變速器自動校檢試驗臺控制系統的設計

常 凱，鄭德超，白洪飛，董雪松

（中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016）

0 引言

隨著生活水平的提高，我國國民對汽車的需求也在不斷增長，汽車的銷量也在不斷上升。變速器是汽車傳動系統的重要組成部分，其性能的好壞直接關系到整車的質量。近年來，我國自主品牌的汽車在國內市場占據了一席之地，國內變速器的生產上面臨這提高變速器出廠合格率的需要，這對于變速器的出廠檢測提出了更高的要求。變速器出廠前需要在校檢試驗臺上進行測試，因此試驗臺的性能直接影響著出廠變速器的合格率。

變速器校檢試驗臺是利用電機模擬汽車發動及負載，動態對汽車變速器各個檔位的速比、運行震動、噪聲、換檔力等各方面進行測試，以保證變速器質量的設備。傳統的試驗臺自動化程度偏低，由操作人員憑聽覺判斷異常的噪聲，以此判斷變速器的好壞，存在很大主觀性。本文以長城汽車股份有限公司某變速器校檢試驗臺項目為背景，介紹了一種自動校檢測試臺的控制系統，可實現設備運行的自動化、檢測過程的無人干預和校檢結果的記錄歸檔。

1 試驗臺的總體結構

試驗臺通常采用一個電機帶動主傳動軸模擬發動機的工作特性，兩個電機帶動兩個加載軸模擬左右驅動輪的狀態。每個軸都配有扭矩傳感器可向控制系統反饋加載扭矩的時時值。自動換檔機構是由機器人模仿人手執行換檔路徑動作變速操縱桿，實現自動換檔。固定在試驗臺床身上的某品牌振動分析儀，可采集變速器測試過程中各個檔位的振動頻譜并進行分析，實現變速器測試結果的判斷。變速器加油口處的注排油裝置可實現測試前、后對變速器的自動定量注油和定時排油的功能。圖1為試驗臺簡易的模型圖。

2 控制系統的硬件設計

根據長城公司某部門對變速器測試的工藝要求，試驗臺在5分鐘的節拍下能夠可選擇的對變速器每個檔位做空載測試，速比測試，正拖加載測試和反拖加載測試等試驗內容，這就對于試驗臺的控制系統提出了較高的要求。根據以上目標，我們規劃的控制系統主要由以下三部分組成：變頻調速部分、監控管理部分和邏輯控制部分。

2.1 變頻調速

變頻調速部分采用ABB的ACS800系列的傳動模塊實現。

三個傳動軸電機分別采用三個逆變單元控制，分別帶動驅動軸和兩個輸出軸。每個電機都可在速度或扭矩模式之間進行快速地切換，模擬真車的不同的運行狀態測試變速器的性能，滿足用戶提出的試驗內容。每個電機都裝有編碼器，可向逆變單元反饋電機轉速信息，實現電機調速的閉環控制。傳動模塊配有RPBA模塊，可連接到DP總線上與主站PLC通訊。變頻器“優化”功能可自動識別電機的參數；另一些需要與PLC通訊參數（轉速等）也能在其操作板上設置。

整流模塊包括具有能量回饋功能的IGBT供電模塊，濾波器，交流熔斷器及其他可選設備。IGBT供電模塊將輸入的三相交流電變為直流電向傳動單元中間直流回路供電，中間直流回路接入三個功率逆變單元(多傳動系統)。進線濾波器用來抑制交流電壓變換和電流諧波。系統采用直流公共母線運行方式,使得驅動和加載部分組成功率閉環。在加載模式下，系統將加載電機運行產生的電能回饋到直流母線乃至電網，達到節能的效果。

2.2 監控管理

我們采用工控機和條碼閱讀器建立試驗臺的監控管理系統的平臺。工控機平臺不僅滿足對設備手動調整和運行狀態的把握的要求，還可實現不同型號變速器檢測參數的配置、每個檔位測試內容的設置和校檢結果的記錄存檔等功能。此外，工控機配有CP5611卡并連接到DP總線上，采集測試數據和結果等信息。條碼閱讀器可自動讀取變速器編號，實現測試信息與該編號變速器的綁定，方便管理人員的對產品管理和質量追溯。

