劉明康　李立順　沈輝　丁曉亮　劉健

文章編號(hào)： 10069798（2022）01003806; DOI： 10.13306/j.10069798.2022.01.006

摘要：? 針對(duì)現(xiàn)有高標(biāo)準(zhǔn)靜音房檢測(cè)方法成本高、效率低以及人工主觀判定偏差較大的問(wèn)題，本文基于LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了一套汽車電動(dòng)座椅振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。采集座椅驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)加速度信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域及頻域分析，得到振動(dòng)加速度信號(hào)的均方根值、峭度、波形因子、峰值能量及功率譜密度等相關(guān)參數(shù)，將參數(shù)計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，判斷汽車座椅是否合格，最后將該系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證。檢測(cè)結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)在工廠環(huán)境下能高效準(zhǔn)確地檢測(cè)出質(zhì)量不合格的電動(dòng)座椅，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：? 振動(dòng)檢測(cè); LabVIEW; 信號(hào)分析; 電動(dòng)座椅

中圖分類號(hào)： U463.83+6; TM301.4+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

汽車座椅是體現(xiàn)汽車舒適性的主要設(shè)備之一，尤其是轎車座椅[1]?，F(xiàn)在普遍采用的汽車電動(dòng)座椅調(diào)節(jié)運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)噪音較大，不僅影響乘車人員的舒適性，還會(huì)在行車過(guò)程中分散駕駛員的注意力，影響駕駛安全。為了保證電動(dòng)座椅的安全可靠性和舒適性，在生產(chǎn)完成后需要進(jìn)行電動(dòng)座椅的振動(dòng)檢測(cè)。目前，振動(dòng)檢測(cè)方法普遍采用主觀感受評(píng)價(jià)和靜音房檢測(cè)方法，但這些方法易受外界環(huán)境干擾，效率低、成本高，且具有一致性較差的缺點(diǎn)[2]。為了提高座椅舒適性，研究人員[34]利用人機(jī)工程學(xué)合理布置人體模型，優(yōu)化座椅外形尺寸，進(jìn)行腰部支撐設(shè)計(jì)，科學(xué)地設(shè)計(jì)座椅有效旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，從而優(yōu)化座椅舒適性。陳良松等人[5]對(duì)座椅客觀舒適性與乘員主觀舒適性之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行研究和分析;杜天強(qiáng)等人[6]對(duì)電動(dòng)座椅的關(guān)鍵部件進(jìn)行了一系列耐久試驗(yàn)，為汽車電動(dòng)座椅的優(yōu)化提供了參考;張忠海等人[7]通過(guò)對(duì)比不同車型座椅的關(guān)鍵尺寸、發(fā)泡硬度、發(fā)泡結(jié)構(gòu)、座椅骨架結(jié)構(gòu)以及面套結(jié)構(gòu)等差異，分析了不同因素對(duì)座椅乘坐舒適性的影響，并討論了座椅撓度測(cè)試方法;王光南[8]通過(guò)加速度計(jì)量法進(jìn)行人體動(dòng)態(tài)舒適性評(píng)價(jià)，研究了不同加速度對(duì)人體的影響，計(jì)算結(jié)果表明較大的汽車座椅加速度會(huì)使人不適，甚至影響人體的正常機(jī)能;黃莉萍等人[9]對(duì)汽車座椅感知質(zhì)量評(píng)價(jià)方法進(jìn)行研究，在數(shù)據(jù)階段進(jìn)行感知質(zhì)量評(píng)審及問(wèn)題改進(jìn)，有效減少實(shí)物階段的設(shè)計(jì)變更問(wèn)題，從而降低汽車座椅的開發(fā)成本;時(shí)培成等人[10]設(shè)計(jì)了一種具有準(zhǔn)零剛度的非線性座椅，提升車輛座椅懸架的隔振性能，在隨機(jī)路面激勵(lì)下并聯(lián)機(jī)構(gòu)非線性座椅懸架系統(tǒng)的人體各部位加速度均方根值下降了86%，位移均方根值下降了38%;孫衛(wèi)國(guó)[11]對(duì)電動(dòng)座椅驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行電流檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)電流的大小判斷電動(dòng)座椅是否合格?；诖?，本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)了一套汽車電動(dòng)座椅振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)采集電動(dòng)座椅運(yùn)行時(shí)的加速度信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域、頻域分析，得到振動(dòng)加速度信號(hào)的相關(guān)參數(shù)，將參數(shù)計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，檢測(cè)電動(dòng)座椅是否合格。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該檢測(cè)系統(tǒng)能高效準(zhǔn)確地檢測(cè)出質(zhì)量不合格的電動(dòng)座椅，并能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，為汽車電動(dòng)座椅的優(yōu)化提供了參考。

