摘 要：本文介紹了汽車變速箱自動換檔機構(gòu)的設(shè)計原理，介紹了以伺服電機作動力源的自動換檔機械手的工作原理，以及用PLC控制自動換檔的軟件設(shè)計方法，其自動換檔機構(gòu)具有安全可靠、成功率高的特點. 關(guān)鍵詞：PLC，換檔機械手，選檔，換檔，變速箱 1. 引言 　　所謂自動換檔，就是在試驗中不需要停車就可以根據(jù)操作指令完成一系列換檔過程，到達預(yù)定檔位.在汽車傳動系、變速箱性能測試試驗中，很多情況下需要不斷變換變速箱的檔位以滿足試驗的要求.目前大多采用靜態(tài)換檔模式，即每次換檔前均要停車.這樣頻繁地開車、停車不僅耗電而且耗時.況且在有些試驗如同步器試驗時必須進行動態(tài)換檔，只有這樣才能對同步器的性能進行有效地測試.因此，對變速箱自動換檔的實現(xiàn)問題進行研究是必要的. 2. 系統(tǒng)構(gòu)成 　　2.1 換檔機械手 　　汽車變速箱的檔位變換是通過選檔和換檔兩個操縱桿的動作組合來完成的.仿照汽車行駛中的人工換檔機制，使用柔性綱絲在套管內(nèi)做往返運動來推拉操縱桿完成換檔操作.選檔以及換檔的鋼絲在直線段上都有幾個固定點，它們的不同組合即對應(yīng)于不同的檔位.離合器的鋼絲在直線段上也有兩個固定點，分別對應(yīng)于離合器的合與分的狀態(tài). 　　換檔機械手是專門用于汽車變速箱進行檔位變換的一種執(zhí)行機構(gòu).換檔機械手有多種實現(xiàn)方式，如采用液壓、氣動等作為動力源的換檔機械手.因其拉力不可調(diào)，動作不到位等原因，影響了換檔成功率.本換檔機械手采用三臺直流伺服電機作動力源，通過精度較高的滾珠絲杠將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動來推拉選檔、換檔及離合器的操縱桿.這種方式的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏，由于操作機構(gòu)與變速箱之間是通過軟軸連接，因此其安裝地點不受環(huán)境條件限制（如圖1）. 　　電機的驅(qū)動器采用了專門設(shè)計的伺服控制系統(tǒng)，其速度、扭矩可調(diào)，且具有良好的堵轉(zhuǎn)特性.這就使得換檔操作在行程、速度和力度上都能按要求進行調(diào)節(jié)，從而提高了換檔成功率. 　　位置信號的采集使用碼盤加高速計數(shù)器形式，其優(yōu)點在于精度高，易調(diào)整，使用壽命長.采用可編程控制器對換檔機械手進行控制，可長時間工作且安全可靠，其另一特點是適合不同類型的變速箱，只需重新調(diào)整計數(shù)器的設(shè)定值及檔位指定即可. 　　2.2　控制方法 　　2.2.1 PLC選型 　　根據(jù)本換檔機構(gòu)的控制要求，需要23點輸入和23點輸出，還需要3個高速計數(shù)器通道.由于整個換檔過程的時間控制在1秒左右，所以還要求響應(yīng)速度快.三菱公司生產(chǎn)的FX2N系列屬于單元式結(jié)構(gòu)小型中檔機型，有一個16位的CPU和一個專用邏輯處理器，具有直接輸出功能.使輸出不受掃描周期的影響，執(zhí)行速度很快.其內(nèi)部還設(shè)有高速計數(shù)器，最大頻率可達3KHz.其功能強大，組合靈活，比較適合.具體選用的是FX2N-64MR-ES型，其輸入、輸出各為32點，具有一定的余地.M表示基本擴展單元，R表示繼電器輸出，E表示擴展單元，S表示晶閘管輸出.編程器選用FX-20P-E便攜式編程器，它具有菜單式功能選擇，能在線或離線編程，方便實用. 　　2.2.2 控制方案 　　換檔機械手的控制可獨立操作，也可通過上位計算機進行操作. 　　獨立操作使用操作臺面板上的按鈕進行.操作臺面板簡潔明了，操作簡單.面板上有顯示檔位的信號燈8只，分別對應(yīng)于1――6檔以及空檔和倒檔，離合器分、合狀態(tài)指示燈2只，換檔失敗警告，PLC運行指示，自動方式指示燈及電源指示燈各1只，使得換檔狀態(tài)一目了然.一個手動/自動切換開關(guān)，用于手動和自動的控制方式變化. 　　自動方式下，有2個按鈕可選擇：升檔和降檔.當(dāng)按下某一按鈕時，系統(tǒng)能自動識別該時刻的檔位狀況，在不符合操作邏輯的情況下，系統(tǒng)不作任何響應(yīng).若符合操作邏輯（檔位升降只能依次進行，不得跳檔操作），系統(tǒng)將進行一系列的操作，直至達到要求.若換檔失?。ㄟM檔時間超過規(guī)定范圍而此時操縱桿仍未到達預(yù)定位置），系統(tǒng)將自動退檔（換檔桿復(fù)零位）并合上離合器.此時選檔桿保留原位，同時發(fā)出換檔失敗信號，詢問是否繼續(xù).