汽車側(cè)滑門疲勞耐久試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李偉 馬祥 冀照通

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司）

汽車側(cè)滑門作為商務(wù)車和七座MPV的重要組成部分，其疲勞耐久性直接影響到客戶的使用體驗(yàn)。側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺是一種在汽車開發(fā)流程中，驗(yàn)證側(cè)滑門疲勞耐久性的專用試驗(yàn)工具。國內(nèi)現(xiàn)有側(cè)滑門疲勞耐久試驗(yàn)設(shè)備主要分為氣動和電動2種。氣動耐久試驗(yàn)設(shè)備以氣缸為驅(qū)動元件，采用繼電器形式進(jìn)行控制，但是由于氣缸本身精度較差并且高低溫環(huán)境中不夠穩(wěn)定，因此逐漸被電機(jī)形式的耐久試驗(yàn)臺所取代。部分電動側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺無法滿足高配MPV的電動側(cè)滑門的試驗(yàn)要求，因此文章提出了一種基于LabVIEW操作系統(tǒng)的耐久試驗(yàn)臺，它集手動側(cè)滑門和電動側(cè)滑門為一體，并且具有較強(qiáng)的可視性，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)調(diào)節(jié)汽車與試驗(yàn)臺的坡度，可為側(cè)滑門的疲勞耐久性分析提供較為準(zhǔn)確科學(xué)的試驗(yàn)依據(jù)，達(dá)到提升側(cè)滑門產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

1 試驗(yàn)臺的組成及原理

汽車側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)流程，如圖1所示。手動側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺主要由控制、執(zhí)行及外部調(diào)節(jié)3個系統(tǒng)組成。它的開閉耐久循環(huán)功能是靠執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行開閉動作實(shí)現(xiàn)的，執(zhí)行系統(tǒng)是以伺服電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的加載體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)通過設(shè)定“解鎖—開啟—解鎖復(fù)位—關(guān)閉”的工作流程，實(shí)現(xiàn)控制手動側(cè)滑門開閉耐久試驗(yàn)的功能。

圖1 汽車側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺總體結(jié)構(gòu)流程圖

由于試驗(yàn)車與試驗(yàn)臺架放置于同一工作臺面內(nèi)，因此通過外部調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以滿足同時(shí)調(diào)整試驗(yàn)汽車與試驗(yàn)臺架的角度的要求，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中要求的坡度條件下的耐久試驗(yàn)的功能。

手動側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺的控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)、運(yùn)動控制器及數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集卡采集試驗(yàn)中側(cè)滑門的運(yùn)動狀態(tài)信息，如操作力和關(guān)閉速度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)；工控機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡反饋的側(cè)滑門的關(guān)鍵信息向運(yùn)動控制器發(fā)出相應(yīng)的指令提示；運(yùn)動控制器根據(jù)收到的指令提示，向伺服電動的驅(qū)動器發(fā)出相應(yīng)的脈沖信號，實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的控制，使整個系統(tǒng)處于閉環(huán)控制之內(nèi)。

電動側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺的控制系統(tǒng)主要由工控機(jī)和CAN/LIN協(xié)議收發(fā)器組成。通過試驗(yàn)車相關(guān)DBC文件和LDF文件獲取執(zhí)行電動側(cè)滑門開閉動作的代碼，工控機(jī)發(fā)送相關(guān)代碼指令到CAN/LIN收發(fā)器，通過CAN/LIN收發(fā)器發(fā)送執(zhí)行信號到電動側(cè)滑門中，相關(guān)反饋信號通過CAN/LIN收發(fā)器反饋到工控機(jī)。工控機(jī)根據(jù)反饋信號，通過DBC文件和LDF文件中相關(guān)代碼判定該循環(huán)是否符合邏輯要求，并發(fā)出執(zhí)行下一動作的指令。

