摘要：本文探討了伺服系統(tǒng)在機(jī)動(dòng)車安全帶傾斜鎖止試驗(yàn)中的應(yīng)用，引入PLC、伺服電機(jī)、編碼器等元件，提出了一種檢測設(shè)備的實(shí)施方式。對我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)要求和試驗(yàn)方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，論述了該類檢測設(shè)備機(jī)械部分以及測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行了系統(tǒng)說明。

1 引言

機(jī)動(dòng)車安全帶是一種用于約束車輛駕駛員和乘客的防護(hù)裝置，可有效提高車輛的被動(dòng)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(tái)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(jī)動(dòng)車行駛時(shí)，駕駛?cè)恕⒊俗藛T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(jī)動(dòng)車輛內(nèi)部的連接件，用于在車輛驟然減速或碰撞時(shí)通過限制佩戴者身體的運(yùn)動(dòng)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(diǎn)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(jià)車輛和車輛乘員緊急作動(dòng)時(shí)的安全帶防護(hù)性能，而傾斜鎖止是用于評價(jià)車輛在俯仰和側(cè)傾姿態(tài)下的安全帶防護(hù)性能。本文重點(diǎn)探討安全帶的傾斜鎖止特性及其檢測實(shí)現(xiàn)方法。

《機(jī)動(dòng)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(yàn)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(tái)面上，并使臺(tái)面以不超過2°/s的速度傾斜直至發(fā)生鎖止。試驗(yàn)應(yīng)在其他方向上重復(fù)進(jìn)行以滿足要求。

2 試驗(yàn)流程及設(shè)備構(gòu)建關(guān)注點(diǎn)

為實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)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(gè)翻轉(zhuǎn)方向?qū)崟r(shí)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(shí)施COP試驗(yàn)中的100%檢驗(yàn)，均會(huì)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(dòng)夾緊模式。而作為實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)試驗(yàn)檢測設(shè)備，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傾斜速度精準(zhǔn)實(shí)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(yàn)流程實(shí)現(xiàn)的必需系統(tǒng)。其中，傾斜速度精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)主要通過引入伺服電機(jī)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(shí)現(xiàn)鎖止識別功能；90°換向系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)前后、左右兩垂直旋轉(zhuǎn)軸的切換，通過伺服電機(jī)和PLC構(gòu)成的伺服系統(tǒng)實(shí)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(shí)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)動(dòng)作采用小型伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

3 試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)建方法

該檢測設(shè)備由機(jī)械部分和測控部分組成。機(jī)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(jī)界面，同時(shí)也是上位機(jī)，PLC為下位機(jī)，上位機(jī)對下位機(jī)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，下位機(jī)內(nèi)置梯形圖程序，直/間接與編碼器和伺服驅(qū)動(dòng)器通訊。

3.1 機(jī)械部分

機(jī)械部分的設(shè)計(jì)直接采用UG繪制三維圖，并進(jìn)行數(shù)字樣機(jī)虛擬裝配和干涉檢查等，涉及上述各個(gè)系統(tǒng)，充分考慮人因工程學(xué)因素。該過程實(shí)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(shí)物圖見圖2.

圖1.安全帶傾斜鎖止試驗(yàn)設(shè)備三維裝配圖

圖2.安全帶傾斜鎖止試驗(yàn)設(shè)備實(shí)物圖

3.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)主要實(shí)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(jī)I、電機(jī)II執(zhí)行，試驗(yàn)開始即可動(dòng)作，最大旋轉(zhuǎn)范圍可至180°。90°轉(zhuǎn)向由轉(zhuǎn)向電機(jī)執(zhí)行，執(zhí)行時(shí)機(jī)為前后旋轉(zhuǎn)軸試驗(yàn)完成，左右旋轉(zhuǎn)軸試驗(yàn)需要開始時(shí)?？棊С槿∮沙閹щ姍C(jī)執(zhí)行，在氣缸下壓并帶動(dòng)輥輪夾緊織帶時(shí)即可生效。所用共計(jì)4臺(tái)伺服電機(jī)。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(dòng)作。鎖止角度測量引入絕對型高精度旋轉(zhuǎn)編碼器，開機(jī)不必找零位，可對軸的絕對位置信息進(jìn)行監(jiān)測，且抗干擾性較強(qiáng)，也無增量型編碼器的零點(diǎn)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(cuò)誤最小化的可靠性編碼，有利于減少編碼器出錯(cuò)。

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(shí)現(xiàn)方法

上位機(jī)采用昆侖通態(tài)觸摸屏，可進(jìn)行圖形化編程及后臺(tái)操作，作為人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置及開、關(guān)機(jī)功能。

通過對下位機(jī)PLC進(jìn)行梯形圖編程，獲得可靠的控制實(shí)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(shí)現(xiàn)對伺服驅(qū)動(dòng)器和電磁閥的控制，以控制電機(jī)和氣缸動(dòng)作。控制的詳細(xì)流程如圖3所示。其中，“抽帶電機(jī)回位&正轉(zhuǎn)”過程中，回位和正轉(zhuǎn)的分界點(diǎn)為伺服電機(jī)I/II旋轉(zhuǎn)至初始位置（零度位置）時(shí)。

上位機(jī)和下位機(jī)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(yàn)中的應(yīng)用，構(gòu)建了一種高精度的自動(dòng)檢測方案。設(shè)備樣機(jī)已投入實(shí)際應(yīng)用，累計(jì)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(shí)驗(yàn)室裝備提升有積極作用。

在設(shè)備研發(fā)過程中，四臺(tái)伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)了技術(shù)方案，但仍有可改進(jìn)、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(jìn)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(yùn)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(jià)。雖然編碼器精度較高，但應(yīng)考慮合理匹配，并將機(jī)械精度，如減速機(jī)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(dòng)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(jià)比有望達(dá)到最優(yōu)。