基于EtherCAT 的車身綜合靜強度試驗系統研究

張振巖，邵帥，胡世廣

（中汽研汽車工業工程（天津）有限公司，天津 300300）

車身和車門在車輛發生側滾翻及意外擠壓時應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，為此國內外頒布了相關的試驗標準，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定。由此可見對車身和車門進行強度試驗是車輛研發過程中必要的環節，設計開發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

機械系統示意圖如圖1 所示。

圖1 機械系統示意圖

機械系統主要由主框架、升降機構、X軸旋轉機構、Y平移機構、Y軸旋轉機構、加載機構、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上下升降調整，以適應不同的試件高度。X軸旋轉機構可實現左右方向±15°調節，通過三相異步電機控制兩級渦輪蝸桿減速機旋轉實現角度調節，配有角度傳感器精確測量角度，到位后有鎖緊機構。Y軸旋轉機構可實現前后0～90°調節，通過2 套三相異步電機驅動升降機伸縮實現角度調節，配有角度傳感器精確測量角度。加載機構通過伺服電機驅動滾珠絲杠實現試驗的加載，配有4 套載荷傳感器。工裝夾具通過固定車身底側的裙邊實現車身的支撐和固定。

2 電控系統

電控系統采用上位機和下位機相結合模式，上位機和下位機通過Modbus TCP 協議進行通信，信息交互包括Modbus 通信API和數據采集API這2 種方式。其中電機使能、電缸伸出和縮回、伺服報警、限位等信息通過調用Modbus 通信API函數進行相應寄存器的讀寫實現，針對試驗過程中的載荷、位移實時數據等需要高速采集，上位機軟件通過調用數據采集API相應函數實現，數據采集啟動后，上位機要在下位機控制器緩存滿之前將數據讀取，否則會發生數據丟失情況。

上位機選用戴爾計算機Vostro 3710、VB6.0 開發人機交互系統，主要包括用戶登錄及管理、系統標定、手動調試、試驗、數據庫、幫助等6 個模塊，能夠進行系統狀態的實時監測和傳感器反饋數據的分析處理顯示及曲線繪制，進行試驗參數設置并發送給下位機，測試結束后進行試驗數據的存儲和查詢。

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 驅動器，下位機各單元之間通過以太網連接，基于EtherCAT[4]協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 標準規范進行實時控制程序的開發，分為優先權0 和1 這2 個任務等級，其中任務優先權0 為高速采集任務，該任務進行載荷、位移、角度等變量數據的濾波和分析處理，并存儲到連續的寄存器地址中，方便上位機的讀取。任務優先權1包括基本功能函數、PID 控制模塊、手動調試模塊和試驗模塊，其中基本功能函數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 控制參數自整定[5]、PID 計算、電機指令處理和輸出等，手動調試模塊只有在上位機切換到手動調試界面后執行，包括系統各個作動器單元和指令信號的控制輸出、傳感器和開關反饋的顯示，能夠進行試驗前加載位置的調整和系統各單元狀況的查看和檢修，試驗模塊包括乘用車車頂靜壓、側門侵入和商用車車頂靜壓3 項內容，能夠根據上位機設置的試驗參數自動進行預加載及清零、加載、保持和卸載。

試驗參數設置界面如圖2 所示，首先根據需求從乘用車車頂靜壓、側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，然后設置預載載荷及預載速度，預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，最多可設置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從表格中刪除。右下方顯示加載曲線預覽，當試驗參數發生變化時，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寫到下位機控制器中并自動進行試驗。

圖2 試驗參數設置界面

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前試驗狀態，當出現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、保存數據、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，上位機將試驗參數寫到下位機控制器，下位機根據試驗參數自動完成整個試驗的預加載以及預加載結束時的自動清零、加載、保持，直至完成所有設置段數的加載過程，然后卸載至載荷接近為零或位移為零后結束試驗。加載過程中如若出現超載、超位移、伺服報警等異常情況時，系統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數據和狀態，并在上位機進行數據處理顯示和曲線繪制，試驗結束后可進行數據保存、數據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GB 26134—2010《乘用車頂部抗壓強度》，按照標準中試驗裝置定位示意圖進行試驗車輛的裝卡固定。根據標準中試驗方法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，不應出現轉動，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 內完成”可以看出，加載過程要求位移勻速而加載目標為載荷，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，加載板按照設定的位移速度進行加載，當達到目標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定加載段數，如果未完成則繼續進行下一段加載，否則進入卸載階段。

3.2 側門侵入試驗

根據GB 15743—1995《轎車側門強度》，按照標準中加載示意圖進行試驗車輛的裝卡固定。根據標準中試驗方法4.4 所述“連續加載時，加載裝置的移動速度不得大于12.7 mm/s，必須在120 s 內完成”可以看出，加載過程要求位移勻速且加載目標為位移，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，加載板按照設定的位移速度進行加載，當加載到設定位移目標值457 mm 自動進行卸載至位移零位。根據標準中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的擠壓距離，其結果即為在這個距離上使車門變形所需要的平均力”，分別計算出標準中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載荷（如標準中加載示意圖），該靜態載荷相當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，加載板按照設定的載荷加載速度進行加載，當加載到設定載荷目標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。試驗后按照標準中4.2 部分進行試驗后駕駛室內每個乘坐位置生存空間的檢驗。

4 結論

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計開發了綜合靜強度試驗臺，通過調整該試驗臺加載裝置的豎直高度、左右位置、俯仰旋轉角度、左右旋轉角度，可滿足乘用車車頂靜壓、乘用車側門侵入和商用車車頂靜壓3 個試驗的標準測試需求。設備控制系統采用上下位機相結合的模式，下位機基于EtherCAT 開發實時控制軟件進行模糊PID 閉環控制、電動伺服運動控制、PLC 邏輯控制和高速采集，上位機基于Windows 系統開發人機交互系統進行系統狀態顯示、測試曲線繪制、數據存儲和查詢。經測試使用表明，系統操作調整便捷、控制精度高，很好地滿足了車身強度測試需求，而且系統集成度高減少占地面積，能夠為用戶節省很多成本。