汽車同步帶數(shù)控精密測長機的控制系統(tǒng)研究

李鐵男，楊 光，陳創(chuàng)創(chuàng)，鞏 略

(長春理工大學 a.電子信息工程學院;b.機電工程學院，長春 130022)

汽車同步帶數(shù)控精密測長機的控制系統(tǒng)研究

李鐵男a，楊 光a，陳創(chuàng)創(chuàng)b，鞏 略b

(長春理工大學 a.電子信息工程學院;b.機電工程學院，長春 130022)

汽車同步帶用于發(fā)動機傳動系統(tǒng)凸輪軸上置的配氣機構，汽車發(fā)動機借助曲柄連桿機構中帶有飛輪的曲軸與進、排氣凸輪軸來傳遞動力，為保證傳動的穩(wěn)定性和噴油泵、水泵等穩(wěn)定的傳動速比，因此國家汽車同步帶標準GB/T12734－2003中要求測量動態(tài)時的帶節(jié)線長和橫向擺動量。本文研制了由光柵尺、工控機、單片機、激光位移傳感器、光電轉速傳感器及步進電機等組成的具有高精度、快速、操作方便和自動化程度高的汽車同步帶數(shù)控精密測長機控制系統(tǒng)，帶節(jié)線長測量精度達±0.005mm，帶橫向擺動量測量精度達±0.1mm。

汽車同步帶;控制系統(tǒng);測長機

0 引言

同步帶是單面或雙面具有等距齒的環(huán)形傳動帶，有嚴格同步無滑差、傳動效率高、傳動準確、節(jié)能效果好、傳動速度范圍大、無需潤滑等特點，兼有帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動的優(yōu)點。20世紀70年代以來隨著同步帶材料和制造工藝的發(fā)展，因其良好的傳動性能和使用壽命及低成本被廣泛應用在汽車、紡織、煙草機械、數(shù)控機床、食品機械、石化機械、家用電器、辦公機械等方面，尤其是近20年來汽車行業(yè)中的轎車快速發(fā)展，同步帶與鏈傳動相比具有高的同步傳動性能、傳動平穩(wěn)、噪聲低、無需潤滑、傳動系統(tǒng)空間小、可減輕發(fā)動機傳動系統(tǒng)的重量、成本低、經(jīng)濟性好，從而引起國內外汽車制造企業(yè) 和膠帶制造企業(yè)的廣泛關注，是國際上發(fā)展很快的一種新型帶傳動方式，使同步帶傳動的應用呈顯著增長趨勢［1］。日本MITSUB-OSHT公司、美國Uniroyal公司等國外發(fā)達國家著名的制帶公司開展了系列的開發(fā)與研究工作，使汽車同步帶的使用壽命和傳遞功率及平穩(wěn)性大大提高［2］。如日本的MITSUBOSHT公司生產(chǎn)的汽車同步帶使用壽命達10萬公里。目前3000ml以下排氣量的轎車發(fā)動機傳動系統(tǒng)中，絕大部分采用了同步帶傳動，其具體形式如圖1所示。在日本幾乎為100%采用，歐洲有80%采用，在美國有40%采用［3］。如英國的沃克斯豪爾、西亞特、德國的寶馬、歐寶、奧迪、大眾汽車、意大利的菲亞特、日本的尼桑、豐田、馬自達，法國的雪鐵龍、雷諾和美國的福特轎車等車型正時系統(tǒng)均采用了同步帶傳動。現(xiàn)我國引進及合資的轎車生產(chǎn)線除廣州標致外，均將同步帶應用在汽車發(fā)動機的傳動上，如馬自達2000等車型采用109ZA;上海大眾、桑塔納、PASSAT、一汽奧迪V6型、奧迪A8(BFL3.7和BFM4.2)、解放CA1046輕型載貨車等車型發(fā)動機正時系統(tǒng)采用了同步帶［4］，國內2.0L以下的轎車基本采用了同步帶傳動［5］。本文研制了由光柵尺、工控機、單片機、激光位移傳感器、光電轉速傳感器及步進電機等組成的具有高精度、快速、操作方便和自動化程度高的汽車同步帶數(shù)控精密測長機控制系統(tǒng)，帶節(jié)線長測量精度達±0.005 mm，帶橫向擺動量測量精度達±0.1mm。

