摘要：本文探討了伺服系統(tǒng)在機動車安全帶傾斜鎖止試驗中的應(yīng)用，引入PLC、伺服電機、編碼器等元件，提出了一種檢測設(shè)備的實施方式。對我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗要求和試驗方法進行了詳細(xì)闡述，論述了該類檢測設(shè)備機械部分以及測控系統(tǒng)設(shè)計的可行方案，并就PLC編程中涉及的測控流程、各關(guān)鍵件的通訊關(guān)系進行了系統(tǒng)說明。

1 引言

機動車安全帶是一種用于約束車輛駕駛員和乘客的防護裝置，可有效提高車輛的被動安全性。自從1955年，美國乘用車首次裝用安全帶以后，其應(yīng)用愈加普遍。美、歐、日等國家和地區(qū)相繼立法或出臺規(guī)定，要求汽車乘員必須佩戴安全帶。我國公安部也已于1992年11月15日頒布通告，規(guī)定從1993年7月1日起，所有小客車(包括轎車、吉普車、面包車、微型車)駕駛?cè)撕颓芭抛塑嚾吮仨毷褂冒踩珟?。另外，我國《道路交通安全法》第五十一條規(guī)定：機動車行駛時，駕駛?cè)?、乘坐人員應(yīng)當(dāng)按規(guī)定使用安全帶。

按照國家標(biāo)準(zhǔn)的定義，安全帶即具有織帶、帶扣、調(diào)節(jié)件以及將其固定在機動車輛內(nèi)部的連接件，用于在車輛驟然減速或碰撞時通過限制佩戴者身體的運動以減輕其傷害程度的總成，包括吸能或卷收織帶的裝置。目前，安全帶的常見種類較多。按照結(jié)構(gòu)形式，安全帶可分為腰帶、肩帶、三點式安全帶、S型安全帶和全背帶式安全帶。其中，帶卷收器的安全帶性能更佳，對制造工藝要求也更高。卷收器作為安全帶的關(guān)鍵件，按照其性能和調(diào)節(jié)方式，可分為無鎖式卷收器（1型）、手調(diào)式卷收器（2型）、自鎖式卷收器（3型）、緊急鎖止式卷收器（4型）、高響應(yīng)緊急鎖止式卷收器（4N型）。最常見的安全帶卷收器型式是4型和4N型，二者都具有帶感和/或車感鎖止以及傾斜鎖止性能。車感鎖止和帶感鎖止分別用于評價車輛和車輛乘員緊急作動時的安全帶防護性能，而傾斜鎖止是用于評價車輛在俯仰和側(cè)傾姿態(tài)下的安全帶防護性能。本文重點探討安全帶的傾斜鎖止特性及其檢測實現(xiàn)方法。

《機動車乘員用安全帶、約束系統(tǒng)、兒童約束系統(tǒng)和ISOFIX兒童約束系統(tǒng)》（GB14166-2013）4.2.5.3.1c）和4.2.5.3.1d）條款規(guī)定，當(dāng)敏感裝置在其制造廠規(guī)定的安裝位置向任意方向傾斜12°或以下時，卷收器不得鎖止；對于4型卷收器，當(dāng)敏感裝置在其制造廠規(guī)定的安裝位置向任意方向傾斜大于27°時，卷收器應(yīng)鎖止；對于4N型卷收器，當(dāng)敏感裝置在其制造廠規(guī)定的安裝位置向任意方向傾斜大于40°時，卷收器應(yīng)鎖止。國家標(biāo)準(zhǔn)5.6.2.3條款約定了傾斜鎖止試驗方法，即為檢查是否滿足4.2.5.3.1c）和4.2.5.3.1d）要求，卷收器應(yīng)安裝在水平臺面上，并使臺面以不超過2°/s的速度傾斜直至發(fā)生鎖止。試驗應(yīng)在其他方向上重復(fù)進行以滿足要求。

