（控制理论与控制工程专业论文）基于组态软件离合器总成试验台监控系统设计.pdf

中文摘要 8 8 2 6 7 1 汽车离合器是汽车传动系统中的主要部件之一，离合器工作状况的好坏 直接影响到汽车整体性能，对离合器的检测至关重要。研究丌发自动化程度较 高的此类试验设备，对于提高产品质量，促进国内汽车零部件工业的发展具 有重要意义。 该离合器总成参数测试系统是一台集机、电、液、计算机于一体的高性 能半自动测试台，其主要功能是连续采集多路传感器信号、动态显示测试过 程、高速保存测试数据、实时回放磁盘数据、多组数据对比分析等。该测试 系统还具有后台打印功能，能根据测试者的需要将测试结果打印出来。为了 满足本系统所包含的丰富的测控功能，设计了以工控机为核心的微机控制系 统，详细介绍了该系统硬件和软件的结构和工作原理。硬件设计方面，研制 了单独的测试操作平台，并设计了液压伺服控制系统，使整个系统具有了稳 定的可控性，响应动作的快速性，较大可变的驱动力等优点，更符合市场的 需求和发展。本系统控制软件的开发所采用的组态王软件已经成为现代设计 复杂测试系统和测试仪器的主要方法和手段，同一般的编程语言相比，使用 更加简捷方便，开发过程更加简单，大大缩短了开发周期。 该测试系统在开发完成后进行了多次的验证试验，并根据试验结果和设 计要求对其作了进一+ 步的改进和完善。试验证明，该测试系统具有测试精度 高、抗干扰能力强、性能稳定、人机界面交互友好等优点。已达到了仪器产 品的要求。 关键词：试验台工控机离合器总成自动控制组态王软件 a b s t r a c t a u t o m o b i l ec l u t c hi so n co ft h em a j o rp a r t si nm ea u t o m o b i l eg e a r i n gs y s t e m ， 也ep e r f b m a n c eo fm et r a n s i i l i s s i o nh a sad i r e c t i r l f l u e n c eo nt h eo v e r a l l p e r f o m a n c eo ft h ea u t o m o b i l e ni si n l p o r t a n tt ot e s ta u t o m o b i l e 打a n s i i l i s s i o n d e v c l 叩m e mo fs u c hm a c l l i n ew i l lp r o m o t e 廿1 ec l u t c hq u a l i 印a i l dg i v ei m p e t i l s t on a t i o n a la u 把m o b i l ei n d u s t 珥 t 1 1 i ss y s t e mi sal l i 曲一a b i l 蚵s e m i a u t o m a t i ct e s tm a c h i n ei n c l u d i n gm a c h i n e ， e l e c 扛i c i 峨f l l l i d “v ea n dc o m p u t e re t c n sm a i n l yf u n c t i o n si sc o n t i n u o u sd a t a a c q u i s m o n ，s h o wt e s t i n gc u r v ei nr e a lt i m e ，1 1 i g hs p e e dd a t as a v e ，d a 诅r e s h o w 蛐d 捌y s i s ，m u l t i c u r v ec o m p a r ee t c t h et e s t i n gs y s t e ma l s oh a sm ea b i l i 够t o p r i n tt e s t i n gr e s u 】t si fy o un e e d 血e m i no r d e rt om e e tm en e e d so f 也ef u n c t i o n s i n c l u d e di nt 1 1 i s s y s t e m ，ac o m p m e rc o m m ls y s t e mb a s e do ni p c ( i n d u s 打i a i p e r s o n a lc o m p m e r ) i sa d o p t e d ，w h o s es t r l l c t u r e a n d 、v o r k i n gp r i n c i p l e a r e d e s c r i b e di nd e t a i l s i nt h ea s p e c to nd e s i 孕1 i i l gh a r d w a r co fm es y s t e m ，w e d e v c l o pa s o l et e s t i n g - n a t 锄dh y d 洲i cc o n 订o ls y s t 锄t h eh y d r a l l l