2.3 邏輯控制

邏輯控制系部分是以西門子PLC 315-2DP為控制核心搭建起來的。

通過輸入信號，PLC可檢測變速器定位機構卡具的狀態、換檔機器人執行到的檔位、變速器的加油量和托盤帶箱到位等信息。根據檢測到的狀態，PLC通過輸出信號控制變速器定位機構卡具的動作，通知換檔機器人執行換檔操作，加注油的啟停和托盤帶箱放行等。其中，機器人的I/O板通過繼電器與PLC I/O進行硬件連接，通過編程可實現二者的信息交互。

此外，通過PLC 315-2DP的PROFIBUS-DP總線接口可將變頻調速的整流、逆變模塊，監控管理的工控機和判斷測試結果的振動分析儀連到DP總線上，通過設置它們的控制字和狀態字等參數實現與PLC之間的信息交互，完成整個測試的邏輯控制、狀態監控和結果記錄。由此建立的控制系統網絡拓撲如圖2所示。

圖2 控制系統拓撲圖

3 控制系統的軟件設計

控制系統的基本控制方案和硬件選擇確定后，我們在西門子調試軟件的STEP7中進行硬件組態，如圖3所示。首先把試驗臺IGBT整流器、3個逆變單元、1個ET200M I/O和振動分析儀作為從站組態連接到PLC的DP接口上。然后把它們的地址分別分配為3-8，PLC的默認地址為2，為DP總線的主站。最后還要在該界面中需要設置這些從站與主站PLC數據交換的地址。

圖3 控制系統硬件組態

試驗臺的PLC程序主要有由輔助機構動作模塊、選換檔控制模塊、變頻調速控制模塊和測試數據處理模塊構成。輔助機構動作模塊可完成試驗臺與變速器的自動對接，裝夾定位，卸夾放行，注油管的伸縮，實現變速器測試前后夾具等輔助機構的一系列邏輯動作。選換檔控制模塊負責在某個檔位測試結束后，令換檔機器人抓取換檔桿配合離合器動作，使其由當前檔位切換到下一個待測試檔位。變頻調速模塊可根據總體測試流程和檔位測試參數（轉速和扭矩等），不斷地切換電機的工作模式（速度模式和扭矩模式）或調整電機的運行參數。測試數據處理模塊可采集當前測試過程中關鍵數據及結果，并連同當前變速器的條碼信息一起上傳給工控機，完成測試信息的記錄存檔。圖4為試驗臺測試運行程序的流程圖。

圖4 測試運行程序的流程圖

機器人的某一個換檔動作是由一系列動作指令順序執行實現的。在這里，由空檔到不同檔位動作的指令集被寫在機器人不同的控制程序中。通過PLC對機器人控制信號和狀態信號的編程實現機器人啟動和換檔程序的切換，使得機器人控制變速器的操縱桿由空檔掛換到各個檔位進行測試。測試完畢，機器人將換檔桿退回空檔位后，返回原位。

工控機平臺上安裝西門子的組態軟件WinCC。它可對變速器測試參數調用和每個檔位測試內容設置進行可視化界面設計和腳本編程。通過訪問數據庫，控制系統可實現變速器測試結果的存檔和后期的追溯。圖5為工控機平臺的某型號變速器測試參數設置界面。

圖5 參數設置界面

4 結束語

本文論述了一種變速器自動校檢試驗臺控制系統的設計方式。該系統可實現變速器校檢全自動化運行和測試信息的追溯，在一定程度上提高生產效率和產品的檢測質量。目前，該系統已經應用于長城汽車某變速器校檢試驗臺上，提高了產品出廠的合格率，降低了人員使用成本。目前該變速器的年產量已達到20余萬臺，為企業創造了良好的經濟效益和口碑。

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