4 球头销 图2 2 球接头总成受力及运动示意图 球头销轴线与接头球座孔轴线重合，沿该轴线对球头销施加压力，士p 为模 8 武汉理工大学硕士学位论文 拟转向时转向器齿条推( 拉) 转向轮转向时产生的力。士v 为球头销绕轴线匀速 旋转时的力矩，模拟转向时转向梯形角变化产生的回转运动。球头销以一定的 频率，在接头总成对称平面或设计指定平面内做连续摆动，摆动角士s 为模拟车 轮上下跳动产生的运动。 转向拉杆球接头总成的试验条件为：在常温下，球头销在其轴线与接头座 组成的平面内以1 2 0 次m i n 摆动，摆动角度士s 为+ 2 0 0 ，次数为1 0 6 次；球头销 绕其轴线旋转角度为4 - 2 0 0 ，频率1 2 次m i l l ：球头销的工作载荷士p 为3 7 k n ，频 率为1 2 次m i n 。 2 1 3 机械结构及原理 试验台的功能就是要真实地模拟汽车转向拉杆接头总成工作时的运动情 况，即一个旋转运动、一个摆动以及给试件加的一个大小、频率可变化的载荷。 1 加载驱动及传动系统；2 被试拉杆；3 球头销；4 摆动驱动及传动系统： 5 固定座；6 回转驱动；7 四杆传动机构；8 摆架 图2 3 试验台总体结构 9 武汉理工大学硕士学位论文 试验台的总体结构简图如图2 3 所示。该机构部分主要功能是模拟产品在汽 车上的运动及受力情况，原理如下p j ： 图中件2 为被试拉杆，将其与加载驱动的传动机构连在一起，球头销座通 过固定座5 固定，试件2 即装完毕。加载驱动机构1 输出力，该力通过系统1 中传动机构传给试件2 ，摆动机构4 通过摆动驱动及其传动机构推动回转驱动6 、 传动机构7 、摆架8 及球头销3 摆动。调节回转驱动可以改变摆动频率，载荷大 小可通过加载驱动及传动机构调节。 为了减少摆架摆动时的不平衡量，在摆架上设有配重架，使摆架能近似地 达到平衡要求。 图中件3 为被试球头销，其球头销座已被固定座5 固定于台面，球头销主 轴与摇杆( 回转臂) 固定，通过连杆机构与回转驱动6 相连。回转运动驱动如 下：驱动马达6 驱动回转机构7 转动，通过回转机构7 推动球头销作回转运动。 通过调节回转驱动6 的转速，可以改变回转频率，调节回转机构7 改变回转角 度。 2 2 试验台加载系统的分析 加载系统是汽车拉杆总成试验台的重要组成部分之一，机械传动中加载的 方法很多，有机械式加载、液压加载、气动加载、电加载等，本试验台选择电 加载，采用微型蜗杆减速机与无极变速机组合型，试验时通过调节变速机改变 负载的转速、摆速和功率，通过四杆机构调节转动和摆动频率，从而测量加载 力达到加载试验时的条件，这种加载的方式需要人工参与，而本课题的目的是 实现试验台的计算机测控。 2 3 试验台的测控系统设计方案 汽车在运动时会出现纵摆、横摆、上下震动的运动姿态，三种运动过程中 的速度和加速度是不断变化的，为此，汽车在转向的同时不可避免地受到这些 因素的影响。由于本课题中的球接头试验台是用来模仿汽车在路面的行驶状态， 这就要求汽车转向拉杆球接头总成试验台测控系统不但要进行速度、加速度测 量控制，而且要进行姿态位置测量控制，以满足需要。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 目前，多自由度并联机构主要有两种测控方法，各有各的优缺点。一种是 集中控制方式，它是采用一台微型计算机实现全部测控的方式；另一种方式是 分散控制方式，它采用几个微型机来分担并联机构的测控功能。集中测控需要 微型计算机具有较高的运算速度，因为它要完成对每个装置的测控与显示结果。 由于汽车转向拉杆球接头总成试验台系统各个测量参数存在相互关联，球头销 的失效也是各个运动的综合作用所致，本测控系统需要对试验台进行快速响应 控制，而且试验台要有一定的运动精度，这就需要微型计算机要进行大量的运 算，这要靠微型计算机的高运算速度来保证，该种控制方式对计算机的运行速 度要求较高，不过在控制软件编制方面有利于研发阶段的控制系统调整控制参 数、控制策略，有很大的灵活性。