基于Proteus的同步器傾斜性檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 濤，梅 凱

(湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410151)

基于Proteus的同步器傾斜性檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 濤，梅 凱

(湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，湖南 長沙 410151)

為了滿足同步器總成檢測要求，文章設(shè)計(jì)了一套基于同步器齒轂齒套傾斜性檢測系統(tǒng)。文章不僅完成同步器傾斜性檢測系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件、軟件的設(shè)計(jì)，還介紹了所研制的計(jì)算機(jī)和單片機(jī)控制的汽車同步器總成傾斜量檢測系統(tǒng)、檢測原理及試驗(yàn)仿真。此外，還提出基于Proteus的系統(tǒng)開發(fā)方法，應(yīng)用Proteus進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)，根據(jù)Proteus中的電子元件特性模擬了檢測系統(tǒng)的微位移傳感器，并利用Proteus與Keil的聯(lián)合調(diào)試進(jìn)行仿真分析，得出仿真數(shù)據(jù)。相比于其他檢測裝置，該系統(tǒng)在檢測精度和自動(dòng)化方面更臻完美。

齒轂與齒套；單片機(jī)控制；傾斜量；檢測系統(tǒng)；Proteus

汽車同步器由于能夠使汽車實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)換擋，在汽車領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著自動(dòng)擋的汽車越來越多，同步器的產(chǎn)量和質(zhì)量的要求也越來越高，手動(dòng)檢測的方法從效率和精度上都不能滿足大批量生產(chǎn)的需求，因此急需一種標(biāo)準(zhǔn)化的檢測設(shè)備，用來實(shí)現(xiàn)快速、自動(dòng)地測量齒轂與齒套之間的傾斜量。現(xiàn)有的同步器主要部分為齒轂與齒套，為了便于裝配以及長時(shí)間的滑動(dòng)順暢，安裝后的齒轂和齒套之間要有0.5mm～1.4mm傾斜量。此外，因?yàn)閮A斜量過大可能導(dǎo)致掉檔、無法抵檔等嚴(yán)重問題，所以齒套相對于齒轂傾斜量的檢測是非常重要的檢測過程。

1 裝置結(jié)構(gòu)及檢測原理

現(xiàn)今，企業(yè)常用的檢測方法是手動(dòng)檢測：一只手按住齒轂，另一只手向上抬齒套，通過百分表打表測量齒套翹起的高度來運(yùn)算齒轂和齒套之間的傾斜量，每個(gè)同步器需要在三處（120°間隔）不同的位置分別檢測，檢測傾斜量是否一致，只要有某一處超出給定傾斜量范圍的將給予剔除。其手動(dòng)檢測方法如圖1所示。

圖1 企業(yè)同步器齒轂齒套傾斜量檢測圖

為了實(shí)現(xiàn)精確檢測，設(shè)計(jì)了同步器齒轂齒套傾斜量檢測平臺（如圖2所示）。現(xiàn)將該檢測平臺各主要部分及檢測原理逐一作介紹。

按具體功能的不同，該檢測平臺可分為三部分：第一部分為感應(yīng)區(qū)和上頂下壓裝置，由微位移傳感器、多種型號氣缸和眾支撐架等組成。該部分是檢測平臺的核心，通過它們可以很方便地把齒套相對齒轂的傾斜量以電信號的形式反映出來。第二部分為判斷區(qū)，將轉(zhuǎn)化的數(shù)字信號與公司給定傾斜量范圍進(jìn)行比較，作出合格與否的判斷。第三部分為處理執(zhí)行區(qū)，含有ADC0832型A/D轉(zhuǎn)換器、放大電路和AT89C51型單片機(jī)，這部分的作用是根據(jù)傳入的電信號，單片機(jī)將按預(yù)設(shè)的程序向下一級傳出指令，以控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的停轉(zhuǎn)，另外，還含3個(gè)光電傳感器、57BYG型電動(dòng)機(jī)和與之適配的HB202M型驅(qū)動(dòng)器，通過光電傳感器控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度來實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)檢測。

圖2 同步器齒轂齒套傾斜量檢測平臺

1.1 感應(yīng)區(qū)和上頂下壓裝置

如前所述，這一部分被用于檢測齒套傾斜量，具體的運(yùn)動(dòng)過程為：齒轂與齒套匹配后放置于旋轉(zhuǎn)臺上；升降氣缸將頂壓件推出，壓住齒轂不動(dòng)；施壓氣缸動(dòng)作，伸出活塞桿壓住齒套的一端；頂升氣缸動(dòng)作，伸出的活塞桿將齒套的另一端頂起，此時(shí)，齒套與水平面形成的高度差即為所測的傾斜量Δ（如圖3所示）；傾斜量通過微位移傳感器反映出來，并轉(zhuǎn)換成電信號傳送到測量電路系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)制、放大、濾波、解調(diào)輸送到上單片機(jī)。

圖3 傾斜量實(shí)驗(yàn)平臺

1.2 判斷區(qū)

