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轿车减震器示功特性与减震器性能研究蓝凤英 等 轿车减震器示功特性与减震器性能研究 R e s e a r cho nt h eD y n a m o m e t e rC h a r a ct e r is t cs a n dP e r f o r m a n ceo ft h eC a rS h o ckA b s o r b e r 篮凤乒1郑莹挪1李场1贾蒸铭1林缓活2障双仅2 广东工业大学信息工程学院1 广东广州5 1 0 0 0 6 广州市嘉特斯机电制造有限公司2 广东广州5 1 0 8 5 0 摘要 针对轿车减震器产品在生产线末端自动测试和性能自动判别方面的迫切需求 研究开发了基于微机控制的减震器衰减力测 试系统 系统通过在线分析评价示功特性曲线的饱满程度和特征来判断减震器性能的优劣 从而在生产装配线末端剔除不合格的减 震器 重点讨论了减震器示功特性曲线的自动评价判断方法和依赖于生产工艺过程的判据生成方式 并对生产现场试验数据进行分 析和识别 验证了评价判断算法的有效性和实时性 关键词 减震器控制接口示功曲线伺服电机数据采集P L C 中图分类号 T P 2 0 6 1文献标志码 A A b s t r a ct I na cco r d a n cew it ht h eu r g e n td e m a n d sf o ra u t o m a t ict e s ta n dp e r f o r m a n ced e t e r m in a t io na tt h ee n do fp r o d u ct io nl in eo fca rs h o ck a b s o r b e rp r o d u ct s t h ed a m p in gf o r cet e s ts y s t e mco n t r o l l e db ym icr o p r o ce s s o rf o rs h o cka b s o r b e rh a sb e e nr e s e a r ch e da n dd e v e l o p e d T h r o u g h a n a l y z in ga n de v a l u a t in gt h ef u l l n e s sl e v e la n dch a r a ct e r is t icscu r v eo fd y n a m o m e t e rO nl in e t h ep r o sa n dco n so ft h ep e r f o r m a n ceo ft h es h o ck a b s o r b e risd e t e r m in e d a n dt h eu n q u a l if ie dp r o d u ct scanb ee x cl u d e da tt h ee n do ft h ea s s e m b l yp r o d u ct io nl in e T h em e t h o do fa u t o m a t ic e v a l u a t io na n dd e t e r m in a t io no ft h ed y n a m o m e t e rcu r v e a n dt h ecr it e r io ng e n e r a t io nd e p e n d so nt h et e ch n o l o g ica lp r o ce s so fp r o d u ct io na r e d is cu s s e de m p h a t ica l l y t h ee x p e r im e n t a ld a t af r o mt h ep r o d u ct io ns it ea r ea n a l y z e da n did e n t if ie d t h ee f f e ct iv e n e s sa n dr e a lt im ep e r f o r m a n ce o ft h ee v a l u a t io na n dd e t e r m in a t io na l g o r it h ma r ev e r if ie d K e y w o r d s S h o cka b s o r b e r C o n t r o lin t e r f a ce D y n