2 試驗流程及設(shè)備構(gòu)建關(guān)注點

為實施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗過程，需策劃相關(guān)流程，即卷收器按照規(guī)定的安裝方法安裝完成后，應(yīng)能模擬車輛的俯仰和側(cè)傾姿態(tài)，在前、后、左、右四個翻轉(zhuǎn)方向?qū)崟r監(jiān)測卷收器的鎖止?fàn)顟B(tài)，并記錄鎖止角度。

目前，安全帶生產(chǎn)工廠為實施COP試驗中的100%檢驗，均會在生產(chǎn)線上配備傾斜鎖止檢測設(shè)備，但該類線上設(shè)備為適應(yīng)生產(chǎn)線節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率，國家標(biāo)準(zhǔn)5.6.2.3條款規(guī)定的傾斜速度一般不予考慮和滿足。且卷收器裝夾方式通常為采用適應(yīng)卷收器外形和尺寸的特制夾具，氣動夾緊模式。而作為實驗室檢測設(shè)備，則不能簡單等同于線上設(shè)備，前者對安裝定位精度、傾斜角度、鎖止角度的測量均有更高要求，以適應(yīng)ISO/IEC17025:2005《檢測和校準(zhǔn)實驗室能力的通用要求》的規(guī)定，且該要求轉(zhuǎn)換為2017版之后，對檢測儀器的相關(guān)要求并未弱化。

為構(gòu)建該項試驗檢測設(shè)備，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傾斜速度精準(zhǔn)實現(xiàn)系統(tǒng)、卷收器鎖止識別系統(tǒng)、90°換向系統(tǒng)、織帶抽取系統(tǒng)等應(yīng)為試驗流程實現(xiàn)的必需系統(tǒng)。其中，傾斜速度精準(zhǔn)實現(xiàn)系統(tǒng)主要通過引入伺服電機和PLC，構(gòu)成精準(zhǔn)速度控制環(huán)節(jié)；卷收器鎖止識別系統(tǒng)引入壓力傳感器，如果卷收器鎖止，則織帶對壓力傳感器施加壓力驟然增加，設(shè)定可信數(shù)值，即可實現(xiàn)鎖止識別功能；90°換向系統(tǒng)用于實現(xiàn)前后、左右兩垂直旋轉(zhuǎn)軸的切換，通過伺服電機和PLC構(gòu)成的伺服系統(tǒng)實現(xiàn)；織帶抽取系統(tǒng)采用輥輪夾緊并旋轉(zhuǎn)抽帶的方式，夾緊方式利用氣缸實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)動作采用小型伺服電機實現(xiàn)。

3 試驗設(shè)備構(gòu)建方法

該檢測設(shè)備由機械部分和測控部分組成。機械部分為執(zhí)行部分，直接和樣品接觸，由上述各系統(tǒng)和相關(guān)輔件匹配組合而成。測控部分主要由PLC、觸摸屏和旋轉(zhuǎn)編碼器構(gòu)成。觸摸屏作為人機界面，同時也是上位機，PLC為下位機，上位機對下位機進行參數(shù)設(shè)置，下位機內(nèi)置梯形圖程序，直/間接與編碼器和伺服驅(qū)動器通訊。

3.1 機械部分

機械部分的設(shè)計直接采用UG繪制三維圖，并進行數(shù)字樣機虛擬裝配和干涉檢查等，涉及上述各個系統(tǒng)，充分考慮人因工程學(xué)因素。該過程實現(xiàn)了無紙化，也極大縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期。設(shè)備裝配圖見圖1，設(shè)備實物圖見圖2.