i cs y s t e mh a s l o t so f m e r i t ss u c ha s 也es t a b l ec o n t r 0 1p e r f b m a n c e ，t l l em p i d r c s p o n s et os p e e d ， h i 曲a l t e r a b l ed r i v ef o r c ee t c s oi tf i t sf l o rt h en e c e s s a r ya 1 1 dd e v e l o p m e n to ft h e m a r k e t a tm ea s p e c to fs o f t w a r e ，w ea d o p tv i r h l a li n s 蛐e n to ft h em a r k e t a t t 1 1 e 骶p e c to fs o f h a r e ，w ea d o p tv 讯u a li n s t r l 皿e n ta n dn o w ，砥n g v i e ws o f t w a r e h a sa h a d yb e c o m eam a i l l l ym e t h o d sa n d 枷f i c et od e v e i o pc o m p l e xt e s t i l l g s y s t e ma 1 1 di n s t r u l i n e n t s ，i t s 孕印h i ci n s 协m l e n tc o m p a r i n g 、i t h 也ec o m m o n p m g 珊nl a n g u a g e ，鼬n g e wi sm o r ec o n v e i l i e ma n ds i i n p l e r ， h a v i n gf “s h e dt h et e s t i n gs y s t e m ，w eh a v eh a da1 0 to fe x p e f i m e n t sb yi t a c c o r d i n g t ot h er e s l l l t sa 1 1 d d e s i 弘r e q l l i r e m e n t ，、v eh a v ed o n eal o to f i m p m v e m e n t s0 nt b es y s 协n t h er e s u 】t so f 也ee x p e r i m e n t ss h o w6 1 1 rs y s t e mh a s p l e n t yo fm 鲥t s ，s u c ha sl l i g h p r e c i s i o n ，s t a b l ep e r f o m l a c e ，s 旬n ga m i - d i s t l l r b a b i l i 哆a n t i 衔e n d l yi n t e r f a c e i th a sm c tt h ci n 蛐m m e n tp r o d u c tr e q u i r en o w k e ) w o r d s ：t e s tp l a 仃。丌n 口cc l u t c ha s s e m b l ya u t o c o n 仃0 1k i n g e ws o 触眦 i i 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 离合器总成惯性试验台的研制课题是应山东五征集团农用车有限公司 的要求而提出的。此公司是一家国内知名的农用车生产基地，其产品以经久 耐用而闻名。由于公司规模的扩大及对产品质量的进一步提高，要求在原有 的离合器试验台的基础上研制出改进型的新设备。由于离合器总成惯性试验 是离合器性能试验的重要内容，试验对试验设备的测试精度，自动化程度及 可靠性均有较高要求。本项目于2 0 0 5 年3 月立项2 0 0 6 年1 月通过专家鉴定 验收，并且受到了一致好评。作者作为该项目监测系统的主研人员参加了从 设计方案到调试验收的全部过程。与设备较旧的试验台相比，该试验台无论 在机械性能，控制性能，测量范围，测量精度，使用寿命及安全性等方面都 有进一步的提高。 1 2 课题研究的意义十， 离合器是汽车传动系的重要部件，它用来切断和实现对传动系的动力传 递。通过它与发动机相连接，以保证：在起步时将发动机与传动系统平顺地 结合，使汽车能平稳起步；在换档时将发动机与传动系迅速彻底分离，减少 变速器中齿轮之间的冲击，便于换档：在运转中汽车受到过大的载荷冲击时， 能依靠离合器打滑保护整个传动系统，防止零件因超载而损坏。因而，其性 能的优劣对于增加汽车传动系的负载能力、汽车的寿命，增强起步和换档的 平稳性、以及减轻驾驶员的劳动强度等各方面都有着极其重要的关系。 现代汽车发动机功率的加大，行驶速度的提高，对离合器的工作条件与 技术要求日趋严格，要求离合器应具有更高的传递性能和使用可靠性，基本 有要求如下： 1 能可靠地传递发动机的最大扭矩。 2 接合时要平顺、柔和，使汽车起步时没有抖动和冲击。 3 分离时要迅速彻底。 