a m o m e t e rcu r v e S e r v om o t o rD a t aa cq u is it io nP L C 0 引言1 测试系统组成及工作原理 减震器作为轿车悬挂系统的重要组成部件之一 其性能的优劣将直接影响轿车运行的安全性和可靠 性 I 3 1 因此 在生产线装配过程中 必须对减震器进 行严格的在线测试 目前已有不同类型的减震器测试 系统应运而生H j 与传统机械式减震器测试系统相比 本文研究的减 震器衰减力测试系统采用伺服电机作为驱动源 在计算 机控制下 减震器的曲柄连杆机构由伺服电机驱动 直接 将电机由旋转运动转变为自下而上的直线往复运动 形 成简谐激励 在减震器作拉伸和压缩直线往复运动过程 中 采用合适的力传感器 实现减震器示功特性测试 根 据减震器示功特性曲线自动评价判断方法和判据以及系 统自动测试和绘制衰减力示功图 可以评价被测减震器 试件的性能品质 在生产装配线末端 实时剔除不合格 的减震器产品 以确保减震器产品的装配质量 修改稿收到日期 2 0 1 2 0 3 2 3 第一作者蓝凤英 1 9 8 7 一 女 现为广东工业大学信号与信息处理专 业在读硕士研究生 主要从事信号分析与处理方面的研究 自动化仪表 第3 4 卷第3 期2 0 1 3 年3 月 轿车示功特性测试系统对减震器衰减力进行在线 自动测试 通过分析比较示功特性曲线形状 判断减震 器是否存在缺陷 并在生产装配线末端及时剔除不合 格的减震器 从而在装配生产过程中保证减震器产品 的质量 1 1 测试系统组成 参考Q C T5 4 5 1 9 9 9 汽车筒式减震器台架试验 方法 标准 根据在线测试要求和标准 设计了轿车减 震器示功特性测试系统 其结构如图1 所示 图l系统结构图 F ig 1 S t r u ct u r eo ft h es y s t e m 轿车减震器示功特性测试系统以工控机为核心 由数据采集接口 伺服电机控制驱动接口以及基于 P L C 控制的气动夹具单元组成 通过实时检测和控制 系统 可实现轿车减震器示功特性的自动测试 5 9 轿车减震器示功特性与减震器性能研究蓝凤英 等 在测试系统中 工控机通过伺服电机控制接口向 伺服驱动器发送控制指令 进而控制伺服电机带动曲 柄连杆机构进行往复运动 将电机旋转运动转换为减 震器试件的直线往复运动 通过用户程序控制伺服驱 动器 即可按照测试要求调整减震器的试验运行速度 在运动过程中 衰减力的变化通过拉压力传感器转换 为电压信号 数据采集卡将电压模拟量转换为数字 量 并通过P C I 总线传输到微处理器处理 以获得减震 器的示功特性和速度特性 从而对减震器性能进行在 线评价 伺服电机每旋转一周 即由安装在连杆机构偏心 轮外缘的旋转编码器产生 个脉冲作为外触发信号 触发数据采集卡实时采集减震器试件在直线往复运动 中拉压力传感器输出的电压值 并经过A D 转换和标 度变换成为被测减震器的衰减力 工控机是测试系统的核心 用来控制系统以及进 行数据采集 分析和通信 并根据既定算法对被测减震 器示功特性进行实时检测 比较和判断 1 1 1 伺服电机控制接口 伺服电机控制接口是整个系统的重要环节之一 伺服电机控制接口连接图如图2 所示 M R I J 2 昏7 0 2 A U 瀚两 v w E C N P C 2 3 2 工控机 厂 H C N 2 l L 伺服驱动器伺服电机 图2 伺服电机控制接口 F ig 2 C o n t r o lin t e r f a ceo ft h es e r v o m o t o r 工控机通过C N P C 2 3 2 接口与伺服驱动器进行交 互 将相应的控制值传送给伺服驱动器 伺服驱动器驱 动伺服电机按工控机发送的指令运动 最终使减震器 以不同频率作拉伸和压缩往复运动 同时 通过 C N P C 2 3 2 接口将伺服驱动器的运行状态传送给工控 机 供用户程序测试判断伺服驱动器系统运行是否正 常 该衰减力测试系统使用三菱的伺服驱动器M R J 2 S 7 0 2 A 和伺服电机H C S F S7 0 2 7k W 1 1 2 数据采集接口 轿车减震器示功特性测试系统采用co n t e c公司的 A D l 6 1 6 P C I E V1 6 位高速多功能模拟 数字量数据 采集卡作为采集接口 单通道具有1 6M B 大容量板载 内部缓存 支持后台采样处理 不占用C P U 时问 本测试系统采用采集接口的单个模拟输入通道 采集输入电压范围为 1 0V 的拉压力传感器输出模拟 电压信号 轿车减震器示功特性测试系统采用V C 平 台设计用户系统软件 