1汽車電動(dòng)座椅振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理

汽車電動(dòng)座椅調(diào)節(jié)過(guò)程中振動(dòng)產(chǎn)生的噪音主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行和傳動(dòng)部件結(jié)構(gòu)不合理引起。驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行引起振動(dòng)主要有兩方面的原因。一方面是因?yàn)殡姍C(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)的不平衡引起定子、轉(zhuǎn)子和電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的低頻振動(dòng)，使定子和轉(zhuǎn)子配合不當(dāng)，轉(zhuǎn)子鐵心的徑向振動(dòng)以及內(nèi)部線圈繞組斷、短路等;另一方面是由于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結(jié)構(gòu)共振引起的機(jī)械摩擦振動(dòng)[1214]。傳動(dòng)部件結(jié)構(gòu)不合理引起振動(dòng)的原因是齒輪和齒條、絲杠和導(dǎo)軌、蝸輪蝸桿等傳動(dòng)副的配合不符合要求[15]，齒輪嚙合時(shí)剛度過(guò)激、載荷變化、齒廓磨損以及單雙齒嚙合交替都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)影響電動(dòng)座椅的平穩(wěn)運(yùn)行。

2檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)原理

電動(dòng)座椅運(yùn)行過(guò)程中，由3個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)電動(dòng)座椅進(jìn)行前升、前降、前進(jìn)、后退、后升及后降6個(gè)動(dòng)作。在電動(dòng)座椅振動(dòng)測(cè)試中，通過(guò)加速度傳感器采集電動(dòng)座椅6個(gè)動(dòng)作產(chǎn)生的加速度信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域及頻域的采樣分析，檢測(cè)電動(dòng)座椅的質(zhì)量。為了更符合實(shí)際工作情況，檢測(cè)時(shí)對(duì)電動(dòng)座椅施加固定載荷，質(zhì)量為70 kg，模擬乘客在使用電動(dòng)座椅時(shí)的運(yùn)行情況。為了保證采集到的信號(hào)頻率不發(fā)生混疊，根據(jù)香農(nóng)定理[16]，采樣率必須滿足ωs≥2ωM，其中，ωM為采集信號(hào)頻率的最高頻率。本文檢測(cè)系統(tǒng)采樣頻率選取5 kHz。

檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。加速度傳感器型號(hào)為BK4534B，測(cè)量頻率范圍為02～128 kHz，測(cè)量精度可達(dá)到98 mV/g。為了更真實(shí)地反映乘坐人員的感受，加速度傳感器安裝在座椅兩側(cè)中間部位，加速度傳感器安裝位置示意圖如圖2所示。

可編程控制器S71200與工控機(jī)通過(guò)TCP通信，S71200在接到工控機(jī)發(fā)出的測(cè)試指令后，運(yùn)行電動(dòng)座椅驅(qū)動(dòng)電機(jī)，加速度傳感器將采集的數(shù)據(jù)直接傳輸給采集卡NI 9230，采集卡對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并傳遞到工控機(jī)，之后LabVIEW檢測(cè)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括實(shí)時(shí)波形顯示[1719]、數(shù)據(jù)分析和對(duì)比、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢。

3檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)主要由系統(tǒng)配置、檢測(cè)程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及歷史記錄查詢4個(gè)功能模塊組成。檢測(cè)系統(tǒng)LabVIEW軟件運(yùn)行流程如圖3所示。

