基于EtherCAT的车身综合静强度试验系统研究.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期95文章编号：2095-6835（2023）18-0095-03基于 EtherCAT 的车身综合静强度试验系统研究张振岩，邵 帅，胡世广（中汽研汽车工业工程（天津）有限公司，天津 300300）摘要：针对车身综合静强度车顶静压、侧门侵入等多种试验的测试需求，设计多角度方向可调整、移动范围大的机械加载装置，开发基于 EtherCAT 的 PID 控制参数可自整定的控制系统。其中上位机选用计算机开发人机交互界面，能够进行控制指令下达、系统状态及传感器数据的反馈显示、数据分析处理及存储查询，下位机选用 EtherCAT 控制器，能够实时进行高速采集、PID 控制、运动控制及 PLC 控制。经测试使用验证，系统具备较高的控制精度和智能化水平，满足车身综合静强度试验的测试需求。关键词：EtherCAT；PID 自整定；车顶静压；侧门侵入中图分类号：TP273文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.18.027车身和车门在车辆发生侧滚翻及意外挤压时应给驾乘人员提供有力的保护，因而必须要求其具有足够的强度，为此国内外颁布了相关的试验标准，如乘用车方面有中国的 GB 261342010乘用车顶部抗压强度1和 GB 157431995轿车侧门强度2、美国的 FMVSS 216aROOF CRUSH RESISTANCE及FMVSS 214SIDE IMPACT PROTECTION等；商用车方面有 GB 265122021商用车驾驶室乘员保护3等，都对车身或车门强度试验做出明确的规定。由此可见对车身和车门进行强度试验是车辆研发过程中必要的环节，设计开发汽车车身强度试验台对汽车安全性能的验证具有非常重要意义。1机械系统机械系统示意图如图 1 所示。图 1机械系统示意图机械系统主要由主框架、升降机构、X 轴旋转机构、Y 平移机构、Y 轴旋转机构、加载机构、工装夹具等组成。主框架作为整体试验台的主体支撑，提供足够的刚度和强度，升降架通过三相异步电机控制实现上下升降调整，以适应不同的试件高度。X 轴旋转机构可实现左右方向15调节，通过三相异步电机控制两级涡轮蜗杆减速机旋转实现角度调节，配有角度传感器精确测量角度，到位后有锁紧机构。Y 轴旋转机构可实现前后 090调节，通过 2 套三相异步电机驱动升降机伸缩实现角度调节，配有角度传感器精确测量角度。加载机构通过伺服电机驱动滚珠丝杠实现试验的加载，配有 4 套载荷传感器。工装夹具通过固定车身底侧的裙边实现车身的支撑和固定。2电控系统电控系统采用上位机和下位机相结合模式，上位机和下位机通过 Modbus TCP 协议进行通信，信息交互包括 Modbus 通信 API 和数据采集 API 这 2 种方式。其中电机使能、电缸伸出和缩回、伺服报警、限位等信息通过调用 Modbus 通信 API 函数进行相应寄存器的读写实现，针对试验过程中的载荷、位移实时数据等需要高速采集，上位机软件通过调用数据采集 API相应函数实现，数据采集启动后，上位机要在下位机控制器缓存满之前将数据读取，否则会发生数据丢失情况。上位机选用戴尔计算机 Vostro 3710、VB6.0 开发人机交互系统，主要包括用户登录及管理、系统标定、手动调试、试验、数据库、帮助等 6 个模块，能够进行系统状态的实时监测和传感器反馈数据的分析处理显示及曲线绘制，进行试验参数设置并发送给下位机，测试结束后进行试验数据的存储和查询。