A Magal Engineering cég AP Driveline Technologies Limited divíziója OE járműgyártók és javítóműhelyek részére tervez, fejleszt és gyárt kuplungtárcsákat. A Magal és az AP Driveline nemrégiben felkérte a Computer Controlled Solutions Limited céget – amely a National Instruments együttműködő partnere, és korábban számos összetett teszt-, vezérlő- és adatgyűjtő rendszert épített már, többek között a Magal Engineering részére is –, hogy hozzon létre egy tesztberendezést a kuplungtárcsák végtesztelésére.

Egy tipikus kuplungban a tárcsa viszi át a nyomatékot a motortól a sebességváltóba. Az alkatrész egy dörzstárcsából áll, amelyet egy központosan elhelyezkedő tengelyhez különböző merevségű rugókkal kapcsolnak. A rugók elnyelik a torziós rezgéseket, ami jó megoldás a hajtási lánc zaj-, rezgés- és keménységproblémáinak csökkentésére. Az alkatrész-specifikáció szerinti működésének bizonyítására a gyártósoron minden egyes darabot ellenőriznek. A teszt során a dörzstárcsát rögzítik és hozzá képest elforgatják a tengelyt. A mérésnél nagy pontossággal mérik és elemzik a rugóerőket, illetve a hiszterézist.

A megvalósított hardver

A mérőberendezés alapja egy nagy (800 Nm) és egy kis nyomatékú (50 Nm) vizsgálókamra egy központi szekrény két oldalán. Mindegyik vizsgálóban pneumatikus működtetőszerkezet kapcsolja össze a tárcsát a hajtó szervomotorral, amely a szabályozott elfordulást biztosítja. Nyomaték- és szögelfordulás-távadót használnak a hiszterézisadatok mérésére.

A központi szekrényben az adatgyűjtő elektronikát helyezték el: Intel dual-core Pentium 3,2 GHz processzor; NI 7811R FPGA; NI CompactRIO bővítőkeret; NI négymagos mérőmodul; NI 32 csatornás digitális kimenet; NI 32 csatornás digitális bemenet; Baldor meghajtók. A vizsgálókamra a következő elemekből épül fel: Baldor gyártmányú, kefe nélküli szervomotor ; Alpha 220:1 sebességváltó; az elemeket összekapcsoló pneumatikus működtetőszerkezet; Applied Measurements nyomatéktávadók.

A megvalósításnál az NI CompactRIO hardvert választották, így nagy pontosságú gépet lehetett építeni, miközben a tervezett költségkereten belül maradhattak. A megoldással 24 bites felbontást kaptak, ami lehetővé tette a nyomatéktávadók jelének zajmentes digitalizálását, az elfordulás beállításánál pedig 0,0004 fok felbontást értek el.

Az alkalmazott szoftverről

A szoftvert FPGA modullal kiegészített LabVIEW környezetben írták. Mivel gyártástámogató szoftverről van szó, számos szolgáltatást kellett betervezni. Például a rendszer bekapcsolása után az operátor egyszerűen behelyezi a tesztelésre kerülő alkatrészt, és megnyomja a start gombot, miközben minimálisan kell csak a számítógépet használnia. Továbbá a rendszerben enkódereket használnak, ezért a szögelfordulás-kalibráció nem követelmény, a nyomatékkalibráció viszont igen.

Ezért mind a szoftverbe, mind a hardverbe beépítettek olyan megoldást, amely lehetővé teszi a nyomatéktávadók kimenetének összehasonlítását harmadik féltől származó nyomatékmérő által mutatott értékkel. Egy felügyelő jogosultságú felhasználó valamennyi kuplungtárcsa-változathoz létre tud hozni és tárolni tud tesztleírásokat, amelyeket szükség esetén módosítani is lehet. A mérési eredményeket a jól strukturált, kereshető NI DIAdem TDMS formátumban tárolják.

Ez a megoldás, XML-alapú paraméterleírásokkal kiegészítve, napi 800 teszt eredményét tartalmazó fájlokban való gyors keresést tesz lehetővé. Mindemellett az üzemi képernyőt úgy tervezték, hogy bármelyik paraméter korábban mért adatai is megjeleníthetők. Ez lehetőséget ad az operátornak, hogy észrevegye bármely mért paraméter változásában mutatkozó tendenciákat, így hiba-előrejelzés is lehetséges. Az adatgyűjtéshez FPGA hardvert használnak, ami lehetővé teszi, hogy a mintavételt idő helyett szögelforduláshoz rendeljék, ezzel zajmentes, ultranagy felbontású, adatvesztés nélküli mérés válik lehetővé.

Hatékony fejlesztést tesz lehetővé

A tesztberendezés fejlesztésének zökkenőmentességében kulcsfontosságú szerepet játszott a LabVIEW számos kiváló funkciója. A LabVIEW 8.0 projektszervezésű fejlesztői környezetében minden PC kódot, szubrutint és input-, illetve output-információt egy helyen lehet tárolni. Az összes FPGA-hoz tartozó kódot, projektdokumentációt, adatlapot és specifikációt is egy környezetbe tudták gyűjteni, megkönnyítve ezzel a majdani szerviz- és karbantartási tevékenységet.

A CompactRIO digitális I/O modulok használatával a szokásos kábelezés egy teljes szintjét el lehetett hagyni. Hagyományosan a számítógép jeleit szerelősínre pattintható szilárdtestrelék felhasználásával emelik a működtetőtekercsekhez szükséges 24 V-os szintre, illetve a technológia egyéb, szintén 24 V-os jeleit hasonló módon kell PC-s szintre konvertálni. Mivel a CompactRIO 24 V-os moduljait használták, ezt a közbenső szintkonvertáló eszköz- és kábelkészletet elhagyhatták. A CompactRIO nyúlásmérő bélyeghez kialakított moduljával lehetőség nyílott a nyomatékmérő celláknak közvetlenül az adatgyűjtő hardverhez kötésére, így csökkent a kábelezés és minimális lett a zaj. Az FPGA architektúrával lehetővé vált, hogy a két vizsgálókamrát függetlenül tudják kezelni. PC-alapú rendszerekben szokásosan ezt elég nehezen lehet megvalósítani, és általában egy második, költségnövelő PC beállítását igényli, vagy a rendszer áteresztő kapacitásának csökkenésével jár.

Mindezeken túl az FPGA-t firmware-szintű, nagysebességű megcsúszás monitorozására is használják. Az FPGA igen nagy sebességgel monitorozza a nyomatékszintet, és ha ez a határérték a 95 százalékot meghaladja, közvetlenül leállítja a rendszert. Ezzel a megoldással megtakarították az egyébként szükséges analóg kiegészítőhardvert, valamint olyan abszolút determinisztikus módon valósul meg a hibafigyelés, ami PC-s környezetben nem lehetséges.

Kedvezőek az eredmények

A gépet rövid időn belül üzembe kellett helyezni a gyártósoron. A rendszer azóta is folyamatosan – napi 16 órában – teszteli a kuplungtárcsákat a gyártósor végén és továbbra is tökéletesen működik. A gép – rendkívüli pontosságának köszönhetően – olyan jellemzőket is azonosított, amelyeket a kuplungtárcsa eredeti tervezésekor sem vettek figyelembe. Visszajelzésként a mért adatokat elküldik a következő generációs kuplungtárcsákat tervező részleghez, és jelzik azokat a területeket, amelyeket az alkatrészek anyagának gyártóival együtt célszerű megvizsgálni.