通过动态链接库驱动程序 对 A D l 6 1 6 P C I E V 数据采集接口进行底层驱动 从而 实现被测减震器示功特性拉压力模拟信号的实时采集 和处理 1 1 3 数字I O 接口 测试系统的控制核心工控机通过数字I O 接口与 外部设备进行数据交换 本测试系统使用P I O 3 2 3 2 L P C I 和P I O 3 2 3 2 T P C I 两个数字I O 板卡 其中 P I O 3 2 3 2 L P C I 高 电平 板卡与伺服驱动器连接 工控机通过该接口实 时接收伺服电机的运行状态数据 P I O 3 2 3 2 T P C I 低电平 板卡与转速表连接 工控机通过该接口实时 接收旋转编码器的脉冲信号 驱动转速表和触发数据 采集 并通过用户程序算法进行一系列转换 将脉冲信 号转换成减震器试件在测试运动过程中所行进的位 移 使测试系统衰减力和位移之间保持相对应的关系 1 2 测试系统工作原理 示功特性是评价减震器性能优劣的重要指标 它 表示减震器在拉伸和压缩两个行程中衰减力随位移变 化的特性 参考Q C T5 4 5 1 9 9 9 轿车筒式减震器台架试验 方法 标准 减震器示功特性测试系统进行测试和检 定的试验条件为 减震器在规定的行程和试验频率下 其中一端固定 另一端实现近似的简谐运动伸 其阻力 F 随位移 S 的变化关系为衰减力特性 其所构成的 曲线 p s 称为示功特性曲线 把位移 S 作为横坐 标 阻力 F 作为纵坐标 根据李沙育原理得到一个近 似椭圆 近似椭圆所包含的面积反映减震器在拉伸和 压缩两个行程中吸收外界震动的能力 9 根据测试系统工作机理和大量试验研究 性能良 好的减震器的示功特性曲线应该是平滑流畅的 其椭 圆曲线应该是饱满的 因此 可以根据示功特性曲线 是否平滑饱满 有无突变 突变部位及大小来判断减震 器的性能优劣哺J 2 测试系统软件设计 减震器示功特性测试系统主要包括数据采集 伺 服电机控制 数据分析和处理三大模块 示功特性测试 系统的用户应用软件程序主要围绕这三大模块进行相 应设计 测试系统软件结构如图3 所示 6 0 P R O C E S SA U T O M A T I O NI N S T R U M E N T A T I O NV o L3 4N o 3M a r ch2 0 1 3 轿车减震器示功特性与减震器性能研究蓝凤英 等 系统应用软件功能 数据采集ll 伺服电机控制ll 数据分析和处理 信号变换H 绘制示功图l 示功特性判断 数据存储 图3 测试系统软件结构图 F ig 3 S o f t w a r es t r u ct u r eo ft h et e s ts y s t e m 2 1 系统软件主要功能 示功特性测试系统的主要功能就是对装配线上的 待测减震器逐个进行在线测试 并根据测试结果 判断 减震器的质量优劣 将不合格的减震器剔除出生产线 测试系统三大模块的主要功能介绍如下 数据采集模块的主要功能是通过数据采集卡实 时采集测试过程中待测减震器在直线往复运动中承受 的拉压力信号 即拉压力传感器的输出电压信号 并 将它转化成相应的数字信号 最终通过数据总线将该 信号传送给工控机 伺服电机控制模块的主要功能是接受工控机发 出的命令 控制驱动伺服电机旋转 带动待测减震器进 行拉伸和压缩直线往复运动 形成测试系统所需的机 械运动激震源 并可根据用户要求 设置运动速度和测 试速度段数等参数 数据分析和处理模块的主要功能是对采集信号 进行预处理 示功特性绘制 基于所设计算法的示功特 性进行比较和判定 以及数据的存储等 对采集信号 进行的预处理包括将采集到的减震器衰减力进行数字 滤波 同时把来自旋转编码器的圆周脉冲信号转换成 直线位移S 以获取待测减震器示功特性曲线 F S 其中 横坐标为位移s 纵坐标为衰减力F 由测试系 统工作机理可知 待测减震器工作一周所吸收的震动 能量大小与示功曲线所包围的面积大小相对应 性能 良好的减震器 其示功图曲线应该丰满圆滑 没有空行 程 突变等现象 通过所设计算法和相应判据进行在 线分析比较 可以判断减震器性能的优劣 并实时显示 被测减震器的示功特性曲线和判断结果 减震器示功 特性正常 O K 或减震器示功特性不正常 N G 2 2 数据采集控制 减震器示功曲线是通过数据采集接口对减震器在 拉伸和压缩行程中衰减力和相应位移信号的实时采集 以及对数据分析处理而获得的 在此过程中 伺服电 机每旋转一周 安装在连杆机构偏心轮外缘的旋转编 码器产生J 7 r 个脉冲 数据采集卡由编码器脉冲实施 外触发 并同步采集拉压力传感器的输出电压信号 将 自动化仪表 第3 