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    摘要：本文探討了伺服系統在機動車安全帶傾斜鎖止試驗中的應用，引入PLC、伺服電機、編碼器等元件，提出了一種檢測設備的實施方式。對我國國家標準規定的試驗要求和試驗方法進行了詳細闡述，論述了該類檢測設備機械部分以及測控系統設計的可行方案，并就PLC編程中涉及的測控流程、各關鍵件的通訊關系進行了系統說明。

    1 引言

    機動車安全帶是一種用于約束車輛駕駛員和乘客的防護裝置，可有效提高車輛的被動安全性。自從1955年，美國乘用車首次裝用安全帶以后，其應用愈加普遍。美、歐、日等國家和地區相繼立法或出臺規定，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)駕駛人和前排座乘車人必須使用安全帶。另外，我國《道路交通安全法》第五十一條規定：機動車行駛時，駕駛人、乘坐人員應當按規定使用安全帶。

    按照國家標準的定義，安全帶即具有織帶、帶扣、調節件以及將其固定在機動車輛內部的連接件，用于在車輛驟然減速或碰撞時通過限制佩戴者身體的運動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。按照結構形式，安全帶可分為腰帶、肩帶、三點式安全帶、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鍵件，按照其性能和調節方式，可分為無鎖式卷收器（1型）、手調式卷收器（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車輛和車輛乘員緊急作動時的安全帶防護性能，而傾斜鎖止是用于評價車輛在俯仰和側傾姿態下的安全帶防護性能。本文重點探討安全帶的傾斜鎖止特性及其檢測實現方法。

    《機動車乘員用安全帶、約束系統、兒童約束系統和ISOFIX兒童約束系統》（GB14166-2013）4.2.5.3.1c）和4.2.5.3.1d）條款規定，當敏感裝置在其制造廠規定的安裝位置向任意方向傾斜12°或以下時，卷收器不得鎖止；對于4型卷收器，當敏感裝置在其制造廠規定的安裝位置向任意方向傾斜大于27°時，卷收器應鎖止；對于4N型卷收器，當敏感裝置在其制造廠規定的安裝位置向任意方向傾斜大于40°時，卷收器應鎖止。國家標準5.6.2.3條款約定了傾斜鎖止試驗方法，即為檢查是否滿足4.2.5.3.1c）和4.2.5.3.1d）要求，卷收器應安裝在水平臺面上，并使臺面以不超過2°/s的速度傾斜直至發生鎖止。試驗應在其他方向上重復進行以滿足要求。

    2 試驗流程及設備構建關注點

    為實施標準規定的試驗過程，需策劃相關流程，即卷收器按照規定的安裝方法安裝完成后，應能模擬車輛的俯仰和側傾姿態，在前、后、左、右四個翻轉方向實時監測卷收器的鎖止狀態，并記錄鎖止角度。

    目前，安全帶生產工廠為實施COP試驗中的100%檢驗，均會在生產線上配備傾斜鎖止檢測設備，但該類線上設備為適應生產線節拍，提高生產效率，國家標準5.6.2.3條款規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卷收器外形和尺寸的特制夾具，氣動夾緊模式。而作為實驗室檢測設備，則不能簡單等同于線上設備，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ISO/IEC17025:2005《檢測和校準實驗室能力的通用要求》的規定，且該要求轉換為2017版之后，對檢測儀器的相關要求并未弱化。

    為構建該項試驗檢測設備，滿足標準規定的傾斜速度精準實現系統、卷收器鎖止識別系統、90°換向系統、織帶抽取系統等應為試驗流程實現的必需系統。其中，傾斜速度精準實現系統主要通過引入伺服電機和PLC，構成精準速度控制環節；卷收器鎖止識別系統引入壓力傳感器，如果卷收器鎖止，則織帶對壓力傳感器施加壓力驟然增加，設定可信數值，即可實現鎖止識別功能；90°換向系統用于實現前后、左右兩垂直旋轉軸的切換，通過伺服電機和PLC構成的伺服系統實現；織帶抽取系統采用輥輪夾緊并旋轉抽帶的方式，夾緊方式利用氣缸實現，旋轉動作采用小型伺服電機實現。

