汽車尾門疲勞測(cè)試試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)開發(fā)

林礪宗，徐亞軍，韓 帥，張昌憲，張 浩

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

汽車尾門疲勞測(cè)試試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)開發(fā)

林礪宗，徐亞軍，韓 帥，張昌憲，張 浩

（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237）

為檢測(cè)汽車尾門的出廠質(zhì)量合格與否，開發(fā)一種基于VC++環(huán)境、固高科技運(yùn)動(dòng)控制器和伺服電缸系統(tǒng)的三工位汽車尾門疲勞測(cè)試系統(tǒng)，包括單步調(diào)試、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、查看歷史數(shù)據(jù)等功能模塊。在汽車尾門疲勞試驗(yàn)過程中，對(duì)模擬試驗(yàn)點(diǎn)加載脈沖力（短時(shí)間加載）來(lái)模擬尾門開關(guān)瞬間中造成的沖擊力。為保證測(cè)試可靠性，整個(gè)控制系統(tǒng)采用全閉環(huán)力值控制系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)試3臺(tái)汽車尾門上的氣撐點(diǎn)及鎖扣點(diǎn)，提高測(cè)試效率。最后展示以VOLVO-K413為例的汽車尾門測(cè)試結(jié)果，分析在測(cè)試點(diǎn)處的力值、時(shí)間及位移之間的關(guān)系曲線圖。數(shù)據(jù)表明：該系統(tǒng)測(cè)試精度、效率高，完全滿足汽車尾門的測(cè)試要求，可應(yīng)用于各種類型的汽車尾門的疲勞測(cè)試。

力值控制；固高運(yùn)動(dòng)控制器；汽車尾門；脈沖力加載；疲勞試驗(yàn)

0 引 言

汽車尾門的設(shè)計(jì)是汽車整車設(shè)計(jì)中關(guān)鍵的部件，然而有不少國(guó)內(nèi)汽車用戶頻繁提出關(guān)于尾門的故障，如：1）尾門下沉及邊角處的變形量增大等現(xiàn)象；2）尾門的密封不嚴(yán)實(shí)導(dǎo)致出現(xiàn)漏水、漏風(fēng)現(xiàn)象；3）尾門上的附件如車門鎖、車門升降器等使用性能降低等[1-2]。因此在汽車研發(fā)設(shè)計(jì)中，汽車尾門的開關(guān)耐久性已經(jīng)成為評(píng)價(jià)尾門質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)[3-4]。

目前，某些國(guó)外汽車檢測(cè)機(jī)構(gòu)有汽車尾門檢測(cè)系統(tǒng)，但是開發(fā)成本很高，并未公開，無(wú)法對(duì)此進(jìn)行研究[5]。國(guó)內(nèi)某些汽車尾門測(cè)試公司將汽車尾門固定在支架上，采用電缸對(duì)尾門測(cè)試點(diǎn)施加力進(jìn)行疲勞測(cè)試，模擬車門關(guān)閉時(shí)該測(cè)試點(diǎn)受到的載荷[6]；但是此測(cè)試方法存在如下問題：1）每次只能對(duì)一個(gè)尾門且只能對(duì)一個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試；2）測(cè)試完成之后并不能留下測(cè)試數(shù)據(jù)；3）測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性一般。

針對(duì)國(guó)際上汽車尾門測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的不完善性，以及汽車整車設(shè)計(jì)的長(zhǎng)周期過程[7]，本文設(shè)計(jì)了基于固高運(yùn)動(dòng)控制卡三工位九軸汽車尾門疲勞測(cè)試試驗(yàn)機(jī)，為制定完善的汽車尾門測(cè)試系統(tǒng)提供測(cè)試數(shù)據(jù)和參考，以及避免汽車整車設(shè)計(jì)過程尾門設(shè)計(jì)部分不可靠的設(shè)計(jì)，節(jié)省整車開發(fā)時(shí)間。