4 离合器从动部分的转动惯量要小，以减轻汽车起步和换档时变速器 齿轮、轮齿间的冲击，方便换档。 5 离合器的工作性能应保持稳定，这就要求作用在摩擦片上的总压力 要不因摩擦表面的磨损而变化，或者变化较小。 6 操纵轻便，要求使用寿命长等等。 汽车离合器静摩擦性能检验可获得扭矩一压力特性曲线。曲线图能反映 离合器总成压力与扭矩之间的关系，从中能得到离合器性能的重要参数。试 验表明，这些参数对离合器的整体寿命起着至关重要的作用。因此，要全面 准确评估离合器的性能，需要准确检测出这些参数。 国外先进工业国家的汽车产业大都相当发达和成熟，一个非常重要的原 因是拥有相当丰富和成熟的产品检测和试验手段。我国的汽车工业从无到 有，发展相当迅速，促进了汽车零部件性能试验技术及设备的发展。许多大 中型生产厂家都具备了一定的对重要零部件进行各项性能试验的能力。但总 体而言，在这方面我们与国外先进水平相比，还是有一定的差距的。单就离 合器总成而言目前国内许多离合器生产厂家对离合器总成惯性试验尚处初 期阶段，只能完成简单的分合运动和粗略地记录运行时阳j ，设备简单。许多 试验参数无法调整检测和控制，自动化程度也很低。通过本课题的研究，能 够比较准确地综合评估离合器的寿命，可以增强国内研制类似的汽车零部件 试验设备的能力，推动国内试验研究技术及设备的发展。 当今世界先进工业国家正处于由“工业经济”模式向“信息经济”模式 转变的时期，其中技术进步因素起着极为重要的作用，它在经济增长中占7 0 至8 0 。以高新技术为核心，以信息电子化为手段，提高工业产品附加值， 这己经成为现代工业企业自动化的重要发展目标。从我国经济发展史来看， 其工业经济增长主要是依靠投入大量资金和劳动力来实现的，尚未充分发挥 技术进步在工业经济增长中的“二次效益倍增器”的作用。如何加快发展电 子信息技术，调整产业结构，适应世界经济发展需求，是当前我国工业企业 自动化界研究的重要课题之一。因此，通过本课题的研究可以提高国内机电 一体化设备普及程度，促进国内机械制造水平的提高。 1 3 课题研究的内容 根据离合器总成惯性试验的要求以及用户对试验台的操作使用和规格 性能等方面的要求，归纳出本课题应完成的主要研究内容如下。 计算机监测系统的含义是指：具有数据采集、监测、控制功能的计算机 系统，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象( 生产过程) 共同构成的 整体。在这个系统中，计算机直接参与被控对象的检测、监督、控制。 根据试验特点，采用工业组态软件实现离合器总成惯性试验台的计算机 监测与管理，完成对工业现场的实时监制。试验台的主要功能如下： 1 离合器总成惯性试验数据采集 利用各种传感器测得压力、扭矩、位移等参数，并进行a d 转换后传到 上位机。 2 选择合适的监控软件进行数据检测 结合山东五征集团有限公司离合器总成惯性试验台的实际情况，选择对 此系统进行实时检测的监控软件组态王，并在w i n d o w s 2 0 0 0 系统下编制 离合器总成惯性试验系统的监控软件。 3 实现运行趋势的分析报告 利用监控软件对历史数据及当前数据进行分析，做出历史曲线，总结规 律。 4 报警功能 利用监控软件对系统出现紧急情况进行实时报警。 第2 章离合器总成惯性试验台概述 2 1 汽车离合器总成的概念书， 离合器的工作原理图如图21 所示。 l 飞轮2 从蓟盘& 碧鬣t 匿蛙莽簧5 。从动辅也从动盘鞍 图2 1 摩擦离台器_ i ：= 作原理图 摩擦离合器是应用得最广也是历史最久的一娄离合器，它基本上是由主 动部分、从动部分、压紧机构和操纵机构四部分组成。主、从动部分和压紧 机构是保证离合器处于接台状态并能传动动力的基本结构，而离合器的操纵 机构主要是使离合器分离的装置。 发动机飞轮是离合器的主动件，带有摩拣片的从动盘和从动毂借滑动花 键与从动轴( 即变速器的主动轴) 相连。压紧弹簧则将从动盘压紧在飞轮端 面r 。发动机转矩即靠飞轮与从动瘴接触面之间的摩擦作用而传到从动盘 上，再由此经过从动轴和传动系中一系列部什传给驱动轮。压紧弹簧的压紧 力越大，则离台器所能传递的转矩也越大。 由于汽车在行驶过程巾，需经常保持动力传递，而中断传动只是暂时的 由丁汽车在行驶过程中，需经常保持动力传递，而中断传动只是暂时的 需要，因此汽车离合器的主动部分和从动部分是经常处于接合状态的。摩擦 副采用弹簧压紧装置即是为了适应这一要求。当希望离合器分离时，只要踩 下离合器操纵机构中的踏板，套在从动盘毂的环槽中的拨叉便推动从动盘克 服压紧弹簧的压力向松开的方向移动，而与飞轮分离，摩擦力消失，从而中 断了动力的传递。 当需要重新恢复动力传递时，为使汽车速度和发动机转速变化比较平 稳，应该适当控制离合器踏板回升的速度，使从动盘在压紧弹簧压力作用下， 向接合的方向移动与飞轮恢复接触。二者接触面间的压力逐渐增加，相应的 摩擦力矩也逐渐增加。当飞轮和从动盘接合还不紧密，二者之间摩擦力矩比 较小时，二者可以不同步旋转，即离合器处于打滑状态。随着飞轮和从动盘接 合紧密程度的逐步增大，二者转速也渐趋相等。直到离合器完全接合而停止 打滑时，汽车速度方能与发动机转速成正比。 