B柱滑板的疲勞測試系統(tǒng)研究

衣文索 姜 楠

(長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院， 長春130022)

0 引言

在高速發(fā)展的今天，汽車成了我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚慕煌üぞ?，隨之而來的便是對汽車安全性能的較高要求。對于交通事故多發(fā)的今天，除了對汽車的安全氣囊，ABS等要求設(shè)計要求嚴格外，對于裝有安全帶的B柱滑板也有較高的設(shè)計要求，本文闡述了對B柱滑板在不同工作環(huán)境下進行疲勞測試，在經(jīng)過千百次的反復(fù)滑動后，判斷壓力數(shù)據(jù)是否還在要求范圍內(nèi)，從而判斷其需要換修的時間，保證其安全性能使用。目前大多設(shè)計者都在對B柱進行輕量化，與此同時還要保證其耐撞性，但是不論從設(shè)計上怎么優(yōu)化，產(chǎn)品也都會有一定的壽命，超出壽命的使用就會給行車安全以及人身安全留下了巨大的隱患，本文設(shè)計了對B柱滑板進行的疲勞測試，通過上位機組態(tài)軟件顯示的測試數(shù)據(jù)來確定B柱滑板的使用壽命［1］。

1 測試系統(tǒng)硬件組成及原理

1.1 B柱滑板實驗原理

B柱在駕駛艙的前座與后座之間，就是兩側(cè)車門之間的縱向杠子，從車頂延伸到車底部，從內(nèi)側(cè)看，安全帶就在B柱上，B柱滑板上部區(qū)域的固定點和氣囊蓋板應(yīng)靠近B柱上邊緣以滿足安全帶滑板向上下滑動不受干擾。

對B柱滑板進行疲勞測試，是利用機械手如圖1所示的滑板按鍵②進行夾緊，接著下推至底部③的位置松開按鍵，2秒延時后接著再夾緊、上拉至頂部①的位置松開等一系列的重復(fù)動作來采集進行動作時的受力情況，分析其受力情況，通過不同環(huán)境，不同重復(fù)次數(shù)受力情況的不同來分析判斷B柱滑板的可使用壽命。機械手抓卡裝置如圖2所示，用于對B柱滑板進行操作［2］。

圖1 B柱滑板圖

圖2 機械手裝卡圖

1.2 電路控制總系統(tǒng)

本系統(tǒng)外接220V交流電，為PLC226模塊以及直流電源供電，通過直流電源轉(zhuǎn)換成為24V直流電來為氣動閥供電，PLC系列的226模塊是本系統(tǒng)的CPU，也為氣動閥提供開關(guān)量信號，235是模擬量輸入輸出模塊，用來采集拉壓力傳感器傳回來的數(shù)值，CP－241是以太網(wǎng)通信模塊，用來連接上位機的組態(tài)軟件，可以通過上位機軟件操作來控制整個疲勞測試系統(tǒng)［3］。采用226模塊的Q0.0，Q0.1等開光量輸出口對繼電器進行控制，從而來驅(qū)動氣動閥，達到根據(jù)需要控制氣動閥，從而使氣動閥控制的機械手進行運動。利用兩個拉壓力傳感器，一個固定在機械手夾緊、松開處來采集夾緊力，另一個固定在機械手滑竿處來采集推拉力值，任何采集信號值傳入PLC的235模塊中進行處理。整體電路控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 控制電路總體框圖

1.3 氣動閥控制系統(tǒng)

整體控制系統(tǒng)擁有兩個氣動閥，氣動閥的原理是給不同觸點通電，氣動閥向不同方向運動。兩個氣動閥在功能上是有差別的，第一個氣動閥應(yīng)用在夾緊和松開的動作中，夾緊和松開滑板的過程實際上是由三個不同的動作來完成，即夾緊、松開以及不動作，夾緊時氣動閥的左端給24V電，松開時氣動閥的右端給24V電，不動作時兩端都不給24V電。第二個氣動閥的應(yīng)用在上下推拉的過程中，上下推拉只有兩個動作，要么推動作、要么拉動作，但是由于滑板自身是有重力的，如果出現(xiàn)不給第二個閥24V的情況，滑板便會緩慢下移，影響測試的精度。為了解決這個問題，我們應(yīng)用了硬件互鎖的原理，利用繼電器實現(xiàn)了推動作和拉動作的互鎖，達到了推拉動作的唯一性。

繼電器互鎖接線圖如圖4所示:

圖4 繼電器互鎖接線圖

當PLC給推動作觸點信號時，繼電器J1吸合，J1的5，9觸點，以及J2的1，9觸點和J1的線圈構(gòu)成回路，使得J1保持吸合狀態(tài)，穩(wěn)定的給推動作氣動閥提供信號，此時無法執(zhí)行拉動作。當PLC給拉動作觸點信號時，繼電器J2吸合，J2的1和9觸點斷開，則J1也斷開，拉動作通過外接W24V給氣動閥提供信號，實現(xiàn)了推拉動作互鎖的唯一性。

