基于LabVIEW的汽車電動座椅振動檢測系統(tǒng)設(shè)計

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]。現(xiàn)在普遍采用的汽車電動座椅調(diào)節(jié)運行過程中振動噪音較大，不僅影響乘車人員的舒適性，還會在行車過程中分散駕駛員的注意力，影響駕駛安全。為了保證電動座椅的性和舒適性，在生產(chǎn)完成后需要進行電動座椅的振動檢測。目前，振動檢測方法普遍采用主觀感受評價和靜音房檢測方法，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[2]。為了提高座椅舒適性，研究人員[3－4]利用人機工程學(xué)合理布置人體模型，優(yōu)化座椅外形尺寸，進行腰部支撐設(shè)計，科學(xué)地設(shè)計座椅有效旋轉(zhuǎn)點，從而優(yōu)化座椅舒適性。陳良松等人[5]對座椅客觀舒適性與乘員主觀舒適性之間的關(guān)聯(lián)性進行研究和分析；杜天強等人[6]對電動座椅的關(guān)鍵部件進行了一系列耐久試驗，為汽車電動座椅的優(yōu)化提供了參考；張忠海等人[7]通過對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，分析了不同因素對座椅乘坐舒適性的影響，并討論了座椅撓度測試方法；王光南[8]通過加速度計量法進行人體動態(tài)舒適性評價，研究了不同加速度對人體的影響，計算結(jié)果表明較大的汽車座椅加速度會使人不適，甚至影響人體的正常機能；黃莉萍等人[9]對汽車座椅感知質(zhì)量評價方法進行研究，在數(shù)據(jù)階段進行感知質(zhì)量評審及問題改進，有效減少實物階段的設(shè)計變更問題，從而降低汽車座椅的開發(fā)成本；時培成等人[10]設(shè)計了一種具有準(zhǔn)零剛度的非線性座椅，提升車輛座椅懸架的隔振性能，在隨機路面激勵下并聯(lián)機構(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[11]對電動座椅驅(qū)動電機進行電流檢測，通過檢測電流的大小判斷電動座椅是否合格?；诖?，本文基于labview設(shè)計了一套汽車電動座椅振動檢測系統(tǒng)。通過采集電動座椅運行時的加速度信號，對信號域、頻域分析，得到振動加速度信號的相關(guān)參數(shù)，將參數(shù)計算結(jié)果與系統(tǒng)預(yù)設(shè)閾值進行比較，檢測電動座椅是否合格。實驗結(jié)果表明，該檢測系統(tǒng)能高效準(zhǔn)確地出質(zhì)量不合格的電動座椅，并能長期穩(wěn)定運行，為汽車電動座椅的優(yōu)化提供了參考。
1汽車電動座椅振動產(chǎn)生機理汽車電動座椅調(diào)節(jié)過程中振動產(chǎn)生的噪音主要由驅(qū)動電機運行和傳動部件結(jié)構(gòu)不合理引起。驅(qū)動電機運行引起振動主要有兩方面的原因。一方面是因為電機內(nèi)部磁場的不平衡引起定子、轉(zhuǎn)子和電機整體結(jié)構(gòu)的低頻振動，使定子和轉(zhuǎn)子配合不當(dāng)，轉(zhuǎn)子鐵心的徑向振動以及內(nèi)部線圈繞組斷、短路等；另一方面是由于電機轉(zhuǎn)動部分的摩擦、撞擊、不平衡以及結(jié)構(gòu)共振引起的機械摩擦振動[12－14]。傳動部件結(jié)構(gòu)不合理引起振動的原因是齒輪和齒條、絲杠和導(dǎo)軌、蝸輪蝸桿等傳動副的配合不符合要求[15]，齒輪嚙合時剛度過激、載荷變化、齒廓磨損以及單雙齒嚙合交替都會產(chǎn)生振動影響電動座椅的平穩(wěn)運行。2檢測系統(tǒng)檢測原理電動座椅運行過程中，由3個驅(qū)動電機分別驅(qū)動電動座椅進行前升、前降、前進、后退、后升及后降6個動作。在電動座椅振動測試中，通過加速度傳感器采集電動座椅6個動作產(chǎn)生的加速度信號，對信號域及頻域的采樣分析，檢測電動座椅的質(zhì)量。為了較符合實際工作情況，檢測時對電動座椅施加固定載荷，質(zhì)量為70kg，模擬乘客在使用電動座椅時的運行情況。為了保證采集到的信號頻率不發(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為采集信號頻率的較高頻率。本文檢測系統(tǒng)采樣頻率選取5khz。檢測系統(tǒng)組成如圖1所示。加速度傳感器型號為bk4534－b，測量頻率范圍為0．2~12．8khz，測量精度可達到98mv／g。為了較真實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與工控機通過tcp通信，s7－1200在接到工控機發(fā)出的測試指令后，運行電動座椅驅(qū)動電機，加速度傳感器將采集的數(shù)據(jù)直接傳輸給采集卡ni9230，采集卡對數(shù)據(jù)進行a／d轉(zhuǎn)換，并傳遞到工控機，之后labview檢測程序進行數(shù)據(jù)處理，包括實時波形顯示[17－19]、數(shù)據(jù)分析和對比、數(shù)據(jù)存儲和查詢。3檢測系統(tǒng)設(shè)計檢測系統(tǒng)主要由系統(tǒng)配置、檢測程序、數(shù)據(jù)存儲以及歷史查詢4個功能模塊組成。