整車點爆試驗系統(tǒng)集成實踐

趙海

摘 ?要：在汽車碰撞安全性能開發(fā)中，安全氣囊作為主要的乘員安全保護約束系統(tǒng)零部件，在汽車發(fā)生碰撞時對車內(nèi)乘員安全保護方面起到了舉足輕重的作用。氣囊展開特性直接影響乘員頭部和胸部傷害指標，因此需要發(fā)展整車點爆系統(tǒng)對安全氣囊展開后的各項性能進行研究。整車點爆試驗系統(tǒng)由點爆系統(tǒng)、滑軌系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、相機定位系統(tǒng)、環(huán)境艙以及循環(huán)水路控制系統(tǒng)等集成，能夠簡潔快速的實現(xiàn)安全氣囊的靜態(tài)展開，測試氣囊的展開情況及展開飛出的碎片情況。采集氣囊點爆過程的電流、電壓和電阻等參數(shù)信息，為客戶提供精準的試驗數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：安全氣囊;靜態(tài)點爆;高速攝像機;環(huán)境艙;汽車碰撞

中圖分類號：U467 ? ? ? 文獻標志碼：A

1 項目概況

該項目旨在建設(shè)一個整車點爆實驗室，該實驗室具有2個箱內(nèi)氣囊點爆試驗系統(tǒng)，氣囊起爆試驗是為了分析安全氣囊展開過程的合理性，驗證氣囊功能性是否合格[1]。其中一個可以兼顧箱外點爆要求（可設(shè)定延遲10 s～10 min后點爆）。氣囊點爆試驗在汽車安全性能驗證中起到及其重要的作用。實驗室需要盡可能地減少人員配置，提高自動化試驗操作能力，試驗過程中盡可能地減少人員對試驗過程的影響[2]。為了達到目標，結(jié)合行業(yè)內(nèi)先進測試理念，規(guī)劃出一個控制系統(tǒng)控制3個試驗區(qū)域的建設(shè)方案。該方案通過樣品的自動化轉(zhuǎn)移，高速攝像機的靈活布置以及繁雜線束的集成化安裝實現(xiàn)了試驗效能的提升，人員操作的安全保障和人員對試驗過程影響的最小化，如圖1所示。

2 點爆試驗系統(tǒng)工作原理

點爆試驗系統(tǒng)是由高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)作為中樞，能夠協(xié)調(diào)點爆電源、環(huán)境艙門、燈光系統(tǒng)、高速相機、滑軌系統(tǒng)等進行聯(lián)動。

試驗開始前，檢驗人員先將樣品及相關(guān)工裝環(huán)境件固定在滑軌系統(tǒng)上，然后根據(jù)標準要求控制滑軌將樣品送入環(huán)境艙進行溫度（高溫、低溫或常溫）處理;溫度處理完后，燈光系統(tǒng)自動開啟光源，提供至少60 000 lm的照明環(huán)境，然后環(huán)境艙門自動開啟，高速滑軌系統(tǒng)自動滑出至指定位置后艙門關(guān)閉，最后點爆系統(tǒng)觸發(fā)T0信號，輸出一個點火信號至氣囊模塊內(nèi)的氣體發(fā)生器，系統(tǒng)進行自動檢測，確定觸發(fā)電路可以正常工作，并輸出有效電阻值。同時，氣體發(fā)生器接收到點火信號后，迅速引爆內(nèi)部火藥，產(chǎn)生高壓氣體給安全氣囊充氣，使安全氣囊展開，同時T0信號觸發(fā)高速相機記錄氣囊展開過程。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

點爆試驗系統(tǒng)是由高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、滑軌系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、高速攝像機及定位系統(tǒng)、環(huán)境艙及循環(huán)水路控制系統(tǒng)等組成的。

3.1 高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)

高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)配備了急停按鈕，安全可靠，操作簡便。有2個點火區(qū)域，可以進行箱內(nèi)點爆和箱外點爆，也可以進行單級和雙極氣囊點爆，同步觸發(fā)輸出用于點爆電流測量、電阻值采集、高速攝像機錄像合成?？奢敵鲭娏髦捣秶?.01 A～5 A，電阻值有效測量范圍0 Ω～100Ω。

3.2 滑軌系統(tǒng)

滑軌系統(tǒng)是由箱內(nèi)軌道、箱外軌道和高速平臺、電機和急停按鈕等組成的。由PLC編程控制，可以使高速平臺在手動和自動模式下自由進出。

3.3 燈光系統(tǒng)