文章介紹齒轂齒套的傾斜量檢測，采用CN10-SGCW 10數(shù)字式位移傳感器。該傳感器工作原理：當(dāng)頂升氣缸活塞桿推動(dòng)齒套，傳感器的彈性體在推力作用下產(chǎn)生彈性變形，使得其內(nèi)部的電阻應(yīng)變片也隨同變形而導(dǎo)致阻值發(fā)生變化，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路把該電阻變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字電信號。基于這一原理，利用Proteus中1k的電位器阻值的變化來模擬傳感器中電阻應(yīng)變片的變化，通過ADC0832將模擬的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送至單片機(jī)由于51單片機(jī)，單片機(jī)調(diào)用程序，作出判斷。其主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

1.3 處理執(zhí)行區(qū)

處理執(zhí)行區(qū)的主要功能：完成一點(diǎn)的檢測后，把從上一區(qū)輸入的較弱的電信號通過單片機(jī)輸出脈沖信號來控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，直到傳感器檢測片感應(yīng)到光電傳感器而停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 實(shí)驗(yàn)與仿真

2.1 關(guān)于頂升氣缸的說明

為了得到合適的頂升氣缸型號，文章進(jìn)行如圖3所示實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)。其中，動(dòng)態(tài)信號分析儀用于振動(dòng)、沖擊、壓力等力學(xué)量（轉(zhuǎn)換成電量）的測量分析。S型稱重傳感器用于測量固體間的拉力和壓力。由于實(shí)驗(yàn)平臺主要支撐齒轂，而檢測過程中，齒轂受力保持固定不動(dòng)，不產(chǎn)生傾斜，因此不予考慮。對于齒套傾斜量Δ，雖然動(dòng)態(tài)信號分析儀測量一次就能測出傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，但是筆者只對傾斜量的始末端進(jìn)行考量，因此，我們?nèi)〕跏己湍┒藘蓚€(gè)靜態(tài)過程進(jìn)行分析。

根據(jù)靜態(tài)平衡方程有：

其中：G為齒轂重力，單位N；F1為實(shí)驗(yàn)平臺對齒轂的支撐力，單位N；F2為頂升氣缸對齒轂的推力，單位N；F3為稱重傳感器對齒轂的支撐力，單位N；S為氣缸活塞面積，單位mm2；P為氣缸系統(tǒng)壓力，根據(jù)設(shè)計(jì)取0.6MPa；n為安全系數(shù)，一般氣缸垂直安裝取0.5，水平安裝取0.7。

經(jīng)讀取稱重傳感器檢測數(shù)據(jù)和計(jì)算，S=6.94mm2；F3=2.7N，因此選擇缸徑為8mm2，行程為50mm的氣缸，確定氣缸型號為Festo公司的DSNUP-8-50-P。

2.2 實(shí)例測試

為了完善設(shè)計(jì)功能、優(yōu)化結(jié)構(gòu)，現(xiàn)取贛州某公司20套型號為MF65B 5/R齒轂齒套總成進(jìn)行人工傾斜量檢測，每套測試三個(gè)點(diǎn)，分別記為第一、二、三點(diǎn)，共打表60次，然后將獲取的數(shù)據(jù)以Matlab曲線描繪出來（如圖5所示）。從圖中不難發(fā)現(xiàn)，各點(diǎn)的傾斜量處于無序的狀態(tài)，均是隨機(jī)數(shù)。

圖5 Matlab曲線描繪公司實(shí)測數(shù)據(jù)

2.3 Proteus仿真

Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的一款EDA仿真工作軟件，是先進(jìn)的電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)時(shí)交互仿真、PCB設(shè)計(jì)的平臺。與傳統(tǒng)單片機(jī)仿真軟件，如EWB，Propel和Or-CAD等相比，它在元器件選擇、電路連結(jié)、源程序的輸入及調(diào)試、仿真結(jié)果輸出等各個(gè)方面都有獨(dú)特的優(yōu)勢。該軟件包含了51，PIC，AVR，ARM7等系列單片機(jī)(嵌入式系統(tǒng))的仿真模型，并提供了功能強(qiáng)大的虛擬測試儀器。仿真和程序調(diào)試時(shí)，能夠很好地與第三方軟件兼容，具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能。另一方面，工程機(jī)械的控制系統(tǒng)中，經(jīng)常要使用力傳感器、角度傳感器、位移與速度傳感器等這類接收機(jī)械設(shè)備作業(yè)過程中產(chǎn)生的機(jī)械特性變化信號的傳感器。雖然Proteus元件庫中沒有上述傳感器，但是可以在Proteus軟件中用能輸出相同信號機(jī)理的其他電路來替換該傳感器電路，調(diào)試成功后，在最終完成的設(shè)計(jì)中，只需用該傳感器電路接到替換電路的接口上即可。