啟動(dòng)檢測(cè)前，首先建立檢測(cè)系統(tǒng)和可編程控制器之間的通信，使檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)可編程控制器控制電動(dòng)座椅的運(yùn)行狀態(tài)，從而針對(duì)不同型號(hào)的座椅設(shè)置不同的檢測(cè)參數(shù)。PLC通信程序如圖4所示。PLC發(fā)送指令“PLC instructions”到檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)將指令與預(yù)設(shè)指令進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，判斷座椅電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。如PLC發(fā)送指令“200”，電機(jī)進(jìn)行前進(jìn)動(dòng)作，檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，與前進(jìn)動(dòng)作的預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，判斷座椅是否合格，動(dòng)作結(jié)束后將分析數(shù)據(jù)結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)。

檢測(cè)程序是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域參數(shù)和頻域參數(shù)的計(jì)算。數(shù)據(jù)處理如圖5所示。結(jié)合預(yù)設(shè)參數(shù)閾值，對(duì)座椅的質(zhì)量進(jìn)行判定。數(shù)據(jù)處理程序如圖5a所示。檢測(cè)系統(tǒng)使用data_pre_pcs.vi對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去趨勢(shì)項(xiàng)和剔除野點(diǎn)，通過(guò)NEW_CAL.vi實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的參數(shù)計(jì)算，并與預(yù)先設(shè)定的參數(shù)閾值進(jìn)行比較，得出結(jié)果。參數(shù)閾值設(shè)置如圖5b所示。對(duì)于不同型號(hào)的電動(dòng)座椅，可以對(duì)加速度、均值、均方根值、偏度、峭度、裕度、峰值因子、波形因子等14個(gè)參數(shù)進(jìn)行不同的閾值設(shè)置。

檢測(cè)程序主界面如圖6所示。對(duì)采集到的電流電壓值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示，當(dāng)電流電壓值超過(guò)設(shè)定值時(shí)，向可編程控制器發(fā)送反饋，防止驅(qū)動(dòng)電機(jī)因電流電壓過(guò)大造成損壞。對(duì)采集到的加速度信號(hào)進(jìn)行時(shí)域波形的顯示，在界面上對(duì)每個(gè)檢測(cè)狀態(tài)及檢測(cè)用時(shí)進(jìn)行顯示，每個(gè)動(dòng)作結(jié)束后對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示，綠色的表示合格，紅色表示不合格。

數(shù)據(jù)通過(guò)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，相比于其它數(shù)據(jù)庫(kù)，SQL Server的易用性、適合分布式組織的可伸縮性等優(yōu)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)管理與分析的靈活性更好，也與更多的服務(wù)器軟件存在關(guān)聯(lián)集成性。數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)ActiveX 數(shù)據(jù)對(duì)象（activeX data objects，ADO）方式與LabVIEW進(jìn)行連接，與開放數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)（open database connectivity，ODBC）等方式相比，該方式無(wú)需設(shè)置數(shù)據(jù)源，應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。數(shù)據(jù)庫(kù)連接程序和設(shè)置界面如圖7所示。由圖7a可知， 通過(guò)編寫的LocalSQL_Connect.vi實(shí)現(xiàn)對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)的連接，方便存儲(chǔ)檢測(cè)數(shù)據(jù);由圖7b可知，系統(tǒng)對(duì)本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)和服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的名稱地址等參數(shù)進(jìn)行配置，電動(dòng)座椅檢測(cè)完成后，將數(shù)據(jù)直接存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，上傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)。

傳感器采集到的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)加速度信號(hào)時(shí)域波形如圖8所示。通過(guò)對(duì)信號(hào)波形的時(shí)域及頻域分析，得到峰值、幅值、均方根值、峭度、波形因子、峰值因子、脈沖因子、裕度、 偏度、功率譜密度等信號(hào)參數(shù)，與設(shè)定閾值進(jìn)行對(duì)比，判定電動(dòng)座椅的運(yùn)行質(zhì)量。

峰值能量是非常短的脈沖能量，用來(lái)檢測(cè)運(yùn)行過(guò)程中的故障，前進(jìn)運(yùn)動(dòng)振動(dòng)加速度信號(hào)峰值能量[20]如圖9所示。由圖9可以看出，當(dāng)t=0～05 s時(shí)，峰值能量明顯高于其它時(shí)刻，說(shuō)明此時(shí)振動(dòng)存在一定問(wèn)題。