燈光系統(tǒng)是由多組LED燈管、溫度控制器、固定燈光架組成的。LED燈管亮度可達到20 000 lm，理論壽命50 000 h。溫度控制器可以防止LED燈管過熱，自動對其進行溫度保護，延長使用壽命。固定燈光架可以根據(jù)不同的光源要求進行調(diào)整。

3.4 高速攝像機及定位系統(tǒng)

高速攝像機及定位系統(tǒng)有箱體定位和箱外定位2種形式，適用于箱內(nèi)點爆和箱外點爆。箱體定位是將相機架固定在溫度箱體上，可實現(xiàn)相機在箱體上的自由移動。箱外定位是將相機架固定在溫度箱外，可實現(xiàn)相機最廣泛的移動范圍。 箱內(nèi)和箱外定位都可將電纜、網(wǎng)線、相機觸發(fā)線收納于橋架中。

3.5 環(huán)境艙及循環(huán)水路控制系統(tǒng)

步入式高低溫試驗箱內(nèi)尺寸長6 000 mm，寬3 200 mm，高為2 500 mm。溫度范圍可達到-40 ℃～100 ℃。溫度變化率可達到2.0 ℃/min，箱內(nèi)有兩條承重軌道與滑軌系統(tǒng)的箱外軌道連接，可以保證2 t的樣品順利進出環(huán)境艙而不破壞箱體結(jié)構(gòu)，環(huán)境艙門采用軟橡膠密封形式保護導(dǎo)軌部分開口不漏氣。

循環(huán)水路控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)對水溫和水壓的自動控制，幫助環(huán)境艙正常工作。水溫控制可以根據(jù)溫度自動啟動冷卻風(fēng)扇或噴淋裝置。水壓控制由主泵和備用泵自動切換進行自動調(diào)整，水壓不足時，備用泵將自動啟動，避免因缺水導(dǎo)致的設(shè)備停機。

4 系統(tǒng)搭建施工

4.1 地基建設(shè)

環(huán)境艙采用下沉式設(shè)計，下沉深度為320 mm，可以保證環(huán)境艙底板低于地面水平面約200 mm，滑軌系統(tǒng)的導(dǎo)軌安裝完畢后與環(huán)境艙底板上的軌道齊平，然后安裝載物平板。該平臺通過4對滑輪安裝在導(dǎo)軌上，導(dǎo)軌的最前端和最后端分別安裝2組限位開關(guān)，用以判斷載物平臺的位置并觸發(fā)環(huán)境艙關(guān)門或氣囊點爆型號。同時該平板必須與地面齊平，便于整車或大型工裝搬運到平板上安裝，提高工作效率，保證人員的安全，并有助于節(jié)省空間。在環(huán)境艙體外部設(shè)置蓄水井，用于環(huán)境艙冷凝水的排放，還可以防止外界暴雨時地下水滲入環(huán)境艙體的地基。

4.2 環(huán)境艙的搭建

4.2.1 環(huán)境艙作用

將樣品在指定的溫濕度環(huán)境下進行預(yù)處理，可以在艙內(nèi)和艙外做點爆，檢測和確定產(chǎn)品的各項性能和指標。環(huán)境艙和點爆系統(tǒng)采用聯(lián)動設(shè)計，能夠自動完成開門到點爆的過程。節(jié)約試驗時間，提高試驗精度。

4.2.2 環(huán)境艙布置設(shè)計

整體設(shè)計。環(huán)境艙采用下沉式設(shè)計，降低箱子整體高度，使空間得到最大化利用。整車身可以直接推上平臺進行試驗，減少搬抬車身造成的傷害事故。

庫房板的搭建。環(huán)境艙的庫房板內(nèi)預(yù)制加強板，以方便箱內(nèi)燈光安裝，能夠滿足箱內(nèi)點爆光源亮度要求。此外在庫房板的兩側(cè)各需要開口安裝3面高1 200 mm，寬800 mm的隔熱玻璃，方便高速攝像機的拍攝。庫房板地板上放置箱內(nèi)軌道，以便滑軌安裝，方便平臺進出。

環(huán)境艙艙門在安裝時，必須布置限位開關(guān)，當(dāng)艙門開到指定位置，觸發(fā)限位開關(guān)信號后，載物平臺才能進出環(huán)境艙，該設(shè)計能夠有效減少平臺進出環(huán)境艙時，誤動作對艙門的損壞。

卸壓閥的布置。該泄壓閥能夠在氣囊進行箱內(nèi)點爆時，自動感應(yīng)箱內(nèi)氣壓的變化，卸載箱內(nèi)驟然升高的氣壓，保護環(huán)境艙主體結(jié)構(gòu)不被損壞。