摩擦离合器所能传出的最大转矩取决于摩擦面间的最大静摩擦力矩，而 后者又由摩擦面间最大压紧力和摩擦面面积及性质决定。故对于一定结构的 离合器来说，静摩擦力矩是一个定值，输入转矩一达到此值，离合器就会打 滑，因而限制了传动系所受转矩，防止超载。 2 2 离合器总成试验台系统的组成州屯s ， 本系统测试平台主要由测试试验台和液压伺服系统两大部分组成。工作 时，各构件之间协调工作来完成我们既定的测试功能。图2 2 所示为试验台 的组成情况，简述如下。 l 试验结果描述、存储和显示| l 信号采集、数据处理和分析1 1 审固审 j 驱动或攀励源e + 1 二亘萎三圣二 王 荫点三程磊l ： 图2 2 试验台系统组成框图 1 试验环境 常见的环境条件有温度、湿度、电场磁场等，有些情况下也对振动、冲 击等环境条件提出专门的试验要求。温度、湿度、电场、磁场等试验环境可 用带自动控制系统的专门试验设备来实现，如温度自动调节系统等，而振动 冲击等环境试验则要在专门试验台上进行。 2 驱动系统 零部件的性能试验往往是在运行的情况下进行的，这时需要可调节的驱 动系统。目前较常使用的驱动装置有直流或交流调速电动机驱动装置等。 3 加载系统 被试件的加载方式有多种，如定幅加载、周期变幅加载、程序控制载荷 谱随机加载等。方式不同，加载系统复杂程度也不同、为适应不同的试验载 荷，加载系统要求对受控参量可调。加载手段有机械、液压、电磁等多种， 而动力的提供大多以电力为基础。在离合器总成参数测试系统中，采用液压 伺服系统作为其加载部分的动力执行元件。它具有友好的可控性和较大的驱 动力，响应速度快，控制精度高，并能达到较好的稳定性。 4 参数测量系统 在试验过程中，要使用各种传感器和数据记录、采集设备，以获得被测 对象在运行中的各种参数，经过处理后得到反映其性能的各项指标。对于不 同的试验和参数，所要求的测量精确度各不相同，因此对试验用的传感器必 须进行精确度等级的标定，以确保试验结果的精确性。测试仪器还应定期检 定。为确保试验中采集到的数据的精确度和减少噪声干扰，通常要根据试验 要求进行各种处理和变换，以得到可靠的最终检测结果。 5 设备控制系统 在产品试验中通常要对被试对象的驱动、加载、运行过程以及信号适调、 处理、显示等进行各种控制，以确保测量及试验过程的正确进行和数据的准 确采集。离台器总成试验台的具体构成还将在后面分别加以论述。 2 3 离合器总成试验台概述 2 3 1 试验台功能概述 汽车离合器总成惯性试验台是用于测试离合器在结合状态下的静摩擦转 矩、起步和热衰退、离合器总成耐久性等性能的试验设备。该设备能由程序 控制，可根据预先设定的循环次数及电机速度来控制离合器的往复运动。当 达到设定的循环次数后，试验台自动停机，并打印出测试报告。在试验过程 中可动态检测扭矩载荷，还可以根据扭矩变化自动识别弹簧是否发生断裂， 若发生，自动停机。离合器试验是模拟实际工况下进行测试的，所得出的试 验数据对研究离合器的性能及寿命具有重要意义。 离合器总成试验台的结构设计包括零件的装卸夹紧部分，力矩的施加， 传动方式以及各种机械保护装置等。试验台台架结构示意图如图2 3 ： 图2 3 离合器试验台台架结构示意图 根据试验台的要求，整个系统可分为三大功能： 1 参数调整功能 参数调节功能包括输入产品参数( 如产品型号，理论正反向最大扭矩 等) 、运行参数( 如扭转频率及寿命次数等) 以及对扭矩传感器进行标定。 2 手动调整功能 手动调整功能用于根据离合器总成惯性试验设定的扭矩进行试件的安装 调整。为此，操作面板上特别设计了手动按钮。试件安装夹紧后，按动按钮， 电机将运行若干转，其后在显示屏幕上自动显示当前正向和反向的安装扭矩 值。操作者可根据当前扭矩值调整试件的摆角及扭摆零位。 3 自动测试功能 自动测试时，除离合器总成的安装夹紧和卸下外，其余过程均能按要求 自动完成，并记录和显示当前扭矩值、压力值和累计循环次数等，还可以给 出运转期间的扭矩趋势状况。对所测的各项目可打印成测试报告。具有多种 过载保护功能及试验结束后自动关断设备电源的功能。 自动测试功能和手动调整功能主要由操作面板上各种按钮操作控制，而 参数调整功能需要输入数据，采用键盘予以实现。另外除了三大功能外还在 其功能下面实现了某些子功能，如扭矩标定等。 2 3 2 离合器总成惯性试验台的试验方法 根据离合器总成的工作原理和国内汽车行业标准，本离合器总成惯性试 验方法分为两步，具体如下： 1 - 离台器静摩擦转矩的测定 首先测量离合器的压紧力；被试离合器处于接合状态，固定主、从动轴 的任何一端，在另一端连接杠杆缓慢加载至打滑；测量记录离合器的静摩擦 转矩的变化，连续测量五次。用测得的参数计算摩擦系数和转矩储备系数。 2 离合器总成耐久性试验 测量摩擦片的厚度值，测量离合器在工作状态下的压紧力；试样处于分 离状态，启动试验台达到试验转速，开始计接合次数；试验过程中分组接合 计数，每组计数结束，测量试件相关参数，以一定的标准和规则判定试件耐 久寿命合格与否。图2 4 所示为试验装置参考简图。 垒潞一 1 _ 主动轴转速传感器2 电机3 飞轮4 试样5 转矩传感器 6 从动轴转速传感器7 惯性飞轮组8 柱塞泵 图2 4 试验装置参考简图 试验步骤如下： 1 离合器静摩擦转矩的测定 测量离合器的压紧力； 将试样装在试验台上，按规定进行调试、磨合； 被试离合器处于接合状态，固定主、从动轴的任何一端，在另一端联 接杠杆缓慢加载至打滑，测量记录离合器静摩擦转矩的变化，连续测量五次。 