1 測(cè)試要求

在汽車尾門反復(fù)開關(guān)時(shí)，汽車尾門關(guān)門瞬間會(huì)對(duì)氣撐桿的鏈接點(diǎn)（氣撐點(diǎn)A、B）和鎖扣接觸點(diǎn)（鎖扣點(diǎn)C）造成瞬間沖擊。如果車門剛度不足，測(cè)試點(diǎn)處在受載荷時(shí)變形會(huì)增大甚至斷裂[8]。于是，該測(cè)試機(jī)只需對(duì)尾門上這個(gè)3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行疲勞測(cè)試。測(cè)試點(diǎn)如圖1所示。

圖1 尾門上測(cè)試點(diǎn)分布

汽車尾門疲勞測(cè)試要求對(duì)測(cè)試點(diǎn)氣撐點(diǎn)A、B及鎖扣點(diǎn)C施加力值，該處的力值與時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。AB段為加壓階段（推力），在規(guī)定時(shí)間內(nèi)加載到設(shè)定力值；BC段為保壓階段，保持該力值一定的時(shí)間；CD段為卸壓階段，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)回到原點(diǎn)；DE為反向加壓階段（拉力），在規(guī)定時(shí)間內(nèi)加載到設(shè)定力值；EF為保壓階段，保持該力值一段時(shí)間；FG為卸壓階段，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)回到原點(diǎn)。A-B-C-DE-F-G為一個(gè)測(cè)試周期。F1是測(cè)試點(diǎn)處壓力最大值，F(xiàn)2是測(cè)試點(diǎn)處拉力最大值。疲勞測(cè)試試驗(yàn)機(jī)的作用是讓3個(gè)工位的9個(gè)測(cè)試點(diǎn)處的受力同步協(xié)調(diào)的按圖示的F-t圖線精確行走若干個(gè)周期。

圖2 力值與時(shí)間理想曲線

在一定溫度、濕度及光照下（由環(huán)境模擬控制箱完成），測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為：

1）一定壓力下做額定次數(shù)后是否有疲勞破壞；

2）一定壓力下變形量是否在額定標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

2 疲勞測(cè)試機(jī)總體方案

該疲勞測(cè)試試驗(yàn)機(jī)共有3個(gè)工位，每個(gè)工位的架子上固定一個(gè)汽車尾門，可以同時(shí)測(cè)試3臺(tái)汽車尾門，提高了測(cè)試效率和測(cè)試精度。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)需要的硬件包括伺服電機(jī)、電動(dòng)缸、力傳感器等。伺服電機(jī)和電動(dòng)缸組成伺服電缸系統(tǒng)。電動(dòng)缸對(duì)測(cè)試點(diǎn)施加力（壓力或拉力），在測(cè)試點(diǎn)處安裝力傳感器，使力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控該測(cè)試點(diǎn)所受到的力，將力值反饋給上位機(jī)，使整個(gè)力控系統(tǒng)處于全閉環(huán)狀態(tài)。測(cè)試點(diǎn)處硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測(cè)試點(diǎn)處硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用研華的工業(yè)制計(jì)算機(jī)作為控制核心，控制器采用固高科技的GTS-400-PV-PCI系列運(yùn)動(dòng)控制器，上位機(jī)軟件采用VC++編程。它是一種采用“工控機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡+伺服電機(jī)”的開放式控制技術(shù)，目前已經(jīng)成為現(xiàn)在機(jī)電一體化行業(yè)應(yīng)用范圍最廣及功能配置最強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)[9]。開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框如圖4所示。

圖4 開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

運(yùn)動(dòng)控制器是控制系統(tǒng)的核心部分，用于對(duì)被控制硬件的位置、速度、加速度進(jìn)行控制，使其能夠按預(yù)定的軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。該系列固高運(yùn)動(dòng)控制器可以實(shí)現(xiàn)四軸之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)（本實(shí)驗(yàn)中，只使用了三軸）。三工位的控制結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 理論基礎(chǔ)