1.4 拉壓力傳感器及信號采集系統(tǒng)

整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，主要就是采集夾緊、松開、不動作和推動作、拉動作等五個動作時的拉壓力。本系統(tǒng)采用了圖爾克公司的GPD200(20KG)拉壓力傳感器，這款傳感器可同時測試拉力和壓力，輸出的對稱性非常好，綜合精度為0.02～0.03(線性+滯后+重復(fù)性)，靈敏度為 1.0mv/V，所以它的精度可以達到 0.02%*20KG即4g，可以說精度非常高。輸出信號為±5V，－5V～0V表示采集到的為壓力，0V～5V表示采集到的為拉力。本系統(tǒng)利用西門子PLC配套的模擬量輸入模塊EM235，對傳回來的模擬量進行采集和數(shù)據(jù)處理。S7－200的EM235模擬量模塊的轉(zhuǎn)換分辨率是12位，能夠反映模擬量變化的最小單位是滿量程的1/4096。我們知道模擬量精度不僅取決于A/D轉(zhuǎn)換的分辨率，而且還受轉(zhuǎn)外圍電路影響。實際應(yīng)用中，輸入的模擬量信號會有波動、噪聲和干擾，內(nèi)部模擬電路也會產(chǎn)生噪聲、漂移，這些都會對轉(zhuǎn)換的最后精度造成影響。西門子這款模擬量模塊，不但可以對傳回的信號進行濾波，而且內(nèi)部電路穩(wěn)定、漂移小，滿足了測試系統(tǒng)的要求。

2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)及算法

本系統(tǒng)利用西門子PLC配套的編程軟件Step7，進行程序編寫，并利用上位機軟件力控，進行上位機上的控制。主程序的邏輯框圖如圖5所示:

圖5 PLC主程序框圖

對于采集回來拉壓力的數(shù)據(jù)結(jié)果，為了得到更加穩(wěn)定與準確的值，我們做了如下的數(shù)據(jù)處理:這些符合等精度測量的測量值x1，x2，…，xn，以全部測量值的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果的最佳估計，即

除去系統(tǒng)誤差和粗大誤差，測得值近似成正態(tài)分布N(μ，σ)，現(xiàn)在通過測量得到n個測量值，即為容量大小為n的子樣本數(shù)據(jù)x1，x2，…，xn。若測量設(shè)備的最大測量單位為Δx，x的測量值為xi，則意味著x落在中心為 xi、區(qū)間為(－Δx，+Δx)的范圍中，其概率為

因為x服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為

根據(jù)最大似然性法，其概率數(shù)可用求極值方法解出，使其值達到最大即

解上述方程得

因為

3 實驗結(jié)果

在溫控箱內(nèi)，分別選取了－30℃，10℃以及40℃利用測試系統(tǒng)對B柱滑板進行疲勞測試。整套動作每個溫度下分別執(zhí)行9000次?？刂栖浖梢詫ξ鍌€動作過程中產(chǎn)生的推拉力進行實時的采集和監(jiān)控，可以對分步或整套動作進行實時的操作，觀測拉壓力值隨著溫度及不同環(huán)境的影響會有怎樣的變化。通過運算處理的得到的數(shù)據(jù)顯示在組態(tài)軟件上，如夾緊力、滑板力的－30℃時為約 4.2N，10℃為 4.8N，40℃為5.6N，變化范圍基本成線性，沒有超出預(yù)設(shè)范圍的值，可以看出系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定。上位機組態(tài)顯示軟件如圖6所示:

圖6 上位機組態(tài)顯示圖

4 結(jié)語

以高性能西門子PLC200為控制器，力控為上位機組態(tài)軟件組成的B柱滑板的疲勞測試系統(tǒng)，為上萬次的重復(fù)性疲勞測試試驗，提供了一個行之有效的解決方案，整個系統(tǒng)操作簡便，運算速度、響應(yīng)速度快，通過運算和數(shù)據(jù)處理后，得出的結(jié)論準確，且系統(tǒng)具有警報和緊急停止功能，安全性好，滿足了此項疲勞測試的需求。

［1］張飆.汽車安全帶試驗方法的探討［J］.天津汽車，1998(3):37－39.

［2］趙少汴.抗疲勞設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997.

［3］Kang Jitao，Gan Yadong，Quan Qingquan.The Method of Developing Virtual Instrument Platform［J］.Automobile De－centralized Systems，2000:64－67.

［4］舒友誼，周泓.基于虛擬儀器技術(shù)的汽車配件疲勞測試系統(tǒng)設(shè)計［J］.機電工程，2003(1):35－38.

［5］Matthias K，Werner H，Rainer K.High－pressure sheet metal forming of large scale structures from sheets with optimized thickness distribution［J］.Steel Research International，2005，76:177－181.