基于Proteus的同步器傾斜性檢測系統設計

陳 濤，梅 凱

(湖南機電職業技術學院 電氣工程學院，湖南 長沙 410151)

基于Proteus的同步器傾斜性檢測系統設計

陳 濤，梅 凱

(湖南機電職業技術學院 電氣工程學院，湖南 長沙 410151)

為了滿足同步器總成檢測要求，文章設計了一套基于同步器齒轂齒套傾斜性檢測系統。文章不僅完成同步器傾斜性檢測系統機械結構、硬件、軟件的設計，還介紹了所研制的計算機和單片機控制的汽車同步器總成傾斜量檢測系統、檢測原理及試驗仿真。此外，還提出基于Proteus的系統開發方法，應用Proteus進行原理圖設計，根據Proteus中的電子元件特性模擬了檢測系統的微位移傳感器，并利用Proteus與Keil的聯合調試進行仿真分析，得出仿真數據。相比于其他檢測裝置，該系統在檢測精度和自動化方面更臻完美。

齒轂與齒套；單片機控制；傾斜量；檢測系統；Proteus

汽車同步器由于能夠使汽車實現平穩換擋，在汽車領域得到廣泛應用。隨著自動擋的汽車越來越多，同步器的產量和質量的要求也越來越高，手動檢測的方法從效率和精度上都不能滿足大批量生產的需求，因此急需一種標準化的檢測設備，用來實現快速、自動地測量齒轂與齒套之間的傾斜量。現有的同步器主要部分為齒轂與齒套，為了便于裝配以及長時間的滑動順暢，安裝后的齒轂和齒套之間要有0.5mm～1.4mm傾斜量。此外，因為傾斜量過大可能導致掉檔、無法抵檔等嚴重問題，所以齒套相對于齒轂傾斜量的檢測是非常重要的檢測過程。

1 裝置結構及檢測原理

現今，企業常用的檢測方法是手動檢測：一只手按住齒轂，另一只手向上抬齒套，通過百分表打表測量齒套翹起的高度來運算齒轂和齒套之間的傾斜量，每個同步器需要在三處（120°間隔）不同的位置分別檢測，檢測傾斜量是否一致，只要有某一處超出給定傾斜量范圍的將給予剔除。其手動檢測方法如圖1所示。

圖1 企業同步器齒轂齒套傾斜量檢測圖

為了實現精確檢測，設計了同步器齒轂齒套傾斜量檢測平臺（如圖2所示）。現將該檢測平臺各主要部分及檢測原理逐一作介紹。

按具體功能的不同，該檢測平臺可分為三部分：第一部分為感應區和上頂下壓裝置，由微位移傳感器、多種型號氣缸和眾支撐架等組成。該部分是檢測平臺的核心，通過它們可以很方便地把齒套相對齒轂的傾斜量以電信號的形式反映出來。第二部分為判斷區，將轉化的數字信號與公司給定傾斜量范圍進行比較，作出合格與否的判斷。第三部分為處理執行區，含有ADC0832型A/D轉換器、放大電路和AT89C51型單片機，這部分的作用是根據傳入的電信號，單片機將按預設的程序向下一級傳出指令，以控制旋轉電機的停轉，另外，還含3個光電傳感器、57BYG型電動機和與之適配的HB202M型驅動器，通過光電傳感器控制電機旋轉角度來實現三點檢測。

圖2 同步器齒轂齒套傾斜量檢測平臺

1.1 感應區和上頂下壓裝置

如前所述，這一部分被用于檢測齒套傾斜量，具體的運動過程為：齒轂與齒套匹配后放置于旋轉臺上；升降氣缸將頂壓件推出，壓住齒轂不動；施壓氣缸動作，伸出活塞桿壓住齒套的一端；頂升氣缸動作，伸出的活塞桿將齒套的另一端頂起，此時，齒套與水平面形成的高度差即為所測的傾斜量Δ（如圖3所示）；傾斜量通過微位移傳感器反映出來，并轉換成電信號傳送到測量電路系統，經調制、放大、濾波、解調輸送到上單片機。

