汽车齿轮齿条转向器自动测一试调整系统设计

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2003年第2期 工业仪表与自动化装置 ·25 ·
汽车齿轮齿条转向器自动测一试调整系统设计
王万荣，丁国清
(上海交通大学信息检测及仪器系，上海200o30)
[摘要】介绍了基于工控机、PLC组成的汽车齿轮齿条转向器性能的测试调整系统的整体
设计方法和软硬件控制方法，给出了设计多部件协作控制的复杂性能测试平台的基本思路。
[关键词】PLc；程序；模块化；转向器；气动控制
[中图分类号】麟[文献标识码】B [文章编号】1000-0682(2003)02-0025-03
rI1 design of锄aut testiJ and adjusting system applicable to automobile steering-gears
WANG Wan-rong，DING ( qing
( J／aotong ty,a,~ ／ty， 200030， )
Abstract：This paper gives an introduction about the general design of a performance testing and adjusting
system for automobile steering-gears an d the control method of hardware& software based on both microcomput．
er an d PLC．The basic idea of designing a complex testing system with multi—components used to pe rform coor—
dinative control is also presented．
Key words：PLC；Program；Modularization；Steering-gears；Pneumatic control
转向器是汽车转向系统中的重要组成部分，而
齿轮齿条转向器是轿车转向系统中应用较普遍的一
种转向器。齿轮齿条转向器主要由齿轮、齿条和拧
紧螺塞组成。齿轮齿条完成转向传动，而拧紧螺塞
作用是对齿轮齿条的啮合松紧进行调整，最终控制
齿轮齿条啮合间隙和齿轮转动扭矩在规定的公差范
围内。
齿轮齿条转向器只有经过调整合格后才能进入
市场，而传统的测试调整过程主要依靠手动或半自
动方式进行，效率和精度都不高。该测试系统采用
微机全过程控制，能够实现对转向器进行加载磨合
和空载、加载测试，并且测试和调整全过程自动完
成；能够自动分析测试结果并对参数不达标工作进
行扭矩和啮合间隙的优化调整，具有统计分析功能，
大大提高了测试的准确度和生产率。
1 系统结构组成及设计思想
1．1 系统结构
设计要求是测试转向器齿轮在齿条不加载和加
载时的转动扭矩，测出齿轮齿条啮合间隙，并能根据
收藕曰期：2002-03-25
作者简介：王万荣(1978．)，男，江苏淮阴人，硕士，研究方向为计
算机检测及控制。
扭矩和间隙测试结果，对不合格工作尽量进行调整
到合格，最终对合格工件进行合格标记。根据该要
求，测试台整体结构设计如图l— l所示。
冀 条／ 加载夹具
／ ／
调整螺 _／／ 合器担丝堡壁琴
万向
夹具
减速器步进电机
图I—I 测试工作台整体结构示意图
硬件控制部分结构设计如图l一2所示。
1．2 硬件组成
1．2．1 上位机
上位机采用工业控制计算机，是整个测试系统
的核心部分，并配以A／D板、PIO板和驱动板。微机
通过这几块板卡对所有测试所得的模拟信号和数字
信号进行采集 对采集得到的信号进行处理后，通过
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· 26 · 工业仪表与自动化装置 2003年第2期
PIO板对外送出控制信号，实现微机自动控制。
图l一2 系统控制结构图
1．2．2 PIJ(=
采用德国西门子的s7—200。它的功能较多，
具有丰富的逻辑运算和数据处理能力，并且有定时、
脉冲输出功能。由于PIE逻辑运算功能比较强，其
拥有驱动能力和高可靠性的特点是计算机P10所无
法比拟的，所以PLC在多路工业控制中，运用较广。
1．2．3 气动阀及接近开关
PIE控制信号通过控制气动阀来控制气缸动作。
接近开关安装在气缸上的适当位置，用来检测气缸动
作是否到位。这样可实现对气动阀组合控制。
1．2．4 步进电机
采用五相步进电机和相应的驱动器。转向器齿
轮齿条相对位置和啮合松紧螺塞的精确运动和定
位，都是通过控制步进电机转动的脉冲数及脉冲频
率来实现。
1．2．5 传感器
根据测试扭矩和啮合间隙的需要，采用扭矩传
感器和位移传感器。扭矩传感器采用HBM公司产
品，测量范围一20～+20 N／m。由于啮合间隙比较
小，需要精确到0．001ram，故位移传感器采用电感式
位移传感器，可满足精度要求。
