整车点爆试验系统集成实践
来源:用户上传
作者:
摘 要：在汽车碰撞安全性能开发中，安全气囊作为主要的乘员安全保护约束系统零部件，在汽车发生碰撞时对车内乘员安全保护方面起到了举足轻重的作用。气囊展开特性直接影响乘员头部和胸部伤害指标，因此需要发展整车点爆系统对安全气囊展开后的各项性能进行研究。整车点爆试验系统由点爆系统、滑轨系统、灯光系统、相机定位系统、环境舱以及循环水路控制系统等集成，能够简洁快速的实现安全气囊的静态展开，测试气囊的展开情况及展开飞出的碎片情况。采集气囊点爆过程的电流、电压和电阻等参数信息，为客户提供精准的试验数据。
关键词：安全气囊;静态点爆;高速摄像机;环境舱;汽车碰撞
中图分类号：U467 文献标志码：A
1 项目概况
该项目旨在建设一个整车点爆实验室，该实验室具有2个箱内气囊点爆试验系统，气囊起爆试验是为了分析安全气囊展开过程的合理性，验证气囊功能性是否合格[1]。其中一个可以兼顾箱外点爆要求（可设定延迟10 s～10 min后点爆）。气囊点爆试验在汽车安全性能验证中起到及其重要的作用。实验室需要尽可能地减少人员配置，提高自动化试验操作能力，试验过程中尽可能地减少人员对试验过程的影响[2]。为了达到目标，结合行业内先进测试理念，规划出一个控制系统控制3个试验区域的建设方案。该方案通过样品的自动化转移，高速摄像机的灵活布置以及繁杂线束的集成化安装实现了试验效能的提升，人员操作的安全保障和人员对试验过程影响的最小化，如图1所示。
2 点爆试验系统工作原理
点爆试验系统是由高速数据采集与控制系统作为中枢，能够协调点爆电源、环境舱门、灯光系统、高速相机、滑轨系统等进行联动。
试验开始前，检验人员先将样品及相关工装环境件固定在滑轨系统上，然后根据标准要求控制滑轨将样品送入环境舱进行温度（高温、低温或常温）处理;温度处理完后，灯光系统自动开启光源，提供至少60 000 lm的照明环境，然后环境舱门自动开启，高速滑轨系統自动滑出至指定位置后舱门关闭，最后点爆系统触发T0信号，输出一个点火信号至气囊模块内的气体发生器，系统进行自动检测，确定触发电路可以正常工作，并输出有效电阻值。同时，气体发生器接收到点火信号后，迅速引爆内部火药，产生高压气体给安全气囊充气，使安全气囊展开，同时T0信号触发高速相机记录气囊展开过程。
3 系统架构
点爆试验系统是由高速数据采集与控制系统、滑轨系统、灯光系统、高速摄像机及定位系统、环境舱及循环水路控制系统等组成的。
3.1 高速数据采集与控制系统
高速数据采集与控制系统配备了急停按钮，安全可靠，操作简便。有2个点火区域，可以进行箱内点爆和箱外点爆，也可以进行单级和双极气囊点爆，同步触发输出用于点爆电流测量、电阻值采集、高速摄像机录像合成。可输出电流值范围0.01 A～5 A，电阻值有效测量范围0 Ω～100Ω。
3.2 滑轨系统
滑轨系统是由箱内轨道、箱外轨道和高速平台、电机和急停按钮等组成的。由PLC编程控制，可以使高速平台在手动和自动模式下自由进出。
3.3 灯光系统
灯光系统是由多组LED灯管、温度控制器、固定灯光架组成的。LED灯管亮度可达到20 000 lm，理论寿命50 000 h。温度控制器可以防止LED灯管过热，自动对其进行温度保护，延长使用寿命。固定灯光架可以根据不同的光源要求进行调整。
3.4 高速摄像机及定位系统
高速摄像机及定位系统有箱体定位和箱外定位2种形式，适用于箱内点爆和箱外点爆。箱体定位是将相机架固定在温度箱体上，可实现相机在箱体上的自由移动。箱外定位是将相机架固定在温度箱外，可实现相机最广泛的移动范围。 箱内和箱外定位都可将电缆、网线、相机触发线收纳于桥架中。
3.5 环境舱及循环水路控制系统
步入式高低温试验箱内尺寸长6 000 mm，宽3 200 mm，高为2 500 mm。温度范围可达到-40 ℃～100 ℃。温度变化率可达到2.0 ℃/min，箱内有两条承重轨道与滑轨系统的箱外轨道连接，可以保证2 t的样品顺利进出环境舱而不破坏箱体结构，环境舱门采用软橡胶密封形式保护导轨部分开口不漏气。
循环水路控制系统可以实现对水温和水压的自动控制，帮助环境舱正常工作。水温控制可以根据温度自动启动冷却风扇或喷淋装置。水压控制由主泵和备用泵自动切换进行自动调整，水压不足时，备用泵将自动启动，避免因缺水导致的设备停机。
4 系统搭建施工
4.1 地基建设