2 試驗(yàn)臺總體設(shè)計(jì)方案和硬件選擇

2.1 試驗(yàn)臺總體方案

試驗(yàn)臺主要實(shí)現(xiàn)的是對汽車進(jìn)行側(cè)滑門疲勞耐久驗(yàn)證?？刂葡到y(tǒng)是試驗(yàn)臺重要的組成部分，閉環(huán)反饋控制可以使驗(yàn)證試驗(yàn)具有較高的試驗(yàn)精度，使試驗(yàn)臺系統(tǒng)更穩(wěn)定，對試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)樣車及試驗(yàn)人員起到安全保護(hù)的作用。通過以伺服電機(jī)為主的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)模擬客戶在實(shí)際使用中對側(cè)滑門進(jìn)行的開閉動作，從而檢驗(yàn)汽車側(cè)滑門的疲勞耐久壽命，為疲勞耐久可靠性分析提供更為科學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)臺的控制主要圍繞伺服電機(jī)進(jìn)行，通過脈沖和方向信號控制，使伺服電機(jī)按照規(guī)定的運(yùn)動軌跡以要求的速度和方向執(zhí)行動作。解鎖機(jī)構(gòu)與開啟手柄通過彈簧繩連接，彈簧繩與解鎖機(jī)構(gòu)之間連接一個帶角度傳感器的力傳感器。它可以測量解鎖力、車門開啟力及車門關(guān)閉力，通過角度傳感器可以計(jì)算出法向和切向力，能夠得出更為準(zhǔn)確的試驗(yàn)依據(jù)。車門外部粘貼一個拉線位移傳感器，通過該拉線位移傳感器可以監(jiān)測到車門的實(shí)時(shí)位置，并且通過位移變化與時(shí)間的關(guān)系，計(jì)算出車門的開啟速度和關(guān)閉速度，能夠使試驗(yàn)更符合規(guī)定的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

工控機(jī)作為試驗(yàn)臺的運(yùn)算主機(jī)，搭載數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)動控制器及CAN/LIN收發(fā)器等，控制側(cè)滑門的位置輸出。

2.2 試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)硬件選擇

2.2.1 信號采集硬件

根據(jù)側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)方案，試驗(yàn)臺需要采集的數(shù)據(jù)主要有力和位移。力傳感器選擇壓電式力傳感器，壓電式力傳感器具有可以在高低溫工況下工作、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單及工作可靠的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)采集卡選擇NI USB-6351型號采集卡，具有24路數(shù)字量輸入輸出，以及2路模擬量輸入輸出功能。拉線位移傳感器選用絕對值編碼器類型，該類型編碼器便于選取零位，方便操作。

2.2.2 伺服電機(jī)控制系統(tǒng)

伺服電機(jī)通過電機(jī)轉(zhuǎn)動與齒輪的配合帶動直線導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動，直線導(dǎo)軌的傳動皮帶帶動直線導(dǎo)軌上的解鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。解鎖執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動側(cè)滑門執(zhí)行開閉動作，實(shí)現(xiàn)開閉耐久試驗(yàn)。試驗(yàn)臺采用CJ1W系列運(yùn)動控制器，該運(yùn)動控制器可以精確地發(fā)出高速脈沖信號，通過脈沖信號中脈沖的數(shù)量和頻率，精確地控制伺服電機(jī)運(yùn)動。

2.2.3 CAN/LIN總線收發(fā)器

CAN/LIN總線收發(fā)器應(yīng)用于電動側(cè)滑門耐久試驗(yàn)中，電動側(cè)滑門是由CAN/LIN總線進(jìn)行控制，根據(jù)DBC/LDF文件中的指令，模擬BCM的信號，控制ECU，向電動側(cè)滑門發(fā)送執(zhí)行命令，進(jìn)行開閉耐久試驗(yàn)。CAN/LIN總線收發(fā)器采用德國某公司生產(chǎn)的VN8970型號的硬件收發(fā)器，內(nèi)置4路CAN信號收發(fā)器，1路LIN信號收發(fā)器，并且有I/O接口和數(shù)字量擴(kuò)展模塊，軟件采用CANoe，CANoe廣泛應(yīng)用于汽車總線開發(fā)中，被汽車電器工程師所認(rèn)可，具有模塊化和穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠識別所有相關(guān)試驗(yàn)報(bào)文，方便記錄并分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。VN8970通過I/O接口與LabVIEW的數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行輸入輸出等數(shù)字量信號的數(shù)據(jù)交換，使不同的硬件與軟件能夠集成到同一試驗(yàn)臺的控制系統(tǒng)內(nèi)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 LabVIEW概述