1．3 整体控制原理
在测试系统中，工业控制计算机作为上位机和
PLC进行通信，同时控制两个步进电机转动，对齿轮
齿条啮合扭矩和啮合间隙进行采样，并实时在屏幕
上输出处理结果。当工件不合格或设备故障时，报
警并结束测试，向PLC发送停车信号。手动状态
时，PIE根据控制开关的输入信号，执行对应程序
块，控制气缸实现对应功能。自动状态时，PIE 向上
位机发送工作组态信息，接收上位机进行的下一组
动作信号和停车信号 进行相应动作控制或停车处
理，同时实时监测气缸动作是否到位和上位机是否
长时间没响应，据此判断执行下一个动作还是报警
退出流程。
1．4 主要测试技术
1．4．1 啮合位置定位
设计要求在齿轮齿条啮合总行程中间一定范围
内进行测试，这需要测试时对齿轮和齿条的啮合位
置进行判断。实现啮合位置判断的方法如下：通过
同时对发给步进电机的脉冲数和步进电机带动齿轮
转动的扭矩进行检测，从而定义出左右两极限位置
和中间位置。先驱动步进电机正转，一旦扭矩达到
一定值，就认为啮合点是在齿条一端，然后驱动步进
电机反转，同样方法判断出齿条另一端，两者之间的
步进电机转过的脉冲数即为齿条全程脉冲数，据此
对齿条中点做出准确定位并进行测试工作。
1．4．2 步进电机控制技术
步进电机在高速起步时的抖动造成输出的扭矩
剧烈变化，给测试带来障碍，而且速度过高时电机将
无法启动。系统中实现步进电机高速转动的解决方
案是步进电机低速启动，然后逐步提高步进电机转
速到指定的速度。而电机起步抖动影响测试结果的
解决方案是在距离工件测试位置之前(相距一些电
机启动脉冲)让电机启动，达到指定测试位置时开始
采样，从而消除步进电机的输出扭矩抖动对测试产
生的影响，最终测量到真实平滑的扭矩值。
2 程序设计
2．1 PLC程序设计
PLC程序采用梯形图法设计，整个程序分成5
个模块：状态判断模块、自动测试模块、手动测试模
块、定时器模块、输出控制模块。状态模块实时监测
当前状态，判断进入测试的初始状态是否满足和当
前状态是测试还是等待，并决定是否报警。自动测
试模块是根据测试流程进行编写的，特点是用寄存
器变量表示当前测试状态，动作状态前后衔接，依次
执行，并根据需要停止执行，等待上位机脉冲指令执
行下一动作组合，还可设置动作循环(由上位机控
制)，并可在错误发生或工件不合格时直接跳出，退
出夹具。手动测试模块是在手动状态时监测按钮，
实现相应的简单动作组合控制。定时器模块的定时
器组实现动作延时、超时报警和报警灯闪烁几个功
能。输出控制模块根据手动、自动和寄存器变量状
态驱动气缸和报警信号灯，并负责输出通信信号给
七位机。 。
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2．2 上位机程序设计
根据人机对话需要，测试软件使用Visual C一
进行编写。整个软件按测试功能分为几个模块，每
个模块实现一个功能，由主程序调用各个模块。其
中测试部分分为几个小的模块，这样设计的优点是
用户可根据自身需要把各个小模块按一定要求自由
依次组合，加强测试操作的灵活性。程序的具体模
块如图2- 1所示。
图2— 1 软件结构模块图
其中自检模块完成对I／O板的输入输出、A／D
板、步进电机及与PLC通信的自检，保证系统工作
正常、稳定。
SPC(statistical process contro1)模块实现根据记录
的历史数据画出控制图，分析工序能力。应用统计
学原理监控生产过程，判断过程是否处于“在控”状
态，及时发现生产过程的不稳定因素，提供生产调整
依据。
测试模块中的扭矩调节是指在测出扭矩不合情
况下，通过控制图1—1所示的调整电机拧松或拧紧
控制齿轮齿条啮合松紧的螺塞来改变啮合扭矩和啮
合间隙，实现自动调整产品至合格功能。
3 测试结果
中间扭矩测试要求测得曲线在扭矩公差带内，
如不合格则根据测试结果和合格标准两者数据进行
调整螺塞松紧然后重新测试是否合格，最多调整6
次。如图3— 1所示，试验经过3次调整测得曲线达
到要求。
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— — 宝；；暑 鲁备麓目擘_二 誊 第一次调整
＼ 初始曲线
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图3一l 中间范围测试调整扭矩图
中间测试调整合格后，进行空载全程扭矩测试。
一组测得曲线如图3— 2所示，测得曲线位于公差带
内，达到合格要求。．
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图3—2 空载全程测试扭矩图
4 结束语
系统已投入运行半年，运行情况良好，证明系统
设计合理，测试精度较高，使用方便，稳定性好，大大
提高了齿轮齿条转向器的生产效率。该文对工业自
动控制检测系统起一定借鉴作用。
系统设计方法中的多部件协调控制和测试系统
的软件设计对于多数性能测试系统设计具有普遍借
鉴意义。 ‘