汽车减震器试验台计算机控制系统方案

版本：3汽车减震器双动试验台计算机测控系统方案设计江苏科技大学机械工程学院2011-08-02汽车减震器双动试验台计算机测控系统方案设计 江苏科技大学现代制造技术研究所一、 整体功能介绍汽车减震器双动试验台可用来测试汽车减震器的一些关键特性，也可模拟减震器装于车上在道路上行驶的实际工作状况，通过上下激振同时运动，对减震器进行耐久性能试验。本公司设计的汽车减震器双动试验台原理图如图1所示，这也是本测控系统的控制对象。图1 汽车减震器双动试验台原理图按照国标要求，本测控系统可完成以下几种测试功能：1、减震器性能试验1）性能试验整体要求a) 单动：一端固定，另一端实现谐波（正弦）运动。b) 行程可调，至少为100mm，测量精度高于1%。c) 有级或无级变速。最大试验频率至少为5 Hz。d) 功率足够大。在速度为1.0m/ s时，检测减振器速度误差小于1%。e) 力传感器,其精度高于1%。f) 减振器示功试验台的3 次检测误差要小于3或40N。g) 测量过程自动记录、保存、处理及输出。2）减震器示功特性（阻力特性）测试定义：a) 示功特性 (阻力特性)：减振器在规定的行程和试验频率下，两端作相对简谐运动，其阻力（F）随位移（S）的变化关系为阻力特性，其所构成的曲线（F-S）称示功图。b) 速度特性：减振器在规定的行程和多种试验频率下，两端作相对简谐运动时，其阻力（F）与速度（V）的关系为速度特性。在多种速度下所构成的曲线（F-V）称速度特性图。c) 摩擦力（Fm）：减振器以0.005m/s的速度，其力定义为摩擦力。d) 充气力 （Fc）：对于充气减振器，活塞处于行程的中间位置时，气体作用于活塞杆上的力为充气力。测量条件：a) 试件温度为203。测试前，需将减振器在203的温度下至少存放6 个小时；b) 运动方向如没有特别说明，垂直方向；c) 减振器活塞位置在减振器行程的中间区域。测量过程：a) 做5个排气过程，行程100mm 和试验频率1.67Hz（V=0.524m/s）或0.83Hz（V=0.262m/s）。如减振器行程不够，建议采用行程50mm 和试验频率3.33Hz 。b) 测摩擦力，试验行程为减振器示功行程，测试速度 0.005m/s，在行程中点测摩擦力Fm（行程中点5范围内读取）。Fm = (Fmf Fmy) / 2式中： Fmf复原时的摩擦力（N）Fmy压缩时的摩擦力（N）对于充气式减振器，在测摩擦力时，也可以计算出充气力（Fc）Fc = (Fmf + Fmy) / 2c) 阻力的测量，在测量阻力时，为了保证测试的正确性，阻力值在行程中点5范围内读取。测试条件见表1。表1 阻力测量条件数据处理：a) 数据分析时，除了打印出阻力、摩擦力和充气力以外，还需绘制示功图，见图2。减振器的速度特征可通过速度特性图来表达，见图3。图2 FS 图 图3 FV 图3）减震器抗泡沫性测试定义：a) 减振器在规定的条件下， 重复运动后，减振器内的油可能产生泡沫。其示功特性抗泡沫影响的能力。测量条件：a) 测试前，需将减振器在203 的温度下至少存放6个小时。b) 此外，为了控制温度，必须在贮液缸外径导向器的高度的位置上，安置一个温度探头，并与外部隔绝。c) 在100mm 的行程下，用正弦传动装置（如：曲柄连杆传动）进行测试；也可根据不同的减振器，选用较小的行程测试。测量过程：a) 做5个排气过程，行程100mm 和试验频率1.67Hz（V=0.524m/s）或0.83Hz（V=0.262m/s）。如减振器行程不够，建议采用行程50mm 和试验频率3.33Hz 。b) 做99 个预行程，在f=3.33 Hz，Vmax = 1.04m/ s 时，测量一个循环。注意：温度不能超过110。