圖3 傾斜量實驗平臺

1.2 判斷區

文章介紹齒轂齒套的傾斜量檢測，采用CN10-SGCW 10數字式位移傳感器。該傳感器工作原理：當頂升氣缸活塞桿推動齒套，傳感器的彈性體在推力作用下產生彈性變形，使得其內部的電阻應變片也隨同變形而導致阻值發生變化，再經A/D轉換電路把該電阻變化轉換為相應的數字電信號。基于這一原理，利用Proteus中1k的電位器阻值的變化來模擬傳感器中電阻應變片的變化，通過ADC0832將模擬的電信號轉換成數字信號發送至單片機由于51單片機，單片機調用程序，作出判斷。其主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

1.3 處理執行區

處理執行區的主要功能：完成一點的檢測后，把從上一區輸入的較弱的電信號通過單片機輸出脈沖信號來控制驅動器驅動步進電機運行，直到傳感器檢測片感應到光電傳感器而停止轉動。

2 實驗與仿真

2.1 關于頂升氣缸的說明

為了得到合適的頂升氣缸型號，文章進行如圖3所示實驗裝置設計。其中，動態信號分析儀用于振動、沖擊、壓力等力學量（轉換成電量）的測量分析。S型稱重傳感器用于測量固體間的拉力和壓力。由于實驗平臺主要支撐齒轂，而檢測過程中，齒轂受力保持固定不動，不產生傾斜，因此不予考慮。對于齒套傾斜量Δ，雖然動態信號分析儀測量一次就能測出傳感器的動態響應曲線，但是筆者只對傾斜量的始末端進行考量，因此，我們取初始和末端兩個靜態過程進行分析。

根據靜態平衡方程有：

其中：G為齒轂重力，單位N；F1為實驗平臺對齒轂的支撐力，單位N；F2為頂升氣缸對齒轂的推力，單位N；F3為稱重傳感器對齒轂的支撐力，單位N；S為氣缸活塞面積，單位mm2；P為氣缸系統壓力，根據設計取0.6MPa；n為安全系數，一般氣缸垂直安裝取0.5，水平安裝取0.7。

經讀取稱重傳感器檢測數據和計算，S=6.94mm2；F3=2.7N，因此選擇缸徑為8mm2，行程為50mm的氣缸，確定氣缸型號為Festo公司的DSNUP-8-50-P。

2.2 實例測試

為了完善設計功能、優化結構，現取贛州某公司20套型號為MF65B 5/R齒轂齒套總成進行人工傾斜量檢測，每套測試三個點，分別記為第一、二、三點，共打表60次，然后將獲取的數據以Matlab曲線描繪出來（如圖5所示）。從圖中不難發現，各點的傾斜量處于無序的狀態，均是隨機數。

圖5 Matlab曲線描繪公司實測數據

2.3 Proteus仿真

Proteus是英國Labcenter公司開發的一款EDA仿真工作軟件，是先進的電子應用系統設計和實時交互仿真、PCB設計的平臺。與傳統單片機仿真軟件，如EWB，Propel和Or-CAD等相比，它在元器件選擇、電路連結、源程序的輸入及調試、仿真結果輸出等各個方面都有獨特的優勢。該軟件包含了51，PIC，AVR，ARM7等系列單片機(嵌入式系統)的仿真模型，并提供了功能強大的虛擬測試儀器。仿真和程序調試時，能夠很好地與第三方軟件兼容，具有強大的原理圖繪制功能。另一方面，工程機械的控制系統中，經常要使用力傳感器、角度傳感器、位移與速度傳感器等這類接收機械設備作業過程中產生的機械特性變化信號的傳感器。雖然Proteus元件庫中沒有上述傳感器，但是可以在Proteus軟件中用能輸出相同信號機理的其他電路來替換該傳感器電路，調試成功后，在最終完成的設計中，只需用該傳感器電路接到替換電路的接口上即可。

文章以齒轂齒套傾斜量檢測平臺為例說明這種基于Proteus的系統開發方法。根據檢測平臺的工作原理以及作業工況，檢測系統必須對同步器齒轂齒套傾斜量實時檢測，特別是當超出公司給定傾斜量范圍時，要予以警報。系統采用AT89C51單片機為控制核心，利用軟件的ISIS工具繪制電路原理圖并進行電路仿真。硬件電路中應包含以下4大功能區。

