1 前言

　　加速臺(tái)車測(cè)試系統(tǒng)作為對(duì)汽車碰撞過程完美復(fù)現(xiàn)的試驗(yàn)裝置，在汽車被動(dòng)安全領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，汽車被動(dòng)安全檢測(cè)行業(yè)各主要實(shí)驗(yàn)室均已配備加速臺(tái)車測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)汽車整車、汽車零部件、機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)等產(chǎn)品實(shí)施動(dòng)態(tài)性能檢驗(yàn)。大型的加速臺(tái)車測(cè)試系統(tǒng)推力一般在3MN以上，小型的測(cè)試系統(tǒng)推力一般不超過1MN。小型加速臺(tái)車測(cè)試系統(tǒng)常用于汽車零部件的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，如安全帶、門鎖、電池包、汽車座椅等，以及其他有動(dòng)態(tài)試驗(yàn)要求的被動(dòng)安全產(chǎn)品，如機(jī)動(dòng)車兒童乘員用約束系統(tǒng)等。

　　CNAL-CL01：2018（ISO-IEC17025：2017）檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可準(zhǔn)則規(guī)定，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)獲得正確開展實(shí)驗(yàn)室活動(dòng)所需的并影響結(jié)果的設(shè)備。用于測(cè)量的設(shè)備應(yīng)能達(dá)到要求的準(zhǔn)確度和（或）測(cè)量不確定度，以提供有效結(jié)果。試驗(yàn)過程中，對(duì)視頻數(shù)據(jù)的采集至關(guān)重要。作為動(dòng)態(tài)試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)，高速視頻信息可以通過回放復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)過程，從而觀測(cè)、記錄各項(xiàng)主要通過視頻才能研判的傷害數(shù)據(jù)。各類高速攝像機(jī)是視頻采集的必需設(shè)備，其功能須借助照明系統(tǒng)才能正常發(fā)揮。因此，照明系統(tǒng)性能優(yōu)劣直接決定視頻數(shù)據(jù)質(zhì)量好壞，直接影響樣品的合格判定。燈具是照明系統(tǒng)的核心部件，色溫、光強(qiáng)等是其性能表征的重要指標(biāo)。除部分燈具自帶相關(guān)調(diào)節(jié)功能外，大部分燈具均安裝于各類燈架上，通過燈架調(diào)整實(shí)現(xiàn)照射方向的改變，以便改變光場(chǎng)。燈架是照明系統(tǒng)的重要組成和燈具的安裝載體，一般分為固定式和可調(diào)式。經(jīng)調(diào)研，國(guó)內(nèi)外的汽車被動(dòng)安全實(shí)驗(yàn)室燈架種類繁多，部分實(shí)驗(yàn)室為固定式燈架，一次調(diào)試完成后不再調(diào)整照射角度等參數(shù)。其他實(shí)驗(yàn)室采用可調(diào)式燈架，調(diào)整的參數(shù)涉及X、Y、Z軸向及繞各軸的旋轉(zhuǎn)角度等。功能越多，燈架結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，重量會(huì)越大，對(duì)于建筑物的承重要求就越高，維護(hù)、保養(yǎng)也偏復(fù)雜。

就小型加速臺(tái)車而言，固定式燈架一般可以滿足要求，但試驗(yàn)條件有特定要求時(shí)，往往無法調(diào)整或者調(diào)整困難。而安裝六自由度的大型燈架，雖可覆蓋較大區(qū)域，但對(duì)于零部件測(cè)試而言，成本較高，且對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地的建筑結(jié)構(gòu)有特殊要求。因此，有必要設(shè)計(jì)一類低成本、可調(diào)節(jié)、性能可靠的輕型自動(dòng)升降燈架。當(dāng)前，三相異步電機(jī)控制技術(shù)相當(dāng)成熟，且系統(tǒng)構(gòu)建成本低廉，完全可以通過使用三相異步電機(jī)、接觸器、無線控制模塊等器件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升降燈架方案。

　　2 試驗(yàn)照明要求及燈架總成構(gòu)建

　　為正常獲取動(dòng)態(tài)試驗(yàn)高速視頻數(shù)據(jù)，同時(shí)不對(duì)試驗(yàn)儀器、設(shè)備、操作人員等造成損害，照明系統(tǒng)一般需滿足以下要求：

　　a.系統(tǒng)在試驗(yàn)過程中不能因產(chǎn)生過量紅外光等原因?qū)е略囼?yàn)環(huán)境溫度、假人溫度等超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的要求范圍。

　　b.系統(tǒng)在任何情況下不得產(chǎn)生過量的電磁輻射，以免干擾數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。通常需符合IEC61000-6-2、IEC61000-6-4、DINEN50081-2、DINEN50082-2等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　c.系統(tǒng)具有保護(hù)試驗(yàn)操作人員免受紫外線傷害的功能。

　　d.系統(tǒng)具有防止突然斷電或過載等意外事故而損壞設(shè)備的自我保護(hù)能力。

　　e.單個(gè)燈具的照度、發(fā)光效率、色溫、顯色指數(shù)等指標(biāo)需滿足試驗(yàn)要求。

　　f.需合理進(jìn)行燈架設(shè)計(jì)、燈具數(shù)量布置、線纜布置、電器柜布置、電源及通信接口布置等。

　　g.滿足建筑物稱重要求。

　　其中，燈架的設(shè)計(jì)對(duì)于光場(chǎng)參數(shù)的影響較大。例如，燈架距離臺(tái)面高度、燈架傾角、燈架外形尺寸及燈具在燈架上的分布等均可直接照明效果。如圖1所示，按照光束直線傳播，燈架的傾角θ、燈架距離臺(tái)車臺(tái)面高度h是直接影響照射范圍和照射區(qū)亮度的最直觀參數(shù)。因此，足夠的燈架升降范圍和側(cè)傾角度對(duì)于構(gòu)建合理的光場(chǎng)分布意義重大且更易實(shí)現(xiàn)，而燈架的外形尺寸和燈具分布主要取決于場(chǎng)地條件、燈架機(jī)械結(jié)構(gòu)以及光場(chǎng)要求等。燈架的設(shè)計(jì)方案重點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)燈架升降和側(cè)傾為主。

