董天放，陳德立

(1.大連東軟信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，遼寧大連 116000；2.大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116000)

汽車(chē)車(chē)門(mén)耐久試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

董天放1，陳德立2

(1.大連東軟信息學(xué)院實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)中心，遼寧大連 116000；2.大連工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧大連 116000)

汽車(chē)車(chē)門(mén)是汽車(chē)的重要組成部分，車(chē)門(mén)及其附件組成的車(chē)門(mén)總成的穩(wěn)定性、可靠性、耐久性影響行駛過(guò)程中車(chē)輛與人身安全。針對(duì)當(dāng)前汽車(chē)車(chē)門(mén)越來(lái)越嚴(yán)格的試驗(yàn)項(xiàng)目和精度要求，將動(dòng)力源改造為伺服控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套以工控機(jī)為上位控制單元、PLC為下位控制單元的機(jī)電一體化試驗(yàn)臺(tái)方案。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能滿(mǎn)足車(chē)門(mén)耐久試驗(yàn)要求，完全模擬乘員開(kāi)關(guān)門(mén)的動(dòng)作，為產(chǎn)品提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提高汽車(chē)公司產(chǎn)品品質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力。

車(chē)門(mén)；耐久；PLC；試驗(yàn)臺(tái)

0 引言

隨著汽車(chē)品牌的不斷增多、產(chǎn)量的持續(xù)增長(zhǎng)，消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)的安全性、可靠性格外重視。汽車(chē)車(chē)門(mén)是汽車(chē)主要組成部分，是日常生活中使用頻率很高的零部件。車(chē)門(mén)的疲勞壽命關(guān)系到車(chē)內(nèi)乘員和車(chē)外行人的生命安全[1]。汽車(chē)車(chē)門(mén)從廣義上來(lái)講，包括鎖系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、車(chē)門(mén)本體、鉸鏈系統(tǒng)[2]。這些零部件組成的系統(tǒng)總成耐久性與汽車(chē)安全息息相關(guān)。而對(duì)汽車(chē)車(chē)門(mén)性能的評(píng)估是根據(jù)車(chē)門(mén)開(kāi)閉耐久性試驗(yàn)得出的[3]。

國(guó)內(nèi)大部分汽車(chē)公司使用的車(chē)門(mén)耐久試驗(yàn)臺(tái)以壓縮空氣為動(dòng)力源，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為兩個(gè)獨(dú)立的氣缸，這類(lèi)設(shè)備在早期發(fā)揮了一定的作用[4-5]。但隨著對(duì)汽車(chē)零部件的研發(fā)和對(duì)門(mén)系統(tǒng)研究的深入，早期的設(shè)備滿(mǎn)足不了越來(lái)越嚴(yán)格的試驗(yàn)項(xiàng)目和精度需求，沖擊力大，破壞車(chē)門(mén)外板[6]，過(guò)程力無(wú)法監(jiān)控與判斷，試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)結(jié)果不能很好地模擬實(shí)際開(kāi)閉門(mén)過(guò)程中各種關(guān)門(mén)工況。而且不能根據(jù)試驗(yàn)需要，在原有臺(tái)架基礎(chǔ)上迅速增加和調(diào)整動(dòng)力源，使用對(duì)象單一，不具有通用性。因此，開(kāi)發(fā)新的側(cè)門(mén)外開(kāi)綜合耐久試驗(yàn)臺(tái)勢(shì)在必行。為了解決上述缺陷，將動(dòng)力源改造為伺服控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套車(chē)門(mén)耐久試驗(yàn)臺(tái),該實(shí)驗(yàn)臺(tái)能滿(mǎn)足車(chē)門(mén)耐久試驗(yàn)要求，為產(chǎn)品提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 車(chē)門(mén)耐久實(shí)驗(yàn)臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)方法與過(guò)程分析，設(shè)計(jì)了一套機(jī)電一體化方案。該方案可以兼容多種車(chē)型在白車(chē)身或整車(chē)上進(jìn)行試驗(yàn)，可以做左前門(mén)、左后門(mén)、右前門(mén)、右后門(mén)試驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，而且滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)鑰匙解鎖和外拉把手解鎖兩種模式。該方案主要由機(jī)械執(zhí)行部分、電氣硬件部分(包括顯示、操作)、程序部分以及檢測(cè)部分等4個(gè)部分組成。

