汽车空调控制面板综合检测系统研究

回 春,田韶鹏,徐达伟

(1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070)



汽车空调控制面板综合检测系统研究

回 春1,2,田韶鹏1,2,徐达伟1,2

(1.武汉理工大学 现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430070；2.武汉理工大学 汽车零部件技术湖北省协同创新中心，湖北 武汉 430070)

基于VC++软件开发平台，设计了汽车空调控制面板综合检测系统试验台。介绍了试验台检测系统基本结构，主要包括旋钮、拨杆、按钮3个检测系统的结构，说明了其测试工作原理、控制系统软硬件的详细情况、控制流程，以及检测系统的测试过程。针对某类型空调控制面板样件的旋钮、拨杆、按钮进行了测试。结果表明，该检测系统采集的数据与实际操作时的情况吻合，可以满足厂商对汽车空调面板的要求。

VC++软件；空调面板；检测系统

汽车空调由制冷系统、供暖系统、通风和空气净化装置及控制系统组成，是提升汽车舒适性的主要总成之一。汽车空调面板作为人机交互界面是必不可少的。它直接关系到使用者在使用时的操作效率、准确性和稳定性。空调面板上的旋钮也是汽车上数量较多且使用较为频繁的控制键，主要对温度、风向和风量进行控制。

根据某汽车空调生产厂家对控制面板的需求，基于VC++软件平台，开发了汽车空调面板旋钮检测系统。其主要用于查找空调面板在生产过程中的缺陷，优化生产工艺，有效提高其操纵性能，保证产品的合格率。

1 试验台机构

1.1 机构整体设计

汽车空调控制面板检测试验台主要由控制台、试验台、电气柜组成。控制台是由电脑机箱和显示器组成，同时连接着电气柜中的数据采集板卡、电机控制卡。电气柜是试验台的核心部分，由电源、信号处理模块、电机控制模块组成，它连接着试验台和控制台，利用操作台来控制测试台运作。试验台由夹具、传感器、电机、被测试元件等组成[1]，如图1所示。

图1 试验台的基本布置

试验台工作过程是：将待测面板装夹好，装夹台和检测装置在同一基座上，通过调整夹具的倾角来确定待测面板的正确位置。利用该装置来模拟该空调面板的实际工作状况。

信号传输过程如图2所示。首先，通过机械轮摇动，利用丝杆传动来调整测试装置在X、Y、Z方向的位置，使测试电机放置在正确位置，与待测面板衔接起来；然后，利用电机来驱动待测面板在一定范围内运动，实时显示扭矩和角度；最后，观察测试结果，并在软件和硬件上同时显示检测结果。 测试工件发送以电压形式来表达的信号(包括数字信号和模拟信号)，通过传感器采集该信号，电路将该信号调整到设备所需要的电压范围，最后送到工控设备和反馈控制机构。

图2 信号传输过程

图3 旋钮检测系统结构

1.2 检测系统工作原理

1.2.1 旋钮检测系统

旋转检测系统结构如图3所示。其中，动态扭矩传感器是专为测量动态扭矩、转速和角速度设计的，具有精度高、抗干扰性强的优点[2]。 首先，将联轴器固定到电机轴上，再用螺栓支杆将电机固定到电机连接套上；其次，将已固定好软管的半联轴器固定到扭矩传感器上，再将扭矩传感器安装座与电机连接套相连；然后，将软管与电机上联轴器固定，装上扭矩传感器安装板；最后，安装旋钮夹具。

测试过程如下：将旋钮夹具夹紧旋钮，启动检测系统，当电机启动时，带动传感器的轴转动，即旋动旋钮。旋动过程中，旋钮的扭矩反馈到扭矩传感器上，同时内部发送出脉冲数，用得到的脉冲数来计算旋钮转过的相应角度。检测系统将获得的扭矩值与转过的相应角度以图形方式显示。

1.2.2 按钮检测系统

按钮检测系统结构如图4所示。按钮检测系统主要由步进电机、拉压力传感器、位移传感器、电感型接近开关等组成。该系统是用来测试按钮力与按钮运动位移之间的关系。利用按钮力与位移的关系可评价汽车空调面板中按钮按键的性能。

