某系列綜合傳動裝置空載試驗臺自動化改造研究與應用

李敏 鄒建洪 林雪玉 秦悅寧 李建雄 楊柳

（1江麓機電集團有限公司，2湖南理工職業技術學院）

0 引言

隨著現代工業的不斷發展，自動化技術水平的高低已經成為衡量一個國家國民經濟發展水平和現代化現代化程度的標志。當前工業自動化技術已經在我國很多行業中得到了應用，自動化控制大大減輕了人工負擔，有效提升了工作效率，提高了生產質量，同時自動化的應用也是科技發展的體現。本文對公司空載試驗臺進行自動化改造，逐步實現公司綜合傳動裝置空載試驗系統的自動化，以自動化為橋梁探索符合工廠實際的智能制造方法。

1 現狀問題分析

公司內多臺空載試驗臺，用于某系列綜合傳動裝置出廠檢驗的空載試驗。單臺產品試驗過程累計317個操作步驟，且需要對803 項數據進行實時監測，對1852 項數據進行采集，試驗操作勞動強度大，試驗持續時間長，空載試驗臺的產能已經開始逐漸跟不上日益增長的生產計劃。

另一方面空載試驗臺交驗效率低。試驗人員磨合試驗自檢合格后，需要再次進行磨合試驗，由檢驗員現場驗證各項數據合格才能進行下一步試驗。完成最終試驗后需手動打印后進行人工匯總，對同批次產品綜合性能的統計分析較為不便。

2 預期效果

根據試驗內容及流程要求，對空載磨合試驗、空載轉向試驗、空載直使試驗、拖泵試驗、風扇泵空載試驗、齒輪泵空載和加載試驗及密封試驗等各個項目實現自動控制。對試驗過程中被試件的轉速、轉矩、溫度、壓力、流量、空損等幾千項測點數據實現全自動采集，對試驗設備和被試件異?，F象實現自動監測、報警和安全停車。利用遠程服務器實現對現場試驗設備遠程控制與監測，可對試驗數據集中管理，可利用接口擴展實現一機多控功能。

3 方案實施

空載試驗臺自動化改造主要包括以下部分：自動控制改造，即更新驅動單元調試方式、新增自動換擋功能、新增自動轉向、新增試驗后放油自動控制等；試驗數據自動采集改造；新增遠程監控、數據庫功能；。

3.1 更新驅動單元調速方式

采用工控機通過RS485 總線與變頻器進行通訊，由工控機發出調速指令，變頻器對變頻電機的轉速自動進行調節，電機編碼器將轉速信號反饋給變頻器，可以形成對轉速的全閉環控制，這種調速方式調速性能好，系統特性曲線較硬，轉矩變化對系統速度擾動幾乎不計。

通過工控機、變頻器自動調速控制，輸入轉速具有使能控制、正反轉控制、自動無極變速功能、自動恒速等功能。

3.2 增加自動換擋功能

在保持原有手動換擋功能的同時，增加自動換擋功能。通過PLC按照變速箱的實際工況給出控制信號，控制電磁閥組完成檔位自動切換。并且在工控機軟件中和PLC 程序中都設置了保護程序，確保不會出現跳擋和無延時換擋現象的發生。

3.3 增加自動轉向功能

用自動轉向系統替代原有轉向手柄、蝸桿等組成手動機械轉向裝置。該系統由步進電機驅動模塊、帶離合器的步進電機、接近開關、前梁等組成。

工控機控制PLC 向步進電機驅動器發出脈沖和轉向信號，控制步進電機的轉向、速度和角度，從而帶動前梁進退，以此來帶動轉向擺臂轉向。加裝了接近開關（雙向）以保證機械限位，當接近開關動作后，可以判斷，轉向擺臂轉到了工位角±30O的極限位置，在此位置保持3 分鐘（時間由工藝要求決定）。保持時間達到后，工控機通過PLC 控制離合器斷開，轉向擺臂自由落下，回到工位角0°位置，可以實現自動轉向的目的，既可靠又能提高效率。

3.4 增加自動換油功能

原設備在完成磨合試驗后，需要等變速箱內油溫下降至50℃以下方可手動換油，工作效率低。設計自動放油裝置，由直線步進電機推動頂珠實現自動放油。當磨合試驗完成后，工控機向PLC 發出指令，PLC 控制電機將頂珠頂起，產品中的油自動放回油槽中，既能降低試驗勞動強度，也能縮短試驗時間。自動放油裝置結構圖如下：

3.5 數據自動采集

由PLC 給出采集信號，各參數的物理量都是由傳感器（含壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、扭矩傳感器、轉速傳感器等）獲取，變換成電信號，經調理、放大、屏蔽處理，數據采集處理后，傳輸至工控機，并能自動生產試驗報表。信號采集系統框圖如下：