圖1 燈架裝載燈具的照射范圍示意

　　燈架使用時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)工況應(yīng)綜合考慮，應(yīng)充分考慮操作人員的使用需求。一般而言，燈架應(yīng)具有手動(dòng)控制和遙控兩種模式，才能便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)。另外，側(cè)傾動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)可以借助兩臺(tái)電機(jī)升降高度差實(shí)現(xiàn)。故設(shè)計(jì)如圖2所示燈架工作流程圖，方案按照流程圖策劃執(zhí)行。

圖2 燈架工作流程

　　3 機(jī)械部分配置

　　該項(xiàng)目建立了燈架機(jī)械部分的三維數(shù)字樣機(jī)模型，如圖3所示。機(jī)械部分主要包括由槽鋼焊接成的承重框架、鋼絲繩、4臺(tái)三相異步電機(jī)、由鋁型材拼接成的安裝框架以及聯(lián)接件等。其中，承重框架通過金屬板吊裝于水泥梁上。水泥梁橫向打通孔，通過絲桿與金屬板聯(lián)接實(shí)現(xiàn)吊裝。絲桿應(yīng)位于水泥梁鋼筋之上，確保足夠的承重能力。

圖3 燈架機(jī)械部分三維圖

　　三相異步電機(jī)均安裝固定于安裝框架上。安裝框架作為燈具的安裝載體，由鋁型材拼接而成，質(zhì)量輕且易于拼接各種所需形狀。安裝框架和承重框架通過由三相異步電機(jī)和鋼絲繩構(gòu)成的卷揚(yáng)機(jī)實(shí)現(xiàn)連接。卷揚(yáng)機(jī)通過收放4臺(tái)電機(jī)所連接的鋼絲繩實(shí)現(xiàn)安裝框架的升降及其側(cè)傾角度變化。如圖4所示，為燈架機(jī)械部分實(shí)物與臺(tái)車匹配圖。

圖4 燈架機(jī)械部分實(shí)物與臺(tái)車匹配圖

　　4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)功能主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電機(jī)正、反轉(zhuǎn)的控制，以及手動(dòng)、遙控兩種控制模式的切換等。系統(tǒng)可直接采用PLC作為控制單元，與繼電器、接觸器配合實(shí)現(xiàn)所需動(dòng)作，也可通過控制按鈕/旋鈕和接觸器的邏輯匹配實(shí)現(xiàn)控制。就成本和系統(tǒng)復(fù)雜程度而言，后者更具優(yōu)勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)方案的控制系統(tǒng)手動(dòng)模式按照所述方法實(shí)施。遙控模式通過引入遙控發(fā)送器、接收器的方法，對(duì)接觸器進(jìn)行通斷控制。兩種控制模式可進(jìn)行切換，每種模式均可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)4臺(tái)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。

圖5 控制系統(tǒng)接線圖

圖6 電機(jī)動(dòng)力部分接線圖

圖7 無線控制模塊發(fā)送器實(shí)物圖

　　控制部分接線圖如圖5所示，電機(jī)動(dòng)力部分接線圖如圖6所示。通過引入12個(gè)接觸器，可通過各類按鈕實(shí)現(xiàn)4臺(tái)電機(jī)的選擇切換、正/反轉(zhuǎn)控制。通過在控制回路中并聯(lián)無線控制模塊接收器，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、遙控2種控制模式。兩種模式通過SA0控制旋鈕實(shí)現(xiàn)切換，且能保證任何時(shí)刻只有一種模式接通，另外一種模式斷開。無線遙控模塊發(fā)送器為手持式，目前國(guó)內(nèi)電子市場(chǎng)的常規(guī)產(chǎn)品均可做到20米以內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制，完全可滿足實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)使用。如圖7所示，為無線遙控模塊發(fā)送器實(shí)物圖。

　　5 結(jié)論

通過引入常規(guī)的三相異步電機(jī)、接觸器、各類按鈕/旋鈕等器件，構(gòu)建了一種適合用于小型加速臺(tái)車的自動(dòng)升降燈架，該燈架樣機(jī)已投入實(shí)際使用。經(jīng)驗(yàn)證，燈具可穩(wěn)定安裝于燈架。且燈架升降高度范圍、側(cè)傾角度可滿足策劃要求，燈架質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)燈具照射角的有效調(diào)節(jié)。同時(shí)，該型燈架作為一種性價(jià)比極高的照明姿態(tài)調(diào)整解決方案，具有固定式燈架難以具備的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，適合各類中小型實(shí)驗(yàn)室、工廠使用。

　　當(dāng)然，照明姿態(tài)調(diào)整的解決方案很多，可以采用剪叉式升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)，作為燈架高度調(diào)整方案；同時(shí)結(jié)合采用電動(dòng)伺服缸等器件，設(shè)計(jì)合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，作為側(cè)傾角度調(diào)整方案，可在調(diào)節(jié)范圍、外觀、集成度等方面實(shí)現(xiàn)更好的效果，但是成本略高于現(xiàn)有方案。如無特殊要求，現(xiàn)有方案可作為小型加速臺(tái)車燈具照明姿態(tài)調(diào)整解決方案的良好案例。