該控制系統(tǒng)采用固高公司運(yùn)動(dòng)控制器的PT運(yùn)動(dòng)模式，是指僅僅使用位置和時(shí)間兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述運(yùn)動(dòng)規(guī)律。PT運(yùn)動(dòng)模式可以不對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模，只需使用一連串的“位置、時(shí)間”數(shù)據(jù)點(diǎn)來(lái)描述一段速度規(guī)劃[10]。

如圖6所示，整個(gè)速度曲線分成5段，第1段起點(diǎn)速度為0，經(jīng)過時(shí)間t1運(yùn)動(dòng)位移p1，因此第1段的終點(diǎn)速度為第2段的起點(diǎn)速度為ν2，經(jīng)過時(shí)間t2運(yùn)動(dòng)位移p2，因此第2段的終點(diǎn)速度為第3、4、5段運(yùn)動(dòng)以此類推。提供出每一段運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間和位移，運(yùn)動(dòng)控制器會(huì)算出計(jì)算段內(nèi)各點(diǎn)的速度和位移，自動(dòng)生成一條光滑的速度曲線。使用此控制模式能夠更方便更智能地按照測(cè)試曲線運(yùn)動(dòng)，并能實(shí)現(xiàn)力值快速?zèng)_擊的目的，滿足測(cè)試要求。

圖5 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 PT模式運(yùn)動(dòng)圖解

3.2.2 九軸三聯(lián)動(dòng)任意軸啟停的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)測(cè)試要求，3個(gè)工位相同測(cè)試點(diǎn)處必須完全同步一致，因此把3塊運(yùn)動(dòng)控制器的所有運(yùn)動(dòng)指令放到程序的一個(gè)線程中進(jìn)行。

由于設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)3個(gè)工位的某一測(cè)試點(diǎn)出現(xiàn)被拉斷的現(xiàn)象，為了不影響其他測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試，需要任意軸可以單獨(dú)啟停，即哪一個(gè)軸實(shí)驗(yàn)中壞掉或者選擇不啟動(dòng)時(shí)，可以單獨(dú)不啟用該軸。那么每個(gè)軸都有兩種狀態(tài)：?jiǎn)?dòng)、不啟動(dòng)。9根軸有29=512種可能的啟停狀態(tài)。如果在軟件中構(gòu)造512種情況依次判斷，是不可能完成的。所以在軟件中采用了反邏輯的編程思路，也就是每次默認(rèn)9根軸都啟動(dòng)，同時(shí)為每根軸配置1個(gè)標(biāo)志位（BOOL flag[3][3]），flag[0][0]～flag[2][2]分別代表9根軸，初始狀態(tài)時(shí)flag[n][n]=true代表這個(gè)軸始終不啟動(dòng)，flag[n][n]=false代表這個(gè)軸需要啟動(dòng)。同步等待時(shí)只有當(dāng)9根軸的標(biāo)志位flag [0][0]～flag[2][2]都為true時(shí)，才能進(jìn)入下一個(gè)動(dòng)作。等待同步的時(shí)候判斷這個(gè)標(biāo)志位如果為true即為動(dòng)作完成，由于不啟動(dòng)的軸始終為true，固然不用等待。九軸三聯(lián)動(dòng)任意軸啟停實(shí)現(xiàn)的流程如圖7所示。

3.2.3 上位機(jī)界面

通過比較多種編程語(yǔ)言，選用了語(yǔ)言清晰、控件豐富、兼容性強(qiáng)的VC++語(yǔ)言編寫上位機(jī)交互界面。該疲勞測(cè)試機(jī)的人機(jī)交互界面如圖8所示。上位機(jī)界面由單步調(diào)試、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)圖表顯示、歷史數(shù)據(jù)目錄4大模塊組成。在測(cè)試過程中出現(xiàn)故障或事故時(shí)，可用調(diào)試模塊檢驗(yàn)運(yùn)動(dòng)的正確性[11]。試驗(yàn)參數(shù)包括車門類別、車門型號(hào)、3個(gè)測(cè)試點(diǎn)處設(shè)定力值、測(cè)試點(diǎn)處停留時(shí)間、耐久試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)及變形量。