圖1 汽車同步帶正時傳動

1 同步帶測長機的基本結構

根據(jù)汽車同步帶GB/T12734-2003標準中規(guī)定的帶節(jié)線長和橫向擺動量動態(tài)測量要求，研制的汽車同步帶精密測長機原理如圖2所示。該機主要由鑄鐵平臺機身、精密直線導軌、重砣施力裝置、固定帶輪精密軸系和滑動帶輪精密軸系、絲杠卸載裝置、光柵尺、激光位移傳感器，轉速測量裝置及數(shù)控系統(tǒng)組成。固定帶輪精密軸系固定在機身的左端，由電動機經(jīng)同步帶傳動驅動測量主動帶輪傳動，并配有3G3MZ-AB022變頻器，實現(xiàn)主動帶輪轉速根據(jù)測量需要在100－700r/min可調，經(jīng)安裝在主動帶輪軸上的光電轉速傳感器測量轉速，重砣施力裝置給帶施加張緊力，步進電機驅動安裝在機身底部的絲杠實現(xiàn)卸載，使操作者裝卸帶方便。該機測同步帶帶長測量范圍:200mm～3000mm，測量精度達±5μm。帶橫向擺動量測量范圍:±10mm，測量精度:±0.01mm。被測帶合格的判定方法為允許長度誤差上限≤實測長度誤差≤允許長度誤差下限，并且實測中心距誤差≤允許中心距誤差，則判定該被測帶為合格，否則為不合格。

圖2 汽車同步帶數(shù)控精密測長機原理圖

2 同步帶測長機控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

控制系統(tǒng)是該機的核心，負責運動控制、帶節(jié)線長和橫向擺動量測量數(shù)據(jù)的采集、計算、處理、報表生成、結果判斷。它主要由光柵尺、工控機、單片機、打印機、激光位移傳感器、光電轉速傳感器及電動機等組成，控制系統(tǒng)如圖3所示采用在工控機上建立工業(yè)控制對象，用VB語言編程，通過串口通信對下位機AVR單片機進行控制，下位機在接收到上位機的有效命令后，控制外圍電路進行工作。

圖3 控制系統(tǒng)總體框圖

2.1 單片機控制系統(tǒng)電路設計

單片機控制系統(tǒng)負責數(shù)據(jù)的采集和外圍信號及步進電機的控制，并將數(shù)據(jù)和動作信號與PC機進行數(shù)據(jù)交換。系統(tǒng)選用ATMEGA8515單片機，如圖4所示，它的主要特點是抗干擾能力強，運行可靠，AT-MEGA8515單片機接收上位機發(fā)送的控制命控制繼電器動作，完成測長機帶的張緊、松帶、計數(shù)等工作過程。

圖4 ATMEGA8515單片機控制系統(tǒng)

2.2 光柵位移傳感器及其信號處理電路

為實現(xiàn)同步帶高精度的帶節(jié)線長測量要求，系統(tǒng)選用封閉式光柵線位移傳感器和專用計數(shù)采集卡，型號為SGC-2、柵距為0.02mm、帶中心距最大測量范圍1600mm，經(jīng)4細分后帶中心距測量精度達±5μm，并在光柵尺兩端刻有標準零位，克服了僅有一個零位時，若要清零，有可能使光柵尺主、副尺大范圍移動的問題。并具有尋找坐標零位功能，可在斷電后坐標改變時找回坐標零位，保證帶中心距測量精度。光柵尺的工作電壓為5±5%V，輸出信號采用相位相差90°的兩路方波信號，幅值＞4.5V。

2.3 主動帶輪轉速測量

測量帶長時標準要求被測帶長轉動兩周，以保證帶與輪充分嚙合和張緊，為實現(xiàn)自動測量，即當帶轉動兩倍帶長時能自動停止轉動。系統(tǒng)在主動帶輪軸上安裝了一個測速圓盤，在圓盤上均勻開了10個直徑為3mm的圓孔，與光電傳感器GBU870NK組成了轉速測量傳感器，用來檢測主動帶輪的周位移(對應于被測帶的線位移)。被測帶轉過一個主動帶輪周長時，光電傳感器輸出10個脈沖信號，光電傳感器計數(shù)采用中斷模式，其輸出的信號通過光耦隔離之后直接接入單片機的外部中斷引腳，光電傳感器每輸出一個脈沖，單片機產(chǎn)生一次外部中斷。因主動帶輪的電動機是由變頻器驅動，其轉速在100～700r/min內可調，可滿足測量帶速的調整。

