汽车安全带卷收力试验台的分析与设计

1、汽车安全带卷收力试验台的分析与设计ExchanaeofExperiencel经验交流l机窜襄械工业标鳃备国訇锻准化与质中汽认证中心口王宁量根据CNCA一02C一026:2005机动车辆类续带的卷收器的卷收力必须在1N7N之间.CT)(o强制性认证实施规则汽车安全带产品和通过分析,卷收器卷收力试验台研发方案硬寸匀llGB14166-2003机动车成年乘员用安全带性技术应当满足下列条件:和约束系统中成人安全带卷收力试验内容要1)位移速度要求:500mm/rnin;=0求.中汽认证中心需要研发一种满足各种样式的2)锁止位移:有效长度的25%士50mm;N成人安全带卷收力性能的试验台.3)判定数据范围

2、:1N7N;首先.我们对标准进行细致的分析,在4)其他要求:通过导向轮或样品自带导向GB14166-2003中.对于卷收器卷收力的试件安装._34应条款号):5.6.4.2将卷收器按在汽车上的安装状态固定住.把织带全部拉出.然后以约500mm/min的速度将织带卷入卷收器内.当卷入的织带长度为织带有效长度的25%士50mm时.测量卷收器的卷收力.对带有导向件的卷收器,则按实际安装尺寸.并让织带穿过导向件进行测量卷收力测量4.2.5.3.4如果卷收器是腰带的一部分.当按照5.6.4.1在假人卷收器之间自由长度上测量时.织带的卷收力不应小于7N;如果卷收器是肩带的一部分时.进行类似测量时,织带的卷

3、收力应不小于2N且不大于7N:如果织带通过导向装置或导向轮.应在假人与导向装置或导向轮之间的自由长度上测量卷收力:如果卷收器总成带有手动或自动防止织带全部卷回的装置.则在测量卷收力时.应使该装置失效.按5.6.4.2测量时用于腰带的卷收力必须大于2.6N.用于肩带或连1)设备可对位移速度进行设定;2l设备可判定位移有效长度变化及所占织带全长的百分比:31设备可检测相应设定位移时刻的负荷力值并显示:4)设备元件配合应保证实验室计量认证标准:5)设备应符合电气常规设计使用原则.我们主要分四个部分对试验台进行如下设计:(1)机械部分在调研了几家国家汽车检测中心安全带试验设备的工作方式后.根据卷收器实

4、车安装方式和满足标准要求.设备机械部分设计决定采用斜桥式设计:用三根120mmx20mm的型材(长度2.5米)组成一个直角U形槽,导轨固定在底部型材上.丝杠通过滚珠螺母和导轨滑块连接,在丝杠两头分别设计凸形轴承座.内嵌轴承对丝杠经验交流IExchangeofExpedence进行三点支撑,丝杠右侧轴端通过连轴器与伺服电机相连接.两个轴承座其轴线的延长线与直线导轨平行度应该小于0.02mm.连轴器是用来连接给进机构的两根轴.使之一起回转传递扭矩和图1丝杆部分立体爆炸图由于丝杠和导轨以及U形槽组成的机械主体部分重量在100kg左右.因此我们设计了一个紧凑的工作台架.采用50mmx50mm的方形铝合

5、金型材.设计主体部分的轴承座让丝杠主体架在工作台上能转动一定角度.以便在安全带安装角度上多出一个自由度.正常测量是基本保持丝杠呈45o后固定.整个台架和丝杠的装配示意图如图3所示图3汽车安全带卷收力试验台立体示意图运动的装置.两根轴用胀紧套压紧在连轴器里面,使之相互联动.汽车安全带卷收力试验台主丝杠部分立体爆炸示意图和机械原理示意图如图1和图2所示.电动图2机械原理示意图向件收器(2)动力源部分在对比分析了步进电机和伺服电机不同的工作要求后.最终决定采用伺服电机作为本试验台的动力源,采用伺服电机主要因为其精度提高,通过编码器可对丝杠的转速,转矩进行控制.其启动转矩大,转矩不随转速变化而变化,其