下位机选用 Leetro I5 作为主站控制器，从站包括2 套四通道模拟量输入模块 E20H1、1 套八通道数字量混合模块以及加载通道伺服、俯仰角度 1 伺服、俯仰Y 轴旋转机构加载机构工装夹具X 轴旋转机构主框架Y 平移机构升降机构科技与创新Science and Technology&Innovation962023 年 第 18 期角度 2 伺服、左右角度伺服、升降通道 1 伺服、升降通道 2 伺服共 6 套松下 A6B 驱动器，下位机各单元之间通过以太网连接，基于 EtherCAT4协议进行实时通信和控制，同步模式选择 DC-Synchron。下位机基于IEC61131-3标准规范进行实时控制程序的开发，分为优先权 0 和 1 这 2 个任务等级，其中任务优先权 0 为高速采集任务，该任务进行载荷、位移、角度等变量数据的滤波和分析处理，并存储到连续的寄存器地址中，方便上位机的读取。任务优先权 1包括基本功能函数、PID 控制模块、手动调试模块和试验模块，其中基本功能函数包括伺服电机的使能、传感器过载和伺服过载报警及处理、报警清除等，PID控制模块包括力控、位控等控制模式之间的切换初始化、PID 控制参数自整定5、PID 计算、电机指令处理和输出等，手动调试模块只有在上位机切换到手动调试界面后执行，包括系统各个作动器单元和指令信号的控制输出、传感器和开关反馈的显示，能够进行试验前加载位置的调整和系统各单元状况的查看和检修，试验模块包括乘用车车顶静压、侧门侵入和商用车车顶静压 3 项内容，能够根据上位机设置的试验参数自动进行预加载及清零、加载、保持和卸载。试验参数设置界面如图 2 所示，首先根据需求从乘用车车顶静压、侧门侵入和商用车车顶静压中选择试验项目，控制方式从力控加载、位控加载和交变加载中选择，然后设置预载载荷及预载速度，预载载荷用于加载压板和车辆接触的载荷判定。通过“添加新值”或“插入新值”可增加试验加载段数，最多可设置10段，选中右上方表格中需要编辑的行然后点击“更新波形”，可将左边设定点加载幅值、加载时间和保持时间刷新到右上方表格；选中右上方表格中指定行，然后点击“删除”按钮可将该段加载参数从表格中删除。右下方显示加载曲线预览，当试验参数发生变化时，曲线自动刷新。点击开始按钮时，上位机将把表格中试验参数写到下位机控制器中并自动进行试验。图 2试验参数设置界面3主要试验项目试验主界面上面部分显示实时载荷、实时位移和整个加载过程中的载荷、位移最大值，侧门试验时还要显示初始耐挤压力、中间耐挤压力和整个过程中的最大耐挤压力。运行指示灯用于显示当前试验状态，当出现报警时报警指示灯闪亮提示。左下方为加载过程曲线绘制部分，包括载荷位移实时曲线和载荷位移曲线。右方表格显示每段试验加载的载荷峰谷值和位移峰谷值。右下方为试验操作按钮，包括试验启动、载荷清零、位移清零、报警清除、保存数据、试验打包等。试验流程图如图 3 所示。在点击“试验启动”按钮后，上位机将试验参数写到下位机控制器，下位机根据试验参数自动完成整个试验的预加载以及预加载结束时的自动清零、加载、保持，直至完成所有设置段数的加载过程，然后卸载至载荷接近为零或位移为零后结束试验。加载过程中如若出现超载、超位移、伺服报警等异常情况时，系统自动停机并声光报警提示。试验过程中上位机实时读取下位机系统数据和状态，并在上位机进行数据处理显示和曲线绘制，试验结束后可进行数据保存、数据库查询和生成试验报告等，此外上位机还可进行查看故障记录、中止试验等操作。3.1乘用车车顶静压试验根据 GB 261342010乘用车顶部抗压强度，按照标准中试验装置定位示意图进行试验车辆的装卡固定。根据标准中试验方法 5.5 部分所述“使加载装置沿垂直于下表面的方向向下移动，不应出现转动，加载速度不超过 13 mm/s，直至载荷的大小达到第 3 章的要求，整个试验在 120 s 内完成”可以看出，加载过程要求位移匀速而加载目标为载荷，这种情况下选择交变加载模式。Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 18 期97选择交变加载模式，启动试验后，加载板按照设定的位移速度进行加载，当达到目标载荷时自动切换到力控模式进入保持阶段，保持时间到达后再次自动切换到位控，判定是否完成所有设定加载段数，如果未完成则继续进行下一段加载，否则进入卸载阶段。图 3试验流程图3.2侧门侵入试验根据 GB 157431995轿车侧门强度，按照标准中加载示意图进行试验车辆的装卡固定。根据标准中试验方法 4.4 所述“连续加载时，加载装置的移动速度不得大于 12.7 mm/s，必须在 120 s 内完成”可以看出，加载过程要求位移匀速且加载目标为位移，这种情况下选择位控加载模式。选择位控加载模式，启动试验后，加载板按照设定的位移速度进行加载，当加载到设定位移目标值457 mm 自动进行卸载至位移零位。根据标准中 4.5 部分“求得施加载荷相对挤压距离的积分，以该积分值除以相应的挤压距离，其结果即为在这个距离上使车门变形所需要的平均力”，分别计算出标准中 2 部分要求的 0152 mm 挤压距离上的初始耐挤压力、0305 mm 挤压距离上的中间耐挤压力和 457 mm 整个挤压距离上的最大耐挤压力。3.3商用车车顶静压试验根据 GB 265122021商用车驾驶室乘员保护5.7.3 部分所述“通过加载装置向驾驶室顶部施加静态载荷（如标准中加载示意图），该静态载荷相当于车辆前轴或多根前轴的最大允许轴荷，最大值为 98 kN”可以看出，加载目标为载荷，这种情况下选择力控加载模式。选择力控加载模式，启动试验后，加载板按照设定的载荷加载速度进行加载，当加载到设定载荷目标值后进入载荷保持阶段，完成后自动进行卸载至位移零位或载荷较小值。试验后按照标准中 4.2 部分进行试验后驾驶室内每个乘坐位置生存空间的检验。4结论本文针对乘用车和商用车车身强度多个试验项目的需求设计开发了综合静强度试验台，通过调整该试验台加载装置的竖直高度、左右位置、俯仰旋转角度、左右旋转角度，可满足乘用车车顶静压、乘用车侧门侵入和商用车车顶静压 3 个试验的标准测试需求。设备控制系统采用上下位机相结合的模式，下位机基于EtherCAT 开发实时控制软件进行模糊 PID 闭环控制、电动伺服运动控制、PLC 逻辑控制和高速采集，上位机基于 Windows 系统开发人机交互系统进行系统状态显示、测试曲线绘制、数据存储和查询。经测试使用表明，系统操作调整便捷、控制精度高，很好地满足了车身强度测试需求，而且系统集成度高减少占地面积，能够为用户节省很多成本。参考文献：1国家发展和改革委员会.GB 261342010 乘用车顶部抗压强度S.北京：中国标准出版社，2011.2全国汽车标准化技术委员会.GB 157431995 轿车侧门强度S.出版社不详，1995.3中华人民共和国工业和信息化部.GB 265122021 商用车驾驶室乘员保护S.出版社不详，2021.4樊留群.实时以太网及运动控制总线技术M.上海：同济大学出版社，2009.5张振岩，王金友，胡世广.模糊 PID 在电动伺服试验系统中的应用研究J.自动化与仪器仪表，2022（11）：116-118，123.作者简介：张振岩（1986），男，硕士研究生，高级工程师，从事智能装备设计开发和装备数字化转型工作。（编辑：张超）下位机上位机预加载预加载结束位移清零加载保持停止是否和状态卸载完成所有加载故障记录试验启动/是读取系统数据系统数据和状态完成报警数据分析处理实时显示结束绘制实时曲线、峰谷值显示