在汽車雨刮器電機(jī)生產(chǎn)中，如何在線測試電機(jī)性能及電機(jī)振動(dòng)量，進(jìn)行測試數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及條形碼打印？工程師使用National Instruments公司的模擬采集卡及數(shù)字采集卡，配以振動(dòng)傳感器、磁粉制動(dòng)器、力矩傳感器、編碼器及可控穩(wěn)壓電源等開發(fā)了一個(gè)性能可靠的，經(jīng)濟(jì)、靈活的基于PC的電機(jī)測試系統(tǒng)。
大眾汽車公司生產(chǎn)的寶來A4轎車雨刮器電機(jī)為永磁式直流電機(jī)，電機(jī)工作電壓為13V，額定輸出功率為40W，電機(jī)引線為4線制，分別為高速端、低速端、復(fù)位端及接地端。雨刮器電機(jī)自帶減速箱，減速箱內(nèi)部有一開關(guān)，當(dāng)復(fù)位端接有13VDC電壓時(shí)，電機(jī)將先慢速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)蝸輪凸點(diǎn)到達(dá)復(fù)位點(diǎn)時(shí)，減速箱內(nèi)復(fù)位開關(guān)閉合，電機(jī)電樞被短路，電機(jī)能耗制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)雨刮器復(fù)位，同時(shí)電源斷路。
根據(jù)項(xiàng)目的技術(shù)要求，需要測試電機(jī)在一定負(fù)載條件下的高低速轉(zhuǎn)速、高低速速差、高低速電流、電壓、電機(jī)復(fù)位角，并使電機(jī)停在“裝車角”，此外還要測試電機(jī)在空載條件下的振動(dòng)。
開發(fā)軟件的選擇
在對(duì)世界上幾個(gè)優(yōu)秀工控軟件進(jìn)行了分析對(duì)比后，法雷奧公司的外方技術(shù)人員建議上海法雷奧汽車電機(jī)雨刮系統(tǒng)有限公司用LabVIEW軟件來開發(fā)制作專用設(shè)備，他們認(rèn)為“LabVIEW軟件最優(yōu)秀”。而根據(jù)上海法雷奧汽車電機(jī)雨刮系統(tǒng)有限公司生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際使用情況，工程師們在LabVIEW、VB及其他多個(gè)工控軟件中進(jìn)行了論證，最終選擇了LabVIEW軟件。
他們選擇LabVIEW軟件的主要原因是由于LabVIEW軟件編程簡單易學(xué)、界面友好、功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定、開發(fā)周期短。此外，由于上海法雷奧汽車電機(jī)雨刮系統(tǒng)有限公司此前使用LabVIEW軟件開發(fā)進(jìn)口設(shè)備時(shí)，對(duì)有關(guān)工程師進(jìn)行了LabVIEW軟件的培訓(xùn)，因此，工程師們對(duì)LabVIEW軟件系統(tǒng)很熟悉。
選擇板卡
項(xiàng)目共需要模擬輸入4路，模擬輸出2路，計(jì)數(shù)2路、數(shù)字輸入7路，數(shù)字輸出12路。選擇NI公司的模擬采集卡PCI-6024板卡，它有8路差分模擬輸入、2路模擬輸出、采樣速率為200KS/s，12bits、2路計(jì)數(shù)，8路數(shù)字I / O端。
另一塊板卡為數(shù)字采集卡PCI-6503：它有24路I / O端。
總體設(shè)計(jì)
□ 工程師們首先在C盤中開了幾個(gè)文本文件，文件中分別存有電機(jī)性能參數(shù)如電壓、電流、轉(zhuǎn)速等指標(biāo)的上下限；電機(jī)振動(dòng)參數(shù)指標(biāo)的上下限；振動(dòng)傳感器的調(diào)校系數(shù)；磁粉制動(dòng)器的非線性調(diào)校系數(shù)等。每次運(yùn)行程序時(shí)，先讀取以上幾個(gè)文本文件中的數(shù)據(jù)，作為判別電機(jī)好壞的指標(biāo)及測試系數(shù)。這樣作的好處是，這些關(guān)鍵參數(shù)只能由有關(guān)工程師才有權(quán)修改，而操作工是無法修改的，避免了人為測試誤差。（電機(jī)測試界面如圖1。）
