轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中間軸耐久性測(cè)試機(jī)控制系統(tǒng)研發(fā)

林礪宗，韓 帥，陳建峰，黃 超，周永欣

LIN Li-zong, HAN Shuai, CHEN Jian-feng, HUANG Chao, ZHOU Yong-xin

（華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

0 引言

相比較傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Electric Power Steering System，EPS）具有節(jié)能環(huán)保、布置靈活、性能拓展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在各級(jí)別乘用車中應(yīng)用普遍[1,2]。且具備完全取代傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的趨勢(shì)[3]?，F(xiàn)今乘用車一般所用電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為管柱式電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Column type Electric Power Steering，C-EPS）[4]，但在實(shí)際使用中其中間軸比較容易出現(xiàn)失效而對(duì)人的生命安全產(chǎn)生重大的威脅[5]。汽車設(shè)計(jì)和制造缺陷是影響汽車安全的重要因素，我國(guó)法律要求汽車制造商以召回的方式消除缺陷[6]。

2012年3月，東南（福建）汽車工業(yè)有限公司決定召回2008年6月4日至2012年1月5日期間生產(chǎn)的三菱君閣，共計(jì)7127輛。召回原因：轉(zhuǎn)向柱中間軸在生產(chǎn)過(guò)程中焊接不良，導(dǎo)致中間軸和轉(zhuǎn)向柱焊接強(qiáng)度不足，車輛在極端行駛情況下，該焊接處存在開(kāi)裂的隱患，影響車輛正常行駛。極端情況，有可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)向操控失效。

2012年12月，四川一汽豐田汽車有限公司長(zhǎng)春豐越公司、豐田汽車（中國(guó)）投資有限公司決定召回部分缺陷汽車，共計(jì)3833輛。召回原因：由于車輛轉(zhuǎn)向裝置中連接方向盤與轉(zhuǎn)向機(jī)的零件（中間軸）的齒形花鍵強(qiáng)度不足。如果在低速行駛中重復(fù)強(qiáng)力打滿舵，零件的連接部位會(huì)發(fā)生松動(dòng)。

由此可以看出對(duì)C-EPS中間軸進(jìn)行耐久性測(cè)試具有重大的意義，但國(guó)內(nèi)企業(yè)并沒(méi)有對(duì)這方面測(cè)試技術(shù)給予足夠的重視，也很少有相關(guān)的研究人員對(duì)其進(jìn)行研究，并生產(chǎn)制造相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備。這主要因?yàn)樵趯?duì)中間軸進(jìn)行測(cè)試時(shí)需要高頻率大位移的來(lái)回運(yùn)動(dòng)，而國(guó)內(nèi)這方面的技術(shù)并不成熟。

圖1 中間軸結(jié)構(gòu)

1 硬件部分

中間軸通常由一對(duì)可滑動(dòng)的內(nèi)、外軸和兩個(gè)十字軸萬(wàn)向節(jié)組成，如圖1所示。

1.1 測(cè)試機(jī)結(jié)構(gòu)

測(cè)試機(jī)分為兩個(gè)工位，工位A和工位B，內(nèi)軸部分經(jīng)過(guò)萬(wàn)向節(jié)和夾具固定在基座1上，外軸部分經(jīng)過(guò)萬(wàn)向節(jié)和夾具固定在伸縮缸上，伸縮缸和伺服電機(jī)組成一個(gè)整體定位于基座2之上，由此通過(guò)伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作即能帶動(dòng)外軸部分進(jìn)行高頻率大位移的伸縮動(dòng)作，進(jìn)行中間軸的耐久性測(cè)試，如圖2所示。整套設(shè)備固定于底座上保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，可靠。機(jī)器上輔助器件有原點(diǎn)傳感器，平恒桿，拉壓力傳感器等，分別用于機(jī)器回機(jī)械原點(diǎn)，保證中間軸的平恒和實(shí)時(shí)壓力的顯示。

圖2 測(cè)試機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 電機(jī)選型計(jì)算

依據(jù)測(cè)試設(shè)備的要求，要滿足測(cè)試機(jī)對(duì)中間軸進(jìn)行高頻率大位移的耐久性測(cè)試，對(duì)電機(jī)的選型至關(guān)重要。結(jié)合絲杠以及其他設(shè)備的一些相關(guān)參數(shù)和計(jì)算，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)的選型計(jì)算作如下處理。已知條件如表1所示，計(jì)算公式及結(jié)果如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試已知參數(shù)

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，我們選擇了性能良好的交流伺服電機(jī)，電機(jī)的額定角加速度為31000rad/s2，額定扭矩2.39N.m，加速度314rad/s2，同時(shí)該電機(jī)從啟動(dòng)到達(dá)到最大角速度的時(shí)間為0.01s。設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，所選電機(jī)完全滿足要求。

