徐毅 史定洪 盧嘉 陳吉清

摘要：汽車座椅功能性試驗(yàn)是汽車座椅研發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)之一。通過對國內(nèi)外行業(yè)以及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的研究，研制出一套可基本覆蓋汽車座椅調(diào)節(jié)功能、扶手功能、骨架間隙以及靜態(tài)剛性試驗(yàn)的臺架。該臺架采用研華PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡和PCI-1240U運(yùn)動控制卡作為主控單元，伺服電缸作為執(zhí)行單元，可選擇力控制與位移控制兩種模式;機(jī)械結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了可多自由度調(diào)節(jié)的電缸固定立柱，具有占地空間小、可靈活調(diào)節(jié)加載方式的特點(diǎn)。該設(shè)備優(yōu)秀的人機(jī)交互、可編程能力以及通用性得到了國內(nèi)汽車座椅廠商的一致認(rèn)可。

關(guān)鍵詞： 汽車座椅;座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);功能性試驗(yàn);MATLAB控制

1引言

隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，人們對汽車座椅的關(guān)注度也逐年升高，其中汽車座椅調(diào)節(jié)功能和舒適功能部件的可靠性問題尤為重要，所以國內(nèi)外汽車座椅廠商對汽車座椅功能性試驗(yàn)的需求也將隨之增長 [1]。

國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 740中涉及的汽車座椅調(diào)節(jié)功能試驗(yàn)和舒適功能試驗(yàn)規(guī)范了座椅滑軌、調(diào)角器、高調(diào)、頭枕、扶手和腰托等功能部件的性能試驗(yàn)，這些試驗(yàn)在試驗(yàn)方法上存在諸多差異，而國內(nèi)大多數(shù)試驗(yàn)室均沒有通用性較高的試驗(yàn)臺架，導(dǎo)致試驗(yàn)效率較低。再加上相較于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外整車廠的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中不僅對試驗(yàn)方法的要求更高，而且還對試驗(yàn)設(shè)備也有一定要求，針對此類試驗(yàn)，國內(nèi)試驗(yàn)室之前采用手持式測力機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)的方式便無法滿足車企要求。若采購進(jìn)口設(shè)備，價格昂貴且二次開發(fā)能力差，給國內(nèi)中小型企業(yè)帶了極大的負(fù)擔(dān)[2]。

整個座椅功能性試驗(yàn)臺架難點(diǎn)在于要盡可能覆蓋主流車企標(biāo)準(zhǔn)中的各類座椅功能性試驗(yàn)要求，同時還需要自行開發(fā)控制軟件，實(shí)現(xiàn)力和位移兩種模式的全閉環(huán)控制。

2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)

軟件開發(fā)目的是實(shí)現(xiàn)對靜態(tài)加載裝置的測量與控制，不僅要將試驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)顯示和記錄下來，而且還需完成試驗(yàn)裝置的控制。具體目標(biāo)如下：

（1）能夠監(jiān)測試驗(yàn)過程的測量數(shù)據(jù)，并能以圖形的方式顯示;

（2）能夠保存和讀取試驗(yàn)數(shù)據(jù);

（3）能夠設(shè)置傳感器和電機(jī)參數(shù);

（4）能夠?qū)υ囼?yàn)過程進(jìn)行控制;

（5）能夠?qū)o態(tài)加載裝置進(jìn)行安全檢測。

2.2軟件模塊劃分

根據(jù)軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)，開發(fā)的測控軟件必須滿足測量和控制兩方面的要求。由于考慮到MATLAB/Simulink在控制方面的優(yōu)勢，本軟件采用MATLAB/Simulink來實(shí)現(xiàn)主要的測控功能;但同時，也考慮到MATLAB/Simulink開發(fā)的應(yīng)用程序用戶界面的缺陷，決定采用LabVIEW來實(shí)現(xiàn)用戶界面。如果在同一臺計(jì)算機(jī)上同時運(yùn)行兩個部分，勢必占用大量的計(jì)算機(jī)資源，為此，決定本軟件采用上、下位機(jī)的方式來實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)運(yùn)行LabVIEW程序，完成與用戶交互，不涉及試驗(yàn)機(jī)的硬件操作，通過通訊的方式，與下位機(jī)相互傳送信息。下位機(jī)運(yùn)行MATLAB/Simulink程序，直接與加載機(jī)硬件打交道，包括傳感器信號，執(zhí)行器的控制信號等，實(shí)現(xiàn)整個試驗(yàn)過程的測控功能[3]。如圖1所示：

