B柱滑板的疲勞測試系統研究

衣文索 姜 楠

(長春理工大學光電工程學院， 長春130022)

0 引言

在高速發展的今天，汽車成了我們日常生活中必不可少的交通工具，隨之而來的便是對汽車安全性能的較高要求。對于交通事故多發的今天，除了對汽車的安全氣囊，ABS等要求設計要求嚴格外，對于裝有安全帶的B柱滑板也有較高的設計要求，本文闡述了對B柱滑板在不同工作環境下進行疲勞測試，在經過千百次的反復滑動后，判斷壓力數據是否還在要求范圍內，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，但是不論從設計上怎么優化，產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，本文設計了對B柱滑板進行的疲勞測試，通過上位機組態軟件顯示的測試數據來確定B柱滑板的使用壽命［1］。

1 測試系統硬件組成及原理

1.1 B柱滑板實驗原理

B柱在駕駛艙的前座與后座之間，就是兩側車門之間的縱向杠子，從車頂延伸到車底部，從內側看，安全帶就在B柱上，B柱滑板上部區域的固定點和氣囊蓋板應靠近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，通過不同環境，不同重復次數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

本系統外接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模塊是本系統的CPU，也為氣動閥提供開關量信號，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值，CP－241是以太網通信模塊，用來連接上位機的組態軟件，可以通過上位機軟件操作來控制整個疲勞測試系統［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，從而來驅動氣動閥，達到根據需要控制氣動閥，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

整體控制系統擁有兩個氣動閥，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，我們應用了硬件互鎖的原理，利用繼電器實現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的線圈構成回路，使得J1保持吸合狀態，穩定的給推動作氣動閥提供信號，此時無法執行拉動作。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

整個系統的數據采集，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據處理。S7－200的EM235模擬量模塊的轉換分辨率是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轉換的分辨率，而且還受轉外圍電路影響。實際應用中，輸入的模擬量信號會有波動、噪聲和干擾，內部模擬電路也會產生噪聲、漂移，這些都會對轉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，而且內部電路穩定、漂移小，滿足了測試系統的要求。

2 系統軟件結構及算法

本系統利用西門子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據結果，為了得到更加穩定與準確的值，我們做了如下的數據處理: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平均值作為測量結果的最佳估計，即

除去系統誤差和粗大誤差，測得值近似成正態分布N(μ，σ)，現在通過測量得到n個測量值，即為容量大小為n的子樣本數據x1，x2，…，xn。若測量設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、區間為(－Δx，+Δx)的范圍中，其概率為

因為x服從正態分布，其概率密度函數為

根據最大似然性法，其概率數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 實驗結果

在溫控箱內，分別選取了－30℃，10℃以及40℃利用測試系統對B柱滑板進行疲勞測試。整套動作每個溫度下分別執行9000次。控制軟件可以對五個動作過程中產生的推拉力進行實時的采集和監控，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境的影響會有怎樣的變化。通過運算處理的得到的數據顯示在組態軟件上，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，沒有超出預設范圍的值，可以看出系統運行比較穩定。上位機組態顯示軟件如圖6所示:

圖6 上位機組態顯示圖

4 結語

以高性能西門子PLC200為控制器，力控為上位機組態軟件組成的B柱滑板的疲勞測試系統，為上萬次的重復性疲勞測試試驗，提供了一個行之有效的解決方案，整個系統操作簡便，運算速度、響應速度快，通過運算和數據處理后，得出的結論準確，且系統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.抗疲勞設計［M］.北京:機械工業出版社，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.基于虛擬儀器技術的汽車配件疲勞測試系統設計［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.