2.4 橫向擺動量的測量

同步帶橫向擺動量標準要求帶在轉動過程中測量，故選用了型號為ZX-LD40的非接觸激光位移傳感器，測量范圍:±10mm，頻率響應范圍:0.15ms－500ms，測量精度:±0.01mm，分辨率:2μm。由于帶高與齒高的差在2－3mm和橡膠對激光反射較弱，為實時測量帶橫向擺動量，經(jīng)試驗結果選擇了較大激光輸出能量的線性光束為75μm×2mm，并配有激光位移傳感器調整機構，使激光光斑準確照到被測點上，ZX-LD40輸出的電壓信號經(jīng)PCL-816 A/D采集卡將數(shù)據(jù)采集到工控機之中，通過專用軟件處理，實現(xiàn)擺動量曲線實時顯示。

2.5 變頻器以及485通信卡

系統(tǒng)要求測量電動機轉速在50～600r/min之間可調，本機選用了具有無傳感器矢量控制和EMI噪聲濾波器內置制動單元，內置RS485通信接口的歐姆龍3G3MZ-AB2002變頻器。3G3MZ-AB2002通過RS485通信接口與研華PCI-1602B通信卡通信，工控機通過指令控制測量電動機的轉速。

2.6 工控機控制

工控機主要建立工業(yè)控制對象的人機接口界面，運行控制軟件，接收單片機采集的測量數(shù)據(jù)、存儲記錄、報表、報警、系統(tǒng)設置等功能，主要有自動測量界面、數(shù)據(jù)查詢界面和測量設置界面組成。自動測量界面是本系統(tǒng)的核心界面，實時記錄測量帶長、中心距和誤差、判定結果、測量日期等。并以表格的形式顯示同步帶的型號規(guī)格、所加張緊力、帶輪周長、標準長度、允許長度誤差、最大中心距、最小中心距、中心距偏差、檢驗人員等。數(shù)據(jù)查詢界面用來進行數(shù)據(jù)查詢操作和數(shù)據(jù)管理，用戶可根據(jù)需要隨時查看測量數(shù)據(jù)。測量設置界面

可對測量的各個預設參數(shù)進行設置，主要包括存儲設置、電機轉速設置、卸帶行程設置等。

3 結語

本文研制的控制系統(tǒng)可實現(xiàn)汽車同步帶帶長和橫向擺動量的動態(tài)精密測量的要求，其帶長測量精度達±5μm，橫向擺動量測量精度達±0.01mm，滿足了汽車同步帶GB/T12734-2003標準要求。該機作為一臺精密測量設備，具有測量精度高，檢測操作簡便，測量時間短，自動化程度高的特點，通過更換測量帶輪，還可實現(xiàn)各種規(guī)格的汽車V帶、汽車多楔帶的帶長測量。

［1］ 路劍鋒，張一心.橡膠同步帶的發(fā)展與展望［J］.產(chǎn)業(yè)用紡織品，2002(12):9－11.

［2］ 邵芳，姚俊紅.我國汽車傳動帶技術分析與展望［J］.機械制造，2004(6):46－48.

［3］ 楊玉萍，曹清林.同步齒形帶使用現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.南通工學院學報，2000(1):12－16.

［4］ 吳貽珍.汽車傳動帶制造與應用技術新進展［C］.杭州:全國帶傳動技術研討會，2008.

Research on Control System of Auto Synchronous Belt NC Precision Measuring Machine

LI Tie-nana，YANG Guanga，CHEN Chuang-chuangb，GONG Lueb

(a.School of Electronics and Information Engineering;b.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

Auto synchronous belt is used in the valve train of camshaft in engine transmission system.The engine transfers power through a crankshaft jointed with a flywheel in crank and connecting rod mechanism and inlet and exhaust camshaft.In order to ensure the driving stability and the transmission speed ratio of fuel injection pump and water pump，national auto synchronous belt standard GB/T12734-2003 stipulates the length of pitch line and horizontal oscillation quantity in dynamic measurement.This paper develops a control system of auto synchronous belt numerical control precision measuring machine with high precision，fast speed，easy operation and high degree of automation，consisting of grating ruler，industrial control computer，single chip microcomputer，laser displacement sensor，photoelectric rotating-speed sensor and stepping motor，etc.in which measurement precision of pitch line ± 0.005mm and measurement precision of horizontal oscillating quantity ±0.1mm.

auto synchronous belt;control system;length measurement machine

TP273

A

1009－3907(2011)12－0028－04

2011-04-15

李鐵男(1988-)，男，吉林長春人，本科，主要從事測量與控制技術方面研究。

責任編輯:吳旭云