2.2.1 上位機(jī)模塊劃分

對于上位機(jī)來說，雖然沒有直接操作硬件，但所有對硬件的操作命令都是通過上位機(jī)傳遞到下位機(jī)的，因此，在設(shè)計(jì)上位機(jī)的時候，要考慮到所有需要傳輸給下位機(jī)的信息，以此為原則劃分模塊。

2.2.1.1 控制模塊

控制模塊提供手動和自動兩種方式;完成試驗(yàn)控制過程參數(shù)的監(jiān)測。具體包括：（1）時間歷程曲線的顯示;（2）手動控制模式的操縱;（3）自動控制模式的操縱;（4）力值和編碼器的上下限值。具體的軟件原型如圖2所示。

2.2.1.2 測量模塊

測量模塊能夠完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄保存，并且能夠查詢和再現(xiàn)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)，模塊原型如圖3所示。

2.2.1.3 傳感器及電機(jī)參數(shù)模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)傳感器和電機(jī)參數(shù)的設(shè)置，其軟件原型如圖4所示：

2.2.2 下位機(jī)模塊劃分

下位機(jī)直接與硬件打交道，硬件采用PCI1240P板卡，因此根據(jù)功能來劃分模塊。

2.2.2.1 數(shù)據(jù)獲取模塊

數(shù)據(jù)獲取模塊直接操縱硬件，編碼器的信號為數(shù)字信號，經(jīng)PCI-1240U運(yùn)動控制卡數(shù)字通道獲取;其他模擬信號經(jīng)PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換后獲得。上述獲得的信號要經(jīng)過校正和限制上下限。

2.2.2.2 控制模塊

控制模塊是加載裝置的核心，采用力值反饋控制?？刂品椒ú捎肞I調(diào)節(jié)控制。單獨(dú)的P（比例）就是將差值進(jìn)行成比例的運(yùn)算，它的顯著特點(diǎn)就是有差調(diào)節(jié)，有差的意義就是調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量不可能與設(shè)定值準(zhǔn)確相等，它們之間一定有殘差，殘差具體值可以通過比例關(guān)系計(jì)算出。增加比例將會有效減小殘差并增加系統(tǒng)響應(yīng)，但容易導(dǎo)致系統(tǒng)激烈震蕩甚至不穩(wěn)定;單獨(dú)的I（積分）就是使調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度與差值信號成正比，如果差值大，則積分環(huán)節(jié)的變化速度大，這個環(huán)節(jié)的正比常數(shù)的比例倒數(shù)在伺服系統(tǒng)里通常叫它為積分時間常數(shù)，積分時間常數(shù)越小意味著系統(tǒng)的變化速度越快，所以同樣如果增大積分速度（也就是減小積分時間常數(shù)）將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的震蕩過程。這個環(huán)節(jié)最大的好處就是被調(diào)量最后是沒有殘差的。對力值采用PI調(diào)節(jié)控制就是綜合P和I的優(yōu)點(diǎn)，利用P調(diào)節(jié)快速抵消干擾的影響，同時利用I調(diào)節(jié)消除殘差，確?？刂凭珳?zhǔn)度和系統(tǒng)穩(wěn)定性[4]。