（1）數據采集模塊。通過ADC0832將模擬的電信號轉換成數字信號發送至單片機由于51單片機是將0～5v的模擬電壓量轉換為0～255級的數字量，因此程序設計時用A/D轉換得到的數據乘以頂升氣缸額定頂升量再除以255來表示當前齒套的傾斜量。

（2）液晶顯示模塊。將采集到的電壓信號經過單片機處理，顯示在LCD12864液晶顯示屏上。首先通過字模軟件對將顯示的漢字、數字進行取模，再調用程序顯示在液晶屏。

（3）按鍵模塊。系統中設計了一組按鍵。其中，K1完成液晶屏從監控界面進入設置界面，并在設置界面上顯示當前檢測對象的傾斜量；K2完成從設置界面返回至監控界面。K3為檢測系統開始檢測，K4為停止檢測。

（4）蜂鳴器報警模塊。在同步器齒轂齒套傾斜量檢測過程中，當檢測到的傾斜量超出公司預定值時，蜂鳴器開始報警，提示檢測傾斜量不合格。其仿真原理圖如圖6所示。

圖6 仿真原理圖

2.4 軟件設計

KeilC51是德國開發的單片機編譯器，它集編輯編譯，仿真于一體，支持匯編、PLM語言和C語言的程序設計，界面友好，易學易用，是非常強大的開發工具。在μVision4的仿真功能中有兩種仿真模式：軟件模擬模式和目標板仿真調試模式。KeilC51軟件可以通過設置與Proteus聯機調試。

本系統采用KeilC51軟件，用C語言進行程序設計。單片機完成整個系統的控制功能，其程序包括主程序和子程序。子程序主要實現各個功能，包括LCD顯示子程序、按鍵設置子程序、中斷子程序、報警子程序、延時子程序等。

3 結語

文章在完成同步器齒轂齒套傾斜量檢測平臺的設計后，將Proteus軟件與具體工程實踐相結合，從原理圖布局、實時仿真、調試整個開發過程都在Ptoteus中完成，實現檢測系統的機電一體化設計。由仿真結果顯示，該設計不但可以完成檢測系統的開發，減少勞動力成本，提高檢測精度。另外，還在很大程度上避免了硬件測試的復雜過程，在省去各種精密儀器儀表使用的同時，大大降低了系統開發成本并極大提高研發速度，能夠很好地解決嵌入式系統開發周期比較長的問題，使得該系統設計對比其他檢測裝置，更具一定優越性。

［1］賈玉靈，劉雅麗，石剛.汽車同步器總成間隙的研究與探討［J］.價值工程，2012，25（3）：23-25.

［2］周同磊，汽車變速器同步器［J］.現代零部件，2009，（3）：92-94.

The Design of Synchronizer's Tilting Detection System Based on Proteus

CHEN Tao，MEI Kai
（School of Electrical Engineering，Hunan Mechanical Vocational and Technical Institute，Changsha，Hunan 410151，China）

In order tosatisfy testing requirementsofsynchronizerassembly，thispaperdesignsasetof tilting detection system based on synchronizer's gear hub and gear sleeves.This paper not only finishes the design of detection system'smechanical structure，the hardware and software，also introduces the development of computer and single-chip microcomputer control of automobile synchronizerassembly's tilting testsystem，testprincipleand testsimulation.In addition，itputs forward themethod of system development based on Proteus.Proteus is used for schematic design，according to the characteristics of electronic componentsofProteussimulation testsystem ofmicro displacementsensor，and uses the Proteussimulation analysiswith the Keil jointdebugging，in theend,itdeducesthesimulation data.Comparedwithotherdetection device，thissystem ismoreperfectin terms ofaccuracyandautomation.

synchronizer'sgearhub and gearsleeves；single-chipmicrocomputer control；tilting；detection system；proteus

TP242.2

A

2095-980X(2016)08-0026-03

2016-07-07

陳濤（1987-），女，湖南岳陽人，碩士，主要研究方向：機電一體化。