徐毅 史定洪 盧嘉 陳吉清

摘要：汽車座椅功能性試驗是汽車座椅研發(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)標準的研究，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)剛性試驗的臺架。該臺架采用研華PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡和PCI-1240U運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;機械結(jié)構(gòu)上設(shè)計了可多自由度調(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。該設(shè)備優(yōu)秀的人機交互、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可。

關(guān)鍵詞： 汽車座椅;座椅調(diào)節(jié)機構(gòu);功能性試驗;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的需求也將隨之增長 [1]。

國內(nèi)行業(yè)標準QC/T 740中涉及的汽車座椅調(diào)節(jié)功能試驗和舒適功能試驗規(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，這些試驗在試驗方法上存在諸多差異，而國內(nèi)大多數(shù)試驗室均沒有通用性較高的試驗臺架，導(dǎo)致試驗效率較低。再加上相較于行業(yè)標準，國內(nèi)外整車廠的企業(yè)標準中不僅對試驗方法的要求更高，而且還對試驗設(shè)備也有一定要求，針對此類試驗，國內(nèi)試驗室之前采用手持式測力機進行試驗的方式便無法滿足車企要求。若采購進口設(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)帶了極大的負擔[2]。

整個座椅功能性試驗臺架難點在于要盡可能覆蓋主流車企標準中的各類座椅功能性試驗要求，同時還需要自行開發(fā)控制軟件，實現(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

2.1控制系統(tǒng)軟件設(shè)計目標

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

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

（2）能夠保存和讀取試驗數(shù)據(jù);

（3）能夠設(shè)置傳感器和電機參數(shù);

（4）能夠?qū)υ囼炦^程進行控制;

（5）能夠?qū)o態(tài)加載裝置進行安全檢測。

2.2軟件模塊劃分

根據(jù)軟件設(shè)計目標，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來實現(xiàn)用戶界面。如果在同一臺計算機上同時運行兩個部分，勢必占用大量的計算機資源，為此，決定本軟件采用上、下位機的方式來實現(xiàn)。上位機運行LabVIEW程序，完成與用戶交互，不涉及試驗機的硬件操作，通過通訊的方式，與下位機相互傳送信息。下位機運行MATLAB/Simulink程序，直接與加載機硬件打交道，包括傳感器信號，執(zhí)行器的控制信號等，實現(xiàn)整個試驗過程的測控功能[3]。如圖1所示：

2.2.1 上位機模塊劃分

對于上位機來說，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傳遞到下位機的，因此，在設(shè)計上位機的時候，要考慮到所有需要傳輸給下位機的信息，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數(shù)據(jù)的記錄保存，并且能夠查詢和再現(xiàn)歷史試驗數(shù)據(jù)，模塊原型如圖3所示。

2.2.1.3 傳感器及電機參數(shù)模塊

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

2.2.2 下位機模塊劃分

下位機直接與硬件打交道，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。單獨的P（比例）就是將差值進行成比例的運算，它的顯著特點就是有差調(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，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?？刂凭珳识群拖到y(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傳輸測量數(shù)據(jù)的功能，采用UDP協(xié)議進行傳輸。

2.3軟件的實現(xiàn)

上位機采用LabVIEW實現(xiàn)，下位機采用MATLAB/Simulink來實現(xiàn)。上位機實現(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。下位機實現(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 試驗臺架機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

本課題旨在設(shè)計一套通用性強的試驗臺架，即要求在使用同一個控制器的條件下，機械機構(gòu)能夠盡可能地應(yīng)用到更多試驗場景中，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，所以要求在機械結(jié)構(gòu)上能夠進行垂向調(diào)節(jié)和角度調(diào)節(jié)。同時由于受試驗場地所限，所以要求機械機構(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

整個機械機構(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)有試驗平臺T型槽進行固定，另考慮到對于不同試驗平臺的通用性，下方還留有空間以滿足用壓板進行固定的這一方，兩種固定方式均有利于試驗人員進行快速拆裝固定。

（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，這一機構(gòu)可以進行角度調(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。

機械機構(gòu)設(shè)計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，一般試驗都是以移動樣件的方式來滿足試驗的安裝要求，但對于座椅功能性試驗來說，往往是需要在同一樣件上來完成多個試驗項目，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)整位置以滿足試驗加載要求。

4 系統(tǒng)運行

以國內(nèi)某款前排座椅的骨架為對象進行試驗驗證，按照QC/T 740以及國內(nèi)某整車廠標準進行兩種靜態(tài)剛性試驗，試驗過程中測控系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定，無任何異常。

5 結(jié)論

本課題設(shè)計了一套完整的座椅功能性試驗臺架系統(tǒng)?？稍谠撓到y(tǒng)上實現(xiàn)汽車座椅調(diào)節(jié)機構(gòu)和舒適性部件的功能性試驗;力控制與位移控制模式的切換使得試驗臺架系統(tǒng)在試驗操作上具有靈活性，適用范圍更加寬廣;所設(shè)計了立柱式機械臺架可以圍繞試驗對象自由進行加載位置調(diào)整;人機界面可以隨時開始、暫停以及終止試驗，并能監(jiān)測各傳感器及執(zhí)行器的實時運行情況，使整個系統(tǒng)的人機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，得到了企業(yè)們的高度評價。

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1.上海機動車檢測認證技術(shù)研究中心有限公司 上海 201805

2.無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 無錫 214121