1.1 試驗(yàn)方法及分析

外開(kāi)門(mén)試驗(yàn)動(dòng)作過(guò)程要求如下：

(1)解鎖，車(chē)門(mén)輕微彈開(kāi)(監(jiān)控門(mén)鎖是否打開(kāi))；

(2)勻速開(kāi)門(mén)，過(guò)了最后一級(jí)限位位置時(shí)松開(kāi)車(chē)門(mén)(監(jiān)測(cè)開(kāi)門(mén)過(guò)程中的力值，監(jiān)控開(kāi)門(mén)某點(diǎn)的速度，檢測(cè)車(chē)門(mén)是否到位)；

(3)暫停；

(4)關(guān)門(mén)，從最后一級(jí)限位位置處旋轉(zhuǎn)至規(guī)定位置后放開(kāi)，慣性關(guān)門(mén)(監(jiān)測(cè)關(guān)門(mén)過(guò)程中的力值，監(jiān)控關(guān)門(mén)距離鉸鏈某點(diǎn)處的速度，車(chē)門(mén)是否關(guān)閉)；

(5)暫停，下一步循環(huán)步驟(1)—(4)動(dòng)作。

汽車(chē)車(chē)門(mén)分為左前門(mén)、右前門(mén)、左后門(mén)、右后門(mén)，為了分析方便，以左前門(mén)為例進(jìn)行分析。車(chē)門(mén)開(kāi)閉的過(guò)程依據(jù)仿生學(xué)設(shè)計(jì)理念，完全模擬車(chē)門(mén)在正常情況下的開(kāi)、關(guān)動(dòng)作。左前門(mén)在閉鎖器沒(méi)有閉鎖的情況下，通過(guò)外力拉動(dòng)外把手解鎖后，車(chē)門(mén)的開(kāi)閉過(guò)程可以簡(jiǎn)化為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖1。開(kāi)門(mén)過(guò)程為AC→AD→AF。車(chē)門(mén)輕微地圍繞鉸鏈點(diǎn)A從起始處AC旋轉(zhuǎn)角度α到AD處，之后另一外力再拉動(dòng)車(chē)門(mén)，使車(chē)門(mén)以某一速度勻速地旋轉(zhuǎn)角度β到最后限位AF處。車(chē)門(mén)旋轉(zhuǎn)角度β開(kāi)門(mén)過(guò)程中，保持外把手處于被拉的解鎖狀態(tài)，以保證車(chē)門(mén)能正常地從AD處順時(shí)針旋轉(zhuǎn)開(kāi)啟，車(chē)門(mén)鎖扣脫離鎖鉤后，外把手被拉狀態(tài)可在角度β任何位置處恢復(fù)常態(tài)。閉門(mén)過(guò)程為AF→AE→AC。外力從最后一級(jí)限位處AF,推車(chē)門(mén)圍繞鉸鏈A旋轉(zhuǎn)角度γ到AE處，然后放開(kāi)車(chē)門(mén)，使車(chē)門(mén)在自身運(yùn)動(dòng)慣性作用下關(guān)門(mén)。之后車(chē)門(mén)又進(jìn)入另一個(gè)工作循環(huán)。

圖1 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理圖

1.2 試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)

為滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，臺(tái)架結(jié)構(gòu)需要滿(mǎn)足以下功能：解鎖、執(zhí)行同步旋轉(zhuǎn)、樣品準(zhǔn)確安裝、樣品檢測(cè)[7]。該方案采取了電控柜與執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分一體化的結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)是整個(gè)臺(tái)架的最主要組成部分，包括底座,X向移動(dòng)總成,主體框架,Z向移動(dòng)總成,控制盒總成,工控機(jī),Y向移動(dòng)總成,可移動(dòng)X、Y、Z向控制盒，伺服減速機(jī)總成，對(duì)位激光頭，擺臂，錯(cuò)位補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，真空吸盤(pán)等。

1.3 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)

在整體開(kāi)關(guān)門(mén)的動(dòng)作過(guò)程中，對(duì)三向調(diào)節(jié)單元、開(kāi)關(guān)門(mén)的速度等都有著嚴(yán)格要求。試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)

2 車(chē)門(mén)耐久實(shí)驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1 外把手解鎖結(jié)構(gòu)

外把手解鎖結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。外把手解鎖機(jī)構(gòu)主要包括雙作用行程可調(diào)節(jié)氣缸、氣缸固定板、氣缸固定板鎖緊U形螺栓。