1.3 控制系統(tǒng)硬件

工作臺(tái)的控制系統(tǒng)采用工控機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制器相結(jié)合的模式。運(yùn)動(dòng)控制器采用一種可編程的運(yùn)動(dòng)控制卡，它是用脈沖輸出的方式，對(duì)伺服控制器進(jìn)行位置控制，實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，以滿足實(shí)驗(yàn)測(cè)試機(jī)的要求。其功能還包括脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出以及模擬量輸入。它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過(guò)改變發(fā)出脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、正負(fù)脈沖方式。脈沖計(jì)數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機(jī)器準(zhǔn)確的位置，糾正傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。專用數(shù)字輸入/輸出口可用于限位、原點(diǎn)開(kāi)關(guān)的控制，通用數(shù)字輸入/輸出口用于控制一些開(kāi)關(guān)量，以實(shí)現(xiàn)加工中的一些輔助功能。

表2 計(jì)算公式及結(jié)果

在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制卡接收PC機(jī)的運(yùn)動(dòng)命令后，把命令轉(zhuǎn)換成與運(yùn)動(dòng)參數(shù)相關(guān)的一定頻率脈沖串，來(lái)控制交流伺服驅(qū)動(dòng)器，這些脈沖經(jīng)過(guò)伺服控制器處理后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)按照相應(yīng)的頻率運(yùn)行至目標(biāo)位置。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件部分

2.1 理論基礎(chǔ)

系統(tǒng)采用的是位置控制方式。位置控制器的作用是通過(guò)比較設(shè)定的目標(biāo)位置與電機(jī)的實(shí)際位置，產(chǎn)生電機(jī)的速度指令并使電機(jī)準(zhǔn)確定位和跟蹤。

在本工作臺(tái)中，為了提高測(cè)試效率，有時(shí)需要兩個(gè)工位同步工作。所以，當(dāng)需要兩工位同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，將A工位設(shè)置為主工位，B工位設(shè)置為從動(dòng)工位跟隨主工位A的運(yùn)動(dòng)。

主工位A的運(yùn)動(dòng)模式采用的是PT（位置和時(shí)間）模式，PT模式非常靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)任意速度規(guī)劃，可以用輸入的位置和時(shí)間參數(shù)來(lái)描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律。該模式使用一系列“位置、時(shí)間”數(shù)據(jù)點(diǎn)描述速度規(guī)劃。例如現(xiàn)在將速度曲線分割成5段，如圖4所示。

圖4 4PT模式運(yùn)動(dòng)圖解

整個(gè)速度曲線被分成5段，第一段起點(diǎn)速度為0，經(jīng)過(guò)時(shí)間T1運(yùn)動(dòng)位移P1，因此第一段的終點(diǎn)速度為第二段起點(diǎn)的速度為v1，經(jīng)過(guò)時(shí)間T 2 運(yùn)動(dòng)位移P 2，因此第2 段的終點(diǎn)速度為第3、4、5段以此類推。我們只需要給出每段所需的時(shí)間和位移，運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)算出計(jì)算段內(nèi)各點(diǎn)的速度和位移，生成一條光滑的速度曲線。為了得到光滑的速度曲線，可以增加速度曲線的分割段數(shù)。一次完整的PT運(yùn)動(dòng)，第一段的起點(diǎn)位置和時(shí)間被設(shè)定為0，各段的終點(diǎn)的位置和時(shí)間都是相對(duì)于第一段的起點(diǎn)的絕對(duì)值。位置的單位是脈沖，時(shí)間的單位是毫秒。

為了將B工位的運(yùn)動(dòng)跟A工位的運(yùn)動(dòng)同步，本文中將B工位設(shè)置為電子齒輪模式。電子齒輪模式可以將2工位或者多工位聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)精確的同步運(yùn)動(dòng)，從而替代傳統(tǒng)的機(jī)械齒輪連接。同時(shí)電子齒輪模式能夠靈活的設(shè)置傳動(dòng)比，節(jié)省機(jī)械系統(tǒng)的安裝時(shí)間。在該模式下，一個(gè)主軸可以驅(qū)動(dòng)多個(gè)從軸，從軸可以跟隨主軸的規(guī)劃位置以及編碼器位置。

當(dāng)B工位單獨(dú)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，B工位的運(yùn)動(dòng)模式也采用PT模式。

由于要使得各個(gè)工位的運(yùn)動(dòng)路徑為正弦波形，同時(shí)速度又需要滿足要求，在本文中采取將每個(gè)周期的正弦波形分成40段。如圖5所示，一個(gè)周期T等分為40份，所以t=T/40，由此構(gòu)成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)序列。

式中Pi為運(yùn)動(dòng)控制器PT模式中的Position，Ti'為運(yùn)動(dòng)控制器運(yùn)動(dòng)PT模式中的Time，A為振幅，i為(0～40)（每個(gè)周期的分割段數(shù)），t為周期的1/40。計(jì)算過(guò)程軟件代碼如下：