圖1 電機(jī)性能及振動(dòng)測試界面
□ 為了保證測試電機(jī)端電壓的正確性，在電機(jī)端加了兩根反饋線，由穩(wěn)壓電源自動(dòng)調(diào)整。穩(wěn)壓電源也選擇了可控型，即由模擬采集卡輸出一個(gè)0～5V的可變信號(hào)，來控制穩(wěn)壓電源的輸出。這樣就保證了測試電機(jī)端電壓的正確性及程序可控性。
□ 磁粉制動(dòng)器也選擇了可控型穩(wěn)壓電源，不同的測試力矩選擇不同的工作電壓。因?yàn)榇欧壑苿?dòng)器是非線性元件，為了保證測試力矩的正確性，工程師們在電機(jī)測試端旋轉(zhuǎn)盤的下方安裝了經(jīng)過調(diào)校的扭力傳感器，并設(shè)計(jì)了調(diào)校程序。
調(diào)校方法為：先在電機(jī)旋轉(zhuǎn)測試端安裝一杠桿，在杠桿的一端吊500g砝碼，讀取扭力傳感器的電信號(hào)作為該點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。再依次吊1000g、1500g、2000g等不同的砝碼，讀取不同點(diǎn)的電信號(hào)。
將杠桿和砝碼拿去，在測試夾具上安裝一只被測電機(jī)并通電使其旋轉(zhuǎn)，然后逐漸加高磁粉制動(dòng)器的輸入電壓，這時(shí)扭力傳感器上的輸出電信號(hào)也逐漸升高，當(dāng)達(dá)到以上不同砝碼輸出點(diǎn)的電信號(hào)值時(shí)，分別記錄下磁粉制動(dòng)器的輸入電壓，這些電壓就是這些點(diǎn)的負(fù)載電壓，再根據(jù)二元一次方程，分別計(jì)算出相鄰兩點(diǎn)間的K及B值，即可得到磁粉制動(dòng)器任意點(diǎn)的近似負(fù)載工作電壓值。
□ 轉(zhuǎn)速測試用的編碼器選用PEPPERL+FUCHS公司的產(chǎn)品，分辨率為每轉(zhuǎn)2500個(gè)脈沖。利用模擬采集卡6024的兩個(gè)計(jì)數(shù)端，分別測量被測電機(jī)的轉(zhuǎn)速及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，這項(xiàng)工作在LabVIEW軟件的實(shí)例中已有，只要拷貝過來就可以使用。
□ 電流信號(hào)采樣選用30A/75mV 0.2級(jí)的電流分流器，再經(jīng)過電流變送器，變成0~5V的電壓送到采集卡模擬輸入端。
□ 電壓信號(hào)的采樣選用0~30V/0~5V電壓信號(hào)隔離器，將0~5V的電壓送到采集卡模擬輸入端。
□ 振動(dòng)測量選用PCB的加速度傳感器及放大器，每次測量時(shí)將裝有傳感器的吊袋放下，傳感器上的磁鐵吸在電機(jī)機(jī)殼上進(jìn)行測量，振動(dòng)信號(hào)經(jīng)“漢寧窗”及“頻譜”分析處理后輸出振動(dòng)波形。在10~4500Hz頻率范圍內(nèi)分成四個(gè)頻段，每個(gè)頻段的振動(dòng)量設(shè)有不同的上下限，用來發(fā)現(xiàn)電機(jī)不同的缺陷。
同時(shí)，連續(xù)測量一組電機(jī)振動(dòng)信號(hào)，用時(shí)間域來進(jìn)行鑒定分析。CGM（Case Growl Measurement機(jī)殼噪音測量）：它用來鑒定電機(jī)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)脈沖信號(hào)的波形，可測出電機(jī)轉(zhuǎn)子在每旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)振動(dòng)信號(hào)的最大值和最小值。它可以發(fā)現(xiàn)許多電機(jī)缺陷，如蝸桿齒、換向器缺陷、蝸桿在軸承檔有劃痕等。PRI（Pulse Ratio Index 脈沖比率系數(shù)）：它可以發(fā)現(xiàn)軸上兩點(diǎn)跳動(dòng)超差、軸彎曲、換向器表面有傷痕等。