圖1.安全帶傾斜鎖止試驗設(shè)備三維裝配圖

圖2.安全帶傾斜鎖止試驗設(shè)備實物圖

3.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要實現(xiàn)傾斜速度控制、90°轉(zhuǎn)向控制、鎖止判別與鎖止角度測量四大功能。傾斜速度控制由電機I、電機II執(zhí)行，試驗開始即可動作，最大旋轉(zhuǎn)范圍可至180°。90°轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向電機執(zhí)行，執(zhí)行時機為前后旋轉(zhuǎn)軸試驗完成，左右旋轉(zhuǎn)軸試驗需要開始時?？棊С槿∮沙閹щ姍C執(zhí)行，在氣缸下壓并帶動輥輪夾緊織帶時即可生效。所用共計4臺伺服電機。鎖止判別條件為壓力傳感器承受力值超限，并以此執(zhí)行后續(xù)動作。鎖止角度測量引入絕對型高精度旋轉(zhuǎn)編碼器，開機不必找零位，可對軸的絕對位置信息進行監(jiān)測，且抗干擾性較強，也無增量型編碼器的零點累積誤差的問題。表1所示為所選歐姆龍NPN輸出絕對值型E6C3-AG5C編碼器、CP1H歐姆龍PLC和接線關(guān)系對應(yīng)表。該型編碼器可輸出格雷碼，格雷碼屬于錯誤最小化的可靠性編碼，有利于減少編碼器出錯。

表1.絕對型編碼器、PLC、直流電源接線關(guān)系對應(yīng)表

4 關(guān)鍵控制部分實現(xiàn)方法

上位機采用昆侖通態(tài)觸摸屏，可進行圖形化編程及后臺操作，作為人機界面實現(xiàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置及開、關(guān)機功能。

通過對下位機PLC進行梯形圖編程，獲得可靠的控制實現(xiàn)。PLC輸出可分為晶體管和繼電器輸出類型，方案采用晶體管輸出型，外加繼電器實現(xiàn)對伺服驅(qū)動器和電磁閥的控制，以控制電機和氣缸動作?？刂频脑敿?xì)流程如圖3所示。其中，“抽帶電機回位&正轉(zhuǎn)”過程中，回位和正轉(zhuǎn)的分界點為伺服電機I/II旋轉(zhuǎn)至初始位置（零度位置）時。

上位機和下位機之間采用DP通訊，基于PLC可選的RS-232C端口，圖4所示為歐姆龍PLC對應(yīng)一側(cè)的端口引腳定義。圖5所示為所選昆侖通態(tài)觸摸屏和PLC的接線關(guān)系圖。

圖3.設(shè)備測控流程圖

圖4.PLCRS232C端口引腳定義

圖5.觸摸屏和PLC通訊接線關(guān)系圖

5 結(jié)語

本文探討了伺服系統(tǒng)在安全帶傾斜鎖止試驗中的應(yīng)用，構(gòu)建了一種高精度的自動檢測方案。設(shè)備樣機已投入實際應(yīng)用，累計檢測1000余次，暫無不良反饋。設(shè)備整體性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，對于檢測類實驗室裝備提升有積極作用。

在設(shè)備研發(fā)過程中，四臺伺服電機、驅(qū)動器、PLC、觸摸屏及各類按鈕、開關(guān)、繼電器等輔件之間接線較為復(fù)雜，雖然實現(xiàn)了技術(shù)方案，但仍有可改進、優(yōu)化之處。如引入總線模塊，則大可緩解目前接線復(fù)雜的狀態(tài)，有望進一步縮短設(shè)備開發(fā)周期。對于大型、復(fù)雜設(shè)備，則可行性尤為明顯。

另外，設(shè)備系統(tǒng)精度是全面考慮了設(shè)備所有相關(guān)子系統(tǒng)的精度之后，按照設(shè)備使用方式、運轉(zhuǎn)狀況等得出的綜合性精度。短板效應(yīng)較為適用于該類設(shè)備精度的評價。雖然編碼器精度較高，但應(yīng)考慮合理匹配，并將機械精度，如減速機齒輪背隙、光電開關(guān)安裝、對不同樣品的適應(yīng)性，以及外來擾動等因素納入考慮范圍。該過程可謂一系統(tǒng)工程，如能全盤考慮，則性價比有望達(dá)到最優(yōu)。