4.3 滑軌系統(tǒng)安裝

滑軌系統(tǒng)是由軌道、電機、平臺和傳感器組成的。軌道、電機及傳感器均布置在深200 mm的地坑內(nèi)，平臺由長3 500 mm，寬2 000 mm，厚5 mm的鋼板制成，其表面整齊規(guī)則的分布螺栓孔便于車身的固定?；壪到y(tǒng)由PLC編程控制，可以使平臺在手動和自動模式下自由進出。平臺的可移動距離為6 m，最大負載為800 kg，最大移動速度為0.7 m/s。可移動距離和最大移動速度可以根據(jù)需求進行調(diào)節(jié)。 滑軌系統(tǒng)還可與點爆系統(tǒng)、溫度箱倉門、燈光系統(tǒng)聯(lián)動，采用多重防護措施，避免進行箱內(nèi)/箱外試驗時，平臺意外進出，造成環(huán)境艙門的損壞。

4.4 相機定位系統(tǒng)安裝

相機定位系統(tǒng)分為箱內(nèi)拍攝相機架和箱外拍攝相機架。其主要作用是安裝高速攝像機及收納相關(guān)電源線束、數(shù)據(jù)傳輸線束和觸發(fā)線束。高速攝像機可以在相機定位系統(tǒng)上左右上下移動。在箱外拍攝相機架上可以在前后左右位置分別布設(shè)2臺高速攝像機（共8臺），箱內(nèi)拍攝相機架可以在環(huán)境倉外兩側(cè)分別布置2臺高速攝像機（共8臺），共有12個像機拍攝位置，這樣可以基本滿足所有的拍攝位置和角度需求。因為箱外拍攝的角度多，范圍大，所以采用的支架跨度大，穩(wěn)定性要求高。重型鋁型材拼裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟性均無法滿足要求。經(jīng)過研究，我們采用了重型工字鋼，并在工字鋼上焊接加強筋來保證相機定位系統(tǒng)橫梁的剛性和穩(wěn)定性，在工字鋼的基礎(chǔ)上安裝導(dǎo)軌和坦克鏈，方便高速攝像機與線束的隨動。

4.5 燈光系統(tǒng)布設(shè)

箱內(nèi)燈光選用IP68以上防護等級的LED光源，能夠耐受-40℃～+90℃的環(huán)境溫度，并至少能穩(wěn)定工作5 min，6 m長的箱內(nèi)兩側(cè)各布置8盞燈，分上下兩層安裝，前后各2盞。箱外燈光可選用IP65以上防護等級的LED光源，前后左右各布置6盞，這樣載物平臺區(qū)域的光照強度可達到60 000 lm左右。為了能夠清晰拍攝不同角度的錄像，還需準備2組移動補光燈（每組4盞LED燈）。

4.6 高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)安裝及布線

完成以上硬件安裝后，最后布置控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主機安裝在控制室內(nèi)，需要連接T0觸發(fā)輸出BNC線3條（后端分成16條），I/O控制屏蔽信號線束6條，點爆回路用耐高低溫4芯線3對，外接溫度傳感器耐高低溫屏蔽兩芯線6條，高速攝像機數(shù)據(jù)傳輸線3條（后端分成16條），視頻輸出線1條，電源線1條。這些線束全部通過相機定位系統(tǒng)進行走線，使試驗場地地面簡潔干凈。

5 結(jié)語

整車點爆試驗系統(tǒng)安裝完成后，地面沒有繁雜的走線，復(fù)雜的操作流程，雙人就能夠進行整車或白車身的安裝定位，無須任何鏟車操作，保證試驗操作人員的安全，并易于5S管理。該實驗系統(tǒng)既能夠自動進行點爆系統(tǒng)、滑軌系統(tǒng)、燈光系統(tǒng)、環(huán)境艙門、高速相機等的聯(lián)動，也可以在同一臺計算機上手動進行LED光源開啟、艙門打開平臺滑出、相機觸發(fā)和點爆報警等操作。整車點爆試驗系統(tǒng)集成特點是簡潔快速，既提高了點爆試驗的準確度，又節(jié)省了操作時間。整車點爆試驗系統(tǒng)集成能夠幫助客戶模擬氣囊在各種溫度和各種點爆方式下的工作情況，滿足客戶對氣囊產(chǎn)品安全測試的需求。

參考文獻

[1]嚴飛燕，王書文.某汽車乘客安全氣囊殼體的點爆強度仿真分析[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2017，55（6）：63-66，75.

[2]石洋洋，霍長宏，湯艷.儀表板頭碰和氣囊點爆試驗部件分離問題研究[J].汽車實用技術(shù)，2016（4）：112-117.