汽车同步带数控精密测长机的控制系统研究

李铁男，杨 光，陈创创，巩 略

(长春理工大学 a.电子信息工程学院;b.机电工程学院，长春 130022)

汽车同步带数控精密测长机的控制系统研究

李铁男a，杨 光a，陈创创b，巩 略b

(长春理工大学 a.电子信息工程学院;b.机电工程学院，长春 130022)

汽车同步带用于发动机传动系统凸轮轴上置的配气机构，汽车发动机借助曲柄连杆机构中带有飞轮的曲轴与进、排气凸轮轴来传递动力，为保证传动的稳定性和喷油泵、水泵等稳定的传动速比，因此国家汽车同步带标准GB/T12734－2003中要求测量动态时的带节线长和横向摆动量。本文研制了由光栅尺、工控机、单片机、激光位移传感器、光电转速传感器及步进电机等组成的具有高精度、快速、操作方便和自动化程度高的汽车同步带数控精密测长机控制系统，带节线长测量精度达±0.005mm，带横向摆动量测量精度达±0.1mm。

汽车同步带;控制系统;测长机

0 引言

同步带是单面或双面具有等距齿的环形传动带，有严格同步无滑差、传动效率高、传动准确、节能效果好、传动速度范围大、无需润滑等特点，兼有带传动、链传动、齿轮传动的优点。20世纪70年代以来随着同步带材料和制造工艺的发展，因其良好的传动性能和使用寿命及低成本被广泛应用在汽车、纺织、烟草机械、数控机床、食品机械、石化机械、家用电器、办公机械等方面，尤其是近20年来汽车行业中的轿车快速发展，同步带与链传动相比具有高的同步传动性能、传动平稳、噪声低、无需润滑、传动系统空间小、可减轻发动机传动系统的重量、成本低、经济性好，从而引起国内外汽车制造企业 和胶带制造企业的广泛关注，是国际上发展很快的一种新型带传动方式，使同步带传动的应用呈显著增长趋势［1］。日本MITSUB-OSHT公司、美国Uniroyal公司等国外发达国家著名的制带公司开展了系列的开发与研究工作，使汽车同步带的使用寿命和传递功率及平稳性大大提高［2］。如日本的MITSUBOSHT公司生产的汽车同步带使用寿命达10万公里。目前3000ml以下排气量的轿车发动机传动系统中，绝大部分采用了同步带传动，其具体形式如图1所示。在日本几乎为100%采用，欧洲有80%采用，在美国有40%采用［3］。如英国的沃克斯豪尔、西亚特、德国的宝马、欧宝、奥迪、大众汽车、意大利的菲亚特、日本的尼桑、丰田、马自达，法国的雪铁龙、雷诺和美国的福特轿车等车型正时系统均采用了同步带传动。现我国引进及合资的轿车生产线除广州标致外，均将同步带应用在汽车发动机的传动上，如马自达2000等车型采用109ZA;上海大众、桑塔纳、PASSAT、一汽奥迪V6型、奥迪A8(BFL3.7和BFM4.2)、解放CA1046轻型载货车等车型发动机正时系统采用了同步带［4］，国内2.0L以下的轿车基本采用了同步带传动［5］。本文研制了由光栅尺、工控机、单片机、激光位移传感器、光电转速传感器及步进电机等组成的具有高精度、快速、操作方便和自动化程度高的汽车同步带数控精密测长机控制系统，带节线长测量精度达±0.005 mm，带横向摆动量测量精度达±0.1mm。

图1 汽车同步带正时传动

1 同步带测长机的基本结构

根据汽车同步带GB/T12734-2003标准中规定的带节线长和横向摆动量动态测量要求，研制的汽车同步带精密测长机原理如图2所示。该机主要由铸铁平台机身、精密直线导轨、重砣施力装置、固定带轮精密轴系和滑动带轮精密轴系、丝杠卸载装置、光栅尺、激光位移传感器，转速测量装置及数控系统组成。固定带轮精密轴系固定在机身的左端，由电动机经同步带传动驱动测量主动带轮传动，并配有3G3MZ-AB022变频器，实现主动带轮转速根据测量需要在100－700r/min可调，经安装在主动带轮轴上的光电转速传感器测量转速，重砣施力装置给带施加张紧力，步进电机驱动安装在机身底部的丝杠实现卸载，使操作者装卸带方便。该机测同步带带长测量范围:200mm～3000mm，测量精度达±5μm。带横向摆动量测量范围:±10mm，测量精度:±0.01mm。被测带合格的判定方法为允许长度误差上限≤实测长度误差≤允许长度误差下限，并且实测中心距误差≤允许中心距误差，则判定该被测带为合格，否则为不合格。

图2 汽车同步带数控精密测长机原理图

2 同步带测长机控制系统的实现

控制系统是该机的核心，负责运动控制、带节线长和横向摆动量测量数据的采集、计算、处理、报表生成、结果判断。它主要由光栅尺、工控机、单片机、打印机、激光位移传感器、光电转速传感器及电动机等组成，控制系统如图3所示采用在工控机上建立工业控制对象，用VB语言编程，通过串口通信对下位机AVR单片机进行控制，下位机在接收到上位机的有效命令后，控制外围电路进行工作。

图3 控制系统总体框图

2.1 单片机控制系统电路设计

单片机控制系统负责数据的采集和外围信号及步进电机的控制，并将数据和动作信号与PC机进行数据交换。系统选用ATMEGA8515单片机，如图4所示，它的主要特点是抗干扰能力强，运行可靠，AT-MEGA8515单片机接收上位机发送的控制命控制继电器动作，完成测长机带的张紧、松带、计数等工作过程。