LabVIEW是美國NI公司推出的一款功能強(qiáng)大的可視化軟件開發(fā)工具，編程人員在不需要懂得太多復(fù)雜的命令語句和控制算法的基礎(chǔ)上，利用該軟件自帶的圖標(biāo)，通過連線的方式就可以完成編程工作。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，LabVIEW已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在汽車技術(shù)、航空航天及電氣控制等領(lǐng)域，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和儀器、儀表控制等方面[1]。

3.2 控制系統(tǒng)開發(fā)流程

側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺根據(jù)實(shí)際功能分成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、信號發(fā)送及伺服驅(qū)動4個模塊。通過軟件控制界面，選擇不同類型的側(cè)滑門和相應(yīng)的耐久試驗(yàn)程序，執(zhí)行試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中所需的耐久試驗(yàn)。根據(jù)控制系統(tǒng)開發(fā)流程設(shè)計(jì)思路，控制系統(tǒng)流程，如圖2所示。

圖2 汽車側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)流程圖

3.3 控制系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件主要分為5個部分，如圖3所示。

圖3 汽車側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)軟件主界面圖

其中主檢測窗口界面主要體現(xiàn)的是側(cè)滑門耐久試驗(yàn)中側(cè)滑門的運(yùn)動狀態(tài)和試驗(yàn)臺的運(yùn)行狀態(tài)，用戶可以根據(jù)試驗(yàn)條件設(shè)定試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)，并通過當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)欄監(jiān)測試驗(yàn)臺的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)報(bào)警記錄表格，獲得試驗(yàn)的停止原因。

在示教模式中，用戶可以根據(jù)試驗(yàn)條件中規(guī)定的試驗(yàn)內(nèi)容，通過模擬人實(shí)際開啟和關(guān)閉側(cè)滑門的動作，帶動直線導(dǎo)軌上的伺服電機(jī)，使系統(tǒng)記錄下側(cè)滑門的“解鎖、開啟及關(guān)閉”等位置，伺服電機(jī)在耐久試驗(yàn)中根據(jù)示教學(xué)習(xí)的位置，執(zhí)行開閉側(cè)滑門的動作；用戶在電機(jī)參數(shù)設(shè)置界面中，根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況，設(shè)定電機(jī)的初速度、加速度、減速度及運(yùn)動時(shí)間等參數(shù)，從而使試驗(yàn)?zāi)軌驖M足規(guī)定的關(guān)閉速度和運(yùn)行時(shí)間等條件；在操作力數(shù)據(jù)采集界面，用戶可以設(shè)定操作力和解鎖力的閾值，根據(jù)帶角度傳感器的力傳感器，采集到耐久試驗(yàn)中的操作力和解鎖力，并根據(jù)需求生成力與時(shí)間的相關(guān)曲線，圖4示出數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)圖。

圖4 汽車側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)操作力數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)顯示界面

在速度數(shù)據(jù)采集界面，用戶根據(jù)拉線位移傳感器采集到的側(cè)滑門的實(shí)時(shí)位置，結(jié)合測量時(shí)間，計(jì)算得知車門的開啟和關(guān)閉速度，也可以將計(jì)算出的速度數(shù)據(jù)保存記錄到指定的Excel文件中。

4 結(jié)論

文章設(shè)計(jì)的側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺是基于LabVIEW軟件開發(fā)的，通過結(jié)合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和運(yùn)動控制系統(tǒng)，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)耐久試驗(yàn)功能的要求，并且通過布置的傳感器能夠測量到更符合試驗(yàn)需求的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)了集手動側(cè)滑門和電動側(cè)滑門為一體的目的，利用同時(shí)調(diào)節(jié)汽車與試驗(yàn)臺坡度的功能，滿足了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中的坡度要求。

基于LabVIEW的側(cè)滑門耐久試驗(yàn)臺采用伺服電機(jī)控制，與市場上電動側(cè)滑門耐久試驗(yàn)設(shè)備精度一致，結(jié)合力傳感器、角度傳感器及拉線位移傳感器等，提高了測量精度，結(jié)合CAN/LIN設(shè)備，填補(bǔ)了部分設(shè)備中電動側(cè)滑門耐久試驗(yàn)的空缺。

未來將會更進(jìn)一步深入對客戶體驗(yàn)的研究，更加注重通過人體仿生和設(shè)計(jì)機(jī)械手臂來進(jìn)行側(cè)滑門耐久試驗(yàn)，使得驗(yàn)證更加符合客戶體驗(yàn)要求。