图4 按钮检测系统结构

测试过程如下：首先转动手轮，调节按钮测试机构的位置使按钮处于待检测位置。开始测试时，按钮测试机构向前移动，待按钮测试机构触碰到按钮，按钮力从零逐渐增大，传感器开始读取数据，测得按钮力与位移之间的关系。按钮测试机构继续运动，按钮达到预先设定的力，电机反转，测试机构往后运动，若拨杆未在设定位置停止，而是运动到极限位置，此时接近开关对步进电机进行保护，系统急停。

1.2.3 拨杆检测系统

拨杆检测系统结构如图5所示。拨杆检测系统主要由步进电机、压力传感器、位移传感器、电感型接近开关等组成[3]。该系统用来测试拨杆推拉力与拨杆运动位移之间的关系。利用拨杆力和位移的关系可评价汽车空调面板中拨杆的性能。

图5 拨杆检测系统结构

测试过程如下：首先转动手轮，使拨杆测试机构与汽车空调面板中拨杆相接触。开始测试时，测试机构正向移动，传感器开始读取数据，测得拨杆位移与力之间的关系。拨杆继续运动，若拨杆测试机构未在设定位置停止，而是运动到极限位置，则前接近开关对电机保护，系统急停；若拨杆测试机构正常运行，测试完成后，测试机构则反向运动，继续测试，同反向一样，若拨杆测试机构未在设定位置停止，此时接近开关对电机进行保护。

图6 控制系统架构

2 检测系统的控制系统

2.1 控制系统架构

检测系统的控制系统主要分为3个部分，数据采集、实时数据处理、程序界面，如图6所示。其中数据采集包括电路信号和传感器信号；数据处理包括数据滤波、存储、计算、统计、分析；程序界面利用VC++软件中MFC制作程序界面，包括参数设置和数据显示[4]。

控制过程如下：控制系统采集到由传感器传输过来的信号，再经过电路信号的处理，将信号送给数据采集卡[5]。控制系统接受到数据采集卡各个端口的数据信号，由VC++软件将数据处理后，通过数字和曲线将数据信号显示出来。

2.2 控制系统硬件部分

试验台采用研华板卡PCI-1711L、PCI-1784数据采集卡和VC++软件来共同控制步进电机，同时实现数据采集[6]。其中，PCI-1711L多功能采集卡具有完善的数据采集与控制功能，拥有12位A/D转换器，采样速率可达100 kHz，16位模拟量输入，16位数字量输入及输出。同时，还具有一系列针对VC++程序的端口，只需调用相应的函数便可实现。PCI-1784的4轴数据采集卡是根据光栅尺的使用要求和数量选定的。4位数字量输入和4位数字量输出拥有4个32位加/减计数器。

针对数字量信号采集所编写的程序较简单，直接在程序循环中调用函数打开采集卡，利用端口控制步进电机运行(类型/方向)，最后关闭采集卡；模拟量信号的采集首先要选定采集的通道，再将采集到的电压信号转化为所需要的模拟量。

该检测系统主要用于测量旋钮的扭矩。数据卡模拟量如表1所示。在测试中，PCI-1711L中数字量信号输出主要用于控制步进电机的开关、运转和方向。数据卡数字量端口如表2所示。

表1 数据卡模拟量

2.3 控制系统软件部分

控制系统主要利用VC++软件的MFC编写。

表2 数据卡数字量端口

图7 旋钮测试控制系统界面

以旋钮测试控制系统为例，其界面如图7所示。旋扭测试控制系统主要包括测试按钮命令栏A、实时图形显示栏B、产品信息栏C、当前数据显示栏D和指示灯E。测试按钮命令栏A主要是发出指令以使系统响应，如开始执行或者结束；图形显示栏B是显示根据角度和扭矩绘制的曲线，并将绘制的实际曲线与理想曲线对比；产品信息栏C是用来记录当前产品的信息、型号；当前数据显示栏D是显示当前实时的数据，包括扭矩和角度，以方便操作人员观察；指示灯E主要用来提示操作人员当前机器运行的状态，更直观地对整个操作过程进行提示。

2.4 控制过程流程图

空调测试面板由3个电机测试组成，由于控制过程相似，因此主要介绍旋钮检测系统的控制流程图，如图8所示。

图8 测试流程图

首先，初始化系统，使旋钮回到起始位置，接着正式开始测试；其次，正向旋转旋钮，同时测量旋钮的角度和扭矩；再次，电机反方向测试，使旋钮反向旋转，同样测量角度和扭矩；最后，反向测试完成，电机回位完成，关闭电机、切断电源，同时，将测试数据和图形保存在EXCEL中，测试结束。