圖3 外把手解鎖結(jié)構(gòu)示意圖

解鎖時(shí)，氣缸活塞桿在壓縮空氣作用下，向前頂起，使外把手藏在車(chē)門(mén)里的鎖扣和鎖鉤分離，達(dá)到解鎖目的。當(dāng)解鎖結(jié)束時(shí)，氣缸縮回，外把手恢復(fù)原始狀態(tài)。

2.2 執(zhí)行同步旋轉(zhuǎn)

執(zhí)行同步旋轉(zhuǎn)主要由中慣量安川伺服減速機(jī)準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，圖2中的擺臂11、錯(cuò)位補(bǔ)償機(jī)構(gòu)12、真空吸盤(pán)13輔助伺服減速機(jī)完成對(duì)車(chē)門(mén)開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)。拉壓壓力傳感器安裝在補(bǔ)償機(jī)構(gòu)前面。真空吸盤(pán)13模擬人手，利用真空發(fā)生器產(chǎn)生真空，牢牢抓住車(chē)門(mén)外緣，實(shí)現(xiàn)伺服減速機(jī)與門(mén)同步旋轉(zhuǎn)動(dòng)作過(guò)程。此處真空吸盤(pán)采取了多級(jí)緩沖結(jié)構(gòu)的吸盤(pán)，配合錯(cuò)位補(bǔ)償機(jī)構(gòu)12，彌補(bǔ)安裝樣品時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)位的風(fēng)險(xiǎn)，可以有效地避免伺服電機(jī)由于被卡滯而燒壞、破壞執(zhí)行機(jī)構(gòu)、樣品位置跑位等問(wèn)題。伺服減速機(jī)的旋轉(zhuǎn)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出脈沖驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而車(chē)門(mén)要旋轉(zhuǎn)的角度位置得到實(shí)現(xiàn)。氣缸通過(guò)電磁閥得電、失電而產(chǎn)生前進(jìn)、后退運(yùn)動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)解鎖功能。真空吸盤(pán)通過(guò)真空發(fā)生器的真空發(fā)生與破壞而吸住或松開(kāi)車(chē)門(mén)。開(kāi)門(mén)過(guò)程中，當(dāng)解鎖成功后，吸盤(pán)開(kāi)始吸住車(chē)門(mén)，在吸盤(pán)的作用下，圖2中擺臂11、錯(cuò)位補(bǔ)償機(jī)構(gòu)12、真空吸盤(pán)13等與伺服減速機(jī)連到一起，實(shí)現(xiàn)了車(chē)門(mén)與伺服減速機(jī)旋轉(zhuǎn)的同步。閉門(mén)過(guò)程中，吸盤(pán)在車(chē)門(mén)最后一級(jí)限位處吸住車(chē)門(mén)，之后在規(guī)定位置處松開(kāi)，伺服減速機(jī)加速，推動(dòng)車(chē)門(mén)獲得更大動(dòng)能，保證車(chē)門(mén)能正常閉門(mén)。

2.3 樣品的準(zhǔn)確安裝

對(duì)于樣品準(zhǔn)確安裝問(wèn)題，整個(gè)臺(tái)架中，采用了X、Y、Z向調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。X、Y、Z3向可以立體調(diào)節(jié)。主要結(jié)構(gòu)包括X向移動(dòng)總成，Y向移動(dòng)總成，Z向移動(dòng)總成，X、Y、Z向控制盒。X、Z向移動(dòng)總成由普通絲杠、直線(xiàn)導(dǎo)軌、軸承安裝座、普通三相異步電動(dòng)減速機(jī)組成，為了安全可靠考慮，Y向移動(dòng)總成中普通絲杠被換成具有自鎖功能的蝸輪蝸桿減速機(jī)。X、Y、Z向控制盒總成設(shè)計(jì)成類(lèi)似天車(chē)的可移動(dòng)遙控器，方便控制調(diào)整目標(biāo)點(diǎn)在空間上的位置，以達(dá)到樣品準(zhǔn)確安裝的目的。試驗(yàn)前，先把白車(chē)身或整車(chē)放到試驗(yàn)臺(tái)工作范圍內(nèi)，然后在觸摸屏上打開(kāi)激光，利用可移動(dòng)X、Y、Z向控制盒調(diào)整對(duì)位激光頭10投射光在如圖2中所示車(chē)門(mén)鉸鏈旋轉(zhuǎn)副中心線(xiàn)處，使車(chē)門(mén)鉸鏈中心線(xiàn)和伺服減速機(jī)中心線(xiàn)重合。手動(dòng)調(diào)試電機(jī)動(dòng)作，觀察是否運(yùn)動(dòng)正常。反復(fù)調(diào)整后試機(jī)。試機(jī)成功后就可以設(shè)定實(shí)驗(yàn)次數(shù)，正常試驗(yàn)了。