分散控制方式，体现出一种分散控制的思想。 在该方式下，各分系统各自独立完成一个驱动装置的控制，同时通过系统的综 合管理，将各子系统的优势得以最大发挥。而且在这种控制方式下，各子系统 的运算量不算太大，对子系统的微型计算机的运算速度要求不高。该种控制方 式适合用于具有成熟测控系统的控制对象，有利于产品的批量生产。由于本测 控系统主要用于试件在模拟环境下，希望其具有灵活方便的参数更改控制环境， 所以选择计算机集中控制方式1 6 j 。 经过以上对汽车转向拉杆球接头试验台测量原理及控制系统的分析，结合 实验室现有的条件，参照计算机直接数字控制系统和集散型控制系统的设计思 想，改进的试验台采用计算机和单片机组成的两级测控系统。整个系统的设计 方案如图2 4 所示。单片机负责实验台的控制和数据采集，通过r s 2 3 2 c 串行 通信与计算机通信，实现计算机集散控制和数据传送。安装在加载系统的压力 传感器，检测加载系统的作用力，传感器的输出经过信号处理、由a d 转换器 变成数字量传送到单片机的数据口。转矩传感器检测摆动和旋转力矩信号经信 号处理后送到单片机的数据口。单片机通过r s 2 3 2 c 串行通信与计算机进行数 据交换，单片机向计算机传送现场数据，计算机向单片机发送参数设定和控制 命令。计算机不直接参加控制，主要完成参数设定、加载和转矩显示、效率曲 线绘制、数据处理存储等功能。整个系统的详细设计将由下文给出。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 图2 4 试验台测控系统总体设计 本章从整体上阐述了汽车拉杆球接头总成的工作原理，分析了加载、摆动 力矩和旋转力矩是汽车拉杆球接头试验台的三个重要的测试类项目，从而对它 们的这些基本性能和特性有一个清楚的认识，为后面的工作打下了理论基础， 最后给出了试验台测控系统的总体设计方案。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章测控系统硬件设计 3 1 汽车转向拉杆球接头试验台系统构成 试验台主要由主体实验台架( 球头试验机) 、控制电器柜和计算机组成，主 体试验台架主要包括汽车拉杆接头总成试验台、驱动电机、各种采集数据的传 感器等，控制电器柜包括电源开关、电器线路、单片机数据采集系统等。汽车 转向拉杆球接头试验台整体结构如图3 1 所示。 控制电器柜 图3 - 1 球接头试验台整体结构示意图 控制连接线 3 1 1 主体试验台架的整体构成 汽车转向拉杆球接头试验台的设计目的是模拟汽车拉杆球接头在汽车行驶 过程中的受力磨损情况。该试验台不但安全、可靠以及有足够的强度和刚度， 还具有结构简单、拆装方便、自动化程度高、通用性强等特点，能够正确地模 拟汽车转向拉杆球接头的实际运动及加载情况。试验平台的主体试验台架由座 武汉理 + 大学硕士学位论文 架、加载驱动电机和传动系统、摆动驱动电机和传动系统、转动驱动电机和传 动系统、汽车转向拉杆球接头总成试验件、各种采集数据的传感器组成。两端 由不变形的轴承和轴承座支承，采用这种结构设计，能够减小其他因素对汽车 转向拉杆接头总成试验的影响，设计简单，测量准确。汽车转向拉杆接头总成 试验平台如图3 - 2 所示。 图3 - 2 主体实验台架的整体构成 3 12 测控系统硬件组成 本课题研究的汽车拉杆球接头试验台测控系统主要由硬件和软件两部分构 成，本章主要介绍硬件电路的设计。硬件电路主要以单片机为主控制器，由传 感器、信号处理电路、数据采集电路、通信及接口电路组成。单片机是整个测 试的核心，它负责对整个测试流程的控制，采集数据的分析、显示、以及通讯 武汉理工大学硕士学位论文 等功能。所以单片机的运算任务很重，其性能对整个测试系统非常关键。 