4 卷第3 期2 0 1 3 年3 月 其转化成衰减力 最后结合直线运动位移 绘制减震器 的衰减力 位移曲线 数据采集流程如图4 所示 图4 数据采集流程图 F ig 4 F l o w ch a r to fd a t aa cq u is it io n 2 3 伺服电机控制 伺服电机控制单元在减震器示功特性测试系统中 起着重要的作用 它由伺服驱动器驱动伺服电机 进 而控制待测减震器按照用户的设置运动并完成测试 伺服电机控制流程图如图5 所示 墅丝 j 一 参数设置 二正 伺服电机控制 二工二 曲柄连杆机构 减震器拉伸和压缩 二二二互二 数据采集 1 一 焉 高商 丫惦 r 雨 图5 伺服电机控制流程图 F ig 5 F l o w ch a r to fs e r v om o t o rco n t r o l 2 4 判据设计 测试完成后 获得被测减震器示功特性曲线 通过 分析和判断示功曲线 评价被测减震器的性能优劣 传统的对于系统减震器示功特性的判断主要依靠人工 判别 效率低 存在误判 即使有的测试系统采用了简 单自动判别 也只是判别拉伸复原阻力和压缩复原阻 力的峰值 而无法识别示功图的饱满度和光滑度 7 更 不能实现在线自动判断 本测试系统采用了区域衰减力判据方法 在减震 器拉伸和压缩的不同区域共设定 2 个判据 然后设定 判据的公差范围 这1 2 个判据表示在关键区域对应 位移处相应的衰减力 F 在比较判断减震器示功特 性测试结果时 当包括公差范围的1 2 个判断结果全部 落在示功曲线包含的椭圆内部时 表示该示功曲线是 正常的 曲线丰满圆滑 无空行程 突变等特征 则判断 该减震器合格 O K 如果1 2 个判断结果有任何一个 6 1 轿车减震器示功特性与减震器性能研究蓝凤英 等 落在示功曲线所包含的椭圆之外 则判定该示功曲线 异常 且曲线必然存在突变 空行程甚至畸形等特征 则判断该减震器不合格 N G 并同时向系统报警 显 然 选择1 2 个有效判据是算法确定后实施自动判断的 关键步骤 而有效判据的选择则依赖于减震器的机 种 装配生产线工艺管理水平 装配精度控制要求以及 判断区域的正确选择等 因此 必须根据行业标准和 用户装配生产线工艺过程以及精度控制要求 经过大 量的试验测试 才能获取有效判据 从而实现在线测试 和自动判断减震器的示功特性 自动鉴别和剔除不合 格的减震器 以提高减震器产品质量和生产效率 3 试验结果和分析 利用上述方法和已经实现的算法 对正常的和有 缺陷的减震器试件进行测试 得到减震器的示功曲线 并进行自动判断 以获得正确的判断结果 3 1 正常的示功特性曲线 测试系统对正常的减震器试件进行测试的条件为 直线运动速度为0 5 2m s 设定的公差范围为 5 0N 从 左往右依次设定1 2 个判据 左上角 5 3 0 0 1 5 5 0 0 2 5 7 0 0 右上角 7 5 7 0 0 8 5 5 0 0 9 5 3 0 0 左下角 5 2 0 0 1 5 一4 0 0 2 5 一5 1 0 右下角 7 5 一5 0 0 a s 一4 0 0 9 5 一2 0 0 其中 横坐标表示减震器 的位移 s 纵坐标表示位移对应的衰减力 F 正常的 减震器示功特性曲线如图6 所示 一 l 咖 厂 O o o 如 一7 l 咖 图6 正常的减震器示功特性曲线 F ig 6 N o r m a ld y n a m o m e t e rcu r v eo ft h es h o cka b s o r b e r 由图6 可知 示功曲线是光滑和饱满的 依据前 面所叙述的判定方法 该减震器试件的示功曲线是合 格的 系统判定结果为O K 3 2 异常的示功特性曲线 测试系统对非正常的减震器试件进行测试和获取 的示功曲线如图7 所示 试验条件为 直线运动速度为 0 5 2m s 公差范围为 5 0N 从左往右依次设定1 2 个 判据 左上角 5 3 0 0 1 5 5 0 0 2 5 7 0 0 右上角 7 5 7 0 0 8 5 5 0 0 9 5 3 0 0 左下角 5 一3 0 0 1 5 一5 0 0 2 5 一7 0 0 右下角 7 5 一7 0 0 8 5 一5 0 0 9 5 3 0 0 图7 a 为某减震器试件右下角凹陷的示功曲线 图中右下角有一个判断结果位于示功曲线所包含的椭 圆之外 示功曲线右下角出现突变 不光滑 有凹陷 表 示该减震器试件示功特性有缺陷 因此系统判断结果 为 不合格 显示 N G 图7 b 为左上角和右下角 都存在凹陷的减震器试件示功曲线 可明显看出左上 角的三个判断结果和右下角的四个判断结果都位于示 