2.4 樣品的檢測(cè)

樣品檢測(cè)分為極限位置檢測(cè)、車(chē)門(mén)速度檢測(cè)、車(chē)閉門(mén)過(guò)程

力檢測(cè)、開(kāi)門(mén)關(guān)門(mén)狀態(tài)檢測(cè)等。進(jìn)行極限位置檢測(cè)時(shí)，X、Y、Z向設(shè)置行程開(kāi)關(guān)的極限位置保護(hù)。伺服電機(jī)方面，各主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝了接近開(kāi)關(guān)。伺服電機(jī)自帶的增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器和拉壓壓力傳感器準(zhǔn)確采集車(chē)門(mén)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的力與位移角度信息。氣缸末端到位信號(hào)采用磁環(huán)監(jiān)控解鎖開(kāi)閉信息?？紤]到白車(chē)身和整車(chē)共用試驗(yàn)臺(tái)需要，通過(guò)在車(chē)身上安裝接近開(kāi)關(guān)來(lái)判斷車(chē)門(mén)是否到位[8]。開(kāi)閉門(mén)速度由編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換獲得。真空檢測(cè)通過(guò)本身自帶的真空壓力器監(jiān)控。

2.5 錯(cuò)位補(bǔ)償機(jī)構(gòu)

在試驗(yàn)過(guò)程中，伺服減速機(jī)中心線(xiàn)與車(chē)門(mén)鉸鏈旋轉(zhuǎn)副中心線(xiàn)不重合會(huì)造成伺服減速機(jī)的運(yùn)動(dòng)不順暢，會(huì)對(duì)設(shè)備本身和樣品造成傷害[9]。錯(cuò)位補(bǔ)償機(jī)構(gòu)12可防止此類(lèi)傷害出現(xiàn)。錯(cuò)位補(bǔ)償機(jī)構(gòu)示意圖如圖4所示。起重要作用的是豎直方向移動(dòng)的拉簧、導(dǎo)軌以及左、右方向移動(dòng)的壓縮彈簧以及直線(xiàn)導(dǎo)軌。當(dāng)伺服減速機(jī)中心線(xiàn)和車(chē)門(mén)鉸鏈旋轉(zhuǎn)副中心線(xiàn)不重合時(shí)，此機(jī)構(gòu)的彈簧在允許范圍內(nèi)自動(dòng)調(diào)整位置，使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)能根據(jù)樣品實(shí)際安裝狀態(tài)調(diào)整，適應(yīng)運(yùn)動(dòng)柔性要求。

圖4 錯(cuò)位補(bǔ)償機(jī)構(gòu)示意圖

3 車(chē)門(mén)耐久試驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件方面，該方案采用研華工控機(jī)為上位機(jī)、歐姆龍 PLC為下位機(jī)的控制方式。電氣控制原理圖如圖5所示。該控制系統(tǒng)中，主控制系統(tǒng)為PLC，控制和監(jiān)控試驗(yàn)臺(tái)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)邏輯情況，力值設(shè)置最大值保護(hù)，設(shè)備異常及時(shí)報(bào)警，并停止試驗(yàn)[10]。工控機(jī)通過(guò)通信串口RS232連接通信，遠(yuǎn)程監(jiān)控控制設(shè)備運(yùn)行情況，與觸摸屏同步顯示試驗(yàn)過(guò)程中采集到的車(chē)門(mén)力的信息；PLC定時(shí)向工控機(jī)上傳圖形信息，保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)追溯試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定與顯示可以通過(guò)觸摸屏和工控機(jī)修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)的監(jiān)控和控制同步。

