基于EtherCAT 的車身綜合靜強度試驗系統(tǒng)研究

張振巖，邵帥，胡世廣

（中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司，天津 300300）

車身和車門在車輛發(fā)生側(cè)滾翻及意外擠壓時應(yīng)給駕乘人員提供有力的保護，因而必須要求其具有足夠的強度，為此國內(nèi)外頒布了相關(guān)的試驗標(biāo)準(zhǔn)，如乘用車方面有中國的GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》[1]和GB 15743—1995《轎車側(cè)門強度》[2]、美國的FMVSS 216a《ROOF CRUSH RESISTANCE》及FMVSS 214《SIDE IMPACT PROTECTION》等；商用車方面有GB 26512—2021《商用車駕駛室乘員保護》[3]等，都對車身或車門強度試驗做出明確的規(guī)定。由此可見對車身和車門進行強度試驗是車輛研發(fā)過程中必要的環(huán)節(jié)，設(shè)計開發(fā)汽車車身強度試驗臺對汽車安全性能的驗證具有非常重要意義。

1 機械系統(tǒng)

機械系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。

圖1 機械系統(tǒng)示意圖

機械系統(tǒng)主要由主框架、升降機構(gòu)、X軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、Y平移機構(gòu)、Y軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、加載機構(gòu)、工裝夾具等組成。主框架作為整體試驗臺的主體支撐，提供足夠的剛度和強度，升降架通過三相異步電機控制實現(xiàn)上下升降調(diào)整，以適應(yīng)不同的試件高度。X軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可實現(xiàn)左右方向±15°調(diào)節(jié)，通過三相異步電機控制兩級渦輪蝸桿減速機旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)角度調(diào)節(jié)，配有角度傳感器精確測量角度，到位后有鎖緊機構(gòu)。Y軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)可實現(xiàn)前后0～90°調(diào)節(jié)，通過2 套三相異步電機驅(qū)動升降機伸縮實現(xiàn)角度調(diào)節(jié)，配有角度傳感器精確測量角度。加載機構(gòu)通過伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠實現(xiàn)試驗的加載，配有4 套載荷傳感器。工裝夾具通過固定車身底側(cè)的裙邊實現(xiàn)車身的支撐和固定。

2 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)采用上位機和下位機相結(jié)合模式，上位機和下位機通過Modbus TCP 協(xié)議進行通信，信息交互包括Modbus 通信API和數(shù)據(jù)采集API這2 種方式。其中電機使能、電缸伸出和縮回、伺服報警、限位等信息通過調(diào)用Modbus 通信API函數(shù)進行相應(yīng)寄存器的讀寫實現(xiàn)，針對試驗過程中的載荷、位移實時數(shù)據(jù)等需要高速采集，上位機軟件通過調(diào)用數(shù)據(jù)采集API相應(yīng)函數(shù)實現(xiàn)，數(shù)據(jù)采集啟動后，上位機要在下位機控制器緩存滿之前將數(shù)據(jù)讀取，否則會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失情況。

上位機選用戴爾計算機Vostro 3710、VB6.0 開發(fā)人機交互系統(tǒng)，主要包括用戶登錄及管理、系統(tǒng)標(biāo)定、手動調(diào)試、試驗、數(shù)據(jù)庫、幫助等6 個模塊，能夠進行系統(tǒng)狀態(tài)的實時監(jiān)測和傳感器反饋數(shù)據(jù)的分析處理顯示及曲線繪制，進行試驗參數(shù)設(shè)置并發(fā)送給下位機，測試結(jié)束后進行試驗數(shù)據(jù)的存儲和查詢。

下位機選用Leetro I5 作為主站控制器，從站包括2 套四通道模擬量輸入模塊E20H1、1 套八通道數(shù)字量混合模塊以及加載通道伺服、俯仰角度1 伺服、俯仰角度2 伺服、左右角度伺服、升降通道1 伺服、升降通道2 伺服共6 套松下A6B 驅(qū)動器，下位機各單元之間通過以太網(wǎng)連接，基于EtherCAT[4]協(xié)議進行實時通信和控制，同步模式選擇DC-Synchron。