6、较步进电机输出稳定.在控制精度上.由于所选伺服电机驱动器每接收10000个脉冲则电机转一圈,即其脉冲当量为360.门0000=0.036.,是步距角为1.8.的步进电机的脉冲当量的1/50.3000r/min伺服电机与步进电机的转矩一转速特性比较.如图4.从图4al中可以看出,其转矩输出平稳,不因转速的改变而改变,而图4b)为交流110伏.相电流为8A的步进电机,其转矩输出在低速时保持一段时间后.随着转速的提高.逐渐下滑失去额定转矩特性.当遇到机械故障或瞬间负荷的增加,步进电机很容易造成传动失效,而伺服电机则拥有更加良好稳定的输出效果.伺服电机主要靠脉冲时间来定位.伺服电机接收到一个脉冲时间.

7、就会旋转一个脉冲对应的角度,从而实现位移变化.伺服电机本身具备发出脉冲的功能.每旋转一个角度.都会发出对应数量的脉冲.通过编码器将发出与接收的脉冲形成了对ExchangeofExperienceI经验交流机比,即闭环控制,就能够很精确地控制电机的转5mm,即精度为5mm/10000,达到0.0005mm.械工动,从而实现精确的定位.该设备使用的伺服电动力输出源精度的提高打破了技术瓶颈,对数据业LtVJ回促山一力,r脉,.传砌丝干上哥往刃嗣米果准调厦伺徽网帮g/J.标准(N?m)化与15.12.912.9(3500)质量'重复使用'7.5'474_77连续使用,=l.6C

8、o寸茸lIL'NInT_10002O0o300o400050ooO(r/min)a)转矩(N'm)步进电机交流l1Ov8AlU'J9.8y?18.4,7.7,7.0,6.3'.5.6114.94.2.l3.5|2.8|2.11.40.7_36脉冲比率(PPS)37l1l83775112187375750112518753705转速(RPM)b)图4伺服电机和步进电机转矩特性对比通过调研.本试验台决定采用OMRON公司新推出的G系列伺服电机.它是针对位置控制,速度控制,转矩控制等广泛用途所开发的产品.电机容量可实现应对从小容量的50W到大容量的7.5kW的各种需求

9、.编码器的标准配备为2500脉冲的增量编码器规格和高分辨率的17位绝对值/增量通用编码器规格的电机.增益调整功能搭载了实时自动调整功能及适应滤波器功能.并可自动进行复杂的增益调整.并且为了降低操作中出现的机械共振.陷波滤波器也可进行自动设定以实现降低机械的振动.此外.通过安装了制振控制功能.对于负载刚度较低的振动结构也可实现稳定的停止性能.(3)主电气控制部分和拉力传感部分使用PLC可编程控制器经过设备工作过程控制元件.提高控制稳定性.PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置.它采用可以编制程序的存储器.用来在其内部存储执行逻辑运算,顺序运算,计时,计数和算术运算等操作

10、的指令.并能通过数字式或模拟式的输入和输出.控制各种类型的机械或生产过程.PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成个整体.易于扩展其功能的原则而设计.由于采用现代大规模集成电路技术.采用严格的生产工艺制造.内部电路采取了先进的抗干扰技术.具有很高的可靠性.在编程难度上.PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法.这种编程方法很有规律,很容易掌握.对于复杂的控制系统.梯形图的设计时间相比设计继电器系统电路图或单片机的机器语言程序的时间减少很多,可扩展性良好,对伺服电机的运动控制有专属设计.对于测量安全带拉力.应用最为广泛的是压阻式压力传感器.它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性