2 离合器总成耐久性试验 测量摩擦片厚度值，测量离合器在工作状态下的压紧力，将离合器总 成装在试验台上并按规定进行调整，使分离杠杆端头在同一平面上： 试样处于分离状态，启动试验台，达到试验转速，开始计接合次数； 试验总次数一定，试验从开始到结束分为5 0 组，每组5 0 0 次接合， 在每组接合结束后，测量每次接合的滑磨功e p 及时间t ，静摩擦转 矩，起步转矩，摩擦表面温度。如所测量参数有较大变化时，应停机 检查； 试验过程中可以通过调整接合次数，及通过离合器壳上的通孔进行强 制降温； 试验结束后，拆下试样，检查零件有无损伤，必要时可用放大镜观察， 然后测量离合器在工作状态的压紧力，测量摩擦片中径处平均摩擦 量、压盘平均摩擦量和分离杠杆端头摩擦量。 2 3 3 离合器总成惯性试验台的主要性能参数 根据离合器总成惯性试验的要求以及用户对试验台的操作使用和规格 性能等方面的要求，下面归纳出试验台系统的功能及性能等指标。 1 测试项目 汽车离合器总成惯性试验循环加载次数及加载扭矩、离合器压紧力、主 动轴转速、从动轴转速和分离行程等。 2 试验台功能要求 能方便地根据离合器总成惯性试验设定的扭矩进行零件的安装调整。 测量过程，除离合器总成的安装夹紧和最后卸下被测试件外，其余过 程均能按要求自动完成，并记录和显示当前扭矩和累计循环次数以及试验的 起、停时间( 年、月、日、时、分) 。 试验台具有过载保护功能及故障报警功能。 试验结束后，可自动停机并自动切断主机电源。 3 试验台主要性能参数 施加扭转载荷范围2 0 0 0 n m ； 电机转速测量范围o 1 5 0 0 r m i n ： 离合器接合频率4 5 次m i n ( 连续可调) ： 变频电机输入功率1 8 5 k w ； 离合器总成直径范围1 6 0 3 8 0 m m ； 试验次数2 5 万次( 可任意设定) ； 接合测量误差 输入电压 工作环境温度 工作环境相对湿度 田 甜”2 5 广。逛生口型】_ 婴 l 、开，停g m l 图4 2s b 4 0 1 8 5 接线图 4 2 液压比例控制加载系统耶s ， 4 2 1 电液比例控制技术 电液比例控制技术广泛应用于工业控制，从而实现了设备控制的自动 化。采用电液比例控制技术，不仅能完成诸如压力控制、位移和速度控制并 能承受高频率的载荷冲击，而且控制精度高、响应速度快、体积小，可实现 连续信号控制和脉冲信号控制。同时充分发挥了比例控制系统的优点：对外 界环境的低敏感性，无须精细的滤油装置，固有的稳定性能，较小的滞环， 更重要的是其使用较为经济，特别适用于离合器试验台的应用。在本课题中， 控制的对象为柱塞泵控制活塞的位移和速度，从而控制液压泵排量来控制压 力油作用力。 电液比例控制是指按电信号调制液压参数，是一种理想的液压系统与电 子系统的结合，可用于开环和闭环控制系统中，以实现对各种运动进行快速、 稳定和精确的控制。电液控制的核心是比例阀，电子放大器根据输入信号调 整供给比例电磁铁的电流，电磁铁将此电流转换为作用于滑阀芯锥阀上的 力，从而实现比例阀的功能要求。 4 2 2 电液比椤i 控制原理 1 开环控制系统 开环控制系统适用于在两个不等同的液压参数之间提供一个平滑渐进 的变换控制过程。此时被控对象的运动过程须靠连续手动控制和测量。 开环控制系统适用于控制精度不高的场合，且易受到环境的干扰，例如 温度变化、液压油粘度变化、以及物体运动产生的惯性作用等均对开环装置 的控制产生影响。 2 闭环控制系统 闭环控制系统中，被控液压参数的变化是通过传感器的反馈信号而连续 检测的。因此闭环控制系统不易受环境干扰，系统测试精度较高。如图4 3 所示，传感器向电子放大器传送电信号，放大器( 模拟比例积分微分调节插 板或数字中枢控制插板件) 接收此反馈信号，并将反馈信号与输入电信号进 行比较，这两个信号的差值作用于p i d ，改变送给比例阀的指令信号，比例 阀自动控制调整量，消除差值，以实现被控对象进行连续不断地测试与控制。 1 执行机构2 油缸3 比例阀4 动力单元 图4 3 闭环控制原理图 4 2 3 加载控制系统设计 1 工作原理 、 7 ，8 l 、0 | 1 、油缸2 、过滤器3 ，溢流阀4 、单向阀 5 、三位四通阀6 、活塞缸7 、节流阀8 、二位二通阀 9 、压力表1 0 、压力表开关1 1 、液压泵1 2 、电机 图4 4 液压控制系统结构图 电液比例速度系统是由液压能源装置和电液比例闭环控制系统构成的。 液压能源装置用来向电液比例速度系统提供具有一定压力和流量的液 压油，以满足液压执行机构的要求。为了保证电液比例速度系统的工作可靠， 性能稳定，那么就要求液压能源装置提供给比例阀的液压油工作压力的脉动 峰值要小，液压执行机构油缸的速度要足够快，液压油的清洁度要高， 液压油的工作温度应控制在比例阀允许的范围内。 液压能源装置主要由油箱、粗滤油器、油泵、电机、精滤油器、溢流阀、 冷却器、单向阀和液压附件等组成，详见图4 2 。