基于LabVIEW的汽車(chē)電動(dòng)座椅振動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

時(shí)間：2022-12-26作者：上海霖智自動(dòng)化科技有限公司瀏覽：217

        汽車(chē)座椅是體現(xiàn)汽車(chē)舒適性的主要設(shè)備之一，尤其是轎車(chē)座椅[1]。現(xiàn)在普遍采用的汽車(chē)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(chē)人員的舒適性，還會(huì)在行車(chē)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[3－4]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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)座椅的開(kāi)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(chē)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?；诖耍疚幕贚abVIEW設(shè)計(jì)了一套汽車(chē)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)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(chē)電動(dòng)座椅的優(yōu)化提供了參考。




1 汽車(chē)電動(dòng)座椅振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理


汽車(chē)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)[12－14]。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)域及頻域的采樣分析，檢測(cè)電動(dòng)座椅的質(zhì)量。為了較符合實(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70kg，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(mǎn)足ωs≥2ωM，其中，ωM為采集信號(hào)頻率的較高頻率。本文檢測(cè)系統(tǒng)采樣頻率選取5kHz。


檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示。加速度傳感器型號(hào)為BK4534－B，測(cè)量頻率范圍為0．2~12．8kHz，測(cè)量精度可達(dá)到98mV／g。為了較真實(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S7－1200與工控機(jī)通過(guò)TCP通信，S7－1200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NI9230，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[17－19]、數(shù)據(jù)分析和對(duì)比、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢(xún)。


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)以及歷史查詢(xún)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“PLCinstruc－ tions”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)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dataprepcs．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)NEWCAL．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。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**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)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)SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，相比于其它數(shù)據(jù)庫(kù)，SQLServer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較好，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)Ac－tiveX數(shù)據(jù)對(duì)象(activeXdataobjects，ADO)方式與LabVIEW進(jìn)行連接，與開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)(opendatabaseconnectivity，ODBC)等方式相比，該方式*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(xiě)的LocalSQLConnect．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)務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)的名稱(chēng)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＝0~0．5s時(shí)，峰值能量明顯**其它時(shí)刻，說(shuō)明此時(shí)振動(dòng)存在一定問(wèn)題。






歷史查詢(xún)是對(duì)已檢測(cè)的座椅數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)，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SQLServer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(xún)，也可根據(jù)日期或產(chǎn)品序列號(hào)查詢(xún)檢測(cè)完成的產(chǎn)品。另外，該查詢(xún)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(xún)檢測(cè)界面如圖10所示。











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