图4 ATMEGA8515单片机控制系统

2.2 光栅位移传感器及其信号处理电路

为实现同步带高精度的带节线长测量要求，系统选用封闭式光栅线位移传感器和专用计数采集卡，型号为SGC-2、栅距为0.02mm、带中心距最大测量范围1600mm，经4细分后带中心距测量精度达±5μm，并在光栅尺两端刻有标准零位，克服了仅有一个零位时，若要清零，有可能使光栅尺主、副尺大范围移动的问题。并具有寻找坐标零位功能，可在断电后坐标改变时找回坐标零位，保证带中心距测量精度。光栅尺的工作电压为5±5%V，输出信号采用相位相差90°的两路方波信号，幅值＞4.5V。

2.3 主动带轮转速测量

测量带长时标准要求被测带长转动两周，以保证带与轮充分啮合和张紧，为实现自动测量，即当带转动两倍带长时能自动停止转动。系统在主动带轮轴上安装了一个测速圆盘，在圆盘上均匀开了10个直径为3mm的圆孔，与光电传感器GBU870NK组成了转速测量传感器，用来检测主动带轮的周位移(对应于被测带的线位移)。被测带转过一个主动带轮周长时，光电传感器输出10个脉冲信号，光电传感器计数采用中断模式，其输出的信号通过光耦隔离之后直接接入单片机的外部中断引脚，光电传感器每输出一个脉冲，单片机产生一次外部中断。因主动带轮的电动机是由变频器驱动，其转速在100～700r/min内可调，可满足测量带速的调整。

2.4 横向摆动量的测量

同步带横向摆动量标准要求带在转动过程中测量，故选用了型号为ZX-LD40的非接触激光位移传感器，测量范围:±10mm，频率响应范围:0.15ms－500ms，测量精度:±0.01mm，分辨率:2μm。由于带高与齿高的差在2－3mm和橡胶对激光反射较弱，为实时测量带横向摆动量，经试验结果选择了较大激光输出能量的线性光束为75μm×2mm，并配有激光位移传感器调整机构，使激光光斑准确照到被测点上，ZX-LD40输出的电压信号经PCL-816 A/D采集卡将数据采集到工控机之中，通过专用软件处理，实现摆动量曲线实时显示。

2.5 变频器以及485通信卡

系统要求测量电动机转速在50～600r/min之间可调，本机选用了具有无传感器矢量控制和EMI噪声滤波器内置制动单元，内置RS485通信接口的欧姆龙3G3MZ-AB2002变频器。3G3MZ-AB2002通过RS485通信接口与研华PCI-1602B通信卡通信，工控机通过指令控制测量电动机的转速。

2.6 工控机控制

工控机主要建立工业控制对象的人机接口界面，运行控制软件，接收单片机采集的测量数据、存储记录、报表、报警、系统设置等功能，主要有自动测量界面、数据查询界面和测量设置界面组成。自动测量界面是本系统的核心界面，实时记录测量带长、中心距和误差、判定结果、测量日期等。并以表格的形式显示同步带的型号规格、所加张紧力、带轮周长、标准长度、允许长度误差、最大中心距、最小中心距、中心距偏差、检验人员等。数据查询界面用来进行数据查询操作和数据管理，用户可根据需要随时查看测量数据。测量设置界面

可对测量的各个预设参数进行设置，主要包括存储设置、电机转速设置、卸带行程设置等。

3 结语

本文研制的控制系统可实现汽车同步带带长和横向摆动量的动态精密测量的要求，其带长测量精度达±5μm，横向摆动量测量精度达±0.01mm，满足了汽车同步带GB/T12734-2003标准要求。该机作为一台精密测量设备，具有测量精度高，检测操作简便，测量时间短，自动化程度高的特点，通过更换测量带轮，还可实现各种规格的汽车V带、汽车多楔带的带长测量。

［1］ 路剑锋，张一心.橡胶同步带的发展与展望［J］.产业用纺织品，2002(12):9－11.

［2］ 邵芳，姚俊红.我国汽车传动带技术分析与展望［J］.机械制造，2004(6):46－48.

［3］ 杨玉萍，曹清林.同步齿形带使用现状与发展［J］.南通工学院学报，2000(1):12－16.

［4］ 吴贻珍.汽车传动带制造与应用技术新进展［C］.杭州:全国带传动技术研讨会，2008.

Research on Control System of Auto Synchronous Belt NC Precision Measuring Machine

LI Tie-nana，YANG Guanga，CHEN Chuang-chuangb，GONG Lueb

(a.School of Electronics and Information Engineering;b.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China)

Auto synchronous belt is used in the valve train of camshaft in engine transmission system.The engine transfers power through a crankshaft jointed with a flywheel in crank and connecting rod mechanism and inlet and exhaust camshaft.In order to ensure the driving stability and the transmission speed ratio of fuel injection pump and water pump，national auto synchronous belt standard GB/T12734-2003 stipulates the length of pitch line and horizontal oscillation quantity in dynamic measurement.This paper develops a control system of auto synchronous belt numerical control precision measuring machine with high precision，fast speed，easy operation and high degree of automation，consisting of grating ruler，industrial control computer，single chip microcomputer，laser displacement sensor，photoelectric rotating-speed sensor and stepping motor，etc.in which measurement precision of pitch line ± 0.005mm and measurement precision of horizontal oscillating quantity ±0.1mm.

auto synchronous belt;control system;length measurement machine

TP273

A

1009－3907(2011)12－0028－04

2011-04-15

李铁男(1988-)，男，吉林长春人，本科，主要从事测量与控制技术方面研究。

责任编辑:吴旭云