液压油经滤油器进入叶片 泵，通过溢流阀按工作需要调整压力后，分别进入比例换向阀，再由比例换 向阀控制流量大小及换向阀控制方向来驱动轴向柱塞泵控制活塞动作，从而 完成轴向柱塞泵的加载工作。 2 闭环控制系统 试验台的电液比例速度系统是一个完善的闭环控制系统见图4 5 。它主 要由三部分组成：由比例放大器和比例阀的力矩马达组成的控制部分，由比 例阀和油缸组成的液压执行机构，由压力传感器组成的测试反馈系统。该系 统由微机控制系统发出相应的指令信号，通过d a 转换，由比例放大器驱动 电液比例阀，使其输出相应的流量，再驱动控制活塞实现压力的控制。通过 压力传感器的反馈，由p i d 对信号自动调节、修正。 图4 5 闭环控制系统框图 采用比例阀液压控制方式可以按输入的电信号来进行流量和位移控制， 控制范围大，精度高，并可以远距离连续按比例控制试验轴承所需载荷的大 小和位移的大小。 3 比例电液控制器 本试验采用v t 一2 0 0 b s 4 0 g 型电液比例控制器，其通常用于v a e 变量叶片 泵，a 7 v 、a 2 v 轴向柱塞泵、a 6 v 轴向柱塞马达及d b e 系列先导式比例溢流阀， d b e 系列先导式比例压力阀的控制。主要技术参数如下： 电源：直流2 “( 2 2 v 一3 5 v ) 功率： 3 0 w 负载电阻：1 8 2 5 q 先导电流：1 0 0 i i l a 颤振额率：2 0 0 1 0 0 h z 最大输出电流：8 0 0 a 控制电源：9 v 1 环境温度：o 4 0 温度漂移：o 5 ( 最大电流值的) 4 3 离合器动作控制原理 汽车动力传动系统换档时，离合器的接合分为三个阶段：空行程阶段、 滑磨阶段、无滑磨阶段。 在空行程阶段，离合器不传递转矩，此阶段内不管离合器的接合速度如 何都不会在传动系中引起冲击，也不会增加滑磨功，因此应以最快的速度结 束空行程阶段，以减少换档时间。 在滑磨阶段，主从动片产生滑磨，开始产生转矩而且转矩将随着离合器 行程的加大而增加，直到克服最大的滚动阻力，使车辆开始运动，在此阶段 内离合器的接合情况将对整个控制系统产生非常重要的影响。 到同步接合阶段，滑磨已经停止，转矩不再增长，离合器的接合对换档 已无任何影响，应尽快结束。 该部分采用液压控制方式，由计算机给出开关信号，启动油泵电机，打 开加压电磁阀，压力油推动动力油缸给试验离合器施加压紧力，离合器接合； 压紧力达到定值，保持一段时间，启动卸压电磁阀，压力油回流，离合器分 离。动力缸在压力油的推动下形成的作用力和产生的位移，分别由力传感器 和位移传感器的信号送入计算机，计算机对位移、压紧力实现实时显示。此 外，在离合器接合阶段，扭矩传感器测得离合器静摩擦转矩，主从动轴的转 速均通过a d 转换模块传到计算机上显示记录。 采用液压控制离合器分离方式可以分为手动控制和自动控制两种。按照 测试的离合器的性能参数标准以及厂方的操作要求，特地研制了一套实时监 控软件，它能够对系统进行实时监测、显示和记录，对数据进行分析处理和 对控制参数进行现场修改，实质上是实现同控制系统的人机对话。 4 4 离合器试验台的检测系统设计引岬m ：s ， 4 4 1 试验台的测试参数 试验台主要的测量参数是：输入模拟信号包括加载扭矩值、离合器压紧 力、柱塞泵压力和主电机转速等；输出模拟信号包括比例控制器设定值：输 入开关信号包括接近开关信号；输出开关信号包括多段速指令、离合器合开 关、离合器关开关、油泵开关、主电机开关等信号；输入脉冲信号包括离合器 位移等。另外，轴向柱塞泵的油压也需要测量，以便于及时对所加试件的负载 进行调节。 4 4 2 扭矩测试原理 在离合器总成扭转过程中，由于弹簧和摩擦片的作用而产生扭矩，这个 扭矩不易直接测量，而测试主轴连接驱动源和试件，因此可以通过测量主轴 所受扭矩间接测量试件所受扭矩。实际上，本项目设备的主轴作为扭转轴弹 性元件与粘贴在其表面的电阻应变片一起组成电阻应变式扭矩传感器对试 件所受扭矩进行测量。电阻应变式扭矩传感器主要由扭转轴弹性元件、电阻 应变片和测量电路等组成。 扭转轴弹性元件的作用是感受扭矩，并将扭矩的变化转换成应变的变 化。电阻应变片是传感器中的敏感元件，能将弹性元件的应变变化转换成电 阻变化。由于电阻变化不易直接测量，因此需要采用测量电路将应变片电阻 变化转换为电压或电流的变化，常用的传感器测量电路是电桥电路。在电桥 供电电压稳定时，电桥电压输出与扭转轴所受扭矩线性变化，通过这种线性 关系，就可以将非电量扭矩转化为电压量进行测量。采用全桥电路可减小非 线性误差，且可起到温度补偿作用。 本试验的扭矩测量采用中国航天科技集团公司第7 0 l 研究所的h x 一9 0 系 列扭矩信号电子耦合器以及与之结合使用的旋转轴参数显示仪。将带电子耦 合器的传感器安装在输出花键轴上，靠近轴向柱塞泵。电子耦合器主要测试 离合器静摩擦转矩和从动轴转速。由电子耦合器测出的扭矩经扭矩传感器将 非电量信号( 扭矩) 转换成电量信号，送入计算机处理，并经旋转轴参数显 示仪显示。下面简要介绍旋转轴参数显示仪。 1 用途及特点： 本仪器与h ) ( 一9 0 系列扭矩传感器结合使用可以有效地解决转矩、转速、 功率等各参数的测试。它具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长等优点。 