2.2.2.3 數(shù)據(jù)傳送模塊

數(shù)據(jù)傳送模塊完成向上位機(jī)傳輸測量數(shù)據(jù)的功能，采用UDP協(xié)議進(jìn)行傳輸。

2.3軟件的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)采用LabVIEW實(shí)現(xiàn)，下位機(jī)采用MATLAB/Simulink來實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)時，將軟件原型作為前面板，只要在程序框圖中按照正確的邏輯將數(shù)據(jù)流連接即可。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)時，在Simulink中搭建模型即可。應(yīng)用模糊邏輯工具箱建立了電缸載荷模糊控制系統(tǒng)模型，包括變量的選取、模糊子集的定義、論域等級的劃分、隸屬度函數(shù)的選擇、模糊控制規(guī)則的制訂及量化因子和比例因子的選定。模型中涉及的變量及其取值如圖5所示。

3 試驗(yàn)臺架機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本課題旨在設(shè)計(jì)一套通用性強(qiáng)的試驗(yàn)臺架，即要求在使用同一個控制器的條件下，機(jī)械機(jī)構(gòu)能夠盡可能地應(yīng)用到更多試驗(yàn)場景中，主要包含座椅滑軌、調(diào)角器、高調(diào)、頭枕、扶手和腰托等功能部件的性能試驗(yàn)，所以要求在機(jī)械結(jié)構(gòu)上能夠進(jìn)行垂向調(diào)節(jié)和角度調(diào)節(jié)。同時由于受試驗(yàn)場地所限，所以要求機(jī)械機(jī)構(gòu)盡可能少占用空間，并且拆裝便捷，便于工作人員移動。如圖6所示：

1.底座臺架 2.可動臺架 3.直線導(dǎo)軌連接 4.絲杠連接

整個機(jī)械機(jī)構(gòu)主要由兩部分構(gòu)成：

（1）底座臺架：下方打了一圈圓孔和一圈腰形孔以適配現(xiàn)有試驗(yàn)平臺T型槽進(jìn)行固定，另考慮到對于不同試驗(yàn)平臺的通用性，下方還留有空間以滿足用壓板進(jìn)行固定的這一方，兩種固定方式均有利于試驗(yàn)人員進(jìn)行快速拆裝固定。

（2）可動臺架：可動臺架通過底座臺架側(cè)邊直線導(dǎo)軌和絲杠連接在底座臺架上，可實(shí)現(xiàn)垂向調(diào)節(jié)功能;臺架上端中間裝有一個固定支架，可用于安裝前端繩索，這一機(jī)構(gòu)可以進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。這兩個自由度的調(diào)節(jié)是為了適應(yīng)對不同座椅的不同部位的加載需要。

機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成立柱形式可以最大程度地減小加載裝置與座椅之間的干涉，一般試驗(yàn)都是以移動樣件的方式來滿足試驗(yàn)的安裝要求，但對于座椅功能性試驗(yàn)來說，往往是需要在同一樣件上來完成多個試驗(yàn)項(xiàng)目，此時這一便于移動的立柱結(jié)構(gòu)便能以樣件為中心來調(diào)整位置以滿足試驗(yàn)加載要求。

4 系統(tǒng)運(yùn)行

以國內(nèi)某款前排座椅的骨架為對象進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，按照QC/T 740以及國內(nèi)某整車廠標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行兩種靜態(tài)剛性試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中測控系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行穩(wěn)定，無任何異常。

5 結(jié)論

本課題設(shè)計(jì)了一套完整的座椅功能性試驗(yàn)臺架系統(tǒng)?？稍谠撓到y(tǒng)上實(shí)現(xiàn)汽車座椅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和舒適性部件的功能性試驗(yàn);力控制與位移控制模式的切換使得試驗(yàn)臺架系統(tǒng)在試驗(yàn)操作上具有靈活性，適用范圍更加寬廣;所設(shè)計(jì)了立柱式機(jī)械臺架可以圍繞試驗(yàn)對象自由進(jìn)行加載位置調(diào)整;人機(jī)界面可以隨時開始、暫停以及終止試驗(yàn)，并能監(jiān)測各傳感器及執(zhí)行器的實(shí)時運(yùn)行情況，使整個系統(tǒng)的人機(jī)交互能力水平大大提高。該系統(tǒng)已經(jīng)為各大中小汽車座椅廠商完成研發(fā)耐久試驗(yàn)，得到了企業(yè)們的高度評價。

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