下位機基于IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進行實時控制程序的開發(fā)，分為優(yōu)先權(quán)0 和1 這2 個任務(wù)等級，其中任務(wù)優(yōu)先權(quán)0 為高速采集任務(wù)，該任務(wù)進行載荷、位移、角度等變量數(shù)據(jù)的濾波和分析處理，并存儲到連續(xù)的寄存器地址中，方便上位機的讀取。任務(wù)優(yōu)先權(quán)1包括基本功能函數(shù)、PID 控制模塊、手動調(diào)試模塊和試驗?zāi)K，其中基本功能函數(shù)包括伺服電機的使能、傳感器過載和伺服過載報警及處理、報警清除等，PID控制模塊包括力控、位控等控制模式之間的切換初始化、PID 控制參數(shù)自整定[5]、PID 計算、電機指令處理和輸出等，手動調(diào)試模塊只有在上位機切換到手動調(diào)試界面后執(zhí)行，包括系統(tǒng)各個作動器單元和指令信號的控制輸出、傳感器和開關(guān)反饋的顯示，能夠進行試驗前加載位置的調(diào)整和系統(tǒng)各單元狀況的查看和檢修，試驗?zāi)K包括乘用車車頂靜壓、側(cè)門侵入和商用車車頂靜壓3 項內(nèi)容，能夠根據(jù)上位機設(shè)置的試驗參數(shù)自動進行預(yù)加載及清零、加載、保持和卸載。

試驗參數(shù)設(shè)置界面如圖2 所示，首先根據(jù)需求從乘用車車頂靜壓、側(cè)門侵入和商用車車頂靜壓中選擇試驗項目，控制方式從力控加載、位控加載和交變加載中選擇，然后設(shè)置預(yù)載載荷及預(yù)載速度，預(yù)載載荷用于加載壓板和車輛接觸的載荷判定。通過“添加新值”或“插入新值”可增加試驗加載段數(shù)，最多可設(shè)置10段，選中右上方表格中需要編輯的行然后點擊“更新波形”，可將左邊設(shè)定點加載幅值、加載時間和保持時間刷新到右上方表格；選中右上方表格中指定行，然后點擊“刪除”按鈕可將該段加載參數(shù)從表格中刪除。右下方顯示加載曲線預(yù)覽，當(dāng)試驗參數(shù)發(fā)生變化時，曲線自動刷新。點擊開始按鈕時，上位機將把表格中試驗參數(shù)寫到下位機控制器中并自動進行試驗。

圖2 試驗參數(shù)設(shè)置界面

3 主要試驗項目

試驗主界面上面部分顯示實時載荷、實時位移和整個加載過程中的載荷、位移最大值，側(cè)門試驗時還要顯示初始耐擠壓力、中間耐擠壓力和整個過程中的最大耐擠壓力。運行指示燈用于顯示當(dāng)前試驗狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)報警時報警指示燈閃亮提示。左下方為加載過程曲線繪制部分，包括載荷位移實時曲線和載荷位移曲線。右方表格顯示每段試驗加載的載荷峰谷值和位移峰谷值。右下方為試驗操作按鈕，包括試驗啟動、載荷清零、位移清零、報警清除、保存數(shù)據(jù)、試驗打包等。

試驗流程圖如圖3 所示。在點擊“試驗啟動”按鈕后，上位機將試驗參數(shù)寫到下位機控制器，下位機根據(jù)試驗參數(shù)自動完成整個試驗的預(yù)加載以及預(yù)加載結(jié)束時的自動清零、加載、保持，直至完成所有設(shè)置段數(shù)的加載過程，然后卸載至載荷接近為零或位移為零后結(jié)束試驗。加載過程中如若出現(xiàn)超載、超位移、伺服報警等異常情況時，系統(tǒng)自動停機并聲光報警提示。試驗過程中上位機實時讀取下位機系統(tǒng)數(shù)據(jù)和狀態(tài)，并在上位機進行數(shù)據(jù)處理顯示和曲線繪制，試驗結(jié)束后可進行數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)庫查詢和生成試驗報告等，此外上位機還可進行查看故障記錄、中止試驗等操作。