它与h x 一9 0 系列扭矩传感器配合可广泛用于电动机、风机、泵、减速器、 卷扬机、钻探机械等设备的负载转矩及输入功率的检测。 本参数显示仪器在设计时，采用信号输入通道实行电平检测和信号输入 通道与主控部分使用光电耦合实行电气隔离，同时使用看门狗技术以及软件 部分采用数字滤波技术，以提高系统的抗干扰能力。 2 主要参数指标： 测量范围：o 1 0 0 0 0 n m 精度：扭矩0 5 转速精度：3 0 个脉冲转，无累积误差 电源电压： a c 2 2 0 v 2 0 4 4 3 压紧力测试原理 由于计算机能够进行非线性校正，因此选择传感器时，主要根据精度选 择传感器，而把传感器的线性度要求放在次位，同时考虑传感器在动态性能 上的工作频率是否满足要求。本系统压力传感器用来测量动力缸施加给离合 器总成的压力。本系统采用的是p t s 型，精度2 ，量程4 0 m p a 应变电阻 式压力传感器，它根据电阻丝的阻值随几何尺寸变化的原理制成的。油的压 力作用在膜片上，膜片变形而推压感侧薄壁圆筒，在筒壁上沿轴线方向上贴 着一个应变片，沿圆周方向贴一同阻值的应变片。当受压时，轴向压缩、横 向膨胀，因而使轴向上的应变片阻值降低，横向上的阻值增加。这样既提高 了电桥的灵敏度，又实现了温度补偿。 在离合器总成试验中，打开压紧电磁阀，离合器接合并压紧，压紧力逐 步增大，这个压力由压力传感器测得。 本试验的压力测试采用中国航天科技集团公司第7 0 1 研究所的b k 一1 型传 感器配合t s 一5 h 智能测试仪来完成。t s 一5 h 智能测试仪的性能参数简述如 f ： 1 用途 t s 一5 h 智能测试仪，运用单片微处理机技术，采用高精度数据采集转换 器，抗干扰能力强。因此本仪表适合用于高可靠性的工业测控场合。 本仪表可直接配接各种电阻应变传感器使用，表内提供高稳定度直流 1 2 v 或2 4 v 激励电源，用户接通2 2 0 v 电源，即可形成个完整的应变应力 测量装置，可精确的测量显示力、重量、压力、力矩、倾角、位移和应变等 多种物理量。峰值保持功能可实时测量并保持显示正向或负向最大值，直到 功能解除。 2 主要技术指标 安装形式：本仪表为面板表，可方便地安装在仪表盘上。 开口尺寸( 脚) ： 1 5 1 ”7 5 1 。 报警形式：上、下限双点报警，报警点位置可在1 5 0 量程内任意 设定，用发光二极管指示。 输入信号及显示：输入为0 1 0 a 、4 2 0 m a 、1 5 v 、o 5 v 信号等。显 示为o 9 9 9 9 ，小数点位置可调，可因测量对象选择显示单位。 精度等级： 0 1 。 工作环境：电源为交流2 2 0 v 1 0 5 0 h z ，功耗为1 0 w 。温度为5 5 0 ，湿度为0 9 0 r h ，无腐蚀性气体场合。 表内提供传感器用1 2 v 或2 4 v 直流电源。 外形尺寸( m m ) ：1 6 0 8 0 1 8 0 。 重量：约1 0 公斤。 4 4 4 转速测试原理 在离合器总成试验中，需要测试主从动轴的转速，采用h x 一9 0 1 ( 5 0 0 0 n m ) 扭矩信号电子耦合器接结合专用测速传感器及其测试码盘，即可转速信号。 l 转速测量方法采用光电式传感器进行非接触性测量。信号处理电路分为 两部分： 耦电路它是产生测速脉冲的电路，采用槽式光电耦合器，射极输出。 电路如图4 6 所示。 整形电路由光耦产生的测速脉冲，还不能被单片机所识别，需要整形放 大。本装置采用c d 4 0 9 3 施密特触发器整形放大( 见图4 6 ) 。 图4 6 光耦电路 测速装置安装方法为：测速码盘安装在电机轴上，u 型光耦放在测速码盘旁 边。如图4 7 所示。 虹外笈 测建码撤 图4 7 光电测速电路安装 2 转速计算方法检测在一个脉冲周期内单片机的定时器计数器t 1 的计数 值m 1 ，单片机的时钟周期为2 us ，测速码盘每转发出6 0 个脉冲，则电机 转速为以下所示： 6 05 0 0 0 0 0 n = _ ：一= 一 m 1 2 l o 一6 x 6 0m 1 4 4 5 位移测量原理 离合器分离行程的测量，选用的是4 y y d c 一3 0 l 型位移传感器，该传感器 属于差动变压式，具有位移测量范围宽，灵敏度高，线性度好，性能稳定可 靠等特点。当传感器活动处于中位时，由于左右两边气隙、磁阻磁通位置各 相等，所以二次线圈中感应电动势e 2 1 = e 2 2 ，电压u = 0 ，当活动磁铁偏离中 位时，两边气隙不相等，两线圈互感m 发生变化，e 2 l e 2 2 ，便有电压输出， 其大小和相位决定于磁铁移动量的大小和方向，w y d c 型位移传感器将传感 器、振荡器和解调器、滤波器集为一体，只要外供直流稳压电源即可工作， 其输出电压的大小与活动铁心的位移成正比。该传感器满量程为3 0 i i l ，输出 o 5 v 标准信号。 第5 章试验台测控系统的硬件设计 微机在试验台测控系统中担负着实时数据检测和实时控制的双重任务。 一方面要实时采集试验过程各种数据以及试验台的各种输入信息：另一方面 要对所采集数据进行及时处理，并对试验台各外部设备进行适时控制。