不同的電機(jī)產(chǎn)品及不同的測試方法，其振動(dòng)波形是不同的。 只有在積累了大量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)后，才能正確地根據(jù)電機(jī)振動(dòng)波形來判斷電機(jī)的缺陷所在。
在振動(dòng)測量及噪聲測量方面LabVIEW軟件具有很強(qiáng)的優(yōu)勢，NI公司提供了振動(dòng)及噪聲測量軟件包，用戶只要根據(jù)自己的實(shí)際情況稍加改動(dòng)即可制成自己的應(yīng)用程序。
□ 為了保證振動(dòng)測試的準(zhǔn)確性，要定期對(duì)加速度傳感器及放大器進(jìn)行調(diào)校。調(diào)校時(shí)進(jìn)入振動(dòng)調(diào)校程序，用一個(gè)159.2Hz 1g（9.8m/s2）的標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)源對(duì)傳感器施加振動(dòng)，同時(shí)讀取放大器信號(hào)，看是否達(dá)到1g，并加以修正，將修正系數(shù)存入文本文件，以供測試電機(jī)時(shí)調(diào)用修正。
□ 測試數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存：在測試時(shí)，由于是同時(shí)在兩個(gè)工位上分別對(duì)一只電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測試及對(duì)另一只電機(jī)進(jìn)行性能測試，所以數(shù)據(jù)儲(chǔ)存時(shí)也用了兩個(gè)不同的文件，以日期為文件名，分別存儲(chǔ)在EXCEL文件中，在這里關(guān)鍵是要正確確定電機(jī)的序列號(hào)。
□ 條形碼打印：電機(jī)兩項(xiàng)測試全部合格后，由一臺(tái)“斑馬”條形碼打印機(jī)進(jìn)行打印，條形碼上記錄著產(chǎn)品型號(hào)、序列號(hào)、日期等，序列號(hào)同存儲(chǔ)文件中電機(jī)的測試序列號(hào)相一致，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可追溯性。
□ 在實(shí)際應(yīng)用中，怎樣快速地進(jìn)行設(shè)備故障檢測是帶有普遍性的問題。為了較方便、直觀地進(jìn)行設(shè)備故障檢測，可通過選擇主面板上“故障檢測”按鈕，進(jìn)入故障檢測子程序。該程序的面板上安放了設(shè)備所有用到的模擬、數(shù)字I/O端及計(jì)數(shù)端。（如圖2）
圖2 設(shè)備故障檢測測試界面
□ 模擬輸入端信號(hào)選用示波器顯示方式、模擬輸出端信號(hào)選用旋鈕控制輸出方式、數(shù)字輸入信號(hào)選用指示燈顯示方式、數(shù)字輸出信號(hào)選用開關(guān)控制輸出方式、計(jì)數(shù)信號(hào)選用按鈕及數(shù)字顯示方式。
這樣做非常直觀，任何輸出旋鈕、按鈕的動(dòng)作，都會(huì)引起接在相應(yīng)輸出端的電器元件的動(dòng)作，同時(shí)，任何接在外圍的開關(guān)、電器信號(hào)的變化都會(huì)在屏幕上顯示。這對(duì)設(shè)備維修來說非常方便，但有一點(diǎn)必須注意的是，在具體應(yīng)用時(shí)必須注意安全。因?yàn)橛行╇娖魅纾弘姍C(jī)、汽缸等，必須要在特定的條件下才可動(dòng)作，否則則易發(fā)生事故，所以在應(yīng)用時(shí)有必要加以一定的限制。
結(jié)束語：
上海法雷奧汽車電機(jī)雨刮系統(tǒng)有限公司的這個(gè)項(xiàng)目經(jīng)過1個(gè)多月的開發(fā)就已順利完成，現(xiàn)已投入正常生產(chǎn)使用，設(shè)備運(yùn)行非常穩(wěn)定。通過這次成功的應(yīng)用，上海法雷奧汽車電機(jī)雨刮系統(tǒng)有限公司的工程師們積累了制作經(jīng)驗(yàn)，也提高了今后用LabVIEW軟件開發(fā)制作更多的專用測試及生產(chǎn)設(shè)備的信心。
作者單位：上海法雷奧汽車電機(jī)雨刮系統(tǒng)有限公司
原載AI《汽車制造業(yè)》雜志