圖3 試驗流程圖

3.1 乘用車車頂靜壓試驗

根據(jù)GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》，按照標(biāo)準(zhǔn)中試驗裝置定位示意圖進行試驗車輛的裝卡固定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中試驗方法5.5 部分所述“使加載裝置沿垂直于下表面的方向向下移動，不應(yīng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動，加載速度不超過13 mm/s，直至載荷的大小達到第3 章的要求，整個試驗在120 s 內(nèi)完成”可以看出，加載過程要求位移勻速而加載目標(biāo)為載荷，這種情況下選擇交變加載模式。

選擇交變加載模式，啟動試驗后，加載板按照設(shè)定的位移速度進行加載，當(dāng)達到目標(biāo)載荷時自動切換到力控模式進入保持階段，保持時間到達后再次自動切換到位控，判定是否完成所有設(shè)定加載段數(shù)，如果未完成則繼續(xù)進行下一段加載，否則進入卸載階段。

3.2 側(cè)門侵入試驗

根據(jù)GB 15743—1995《轎車側(cè)門強度》，按照標(biāo)準(zhǔn)中加載示意圖進行試驗車輛的裝卡固定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中試驗方法4.4 所述“連續(xù)加載時，加載裝置的移動速度不得大于12.7 mm/s，必須在120 s 內(nèi)完成”可以看出，加載過程要求位移勻速且加載目標(biāo)為位移，這種情況下選擇位控加載模式。

選擇位控加載模式，啟動試驗后，加載板按照設(shè)定的位移速度進行加載，當(dāng)加載到設(shè)定位移目標(biāo)值457 mm 自動進行卸載至位移零位。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中4.5 部分“求得施加載荷相對擠壓距離的積分，以該積分值除以相應(yīng)的擠壓距離，其結(jié)果即為在這個距離上使車門變形所需要的平均力”，分別計算出標(biāo)準(zhǔn)中2 部分要求的0～152 mm 擠壓距離上的初始耐擠壓力、0～305 mm 擠壓距離上的中間耐擠壓力和457 mm 整個擠壓距離上的最大耐擠壓力。

3.3 商用車車頂靜壓試驗

根據(jù)GB 26512—2021《商用車駕駛室乘員保護》5.7.3 部分所述“通過加載裝置向駕駛室頂部施加靜態(tài)載荷（如標(biāo)準(zhǔn)中加載示意圖），該靜態(tài)載荷相當(dāng)于車輛前軸或多根前軸的最大允許軸荷，最大值為98 kN”可以看出，加載目標(biāo)為載荷，這種情況下選擇力控加載模式。

選擇力控加載模式，啟動試驗后，加載板按照設(shè)定的載荷加載速度進行加載，當(dāng)加載到設(shè)定載荷目標(biāo)值后進入載荷保持階段，完成后自動進行卸載至位移零位或載荷較小值。試驗后按照標(biāo)準(zhǔn)中4.2 部分進行試驗后駕駛室內(nèi)每個乘坐位置生存空間的檢驗。

4 結(jié)論

本文針對乘用車和商用車車身強度多個試驗項目的需求設(shè)計開發(fā)了綜合靜強度試驗臺，通過調(diào)整該試驗臺加載裝置的豎直高度、左右位置、俯仰旋轉(zhuǎn)角度、左右旋轉(zhuǎn)角度，可滿足乘用車車頂靜壓、乘用車側(cè)門侵入和商用車車頂靜壓3 個試驗的標(biāo)準(zhǔn)測試需求。設(shè)備控制系統(tǒng)采用上下位機相結(jié)合的模式，下位機基于EtherCAT 開發(fā)實時控制軟件進行模糊PID 閉環(huán)控制、電動伺服運動控制、PLC 邏輯控制和高速采集，上位機基于Windows 系統(tǒng)開發(fā)人機交互系統(tǒng)進行系統(tǒng)狀態(tài)顯示、測試曲線繪制、數(shù)據(jù)存儲和查詢。經(jīng)測試使用表明，系統(tǒng)操作調(diào)整便捷、控制精度高，很好地滿足了車身強度測試需求，而且系統(tǒng)集成度高減少占地面積，能夠為用戶節(jié)省很多成本。