蔡博 檀廷軍 危大波

摘 要：汽車座椅坐墊、靠背、靠背骨架等強(qiáng)度及剛度等疲勞耐久性是汽車座椅總成檢測項(xiàng)目中的重點(diǎn)，但是普遍存在著由于受交變載荷、被測對(duì)象剛度及形狀影響而導(dǎo)致出現(xiàn)力載荷跟蹤不準(zhǔn)確、延時(shí)時(shí)間長等問題，嚴(yán)重影響了汽車座椅耐久性檢測項(xiàng)目的檢測效率與測試準(zhǔn)確性?；诖?，搭建了一套以工控機(jī)為控制器，伺服電動(dòng)缸為執(zhí)行器的控制系統(tǒng)，采用PID算法解決了交變載荷下的力跟蹤誤差大、延時(shí)長等問題，取得了良好的試驗(yàn)效果。

關(guān)鍵詞：汽車座椅;疲勞耐久;控制系統(tǒng);力跟蹤;PID算法

1 前言

隨著人們對(duì)汽車乘坐要求的提高及汽車行業(yè)的快速發(fā)展，汽車座椅檢測的市場需求和應(yīng)用前景越來越廣泛。汽車座椅是汽車被動(dòng)保護(hù)中起決定性的組成部件，是汽車的重要安全部件。主機(jī)廠在汽車座椅采購前均需要進(jìn)行性能檢測，其性能好壞直接關(guān)系到汽車座椅開發(fā)、乘員駕乘舒適性、安全性以及消費(fèi)者使用印象[1-2]。

在汽車座椅總成檢測項(xiàng)目中，汽車座椅坐墊、靠背、靠背骨架等座椅部件的強(qiáng)度、剛度以及疲勞耐久性檢測是座椅總成測試中的重點(diǎn)。同時(shí)座椅靠背骨架總成剛度、座椅坐墊向下強(qiáng)度、靠背骨架總成耐久性等測試項(xiàng)目在交變載荷下普遍存在著測試系統(tǒng)搭建復(fù)雜，測試流程繁瑣，強(qiáng)度試驗(yàn)中力跟蹤誤差太大、延時(shí)過長等問題，導(dǎo)致在汽車座椅坐墊、靠背、骨架等檢測項(xiàng)目耗時(shí)長、檢測不準(zhǔn)確[3]。

基于此，本文針對(duì)汽車座椅坐墊強(qiáng)度、靠背骨架總成剛度、靠背骨架總成耐久性檢測試驗(yàn)，搭建了一套通過USB采集卡采集力傳感器、位移傳感器得到的數(shù)據(jù)，以工控機(jī)為控制器、伺服電動(dòng)缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng);針對(duì)在座椅總成疲勞耐久測試中出現(xiàn)的力跟蹤不準(zhǔn)確、誤差過大、延時(shí)長等問題，采用PID算法進(jìn)行力跟蹤控制，在試驗(yàn)中進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)效果良好，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值與借鑒意義。

2 座椅耐久試驗(yàn)測試臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與搭建

汽車座椅一般由頭枕、靠背、調(diào)節(jié)裝置、坐墊和座椅連接件組成。在汽車行駛中，汽車會(huì)經(jīng)歷起步、加速、制動(dòng)等復(fù)雜工況，座椅要承受復(fù)雜的載荷，因而必須有足夠的強(qiáng)度、壽命以及受沖擊、交變載荷時(shí)不會(huì)發(fā)生斷裂、嚴(yán)重變形等損壞現(xiàn)象[4-5]。對(duì)于汽車座椅總成的檢測，主要參考標(biāo)準(zhǔn)《QC/T 740 乘用車座椅總成》中的試驗(yàn)方法，其中對(duì)座椅坐墊向下強(qiáng)度、靠背骨架總成剛度、靠背骨架總成耐久性等試驗(yàn)的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法都有了明確規(guī)定，即將座椅（坐墊、骨架總成、靠背等）安裝到剛性夾具上，將試驗(yàn)夾具固定在工作臺(tái)上，需要施加一個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的循環(huán)交變載荷，經(jīng)過一定次數(shù)的循環(huán)載荷，以此考察座椅坐墊、靠背、靠背骨架總成的強(qiáng)度、剛度、耐久性能。

考慮試驗(yàn)中的重復(fù)性以及對(duì)被測物體施加載荷的穩(wěn)定性，選擇伺服電動(dòng)缸作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服電動(dòng)缸主要將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)缸的加載[6];考慮到試驗(yàn)測試車間工作環(huán)境的現(xiàn)場環(huán)境，選擇工控機(jī)作為控制系統(tǒng)的控制器，主要完成算法控制，分析并保存數(shù)據(jù);力傳感器實(shí)時(shí)采集加載力的變化，并將數(shù)據(jù)上傳到工控機(jī)，搭建汽車座椅疲勞耐久性測試系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)如圖1所示。

整個(gè)硬件系統(tǒng)主要由力傳感器、位移傳感器、伺服電動(dòng)缸（伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器以及傳動(dòng)部件等）、工控機(jī)、USB采集卡、RS232通訊線纜等，將被測物體安裝以及力傳感器、位移傳感器安裝在伺服電動(dòng)缸的輸出軸上，通過USB采集卡采集被檢測物體所受的壓力及位移量信息，工控機(jī)根據(jù)采集到的信息進(jìn)行控制，伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)缸作用于被檢測物體，完成整個(gè)檢測測試試驗(yàn)。