11、特性.电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种.通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密地粘合在产生力学应变基体上.当基体受力发生应力变化时.电阻应变片也一起产生形变.使应变片的阻值发生改变.从而使加在电阻上的电压发生变化.这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小.一般这种应变片都组成应变电桥.并通过后续的仪表放大器进行放大.再传输给处理电路D模块进行处理传送给PLC程序作出判断假如输出1N标定到输出电压为0.1V.则7N根据正比输出的原则为0_7V左右.另外我们要特别考虑一个安全织带

12、完全拉出后.在电机拉动遏阻后.压力传感器感受到一个特别大的力用来给电机作为反转的条件信号.我们把这个力设定为50N,对应输出就是5V.在这个前提下,我们可以选择输入信号量程为05V的电压输入型D模块.其电压量程05V对应不同的十六进制数或者BCD码.如图5所示.数据转换16进制(10进制BCD码)189C63o0万一177060000.25V0/05V5-25VFED4-300图5o5V电压输入A/D模块数字量关系以BCD码为例.当拉力值为1N或者7N(传感器输出电压为0.1V和0.7V),则经过D转换后.送入PLC程序进行对比指令判断的数字就是十进制数#0120和#0840.同样我们还可以根

13、据标准设定2N(O.2V)的判断值为#0240.2.6N(0.26V)的判断值为#0312.而当电机拉动受到阻力大于50N.则压力传感器输出大于5V.此时PLC程序接收到BCD码为#6000的判断值,触发反转线圈,PLC顺序输出一个反转指令给伺服电机控制器.让伺服电机反转.同时卷收器开始收回织带.卷收力试验台电气控制总图如图6所示.(4)上位机部分从对安全带卷收力试验数据的长期跟踪和实验室积累的试验经验分析.收集试验数据的主要途径是在于标准中规定的对应卷收长度25%这一特殊性.以及单一试验最终的位移力值曲线图,对于位移数据采集精度上,提高采集频率是一种有效的办法.由于控制部件已经采用PLC可编

14、程控制器.考虑到整套系统中存在多种形式的数据采集.数字量和模拟量同时处理运算.所以采用组态化的软件作为本系统的上位机37Exchange0fExperienceI经验交流l目翳鞴嬲鞘翳机界面更能有针对性.组态软件主要特点有:好地完成一个复杂工程所要求的所有功能;械a)延续性和可扩充性:用组态软件开发的C)通用性:每个用户根据工程实际情况,工业应用程序,当现场(包括硬件设备或系统结构)利用组态软件提供的底层设备的I/O驱动,开放标或用户需求发生改变时,不需做很多修改而方便式的数据库和画面制作工具,就能完成一个具有准化地完成软件的更新和升级:动画效果,实时数据处理,历史数据和曲线并与质b)封装性:

15、通用组态软件所能完成的功能存,具有多媒体功能和网络功能的工程,不受工量都用种方便用户使用的方法包装起来.对于技况环境限制.术人员.不需掌握太多的编程语言技术,就能很220VL1N.,臻Il原急lIC1(o2PI1动点停氆l1一l持忙I一L丑寸启躲16A.O,IAC:3O,S2S3S47光电开关感器伺服电机驱动器一60W'O;I04S1电源:-t-A.DC347lCNA,I:CNBD1(oOO6O6OOOOO匪口1I;q:lCMRONCPILL14DTD0HR0NCP1W一器lAp0lOo丫9丫9'ooo()oOOr_1z图lllllIlli-ICNIC一一llI旋转38串行通讯电缆图6卷收力试验台电气控制总图组态软件在今后的维护和升级上带来十分便公司生产的CP1L型产品,8输入点/6输出点,捷的方式.由于组态软件是一种成熟的工业控制应用.所以提高本项目的高精度和可靠性.确定使用组态软件进行数据的采集,处理和分析.以及执行功能的操作菜单实现.其组件的通讯如图7所示:图7安全带卷收力试验台通讯流程图最终.PLC可编程控制器选用了OMRON负荷传感器通过变送器进行模拟量的返回利用CP1WAD041扩展经行A/D转换后输入到PLC进行处理.此型号PLC具备RS232串行通讯功能和U