圖5 正弦曲線位移分割

圖6 擬合后曲線

為了驗(yàn)證本文中采用的分割方法與理想條件的誤差，現(xiàn)以振幅為3mm頻率為5Hz為例對(duì)一個(gè)周期進(jìn)行分析。在此分析中將一個(gè)周期按時(shí)間等分為40份。所得時(shí)間與位移均保留16位小數(shù)以O(shè)riginPro8畫出折線圖，并以方程y=y0+A×sin(pi×(x-xc)/w)對(duì)折線進(jìn)行非線性擬合[7]，所得結(jié)果如圖6所示，黑色小方塊為41個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)，紅線為擬合后的正弦曲線。因?yàn)榉治銮€的振幅為3mm頻率為5Hz，所以原曲線方程為y=A×sin(x×pi/100)，經(jīng)過(guò)擬合所得曲線方程為：y=(1.33694E-16)+3×sin(pi(x+(2.66454E-15)/100)參數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)誤差如圖7所示。而41個(gè)點(diǎn)相對(duì)于曲線所形成的誤差如圖8所示，從圖中可以看出誤差絕對(duì)值小于5.00E-0.15完全能滿足測(cè)試的要求。

圖7 擬合結(jié)果參數(shù)

圖8 變量殘余

圖9 參數(shù)設(shè)置界面

2.2 參數(shù)設(shè)置及實(shí)現(xiàn)

中間軸的耐久性測(cè)試過(guò)程分為多個(gè)Loop，每個(gè)loop包含多個(gè)Step。軟件實(shí)現(xiàn)如圖9所示。本機(jī)可以設(shè)置多達(dá)65535個(gè)Loop，每個(gè)Loop可以由65535個(gè)Step組成，每個(gè)Loop的循環(huán)次數(shù)最高可達(dá)231次。而在對(duì)Loop中Step設(shè)置中可以對(duì)Step進(jìn)行循環(huán)次數(shù)設(shè)定，最高次數(shù)可達(dá)32767次。

Step最高頻率可達(dá)15Hz，最大位移為10mm。因?yàn)轭l率越高時(shí)位移越小，經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)際機(jī)器測(cè)試，對(duì)參數(shù)的設(shè)置必須做如下的限制：

1～5Hz最大位移10mm；

6～9Hz最大位移8mm；

10～12Hz最大位移5mm；

13～15Hz最大位移2mm。

當(dāng)參數(shù)設(shè)置好后，把參數(shù)保存入數(shù)據(jù)庫(kù)，而在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將先對(duì)參數(shù)進(jìn)行如上一節(jié)所述的計(jì)算，而后通過(guò)軟件寫入運(yùn)動(dòng)控制器中開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。

2.3 軟件結(jié)構(gòu)及流程

上位機(jī)選用通用操作系統(tǒng)Windows XP作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，該平臺(tái)支持豐富的軟件開(kāi)發(fā)工具，采用模塊化的軟件設(shè)計(jì)方法，利用VC++6.0編寫上位機(jī)控制程序。其主要包括初始化模塊，設(shè)置模塊，狀態(tài)顯示模塊等，初始化模塊包括軟件初始化，運(yùn)動(dòng)控制器初始化；設(shè)置模塊包括參數(shù)修改及運(yùn)動(dòng)工位選??；顯示模塊包括測(cè)試過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)顯示，實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)波形顯示，以及實(shí)時(shí)拉/壓力波形顯示等。具體控制流程如圖10所示。

圖10 程序流程圖解

2.4 軟件界面及功能簡(jiǎn)介

軟件界面分為運(yùn)動(dòng)工位選取區(qū)，Loop設(shè)置區(qū)，運(yùn)動(dòng)曲線顯示區(qū)，執(zhí)行狀態(tài)顯示區(qū)，Step設(shè)置區(qū)，壓力狀態(tài)顯示區(qū)，功能區(qū)。

運(yùn)動(dòng)工位的選取區(qū)：可以單獨(dú)選擇A工位或B工位也可以同時(shí)選擇。

Loop設(shè)置區(qū)：軟件可以設(shè)置65535個(gè)Loop，每個(gè)Loop中可以設(shè)置65535個(gè)STEP。

運(yùn)動(dòng)曲線顯示區(qū)：可以顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)中的正弦曲線波形并提示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)幅度和運(yùn)動(dòng)頻率；執(zhí)行狀態(tài)顯示區(qū)：顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)的Step及Loop，以及當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。

圖11 程序界面及功能

Step設(shè)置區(qū)：設(shè)置每一個(gè)Step的振幅，頻率，及相應(yīng)的執(zhí)行次數(shù)，最大設(shè)置振幅為5mm，最高設(shè)置頻率為15Hz。

拉/壓力狀態(tài)顯示區(qū)：顯示當(dāng)前中間軸所受到的拉/壓力，并以波形顯示。

功能區(qū)：此區(qū)包括對(duì)設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)的保存及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的報(bào)表導(dǎo)出，運(yùn)動(dòng)的回零，開(kāi)始，停止及暫停等。

3 結(jié)束語(yǔ)

汽車中間軸測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)于2013年12月設(shè)計(jì)安裝完成并交付生產(chǎn)使用，完成了多種型號(hào)的汽車中間軸多次的試驗(yàn)檢測(cè)，目前機(jī)器運(yùn)行正常，功能完善，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，操作簡(jiǎn)便，可靠性高，為工廠的生產(chǎn)發(fā)展提供了有力的監(jiān)測(cè)手段。

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