完成整個(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)后，需要對(duì)相關(guān)的硬件設(shè)備進(jìn)行選型，分別對(duì)工控機(jī)、USB采集卡、伺服電動(dòng)缸等部件進(jìn)行選型，如表1所示。

3 座椅耐久試驗(yàn)測試臺(tái)軟件系統(tǒng)搭建

控制系統(tǒng)是汽車座椅試驗(yàn)測試臺(tái)的核心部分，通過控制系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與電氣控制部分的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)的軟件有很多種，但是考慮軟件控制系統(tǒng)搭建的便捷性與易操作性，基于Labview軟件利用與實(shí)際儀器相似的各種控件進(jìn)行可視化編程，可大大簡化、降低軟件的開發(fā)周期[7]。

在利用Labview中的控件以及各種函數(shù)模塊搭建汽車座椅耐久性測試系統(tǒng)之前，采用PID算法進(jìn)行電動(dòng)伺服力閉環(huán)系統(tǒng)控制建模，由于座椅坐墊、靠背骨架等在強(qiáng)度、剛度耐久性測試中處于交變載荷的試驗(yàn)環(huán)境，需要保證力載荷的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、低時(shí)延，建立如圖2所示的電動(dòng)伺服力閉環(huán)控制系統(tǒng)。

在工業(yè)控制系統(tǒng)中，PID控制結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、適應(yīng)性強(qiáng)，在工業(yè)控制中有廣泛的應(yīng)用[6]，在汽車座椅坐墊、靠背骨架、靠背骨架總成強(qiáng)度、剛度、耐久性測試中，考慮現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境以及試驗(yàn)的操作便捷性，試驗(yàn)測試臺(tái)的控制算法選擇PID算法模型，針對(duì)汽車座椅頭枕、坐墊、靠背、靠背骨架等不同剛性的剛?cè)嵝员粰z測物體，只需要在Labview中調(diào)整P、I、D這三個(gè)參數(shù)即可，調(diào)整方便、快捷、易于實(shí)現(xiàn)[8]。

Labview程序框圖控制面板中有封裝好的PID模塊，因而可以直接調(diào)用，嵌入到控制系統(tǒng)程序框圖中，在Labview中搭建汽車座椅耐久性測試系統(tǒng)，如圖3所示。由于工作現(xiàn)場環(huán)境的干擾，導(dǎo)致力、位移傳感器實(shí)時(shí)采集得到的數(shù)據(jù)會(huì)受到干擾而導(dǎo)致數(shù)據(jù)跳躍，采用數(shù)據(jù)濾波等方法消除系統(tǒng)中的干擾因素，且在PID控制中需要進(jìn)行輸出范圍限制防止控制算法無法進(jìn)行收斂。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

完成汽車座椅耐久性測試硬件系統(tǒng)搭建與Labview軟件控制程序撰寫后，進(jìn)行硬件連接與軟件調(diào)試，參照GB/T 740 乘用車座椅總成中對(duì)座椅坐墊、靠背骨架等的技術(shù)要求和試驗(yàn)方法，基于汽車座椅坐墊進(jìn)行加載試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

Labview中已封裝好PID模塊，可以在線設(shè)置P、I、D三個(gè)參數(shù)并進(jìn)行在線調(diào)整，按照試驗(yàn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)，以30N/s的速度進(jìn)行座椅坐墊力加載至400N，保持2s，得到力加載曲線圖，從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，力加載實(shí)時(shí)曲線與所設(shè)定的目標(biāo)力曲線基本重合，力誤差范圍在±10N以內(nèi)，力跟蹤效果良好，滿足座椅坐墊、靠背、骨架總成等部件測試的強(qiáng)度、剛度的耐久檢測要求。

5 結(jié)論

針對(duì)汽車座椅坐墊、靠背骨架總成剛度、靠背骨架總成耐久性等疲勞耐久性試驗(yàn)，本文設(shè)計(jì)了一套以工控機(jī)為控制核心，伺服電動(dòng)缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng);針對(duì)不同材料、剛度等物理特性不同的座椅坐墊、靠背骨架在強(qiáng)度、剛度耐久性檢測試驗(yàn)出現(xiàn)的力跟蹤誤差過大、延時(shí)時(shí)間長的問題，采用PID算法解決了力載荷跟蹤過程中誤差大、精度不夠的問題，對(duì)汽車座椅坐墊、靠背骨架的疲勞耐久性檢測試驗(yàn)提供了參考與借鑒，有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜長江，田澤洋，從云鵬，et al. 座椅模擬人體進(jìn)出耐久測試的評(píng)價(jià)參數(shù)研究[J]. 汽車零部件，2020（2）：64-69.

[2]吳超. 汽車座椅舒適性的技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（4）：115-116.

[3]馬浩松. 座椅骨架疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)的開發(fā)與研究[D]. 上海交通大學(xué)，2007.

[4]王志明，鄧明亮，蔡慶楠. 基于汽車座椅的多功能加載試驗(yàn)機(jī)[J]. 機(jī)械工程，2009（11）：94-97.

[5]葉暢，周廷美，莫易敏，et al. 基于沖擊試驗(yàn)的座椅骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 數(shù)字制造科學(xué)，2019（02）：90-94.

[6]華明亞，王志明，方征. 基于模糊PID控制的汽車座椅測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)量與測試技術(shù)，2017（9）：109-112.

[7]李會(huì)明，姜濤，張桂林. 基于LabVIEW的座椅試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程師，2016（2）：107-110.

[8]暢妍妍，王志明，周舟，方征. 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的汽車座椅強(qiáng)度測試控制[J]. 計(jì)量與測試技術(shù).2018，45（1）：1-4.