圖5 電氣控制原理圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)原理流程如圖6所示。上電前，要確定臺(tái)架各部分正常工作，控制柜的接線(xiàn)準(zhǔn)確無(wú)誤，無(wú)接線(xiàn)松動(dòng)、短路等現(xiàn)象；上電后設(shè)備初始化，開(kāi)始自檢；調(diào)整設(shè)備位置使整車(chē)準(zhǔn)確安裝到位，輸入試驗(yàn)參數(shù)；摁下啟動(dòng)按鈕，控制車(chē)門(mén)外開(kāi)鎖的氣缸伸出，將外開(kāi)手柄向外拉，車(chē)門(mén)鎖開(kāi)啟；接著利用伺服減速機(jī)和真空吸盤(pán)實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)開(kāi)啟的動(dòng)作，在車(chē)門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中控制門(mén)鎖氣缸收縮，外把手復(fù)原，以準(zhǔn)備下一個(gè)循環(huán)；車(chē)門(mén)開(kāi)啟到設(shè)定角度之后，停止n秒，吸盤(pán)在車(chē)門(mén)到達(dá)規(guī)定位置之后松開(kāi)，伺服減速機(jī)加速保證車(chē)門(mén)正常閉門(mén)，車(chē)門(mén)關(guān)閉后，停止n秒。這樣就完成了一個(gè)試驗(yàn)的循環(huán)，利用PLC實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的計(jì)數(shù)和自動(dòng)循環(huán)功能，完成規(guī)定次數(shù)的耐久性試驗(yàn)。

4 臺(tái)架方案優(yōu)化升級(jí)

該方案中的試驗(yàn)臺(tái)主要涉及到了外把手解鎖與車(chē)門(mén)運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，適合絕大多數(shù)小轎車(chē)車(chē)門(mén)的耐久試驗(yàn)。功能平臺(tái)化和模塊化，使試驗(yàn)臺(tái)在后期隨時(shí)可優(yōu)化升級(jí)、擴(kuò)展試驗(yàn)功能。比如在此臺(tái)架上增加對(duì)閉鎖器開(kāi)閉鎖耐久試驗(yàn)、無(wú)線(xiàn)鑰匙解鎖閉鎖耐久試驗(yàn)、整車(chē)車(chē)門(mén)試驗(yàn)信號(hào)開(kāi)閉信號(hào)的采集、玻璃升降器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，以及其他與車(chē)門(mén)有關(guān)的、需要配合車(chē)門(mén)一起做耐久試驗(yàn)的零部件等，都可以在此臺(tái)架基礎(chǔ)上，通過(guò)增加相應(yīng)工裝和電氣元件，實(shí)現(xiàn)臺(tái)架功能的升級(jí)。

圖6 試驗(yàn)原理流程圖

5 結(jié)論

對(duì)車(chē)門(mén)耐久試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析，完成了車(chē)門(mén)耐久試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械設(shè)計(jì)。運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)設(shè)計(jì)的伺服控制系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足側(cè)門(mén)外開(kāi)門(mén)耐久試驗(yàn)要求，提高了車(chē)門(mén)耐久檢測(cè)的精度，更好地保護(hù)了車(chē)身不受損壞。為汽車(chē)公司產(chǎn)品工程師提供試驗(yàn)依據(jù)，保證了汽車(chē)車(chē)門(mén)質(zhì)量；并為未來(lái)臺(tái)架復(fù)雜試驗(yàn)預(yù)留了升級(jí)可能，減少試驗(yàn)裝備成本支出。

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DesignofaNewEnduranceTestMachineforVehicleDoors

DONG Tianfang1,CHEN Deli2

(1.Research & Training Center, Dalian Neusoft University of Information, Dalian Liaoning 116000, China;2.School of Information Science and Engineering, Dalian Polytechnic University, Dalian Liaoning 116000, China)

Vehicle door is an important part of automobile.The stability, reliability and durability of the door assembly, which is composed of the door and its accessories, affect the safety of the vehicle and the person in the process of driving. Aiming at the increasingly stringent test items and precision requirements, the power source was transformed into servo control system, a new mechatronic test machine based on PLC and IPC was developed and it was put into practical use. The new device can meet the demand of endurance test for vehicle doors. And it can simulate the action of the door, supply reliable test data,so the product quality and rivalrousness will be improved.

Vehicle doors;Endurance;PLC;Test machine

2017-06-21

董天放(1991—)，男，碩士，研究方向?yàn)榭刂瓶茖W(xué)與工程。E-mail：568734634@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.10.003

U463.82+1

B

1674-1986(2017)10-010-05