3.2.4 測(cè)試系統(tǒng)的安全性

完整測(cè)試系統(tǒng)的安全性尤為重要，該設(shè)備從如下兩個(gè)方面對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)：

1）最大變形量保護(hù)。設(shè)定被測(cè)工件不會(huì)超過Nmm的位移，設(shè)備在每個(gè)周期的幅值處測(cè)量一下變形量，若超過該變形量，則表明尾門出現(xiàn)問題，停止實(shí)驗(yàn)防止破壞設(shè)備。

圖7 九軸三聯(lián)動(dòng)任意軸啟停實(shí)現(xiàn)流程

圖8 測(cè)試機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

2）力值突變保護(hù)。尾門斷裂會(huì)出現(xiàn)力值集聚下降現(xiàn)象或機(jī)械卡死時(shí)力值集聚升高的現(xiàn)象，所以設(shè)備判斷最大最小力值點(diǎn)的力值是否超限，若超過極限則停止實(shí)驗(yàn)。

4 測(cè)試結(jié)果

以VOLVO-K413為例，根據(jù)數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)得知，該汽車尾門在氣撐點(diǎn)A處的最大推力為650N，在氣撐點(diǎn)B處的最大推力為790 N，鎖扣點(diǎn)C處的最大拉力為780 N，最大推力為650 N（氣撐點(diǎn)不受拉力作用，只需回到力值為零處）。疲勞試驗(yàn)次數(shù)為15000次，允許變形量設(shè)定為20mm。將這些參數(shù)設(shè)定好后，開始進(jìn)行疲勞耐久性測(cè)試。

第1工位的氣撐點(diǎn)A、氣撐點(diǎn)B及鎖扣點(diǎn)C處力值、時(shí)間與位移之間變化曲線如圖9～圖11所示。

在測(cè)試點(diǎn)處力值與時(shí)間的曲線圖9中，一個(gè)疲勞測(cè)試的周期為12s，0～2s是力值加載過程，伺服電缸推動(dòng)測(cè)試點(diǎn)使測(cè)試點(diǎn)處的力值達(dá)到設(shè)定值，氣撐點(diǎn)A、B力值由0上升到設(shè)定值650N、790N，鎖扣點(diǎn)C力值由0上升到650N。在此過程中，坡度較為平緩，可知測(cè)試中抖動(dòng)較少，測(cè)試較為穩(wěn)定。2～4s是力值保持過程，使得在測(cè)試點(diǎn)處的力值保持在設(shè)定力值處，從圖中可以看出，在力保持階段做了PID調(diào)節(jié)，使得力值維持在設(shè)定力值左右，PID調(diào)節(jié)使得誤差不超過2%。4～6s是力值返回過程，伺服電缸拉動(dòng)測(cè)試點(diǎn)使測(cè)試點(diǎn)的力值回0。在此過程中，坡度較為平緩，測(cè)試較為穩(wěn)定。6～12s內(nèi)，氣撐點(diǎn)處的力值保持在0不變。6～8s內(nèi)，鎖扣點(diǎn)處的伺服電缸拉動(dòng)測(cè)試點(diǎn)，使測(cè)試點(diǎn)處的拉力值0上升到拉力780N。8～10s是力值保持過程，使得在鎖扣點(diǎn)處拉力值保持在780 N。10～12s是力值返回過程，伺服電缸拉動(dòng)測(cè)試點(diǎn)，使力值回到0。至此，一個(gè)測(cè)試周期完成。之后以此周期運(yùn)動(dòng)，直至運(yùn)動(dòng)次數(shù)達(dá)到設(shè)定次數(shù)。