数据处理：a) 绘制一张力位移（F-S）曲线图；在第100 个行程，波动不能超过测试行程的25。b) 将实际曲线上折返点与切入点之间的距离与理想曲线上的比较，即可确认曲线的波动幅度，如图4所示。图4 F-S曲线波动图4）减震器温度特性测试定义：a) 减振器在规定的速度下，并在多种温度的条件下，所测得的阻力（F）随温度（t）的变化关系为温度特性，其所构成的曲线（F-t）称温度特性图。测量条件：a) 试验温度：20，-30, 15，0，40，80，20，温差为3。在达到所规定温度后，试件保温6小时。b) 运动方向：铅垂方向。c) 活塞位置：减振器行程的中间区域。d) 速度：0.52m/s，行程为100mm。试验频率为1.67 Hz。如减振器工作行程低于100mm，采用50mm行程，试验频率为3.33Hz。测量过程：a) 做5个排气过程，行程100mm 和试验频率1.67Hz（V=0.524m/s）或0.83Hz（V=0.262m/s）。如减振器行程不够，建议采用行程50mm 和试验频率3.33Hz 。在-30测试时，无排气行程，做2个速度为0.52m/s的预行程。b) 按表1中的条件进行测试。数据处理：a) 按图5 所示，绘出试件的温度特性F t 曲线。图5 F-t曲线图b) 计算衰减率记录V=0.52m/ s 时，各温度下的阻力；复原（压缩）衰减率为：式中, Ff 20 试件在20时的复原阻力。FY 20 试件在20时的压缩阻力。Ff 80 试件在80时的复原阻力。FY 80 试件在80时的压缩阻力。温度特性要求值：当速度为0.52m/s，在-30 时，其衰减率不小于200；在80 时，其衰减率不大于20。第一次和最后一次测量（+20）所得的阻尼力差值，应小于100N 或7。2、减震器耐久特性试验1）定义a) 减振器在规定的工况条件下，在规定的运转次数后，其特性的变化称为耐久特性。2）整体要求a) 叠加运动；下端（筒身端）进行上下的高频运动，上端（活塞杆端）进行上下的低频运动。b) 机器要装有计数器，自动记录循环次数。c) 机器要装温度测量仪，并当温度超过特定数值时，有自动关闭机构（或转为低速运行）。d) 机器要装有强制冷却装置，一般为水冷，对试件进行冷却。3）试验准备a) 尽可能地去除连接件（如防尘罩），以增大冷却面积。b) 测量试件的阻力特性，并称重量。作为耐久特性试验前的数据保存。c) 试件的活塞位置位于减振器工作行程的中间区域。上下位置应对中良好，垂直方向安装。并安装强制冷却装置及温度仪。4）测试方法a) 温度控制为了控制温度，必须在贮液缸外径导向器的高度，安置一个温度探头，并与外部隔绝。必须以强制冷却方式控制温度在6580 的范围内。当阻尼值较高时，温度超过80时有时必须设定一个持续冷却的停顿时间。在油被快速混合和冷却时，活塞运动可在低速状态下进行；此类循环次数。不记入耐久性试验循环次数。如减振器温度未达到65，按自然状态进行耐久特性试验。b) 试验条件按照下述条件进行叠加运动：低频为f1=1Hz，行程S1=80mm，高频为f2=12Hz，行程S2=20mm。工作循环次数为低频5105次。或低频为f1=1.67Hz，行程S1=100mm，高频为f2=10.33Hz，行程S2= 16mm。工作循环次数为低频5105次。加载侧向力：如减振器在工作时，承受较大的侧向力，则可以根据客户要求，在耐久特性试验时，加载侧向力，大小由双方协商。5）结果评判a) 阻尼力变化：耐久特性试验前后的阻尼力变化不得超过 20%F+ 50N。b) 示功图：V0.524m/ s 时，波动不得超过20%；V1.048m/ s 时，波动不得超过40%。c) 油耗：无可视的泄漏，油雾化不超过加油量的15。油耗通过测量减振器在台架试验前后的重量获得。d) 目测检查：在台架耐久特性试验后，拆开试件，作目测检验。