歷史記錄查詢是對(duì)已檢測(cè)的座椅數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，方便工廠查看生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)的信號(hào)數(shù)據(jù)處理后存儲(chǔ)于SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)內(nèi)部以太網(wǎng)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，也可根據(jù)日期或產(chǎn)品序列號(hào)查詢檢測(cè)完成的產(chǎn)品。另外，該查詢檢測(cè)系統(tǒng)也可單獨(dú)查看每個(gè)動(dòng)作的檢測(cè)信息。歷史數(shù)據(jù)查詢檢測(cè)界面如圖10所示。

4檢測(cè)系統(tǒng)驗(yàn)證

該檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于江蘇中科君達(dá)物聯(lián)網(wǎng)股份有限公司的實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證。檢測(cè)之前，工作人員設(shè)定不同的參數(shù)閾值，將組裝好的電動(dòng)座椅送入檢測(cè)系統(tǒng)，PLC將讀取到的座椅編號(hào)信息發(fā)送給檢測(cè)系統(tǒng)后，檢測(cè)系統(tǒng)開始接收NI 9230發(fā)送的電流電壓值以及加速度傳感器采集到的電動(dòng)座椅加速度值。同時(shí)，該系統(tǒng)與PLC通信控制電動(dòng)座椅驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行前升、前降、前進(jìn)、后退、后升及后降6個(gè)動(dòng)作，數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)顯示并給出判別結(jié)果。通過(guò)優(yōu)化程序算法，該系統(tǒng)可以在60 s內(nèi)對(duì)電動(dòng)座椅的6個(gè)動(dòng)作進(jìn)行檢測(cè)并得到檢測(cè)結(jié)果。檢測(cè)完成后，合格的電動(dòng)座椅進(jìn)入下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)。為了避免偶然誤差影響檢測(cè)結(jié)果，不合格的電動(dòng)座椅會(huì)在檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行二次檢測(cè)，結(jié)合兩次檢測(cè)結(jié)果對(duì)電動(dòng)座椅的質(zhì)量進(jìn)行判別。

5結(jié)束語(yǔ)

本文基于LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)了一套汽車電動(dòng)座椅振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)采集座椅驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)加速度信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域及頻域分析，得到振動(dòng)加速度信號(hào)的均方根值、峭度、波形因子、峰值能量及功率譜密度等相關(guān)參數(shù)，并將參數(shù)計(jì)算結(jié)果與系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，判斷汽車座椅是否合格。將該系統(tǒng)應(yīng)用于江蘇中科君達(dá)物聯(lián)網(wǎng)股份有限公司實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)中，檢測(cè)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可在60 s內(nèi)對(duì)電動(dòng)座椅的6個(gè)動(dòng)作進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)時(shí)給出檢測(cè)結(jié)果。與傳統(tǒng)的主觀判斷檢測(cè)方法相比，該檢測(cè)系統(tǒng)具有信號(hào)采集速度快、判別準(zhǔn)確率高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Design of Vibration Detection System for Automobile Electric Seat

with the LabVIEW Software

LIU Mingkang ?LI Lishun SHEN Hui DING Xiaoliang LIU Jian

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Jiangsu Zhongke Kingda Electronic Tech. cn.， Ltd， Suqian 223800， China）

Abstract：? Aiming at the problems of high cost， low efficiency of the existing high standard silent room， as well as the large deviation of the manual subjective judgment， a vibration detection system for automobile electric seat is designed with the LabVIEW software. The system acquires the acceleration signal of the seat vibration during motor operation， and then analyzes the signal in time domain and frequency domain， respectively. Thus， the root mean square value， kurtosis， waveform factor， peak energy， power spectral density and other related parameters of vibration acceleration signal are obtained. In the detection system， these parameters are automatically compared with the preset threshold， and finally determine whether the seat should be accepted or rejected. The actual production results in the factory show that the detection system can effectively and accurately detect the unqualified electric seats in the factory environment， and has a certain practical application value.

Key words： vibration detection; LabVIEW; signal analysis; electric seat

收稿日期： 20210812; 修回日期： 20211115

基金項(xiàng)目：? 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51975303）

作者簡(jiǎn)介：? 劉明康（1997），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與智能儀器。

通信作者：? 沈輝，男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)闇y(cè)控技術(shù)與智能儀器。Email： shenhui@qdu.edu.cn