面板上另有2個選擇按鈕，若選擇繼續(xù)操作，系統(tǒng)將打開離合器繼續(xù)進檔，重復(fù)以上操作.若選擇停止操作，系統(tǒng)將自動退回到空檔（選檔桿也復(fù)零位），等待下一步指令. 　　為滿足試驗中不同操作要求以及模擬汽車正常行駛中經(jīng)常從任意檔位退回到空檔的實際情況，本系統(tǒng)具備了這方面的功能，只需選擇停止操作即可完成. 　　本系統(tǒng)設(shè)計了與上位機的通訊接口，可通過計算機直接讀取系統(tǒng)狀態(tài)并可完成以上自動方式下的所有操作. 　　手動方式下，有6個按鈕供選擇，分別對應(yīng)于3臺伺服電機的正、反轉(zhuǎn)，操作采用點動，該方式主要用于系統(tǒng)維修或安裝時的定位調(diào)試. 　　面板上還有6只可調(diào)電位器，用于各種動作的速度和扭矩調(diào)整.另外本機構(gòu)還同時考慮了必要的過濾、過壓保護以及自校正，以解決機械間隙所產(chǎn)生的原點漂移問題. 　　2.2.3 計數(shù)器參數(shù)設(shè)定 　　將3根軟軸變速箱側(cè)的連接螺栓擰緊，絲杠側(cè)的螺栓與連接板脫開，將選檔和換檔操縱桿置于中間位置，將離合器的操作桿置于合的位置.分別撥動選動、換檔、離合器的操縱桿，使其到達另一點，此時測得軟軸伸縮長度為l（即實際行程，單位毫米）.由于機械有一定的活動間隙，l的實際值可取中間值. 　　滾珠絲杠的牙距為4毫米，碼盤每旋轉(zhuǎn)一周輸出100個脈沖，所以計數(shù)器設(shè)定值s： 　　s=100＊l/4 　　連接板向右移動為正方向，計數(shù)器為正，連接板向左移動為負方向，計數(shù)器為負.可編程控制器根據(jù)讀取的脈沖數(shù)就可以判別連接板行走的方向和行程.各個點所對應(yīng)的編號如下： 　　a0，a1，a2，a3是選檔上的4點（部分變速箱無a3點），b0，b1，b2是換檔上的3個點，c0，c1是離合器上的2個點.各點與寄存器號對應(yīng)如下表： 　　使用二個寄存器的點位是采用區(qū)間比較功能. 　　2.2.4　定時器參數(shù)的設(shè)定 　　換檔時限T2――T8共7個定時器，對應(yīng)的寄存器號為D32――D38，一般情況下設(shè)為1.2――1.5秒.選檔和換檔操作之間的時間間隔共14個定時器，對應(yīng)的寄存器號為D40――D53，一般情況下設(shè)為0.3秒.計數(shù)器負計數(shù)是通過軟件實現(xiàn)的.由于電機反轉(zhuǎn)指令消失后，電機在慣性的作用下仍然要繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此時負計數(shù)開關(guān)必須要有一定的延時才不至于丟失負計數(shù)脈沖.定時器T10――T12用來完成這一延時，一般情況下設(shè)定為0.5秒左右.T0――T1兩個定時器是為計算機發(fā)出繼續(xù)操作和停止操作而設(shè)的，其目的是將計算機發(fā)出的短暫脈沖信號加以延長，保證系統(tǒng)能準(zhǔn)確地讀取指令，一般情況下設(shè)定為1秒. 3. 軟件設(shè)計 　　軟件采用梯形圖編程，主程序?qū)ψ兯傧錂n位各點的計數(shù)器竟心進行設(shè)置（運用功能FNC11D，F(xiàn)NC10D）.然后根據(jù)指令進行選檔和換檔操作，其流程圖如下： 4. 結(jié)語 　　汽車變速箱自動換檔問題是汽車傳動系、變速箱等有關(guān)試驗中一直難以解決的問題，其主要問題是在換檔過程中力度和速度難以與運行狀態(tài)相匹配，從而造成換檔成功率不高，影響了自動換檔的應(yīng)用.本次使用的換檔機械手，以三臺伺服電機為動力源，其驅(qū)動器采用專門設(shè)計的伺服控制系統(tǒng)，其速度和扭矩可調(diào).采用PLC控制，可靠性高.位置信號采集使用碼盤加高速計數(shù)器，精度高.在設(shè)計中升、降檔操作及三臺伺服電機的正、反轉(zhuǎn)，無論從輸入端、輸出端還是中間繼電器，都設(shè)置互鎖功能.不會出現(xiàn)操作紊亂或輸出短路.這種設(shè)計在試驗中運行表明簡單、實用，一次換檔成功率在90%以上，第二次換檔都能成功，基本上解決了變速箱的自動換檔問題. 參考文獻： 　　[1]尹征琦，伺服系統(tǒng)的功率輸出能力和功率匹配，電氣傳動，1998（2），38―44。 　　[2]湯蘊繆，電機學(xué)-機電能量轉(zhuǎn)換，機械工業(yè)出版社，1986。 　　[3]MITSUBISHI三菱微型可編程控制器編程手冊.2000.9.