各零件不能出现影响减振器功能的损坏。注：特殊情况: 如减振器行程小于100mm，则低频行程及高频行程为原值（S1,S2）的二分之一；如减振器行程小于50mm，则低频行程及高频行程为原值 (S1,S2) 的四分之一。20二、 控制系统硬件设计汽车减震器双动试验台计算机测控系统由数据采集卡、工控机、激光打印机、外围传感器、信号转换隔离模块、高精度稳压电源、中间继电器、开关电源、按钮及旋钮、电磁阀、变频器、电机、泥水泵、加热器、注油机、报警灯等几部分组成。系统硬件原理图如图6所示。图6 系统硬件原理图注：1、压力传感器可配置为不使用，如不用的话，则无法在界面上看到侧向力的加载力值，此时需用户手动将压力表上的压力填入测控系统中，由其自动进行换算；2、力、温度信号显示小数点后1位；3、物理按钮只有两个急停按钮（分别布置在控制柜及试验台上），其它按钮（如手动/自动、上电机启动/停止、下电机启动/停止、手动注油、加热器开/关、冷却水开/关等）都是计算机屏幕上的虚拟按钮。4、报警指示灯为3色灯，如有故障或按下急停按钮，则红色灯管亮；如停止工作则黄色灯管亮；如正在工作则绿色灯管亮。本控制系统模拟量信号输入共有11路（如屏蔽侧向力信号则有9路），这些信号每10ms通过PCI-6221采集卡的模拟量输入通道（AI）采样一次，模拟量信号和采集卡间采用参考单端方式（RSE）连接，典型的模拟信号输入接线图如图7所示。图7 典型的模拟信号输入接线图本控制系统模拟量信号输出共有2路，这些信号每10ms通过PCI-6221采集卡的模拟量输出通道（AO）输出一次，其典型的模拟信号输出接线图如图8所示。图8 典型的模拟信号输出接线图本控制系统编码器输入信号共有2路，这些信号由PCI-6221采集卡的高速计数模块进行计数，其典型的编码器信号输入接线图如图9所示。如果将编码器换成接近开关，则其接线图如图10所示。图9 典型的编码器信号输入接线图图9 典型的高速计数信号输入接线图本控制系统开关量输入信号共有5路，这些信号每100ms通过PCI2310采集卡的开关量输入通道（DI）采样一次，其典型的开关量信号（为NPN型）输入接线图如图11所示。图11 典型的开关量信号输入接线图本控制系统开关量输出信号共有15路，这些信号每100ms通过PCI2310采集卡的开关量输出通道（DO）输出一次，其典型的开关量信号输出接线图如图12所示。图12 典型的开关量信号输出接线图三、 控制系统软件设计采用Microsoft Visual Studio.Net 2008、NI Measurement Studio 2009及NI-DAQmx 9.02作为汽车减震器双动试验台计算机控制系统的开发平台。系统的软件方案如图13所示。它由人机界面（包括中英文界面，并可显示多种单位制，包括N、Kg、g、等）、减震器耐久寿命试验过程控制模块、信号采样及处理模块、电机速度控制模块、泥水温度控制模块、侧向力控制模块、传感器标定模块、试验参数设定模块、试验结果显示及处理模块等组成。下面介绍一下主要功能模块的功能设计方案。图13 汽车减震器双动试验台计算机测控系统软件方案1、信号采样及处理模块本系统中信号采样的基础周期为10ms。每10ms获取一次模拟信号的采样值，然后通过滤波、转换得到各个模拟量的实际值；同时每10ms获取一次编码器的计数值，然后通过计算得到编码器相对于基准旋转过的角度，该角度也用于计算上下激振台当前所在的位置，也可计算出编码器的旋转速度，该速度也用于换算上下激振台的运动速度；开关量信号的采样、处理和输出周期为100ms（利用Windows系统的定时器来实现）。