檢測系統(tǒng)labview軟件運行流程如圖3所示。啟動檢測前，首先建立檢測系統(tǒng)和可編程控制器之間的通信，使檢測系統(tǒng)通過可編程控制器控制電動座椅的運行狀態(tài)，從而針對不同型號的座椅設(shè)置不同的檢測參數(shù)。plc通信程序如圖4所示。plc發(fā)送指令“plcinstruc－ tions”到檢測系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)將指令與預(yù)設(shè)指令進行對比驗證，判斷座椅電機的運行狀態(tài)。如plc發(fā)送指令“200”，電機進行前進動作，檢測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)分析，與前進動作的預(yù)設(shè)參數(shù)進行對比，判斷座椅是否合格，動作結(jié)束后將分析數(shù)據(jù)結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。
檢測程序是對采集的數(shù)據(jù)域參數(shù)和頻域參數(shù)的計算。數(shù)據(jù)處理如圖5所示。結(jié)合預(yù)設(shè)參數(shù)閾值，對座椅的質(zhì)量進行判定。數(shù)據(jù)處理程序如圖5a所示。檢測系統(tǒng)使用dataprepcs．vi對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括去趨勢項和剔除野點，通過newcal．vi實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的參數(shù)計算，并與預(yù)先設(shè)定的參數(shù)閾值進行比較，得出。參數(shù)閾值設(shè)置如圖5b所示。對于不同型號的電動座椅，可以對加速度、均值、均方根值、偏度、峭度、裕度、峰值因子、波形因子等14個參數(shù)進行不同的閾值設(shè)置。
檢測程序主界面如圖6所示。對采集到的電流電壓值進行實時監(jiān)測顯示，當(dāng)電流電壓值**過設(shè)定值時，向可編程控制器發(fā)送反饋，防止驅(qū)動電機因電流電壓過大造成損壞。對采集到的加速度信號域波形的顯示，在界面上對每個檢測狀態(tài)及檢測用時進行顯示，每個動作結(jié)束后對檢測結(jié)果進行顯示，綠色的表示合格，紅色表示不合格。
數(shù)據(jù)通過sqlserver數(shù)據(jù)庫存儲，相比于其它數(shù)據(jù)庫，sqlserver的易用性、適合分布式組織的可伸縮性等優(yōu)點對數(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)庫通過ac－tivex數(shù)據(jù)對象(activexdataobjects，ado)方式與labview進行連接，與開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)(opendatabaseconnectivity，odbc)等方式相比，該方式*設(shè)置數(shù)據(jù)源，應(yīng)用場景廣泛。數(shù)據(jù)庫連接程序和設(shè)置界面如圖7所示。由圖7a可知，通過編寫的localsqlconnect．vi實現(xiàn)對本地數(shù)據(jù)庫的連接，方便存儲檢測數(shù)據(jù)；由圖7b可知，系統(tǒng)對本地數(shù)據(jù)庫務(wù)器數(shù)據(jù)庫的名稱地址等參數(shù)進行配置，電動座椅檢測完成后，將數(shù)據(jù)直接存入本地數(shù)據(jù)庫，上傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。
傳感器采集到的前進運動振動加速度信號時域波形如圖8所示。通過對信號波形的時域及頻域分析，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、功率譜密度等信號參數(shù)，與設(shè)定閾值進行對比，判定電動座椅的運行質(zhì)量。峰值能量是非常短的脈沖能量，用來檢測運行過程中的故障，前進運動振動加速度信號峰值能量[20]如圖9所示。由圖9可以看出，當(dāng)t＝0~0．5s時，峰值能量明顯**其它時刻，說明此時振動存在一定問題。
歷史查詢是對已檢測的座椅數(shù)據(jù)進行查詢，方便工廠查看生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。檢測系統(tǒng)對檢測的信號數(shù)據(jù)處理后存儲于sqlserver數(shù)據(jù)庫，通過內(nèi)部以太網(wǎng)對檢測數(shù)據(jù)進行查詢，也可根據(jù)日期或產(chǎn)品序列號查詢檢測完成的產(chǎn)品。另外，該查詢檢測系統(tǒng)也可單獨查看每個動作的檢測信息。歷史數(shù)據(jù)查詢檢測界面如圖10所示。
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