在实现汽车拉杆接头总成试验台测试系统时，需要选择合适的传感器，这 些传感器要能真实、快速地反映一个动态运行的被测物理量的各项特征，以实 现某些参数和过程的动静态检测。本系统中所要测试的物理量是压力和扭矩等 非电物理量。在这些物理量的测量中通常是通过某些物理效应，将非电量转换 成电量，然后，再进行放大、转换、显示、记录或控制被测对象状态的获取， 一般都离不开传感器和敏感器件，这是因为被测对象的状态参数往往是一种非 电物理量，而计算机只是一个能识别和处理电信号的数字系统。因此，利用传 感器将非电物理量转换成电信号才能完成测量和控制任务r 7 1 。 选择传感器的总的原则是：在满足对传感器所有技术要求情况下，成本低 廉，工作可靠和容易维修，即所谓性能价格比要大。其中在选择传感器时，最 重要的是要满足其功能要求。我们从传感器的性能指标综合考虑选择了满足本 测试系统要求的压力传感器和扭矩传感器。 工业生产过程特性的物理参数大部分是模拟信号，而计算机采用的信号是 数字信号，因此在整个测控过程中要采用a d 和d a 转换，以实现两种信号之 间的互相转换。计算机测控系统的硬件组成主要是由主机、外部设备、过程输 入输出设备、人机接1 ：3 设备和通信设备等组成。主机由中央处理器( c p u ) 和存储 器( r a m ，r o m ) 组成的主机是控制系统的核心。主机根据过程输入设备送来的 实时反映生产过程工作状态的各种信息，以及预定的测量控制算法，自动地进 行信息处理和运算，及时地选定相应的测量控制策略，并立即通过过程输出设 备向生产过程发送控制命令。在存储器中预先存入了实现信号输入、运算控制 和命令输出的程序，这些程序反映了对生产过程进行控制的控制规律。系统被 启动后，c u p 就从内存储器种族条取出指令并执行，从而达到预定的控制目的。 外部设备常用的外部设备可按功能分为三类：输入设备、输出设备和外存储 器。常用的输入设备是键盘终端，用来输入程序、数据和操作命令。常用的输 出设备是显示器和打印机等，它们以字符、曲线、表格和图形等形式来反映生 产过程的工作状况和控制信息。现在外部存储器有软盘、u 盘和移动硬盘，其中 移动硬盘具有较大的存储空间，用来存放程序和数据，作为内存储器的后背存 储设备。计算机与生产过程之间的信息传递是通过过程输入输出设备进行的， 它在两者之间起到纽带和桥梁的作用。输入设备包括模拟量输入通道( a d ) 和开 关量输入通道( d d ，分别用来输入模拟量信号( 如温度、压力、流量、行程等) 和 武汉理工大学硕士学位论文 开关量信号或数字信号。输出设备包括模拟量输出通道( d a ) 和开关量输出通道 ( d o ) ，分别用来输出模拟量信号和开关量信号或数字信号。人机接口设备人与 计算机之间的信息交换是通过人机接口设备进行的。例如，显示器和键盘，专 用的操作限时面板或操作显示台等。其作用一是显示生产过程的状况，二是供 生产操作人员操作，三是显示操作结果。通信设备现代化工业生产过程的规模 越来越大，对生产过程的控制和管理也很复杂，往往需要几台或几十台计算机 才能分级完成控制和管理任务，这样，在不同地理位置、不同功能的计算机之 间或设备之间就需要通过通信设各进行信息交换。为此，有时候需要把多台计 算机或设备连接起来，构成计算机通信网络。 3 1 3 测控系统硬件实现 经过以上对汽车拉杆球接头试验台测量原理及硬件系统的分析，结合实验 室现有的条件，参照计算机直接数字控制系统和集散型控制系统的设计思想， 设计的汽车拉杆球接头试验台采用计算机和单片机组成的两级测控系统。整个 系统的设计方案如图3 3 所示。单片机负责试验台的数据采集，通过r s 2 3 2 串 行通信与计算机通信，实现计算机集散控制和数据传送。压力传感器和扭矩传 感器分别安装在被测元件上，分别测量球接头试验加载的作用力和球接头做摆 动和旋转运动时的扭矩大小，传感器的输出经过信号处理、多路选择m u x 后， 由a d 转换器变成数字量传送到单片机的数据口，单片机通