功曲线所包含的椭圆之外 示功曲线严重畸形 因此系 统判断结果为 不合格 显示 N G t 曩 右下角凹陷 一一 l 删 厂 一 0 1 厂l e os l i I O 二 一一 庄上角和右F 角凹陷 图7 异常减震器示功曲线 F ig 7 A b n o r m a ld y n a m o m e t e rcu r v e so ft h es h o cka b s o r b e r 3 3 速度特性曲线 测试系统除了可以测试减震器的示功特性之外 还可以测试减震器的速度特性 减震器的速度特性是 指在不同的速度段测得减震器的最大拉伸力和压缩 力 将在各个速度段所获得的最大拉伸力和压缩力值 拟合为一条曲线 即可得到速度 y 与衰减力 的 关系曲线 减震器速度特性曲线如图8 所示 减震器 的最大拉伸力和压缩力是在速度段分别为0 1m s 0 2m s 0 3 m s 0 5m s 0 6m s j o j7m s 0 8m s 1 0 9m s 1 0m s 1 1m s 时得到的 r I 1 洲 j 2 2 5 0 0 2 历 2 2 卯 m 一1 图8 减震器速度特性曲线 F ig 8 C h a r a ct e r is t iccu r v e so f8 p e e do fs h o cka b s o r b e r 由图8 可看出 随着直线运动速度的逐渐增加 减 震器所承受的拉力和压力也逐渐增加 下转第7 0 页 6 2 PROCESS A U T O M A T I O NI N S T R U M E N T A T I O NV o L3 4N o 3M a r e l a2 0 1 3 电能量采集终端综合测试管理系统的研究和实现贺东明 等 满足运行的要求 各类终端 电能表在安装前期需要进行联合调试 并确认测试结果合格 这就有效避免了批量电能表数 据误抄读现象的发生 明确电能量计量终端 电能表 以及配置程序的匹配性 能够为更换现场运行设备提 供指导 有效避免因常规验收测试不能发现的设备组 合问题对实际运行造成的巨大影响 5 结束语 佛山供电局的电能量采集终端综合测试管理系统 基于实际运行的系统主站进行测试 确保了设备互联 匹配的有效性 提高了测试的效率 利用该系统 实现了对运行设备的软件版本 参数 设置和匹配性的统一管理 系统对设备的运维发挥了 有效的指导作用 参考文献 1 秦春斌 赵建军 张磊 等 电力计量系统分流窃电分析与建 模 J 电测与仪表 2 0 0 9 4 6 2 3 9 4 2 2 姚建国 赖业宁 智能电网的本质动因和技术需求 J 电力系 统自动化 2 0 1 0 3 4 2 l 一4 3 刘振亚 智能电网技术 M 北京 中国电力出版社 2 0 1 0 4 文志成 G P R S 网络技术 M 北京 北京电子工业出版社 2 0 0 5 6 0 7 4 5 姜开山 G P R S 远程抄表系统应用实践 M 北京 中国电力出 版社 2 0 0 7 6 张瑾 杜春晖 自动化软件测试 M 北京 机械工业出版 社 2 0 0 8 7 柳胜 软件自动化测试框架设计与实践 M 北京 人民邮电出 版社 2 0 0 9 8 张长友 远程控制编程技术 M 北京 电子工业出版社 2 0 0 2 4 0 一6 2 9 中华人民共和国国家电网公司 电力负荷管理系统数据传输规 约 s 北京 中国电力出版社 2 0 0 6 1 0 中华人民共和国国家发展和改革委员会 D L T 6 4 5 2 0 0 7 多功 能电能表通信协议 S 北京 中国电力出版社 2 0 0 8 1 1 中华人民共和国国家经济贸易委员会 D L T 7 1 9 2 0 0 0 远动设 备及系统第5 部分 传输规约第1 0 2 篇 电力系统电能累计量 传输配套标准 s 北京 中国国际广播出版社 2 0 0 1 上接第6 2 页 4 结束语 使用本文设计的示功特性测试系统对轿车减震器 进行在线测试和分析 所绘制的示功睦线能准确反映 被测减震器试件的实际性能 试验表明 该测试系统 是一种有效的减震器性能测试和自动判断系统 在工 控机的协调控制下 基于数据采集接I I 和运动控制接 口的减震器示功特性测试系统能够自动完成示功特性 的在线测试 比较和性能判断 与传统的判断方法相 比 该系统在一定程度上提高了在线测试的准确性和 效率 目前 该测试系统已经成功应用于轿车减震器 装配生产线末端的在线测试中 参考文献 1 于兆华 尚景华 国内油压减振器试验台现状及未来发展探讨 J 铁道技术监督 2 0 0 5 2 2 8 3 0 2 王天利 曾庆东 刘小宁 等 汽车减震器试验