圖9 力值與時(shí)間曲線圖

圖10 力值與位移曲線圖

圖11 位移與時(shí)間曲線圖

測(cè)試點(diǎn)位移與力值的關(guān)系，即為測(cè)試點(diǎn)處形變與力的關(guān)系。由圖10中能看出在測(cè)試剛開始階段，氣撐點(diǎn)A處形變?cè)黾拥臅r(shí)候，力值并沒有相應(yīng)增加而是維持在0附近，這是由于機(jī)械機(jī)構(gòu)的機(jī)械間隙造成的，這是不可避免的誤差。另外，圖中位移與力值的曲線在推、拉過程不重合（相同位移處的力值不等）原因是汽車尾門材質(zhì)不是理想彈性體材料，形變與力值并非線性關(guān)系，所以會(huì)導(dǎo)致不能完全重合[12]。

在圖示11中，氣撐點(diǎn)A處的位移量最大，鎖扣點(diǎn)C處的位移量最小。由于氣撐點(diǎn)A比氣撐點(diǎn)B的推力設(shè)定值大，所以氣撐點(diǎn)B處位移（即形變）比A處大。氣撐點(diǎn)A與鎖扣點(diǎn)C處設(shè)定的推力值相等，而氣撐點(diǎn)A的位移比鎖扣點(diǎn)C處的大，說明氣撐點(diǎn)處的彈性系數(shù)比鎖扣點(diǎn)處的彈性大。

經(jīng)過15 000次疲勞測(cè)試之后，該汽車尾門沒有出現(xiàn)明顯的破壞痕跡，且測(cè)試過程中變形量未超過20mm，判斷出這3個(gè)汽車尾門質(zhì)量合格。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于固高公司的四軸運(yùn)動(dòng)控制卡的汽車尾門疲勞測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了力值控制全閉環(huán)控制模式，能對(duì)3臺(tái)尾門3個(gè)測(cè)試點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試效率比之前測(cè)試設(shè)備高出30%。在軟件界面上能實(shí)時(shí)顯示力值、位移及時(shí)間之間的曲線圖，能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)出測(cè)試過程中真實(shí)情況。整個(gè)測(cè)試過程，九軸聯(lián)動(dòng)時(shí)抖動(dòng)較小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，得到的數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。在測(cè)試結(jié)束后，所有時(shí)段測(cè)試數(shù)據(jù)將會(huì)被完整保存到數(shù)據(jù)庫(kù)以供分析和研究，測(cè)試人員可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果來(lái)判定車門質(zhì)量合格與否。

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（編輯：李剛）

Development of the automobile tail gate’s fatigue test machine system

LIN Lizong，XU Yajun，HAN Shuai，ZHANG Changxian，ZHANG Hao
（School of Mechanical and Power Engineering，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China）

To examine the quality of automobile tail gate before delivery，a three-position car tailgate fatigue test system based on VC++platform，motion controllers of Googol Technology and the system of servo cylinder is introduced.To simulate the impact from the moment of opening and closing the door in the process of automobile tail gate fatigue test，it is required to exert pulse force to test points after a short time loading.In order to ensure reliability of the test，a full-closed loop strength control system is adopted.The system is able to test 3 automobile tail gates’latch points and gas spring points simultaneously，which greatly improves efficiency of the test.The system also comprises single-step debugging，parameters setting，real-time data displaying，historical data inquiry and other function modules.The paper takes VOLVO-K413 as an example to show the automobile tail gate test results and analyzes the graphs between force，time and displacement of test points.According to the data，the system’s high test precision and efficiency fully meet the test requirements of car tail gate and is applicable to fatigue tests for various types of automobile tail gates.

force control；motion controllers of Googol Technology；automobile tail gate；pulse force load；fatigue test

A

：1674-5124（2017）01-0059-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.01.013

2016-03-11；

：2016-05-01

林礪宗（1961-），男，福建莆田市人，教授，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人、機(jī)電一體化等。