文章以齒轂齒套傾斜量檢測平臺為例說明這種基于Proteus的系統(tǒng)開發(fā)方法。根據(jù)檢測平臺的工作原理以及作業(yè)工況，檢測系統(tǒng)必須對同步器齒轂齒套傾斜量實(shí)時(shí)檢測，特別是當(dāng)超出公司給定傾斜量范圍時(shí)，要予以警報(bào)。系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)為控制核心，利用軟件的ISIS工具繪制電路原理圖并進(jìn)行電路仿真。硬件電路中應(yīng)包含以下4大功能區(qū)。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。通過ADC0832將模擬的電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號發(fā)送至單片機(jī)由于51單片機(jī)是將0～5v的模擬電壓量轉(zhuǎn)換為0～255級的數(shù)字量，因此程序設(shè)計(jì)時(shí)用A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)乘以頂升氣缸額定頂升量再除以255來表示當(dāng)前齒套的傾斜量。

（2）液晶顯示模塊。將采集到的電壓信號經(jīng)過單片機(jī)處理，顯示在LCD12864液晶顯示屏上。首先通過字模軟件對將顯示的漢字、數(shù)字進(jìn)行取模，再調(diào)用程序顯示在液晶屏。

（3）按鍵模塊。系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一組按鍵。其中，K1完成液晶屏從監(jiān)控界面進(jìn)入設(shè)置界面，并在設(shè)置界面上顯示當(dāng)前檢測對象的傾斜量；K2完成從設(shè)置界面返回至監(jiān)控界面。K3為檢測系統(tǒng)開始檢測，K4為停止檢測。

（4）蜂鳴器報(bào)警模塊。在同步器齒轂齒套傾斜量檢測過程中，當(dāng)檢測到的傾斜量超出公司預(yù)定值時(shí)，蜂鳴器開始報(bào)警，提示檢測傾斜量不合格。其仿真原理圖如圖6所示。

圖6 仿真原理圖

2.4 軟件設(shè)計(jì)

KeilC51是德國開發(fā)的單片機(jī)編譯器，它集編輯編譯，仿真于一體，支持匯編、PLM語言和C語言的程序設(shè)計(jì)，界面友好，易學(xué)易用，是非常強(qiáng)大的開發(fā)工具。在μVision4的仿真功能中有兩種仿真模式：軟件模擬模式和目標(biāo)板仿真調(diào)試模式。KeilC51軟件可以通過設(shè)置與Proteus聯(lián)機(jī)調(diào)試。

本系統(tǒng)采用KeilC51軟件，用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。單片機(jī)完成整個(gè)系統(tǒng)的控制功能，其程序包括主程序和子程序。子程序主要實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，包括LCD顯示子程序、按鍵設(shè)置子程序、中斷子程序、報(bào)警子程序、延時(shí)子程序等。

3 結(jié)語

文章在完成同步器齒轂齒套傾斜量檢測平臺的設(shè)計(jì)后，將Proteus軟件與具體工程實(shí)踐相結(jié)合，從原理圖布局、實(shí)時(shí)仿真、調(diào)試整個(gè)開發(fā)過程都在Ptoteus中完成，實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。由仿真結(jié)果顯示，該設(shè)計(jì)不但可以完成檢測系統(tǒng)的開發(fā)，減少勞動(dòng)力成本，提高檢測精度。另外，還在很大程度上避免了硬件測試的復(fù)雜過程，在省去各種精密儀器儀表使用的同時(shí)，大大降低了系統(tǒng)開發(fā)成本并極大提高研發(fā)速度，能夠很好地解決嵌入式系統(tǒng)開發(fā)周期比較長的問題，使得該系統(tǒng)設(shè)計(jì)對比其他檢測裝置，更具一定優(yōu)越性。

［1］賈玉靈，劉雅麗，石剛.汽車同步器總成間隙的研究與探討［J］.價(jià)值工程，2012，25（3）：23-25.

［2］周同磊，汽車變速器同步器［J］.現(xiàn)代零部件，2009，（3）：92-94.

The Design of Synchronizer's Tilting Detection System Based on Proteus

CHEN Tao，MEI Kai
（School of Electrical Engineering，Hunan Mechanical Vocational and Technical Institute，Changsha，Hunan 410151，China）

In order tosatisfy testing requirementsofsynchronizerassembly，thispaperdesignsasetof tilting detection system based on synchronizer's gear hub and gear sleeves.This paper not only finishes the design of detection system'smechanical structure，the hardware and software，also introduces the development of computer and single-chip microcomputer control of automobile synchronizerassembly's tilting testsystem，testprincipleand testsimulation.In addition，itputs forward themethod of system development based on Proteus.Proteus is used for schematic design，according to the characteristics of electronic componentsofProteussimulation testsystem ofmicro displacementsensor，and uses the Proteussimulation analysiswith the Keil jointdebugging，in theend,itdeducesthesimulation data.Comparedwithotherdetection device，thissystem ismoreperfectin terms ofaccuracyandautomation.

synchronizer'sgearhub and gearsleeves；single-chipmicrocomputer control；tilting；detection system；proteus

TP242.2

A

2095-980X(2016)08-0026-03

2016-07-07

陳濤（1987-），女，湖南岳陽人，碩士，主要研究方向：機(jī)電一體化。