    3 試驗設備構建方法

    該檢測設備由機械部分和測控部分組成。機械部分為執行部分，直接和樣品接觸，由上述各系統和相關輔件匹配組合而成。測控部分主要由PLC、觸摸屏和旋轉編碼器構成。觸摸屏作為人機界面，同時也是上位機，PLC為下位機，上位機對下位機進行參數設置，下位機內置梯形圖程序，直/間接與編碼器和伺服驅動器通訊。

    3.1 機械部分

    機械部分的設計直接采用UG繪制三維圖，并進行數字樣機虛擬裝配和干涉檢查等，涉及上述各個系統，充分考慮人因工程學因素。該過程實現了無紙化，也極大縮短了產品生產周期。設備裝配圖見圖1，設備實物圖見圖2.

圖1.安全帶傾斜鎖止試驗設備三維裝配圖

圖2.安全帶傾斜鎖止試驗設備實物圖

    3.2 測控系統

    測控系統主要實現傾斜速度控制、90°轉向控制、鎖止判別與鎖止角度測量四大功能。傾斜速度控制由電機I、電機II執行，試驗開始即可動作，最大旋轉范圍可至180°。90°轉向由轉向電機執行，執行時機為前后旋轉軸試驗完成，左右旋轉軸試驗需要開始時。織帶抽取由抽帶電機執行，在氣缸下壓并帶動輥輪夾緊織帶時即可生效。所用共計4臺伺服電機。鎖止判別條件為壓力傳感器承受力值超限，并以此執行后續動作。鎖止角度測量引入絕對型高精度旋轉編碼器，開機不必找零位，可對軸的絕對位置信息進行監測，且抗干擾性較強，也無增量型編碼器的零點累積誤差的問題。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和接線關系對應表。該型編碼器可輸出格雷碼，格雷碼屬于錯誤最小化的可靠性編碼，有利于減少編碼器出錯。

表1.絕對型編碼器、PLC、直流電源接線關系對應表

    4 關鍵控制部分實現方法

    上位機采用昆侖通態觸摸屏，可進行圖形化編程及后臺操作，作為人機界面實現相關參數設置及開、關機功能。

    通過對下位機PLC進行梯形圖編程，獲得可靠的控制實現。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，外加繼電器實現對伺服驅動器和電磁閥的控制，以控制電機和氣缸動作。控制的詳細流程如圖3所示。其中，“抽帶電機回位&正轉”過程中，回位和正轉的分界點為伺服電機I/II旋轉至初始位置（零度位置）時。

    上位機和下位機之間采用DP通訊，基于PLC可選的RS-232C端口，圖4所示為歐姆龍PLC對應一側的端口引腳定義。圖5所示為所選昆侖通態觸摸屏和PLC的接線關系圖。

圖3.設備測控流程圖

圖4.PLCRS232C端口引腳定義

圖5.觸摸屏和PLC通訊接線關系圖

    5 結語

    本文探討了伺服系統在安全帶傾斜鎖止試驗中的應用，構建了一種高精度的自動檢測方案。設備樣機已投入實際應用，累計檢測1000余次，暫無不良反饋。設備整體性能滿足國家標準要求，對于檢測類實驗室裝備提升有積極作用。

    在設備研發過程中，四臺伺服電機、驅動器、PLC、觸摸屏及各類按鈕、開關、繼電器等輔件之間接線較為復雜，雖然實現了技術方案，但仍有可改進、優化之處。如引入總線模塊，則大可緩解目前接線復雜的狀態，有望進一步縮短設備開發周期。對于大型、復雜設備，則可行性尤為明顯。

    另外，設備系統精度是全面考慮了設備所有相關子系統的精度之后，按照設備使用方式、運轉狀況等得出的綜合性精度。短板效應較為適用于該類設備精度的評價。雖然編碼器精度較高，但應考慮合理匹配，并將機械精度，如減速機齒輪背隙、光電開關安裝、對不同樣品的適應性，以及外來擾動等因素納入考慮范圍。該過程可謂一系統工程，如能全盤考慮，則性價比有望達到最優。