3 测试结果分析

3.1 旋钮测试结果分析

取某类型空调的面板进行旋钮、按钮、拨杆测试。用步进电机来代替“人手”的动作，进而对空调面板进行改进[7]。

通过对该类型空调面板的旋钮进行测试，得到旋钮力与角度的关系曲线。在分析数据过程中发现，旋钮在正向运行时转过270°；而当它逆向运行时，却不是从270°位置开始记录，而是存在滞后，大约是从269°开始，出现了大约1°的正反转的角度偏差，如图9所示。

图9 旋钮扭矩随角度的变化关系曲线

出现1°偏差的原因有两点：①在测试过程中，被测件的旋转方向发生改变，产生了间隙；②旋钮夹具与被测旋钮之间有间隙。这两个原因使得正向曲线与反向曲线之间出现角度偏差。因此，为了解决这个微小的扰动值，对角度值做补偿，在测试时，需要将这两点列为考虑因素，来实现更精确的测试。

曲线在刚开始和结束，曲线都有陡升，是由于电机刚开启，所采集的数据会突然变化，但均在正常范围内。 分析采集到的数据发现，将波形放大，其波形变化规律如图10所示。

图10 某段扭矩随角度的变化关系曲线

按钮扭矩随着角度的变化在3～8 N·cm内波动。旋钮的规律为：除去电机刚开始运行的陡升，每个周期内，当旋钮角度先转过7°，扭矩下降到3 N·cm，再转过3°，扭矩上升到8 N·cm，以此类推，电机有规律地旋转。将步进电机的测试旋转代替了人的手工测试，使测试过程更加简单，结果更加准确[8]。

3.2 拨杆测试结果分析

对该类型空调面板的拨杆进行测试，得到拨杆力与位移的关系曲线，如图11所示。检测系统的步进电机推动拨杆正向运动时，出现两个波峰，分别代表拨杆按钮的两个挡位；反向运动时，波谷代表两个挡位。拨杆按钮在开始运动和准备结束时，分别出现较大波动。开始时，曲线波动是由于电机刚与拨杆接触；而结束时，曲线波动是由于步进电机已经将拨杆推到了极限位置所致。拨杆力与位移的关系曲线基本符合实际情况[9]。

图11 拨杆力随位移变化的关系曲线

4 结论

基于VC++软件平台，对汽车空调面板旋钮检测系统进行了研究。该检测系统界面简洁、操作简便、运行稳定、测试精度高。它不仅能够对空调面板旋钮产品进行抽样检测，还能为产品后期的优化提供重要的依据。检测系统达到了设计要求，满足空调面板检测厂商的要求。同时，其可缩短开发周期，提升产品质量，有良好的应用前景。

[1] 孙恒,陈作模,葛文杰.机械原理[M].北京：高等教育出版社,2006:38-73.

[2] 关智明.汽车空调控制面板的控制键测试试验台研发[D].武汉：武汉理工大学,2010.

[3] 田韶鹏,李理.基于LabVIEW 的汽车空调控制面板按键检测系统[J].汽车技术,2013(6):43-45.

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[5] 严迪新,班建民.Visual C++程序设计[M].北京：科学教育出版社,2005:21-123.

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HUI Chun:Postgraduate; Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, WUT, Wuhan 430070, China.

[编辑：王志全]

Test System of Automotive Air Conditioner Panel

HUIChun,TIANShaopeng,XUDawei

Based on the VC++ development platform, test system of automotive air conditioner panel was developed. Firstly, the basic structure was introduced, which included of three parts: the knob, shift lever and button. Then, its working principle, hardware parts and software parts of this control system were illustrated in detail. Meanwhile, the whole control process was introduced. In the end, the knob, shift lever and button of one panel from certain manufacturer were tested. The results show that this test system completely meets real working conditions and also the demand of factory.

VC++ software; air conditioner panel; test system

2015-04-15.

回春(1990-)，女，湖北武汉人，武汉理工大学现代汽车零部件技术湖北省重点实验室硕士研究生.

国家科技部“863”基金资助项目(2011AA11A260).

2095-3852(2015)06-0693-05

A

TH39;U463.7

10.3963/j.issn.2095-3852.2015.06.007