注：1、为了能够准确的知道当前编码器所在的角度，系统启动时必须有一个归零过程（类似于数控机床），系统控制上下电机以较慢的速度旋转（旋转频率0.10.2Hz），当捕获到编码器输出Z向脉冲时，将当前角度置为0度（可加补偿值使该角度为一实际存在的角度）。2、如果将编码器换成PNP型接近开关，则系统启动时没有归零过程，此时可通过高速计数的方式得到上下激振台的旋转圈数，再除以时间即可得到上下激振台的转速，但并不能准确获知上下激振台某一时刻所在的角度，此时只能假设上下激振台是匀速旋转，依次来估算出上下激振台在某一时刻位置。2、电机速度控制模块上、下传动电机的转速控制是本试验台正常工作的一个基础，其控制方案如下图所示。工控机通过编码器实时测量曲柄连杆机构的转角；然后通过PCI-6221采集卡中的高速计数模块定期获取当前旋转角度，并计算出实际转速；接着通过增量式PID算法修正实际转速和目标转速间的偏差并通过PCI-6221采集卡中的模拟量输出模块输出控制目标值至变频器；最后由变频器实时控制传动电机的旋转，以实现速度的闭环控制。图14 转速闭环控制原理框图注：如果将编码器换成PNP型接近开关，则速度控制精度会有所下降。3、手动控制模块该模块和各种物理或虚拟的按钮、旋钮配合，主要实现上、下电机的起停控制、手动注油、冷却水开/关等功能。用户可以在该模块中设置上、下电机旋转速度，也可实现给定角度旋转（需和编码器配和使用）、定量注油等功能。4、性能试验模块该模块由阻力特性试验子模块、抗泡沫性试验子模块及温度特性试验子模块组成，用户打开某一性能试验子模块，按照实际情况修改试验参数，点击“试验”按钮即可按照国标要求开始试验，试验完成后可保存或打印试验结果。注：1、通过对编码器Z向脉冲（或接近开关发出脉冲）的累加，即可实现循环次数的计数。2、性能试验开始前，系统会自动将下激振台旋转到最低点（慢速），然后通过电磁抱闸将其锁死（锁死前后有延时时间），以避免下激振台的晃动对性能试验照成影响。5、耐久特性试验模块该模块用于试验减震器的耐久特性，用户按照实际情况修改试验参数，点击“试验”按钮即可按照国标要求开始试验（试验时在界面上可动态显示位移、力值、温度等多条曲线），试验完成后可保存或打印试验结果。注：1、通过对编码器Z向脉冲（或接近开关发出脉冲）的累加，即可实现循环次数的计数。2、耐久试验时可自动存盘，并可设置自动存盘间隔（次数），测试过程中可暂停和恢复，测试过程如异常中断（停电）后可从最后一次自动存盘点恢复。6、参数设定模块该模块用于设定系统工作所需的一些关键参数，如转速与激振台线速度间的函数关系、上下电机零点角度补偿、自动注油周期、编码器参数、归零旋转速度、手动旋转速度、编码器转角与激振台位置间的函数关系、系统温度上限等。这些参数都是存放于参数数据库中。7、传感器标定模块该模块用于建立个传感器的采样值与实际物理值间的函数关系，包括力传感器信号转换函数、压力传感器信号转换函数、红外温度传感器信号转换函数、泥水温度传感器信号转换函数。这些函数关系都是存放于参数数据库中。8、试验结果显示及处理模块该模块用于显示和处理试验结果，包括试验结果的显示、报表生成、打印、存储及历史试验结果文件的浏览等功能。9、泥水温度控制模块该模块和耐久特性试验模块配合，用于控制泥水泵的工作，模拟减震器的实际工作状况及给减震器降温。其工作参数是在耐久特性试验模块中设定的，可设定其工作模式、开始工作温度上限、停止工作温度下限、加热器启停条件等。10、侧向力及摆动控制模块该模块和性能试验模块、耐久特性试验模块配合，用于控制侧向力的加载模式及减震器的摆动工作模式。其工作参数是在性能试验模块、耐久特性试验模块中设定的，可设定加载次数、加载周期、循环方式等。四、 控制系统元器件清单控制系统元器件清单如表2所示，根据客户要求，规格型号大部分都是施耐德品牌的元器件，贵方可根据需要进行调整。