3.6 軟件改造升級

在原有軟件基礎上，根據自動控制的需求進行升級改造。新版軟件由控制軟件、測量軟件、診斷軟件和數據庫組成。

3.6.1 控制軟件

控制軟件包含主控軟件和PLC 梯形圖軟件兩部分。主控軟件主要負責試驗流程控制，包括操作授權模塊、專家庫授權模塊、報警庫授權模塊、性能試驗程序模塊、數據試驗程序模塊、封閉試驗程序模塊、專家庫數學分析模塊、報警庫對比模塊、試驗報告生成模塊等。PLC 梯形圖軟件主要負責功能和安全控制，主要包括：動力、換擋、轉向、拖車泵、風扇泵、齒輪泵、散熱器冷卻等及其它控制程序。

3.6.2 測量軟件

測量軟件通過人機對話獲得參數修改權限，可進行傳感器參數標定、通道選擇、零點校正等。另一方面，測量軟件具備相應的數字濾波功能，以濾除這些雜波干擾信號，數字濾波器可開啟和關閉。

3.6.3 診斷軟件

在軟件中對常見故障進行了編輯，試驗過程中一旦設備或功能出現故障，將自動給出報警，并顯示故障、事故發生的時間、地點及性質。

3.6.4 數據庫

數據庫用ACCESS 小型數據庫。它是在小型數據庫領域一直處于領先地位的產品，系統可移植性好、使用方便、功能強，適用于各類大、中、小、微機環境。

數據庫包括實時數據庫和歷史數據庫，實時數據庫實時性能好，滿足試驗試軟件對所需數據的要求。歷史數據庫從實時系統中接受數據與事件并存儲、統計。

3.7 新增遠程監控功能

主要由中央控制室操作員工作站（也稱工作總站、遠程監控主機）軟件系統及工位操作員工作站（也稱子站、從機）系統軟件組成。工作總站可監測子站所屬空載試驗臺工作狀態及實時試驗情況，也可對子站下達試驗流程，遠程控制試驗進行，并能自動接收各工位操作員工作站試驗數據，自動存貯試驗數據或上傳至公司內部網。

4 應用效果分析

4.1 降低勞動強度，提高試驗產能

改造后的自動化試驗臺以自動化為基礎，利用自動控制技術及軟件分析處理平臺，做到試驗步驟、數據檢查、數據采集自動控制，在空載試驗臺未出報警的情況下，通過一鍵啟動可完成整套試驗，將單臺次產品的試驗時間由22.34 小時縮減至20 小時以下，大大降低試驗操作人員勞動強度。

4.2 統計分析試驗產品性能，助力產品可持續化改進

通過遠程監控系統的文件傳輸功能，將離散型的試驗數據進行匯總，對產品的最終試驗數據進行分類統計，進行橫向比較，并生成圖表，分析產品的一致性，從而對產品進行有針對性的可持續改進。

4.3 數據采集的有效性得到可靠保障

為了解決試驗臺改造前數據采集受干擾，波動大的問題。采用了三組獨立隔離型電源模塊供電：Ue3、Ue4、Fn1、Fn2 一組，Rt 一組，風扇泵電磁閥一組；信號線采用測量專用電纜，并做了分項屏蔽和雙層屏蔽處理，防止共地干擾和電磁干擾。另一方面，在軟件中優化了濾波算法，對于油溫、油壓等量是非快速變化信號用64 點快速FFT 算法計算出直流分量，在此基礎上，對油溫信號，首先采用中位值濾波法，再采用限幅濾波法；對油壓信號，先采用限幅濾波法，再采用消抖濾波法。對于頻率信號，直接用快速FFT 算法，得到信號頻率。通過不同信號的特性，采用合適的濾波算法，有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，有良好的濾波效果。在試運行過程中，采集數據顯示基本無波動，產品檢測數據得到了較好的可靠性。

4.4 降低消耗，節約試驗成本

通過優化傳動結構，利用變頻調速的優勢，采用軸間直連的方式替代原有增速箱傳動，避免了增速箱的損耗。原設備每年損耗1-2 個增速箱，每臺增速箱約3 萬元。另一方面，自動化試驗臺具有自動采集、自動控制及邏輯判斷功能，減少每臺產品的試驗時間，大大降低電力消耗。

5 結語

本文通過對空載試驗臺進行自動化改造，將原試驗臺手動換擋，手動轉向、實時人工采集等手動操作改成了全自動操作，初步實現整套試驗流程的自動化，生產效率將顯著提升、勞動強度大幅降低，試驗數據的可靠性和穩定性也得到有效保障。對于探索符合工廠實際的智能制造方法，走向智能化、網絡化、便捷化的道路，具有較大的意義。