试验 台采用工业控制计算机( i p c ) 作为硬件平台，其优点是可靠性高，抗干扰能 力强，易于系统集成和维护升级。 5 1 系统硬件配置m ， 图5 1 商合器试验台潞控系统硬件电路图 试验台测控系统硬件配置可分为微机系统和外部设备及其接口两大部 分。图4 1 ，是试验台的系统硬件电路图，可分为五部分：微机系统、检测 系统、变频驱动装置、操作面板、强电柜。 微机系统由工业微机( i p c ) 及通用i 0 设备构成。试验台采用研华工控机 ( i p c ) 作为微机基本系统，其无源母板结构、全钢外壳、空气过滤系统、冷 却系统、减振装置、抑制电涌装置等等使其更适合于工业现场环境。微机系 统基本外设包括显示器、键盘、外存、打印机等，微机基本外设将完成试验 台大部分人机接口任务，另外试验台操作面板也将完成人机接口的输入功 能。我们所选用的打印机为s a n s u n 9 1 5 1 0 系列激光打印机，其通用性好，体 积较小、打印质量较高。 测控系统外部设备主要包括扭矩传感器及其放大器、霍尔传感器、变频 器、继电器以及操作面板上各种开关和按钮等，它们分别通过各种接口电路 板与工控机接口。 5 2 接口电路设计删 外部设备与微机之间的信息交换需要通过接口进行，接口的作用不仅在 于物理电路上的连接，也包括逻辑上的连接。在科技发展的今天，商品化的 各种接口板卡品种繁多，且功能性能多元化，满足机电设备的多样化需求， 使机电设备的接口设计工作大为简化，也使模块化组装设计思想成为时下流 行的方法。采用这种方法，设计者可以避免复杂费时的硬件电路设计调试， 只需按照信号特征和系统的性能要求选用合适的接口板卡，这样可以缩短系 统设计开发周期和成本，而商品化的板卡由专业厂家生产，其可靠性能对提 高系统整体性能也大有益处。 接口板卡的选择与信号种类有关。试验台所涉及的输入输出信号包括 模拟信号和开关信号，我们分别采用了a d 板和i 0 板来与微机接口相连。 5 2 1 模拟量输入接口 羹量鞠置 图5 2 扭矩测量电路构成框图 试验台采用电阻应变式扭矩传感器拾取扭矩信号，其电桥电路输出跟随 扭矩变化的电压信号。因此扭矩信号属于模拟信号，此外，压力传感器的输 出电压以及位移传感器输出的电压也属于模拟信号。模拟信号需经过一系列 处理，最后转换为数字信号才能与微机进行接口。 试验台模拟信号输入通道由传感器、前置放大器、低通滤波器以及a d 板等组成如图5 2 所示。由于传感器输出电压较弱，无法与a d 转换器的全 量程匹配，所以采用前置放大器将电信号放大，以充分利用a d 转换器的分 辨率提高测量精度。低通滤波器的作用是将混入输入通道的高频干扰信号滤 除，以提高信号质量。a d 板上则包含了上述除信号测量与处理装置外的其 它部件。 前置放大器由专业研究所定制，经实验其性能可靠。下面对所选用的 a d 板的校核和接线作叙述。 1 - 分辨率选择 a d 转换的分辨率直接影响测量精度。本课题的试验台所测量扭矩的为 量程2 0 0 0 牛米，分辨率为2 牛米，设a d 转换器为n 位，则应有 毫塑型掣 z 故选用1 2 位的a d 板较为合理。 2 采样频率的选择 a d 采样频率指每秒钟可完成的a d 转换次数。 设离合器试件在最大扭矩段的扭转刚度为k ( n m ) ，运动到最大扭矩 附近的转速为u ( s ) ，扭矩测量分辨率为6 ( n m ) ，a d 采样频率为f ，每次 扭矩采样需经过n 次平均，则应有 f 筮拦：睾：竺 j 试验台转速能达到5 0 0 次分，经过计算a d 采样频率f 应大于6 0 k h z ， 因此我们选了采样频率为1 0 0k h 的a d 卡p c l 8 1 8 h d 。 3 a d 转换输入方式的选择 a d 转换的信号输入有两种方式即单端输入和差分输入。如图5 3 所示， 单端输入方式每个通道使用一根信号线( 信号正极) ，参考电压均接入a d 板 的公共地。差分输入方式每个通道使用两根信号线，a d 转换器的输出为两 根信号线之间的电压差值。由于差分输入方式在信号进入a d 板后进行的是 差动放大，信号受外界干扰及放大器零漂等影响较小，其a d 转换的数据稳 定性及精度比单端输入方式好。考虑到本系统变频器的干扰及扭矩检测的精 度，因此宜采用具有差分输入方式的a d 接口卡。在差分输入方式中，根据 信号源端的接地与否，a d 板的公共地的连线又有所不同。由于本系统扭矩 信号源端采用“浮地”方式。因此只需将输入信号线的低端直接引入a d 板 的公共地端作为输入信号的参考点，如图5 3 ( b ) 所示。 e 单增输 图5 3 a 信号输入模式 5 2 2 开关信号输入输出接口 对于试验台测控系统各种开关信号的输入与输出，选用了p c l 7 2 5 数据 采集卡来完成接口工作。p c l 一7 2 5 是一款带隔离数字量输入输出半长卡该卡 提供了8 个机电式s p d t 继电器输出和8 个带光电隔离的数字量输入。该卡 板载的s p d t 继电器特别适用于设备开关控制和低电压电源开关工作。 p c l _ 7 2 5 的8 路数字量输入通道带有光电隔离，能在噪声环境或有漂移电 压的情况下正常工作，也是防止对地回路问题的最好解决方法。 每个继电器都带有一个红色的l