同时有一些元器件的选型和其它机电部件有关，请贵方按照设计要求进行选型；此外还有一些元器件是可选件，请贵方酌情增减。表2 控制系统元器件清单序号名称数量要求规格型号备注1工控机1CPU：双核，2.4G以上内存：2G及以上PCI插槽：3个及以上电源：ATX电源研华或研祥工控机2控制柜内用多用插座13P*3 10A施耐德：PC3-4-10（3个）也可选用普通多用插座，如APC 防涌插座P4E-CH3模拟量采集卡1套模拟量输入：13路（16位采集精度）编码器输入：2路模拟量输出：2路美国NI公司 采集卡 NI PCI-6221(37针) 线缆 SH37F-37M Cable (1m)接线盒 CB-37FH 4开关量采集卡1套开关量输入：10路开关量输出：14路北京阿尔泰、PCI2312（16DI、16DO）线缆及端子板5开关电源1输入：220V AC；输出：5V 2A，24V 2A，24V 5A；要求具有短路和过载保护及故障消除后自恢复功能施耐德：ABL8MEM05040（5V 4A）+ ABL8RM24030（24V 3A）+ ABL8RM24050（24V 5A）6力传感器及调理模块4套力传感器（量程：2T，线缆：10m）调理模块（电源：24V DC，输出：10V，安装方式：DIN导轨安装）美国世铨S型力传感器对方要求使用美国世铨7压力变送器2套量程：1MPa，电源：24V DC，输出：0-10V施耐德Osiconcept系列可选8温度传感器5PT1009双路温度传感器调理模块3电源：24V DC，输出：0-10V厦门宇电AI-7021D5配套购买一个“E8手持编程器”10编码器及联轴器2电源：5V DC，分辨率：200脉冲/转，输出：A、B、Z三相的推挽（互补）输出，电缆长度：10m施耐德Osicoder光电旋转编码器XCC 1506PS03Y（配10m线缆和联轴器）7、8二选一11霍尔开关/接近开关2电源：5V DC，PNP型，电缆长度：10m施耐德电感式接近传感器（根据安装要求进行选择）7、8二选一12侧向力加载汽缸电磁阀124V DC控制13摆动汽缸电磁阀124V DC控制14电动注油机124V DC控制裕祥YET-B1电动注油机15变频器2松下根据电机功率选择16上下激振电机用断路器2带OF状态指示接点用于指示断路器的分合状态施耐德C65系列小型断路器（带OF状态指示接点）根据电机功率选择17泥水泵用断路器1带OF状态指示接点用于指示断路器的分合状态施耐德C65系列小型断路器（带OF状态指示接点）根据泥水泵功率选择18搅拌泵用断路器1带OF状态指示接点用于指示断路器的分合状态施耐德C65系列小型断路器（带OF状态指示接点）根据搅拌泵功率选择19控制柜内用微型断路器16A 1P施耐德C65H-DC 1P B 6AA MX20总电路用断路器163A 4P施耐德C65L-D63A/4P VE 300mA21加热器用断路器1带OF状态指示接点用于指示断路器的分合状态施耐德C65系列小型断路器（带OF状态指示接点）根据加热器功率选择22泥水泵用交流接触器1控制电路24V DC施耐德TeSYS系列接触器根据泥水泵功率选择23搅拌泵用交流接触器1控制电路24V DC施耐德TeSYS系列接触器根据搅拌泵功率选择24加热器用交流接触器1控制电路24V DC施耐德TeSYS系列接触器根据加热器功率选择25中间继电器2024VDC 10A施耐德：RXM2AB2BD+RXZE2M114+RXM040W26报警指示灯1三色LED信号灯柱，有红、橙、绿三色，电源为24VDC施耐德：XVC 1B3SK27急停按钮2施耐德：XB5AS542C28门磁开关2用于检测上下连杆滑块机构的门是否关好施耐德：XCSDMR590L01M12可选29接线端子及线缆现配30电涌保护器1可选