环境舱采用下沉式设计，下沉深度为320 mm，可以保证环境舱底板低于地面水平面约200 mm，滑轨系统的导轨安装完毕后与环境舱底板上的轨道齐平，然后安装载物平板。该平台通过4对滑轮安装在导轨上，导轨的最前端和最后端分别安装2组限位开关，用以判断载物平台的位置并触发环境舱关门或气囊点爆型号。同时该平板必须与地面齐平，便于整车或大型工装搬运到平板上安装，提高工作效率，保证人员的安全，并有助于节省空间。在环境舱体外部设置蓄水井，用于环境舱冷凝水的排放，还可以防止外界暴雨时地下水渗入环境舱体的地基。
4.2 环境舱的搭建
4.2.1 环境舱作用
将样品在指定的温湿度环境下进行预处理，可以在舱内和舱外做点爆，检测和确定产品的各项性能和指标。环境舱和点爆系统采用联动设计，能够自动完成开门到点爆的过程。节约试验时间，提高试验精度。
4.2.2 环境舱布置设计
整体设计。环境舱采用下沉式设计，降低箱子整体高度，使空间得到最大化利用。整车身可以直接推上平台进行试验，减少搬抬车身造成的伤害事故。 库房板的搭建。环境舱的库房板内预制加强板，以方便箱内灯光安装，能够满足箱内点爆光源亮度要求。此外在库房板的两侧各需要开口安装3面高1 200 mm，宽800 mm的隔热玻璃，方便高速摄像机的拍摄。库房板地板上放置箱内轨道，以便滑轨安装，方便平台进出。
环境舱舱门在安装时，必须布置限位开关，当舱门开到指定位置，触发限位开关信号后，载物平台才能进出环境舱，该设计能够有效减少平台进出环境舱时，误动作对舱门的损坏。
卸压阀的布置。该泄压阀能够在气囊进行箱内点爆时，自动感应箱内气压的变化，卸载箱内骤然升高的气压，保护环境舱主体结构不被损坏。
4.3 滑轨系统安装
滑轨系统是由轨道、电机、平台和传感器组成的。轨道、电机及传感器均布置在深200 mm的地坑内，平台由长3 500 mm，宽2 000 mm，厚5 mm的钢板制成，其表面整齐规则的分布螺栓孔便于车身的固定。滑轨系统由PLC编程控制，可以使平台在手动和自动模式下自由进出。平台的可移动距离为6 m，最大负载为800 kg，最大移动速度为0.7 m/s。可移动距离和最大移动速度可以根据需求进行调节。 滑轨系统还可与点爆系统、温度箱仓门、灯光系统联动，采用多重防护措施，避免进行箱内/箱外试验时，平台意外进出，造成环境舱门的损坏。
4.4 相机定位系统安装
相机定位系统分为箱内拍摄相机架和箱外拍摄相机架。其主要作用是安装高速摄像机及收纳相关电源线束、数据传输线束和触发线束。高速摄像机可以在相机定位系统上左右上下移动。在箱外拍摄相机架上可以在前后左右位置分别布设2台高速摄像机（共8台），箱内拍摄相机架可以在环境仓外两侧分别布置2台高速摄像机（共8台），共有12个像机拍摄位置，这样可以基本满足所有的拍摄位置和角度需求。因为箱外拍摄的角度多，范围大，所以采用的支架跨度大，稳定性要求高。重型铝型材拼装结构的稳定性和经济性均无法满足要求。经过研究，我们采用了重型工字钢，并在工字钢上焊接加强筋来保证相机定位系统横梁的刚性和稳定性，在工字钢的基础上安装导轨和坦克链，方便高速摄像机与线束的随动。
4.5 灯光系统布设
箱内灯光选用IP68以上防护等级的LED光源，能够耐受-40℃～+90℃的环境温度，并至少能稳定工作5 min，6 m长的箱内两侧各布置8盏灯，分上下两层安装，前后各2盏。箱外灯光可选用IP65以上防护等级的LED光源，前后左右各布置6盏，这样载物平台区域的光照强度可达到60 000 lm左右。为了能够清晰拍摄不同角度的录像，还需准备2组移动补光灯（每组4盏LED灯）。
4.6 高速数据采集与控制系统安装及布线
完成以上硬件安装后，最后布置控制系统。控制系统主机安装在控制室内，需要连接T0触发输出BNC线3条（后端分成16条），I/O控制屏蔽信号线束6条，点爆回路用耐高低温4芯线3对，外接温度传感器耐高低温屏蔽两芯線6条，高速摄像机数据传输线3条（后端分成16条），视频输出线1条，电源线1条。这些线束全部通过相机定位系统进行走线，使试验场地地面简洁干净。
5 结语
整车点爆试验系统安装完成后，地面没有繁杂的走线，复杂的操作流程，双人就能够进行整车或白车身的安装定位，无须任何铲车操作，保证试验操作人员的安全，并易于5S管理。该实验系统既能够自动进行点爆系统、滑轨系统、灯光系统、环境舱门、高速相机等的联动，也可以在同一台计算机上手动进行LED光源开启、舱门打开平台滑出、相机触发和点爆报警等操作。整车点爆试验系统集成特点是简洁快速，既提高了点爆试验的准确度，又节省了操作时间。整车点爆试验系统集成能够帮助客户模拟气囊在各种温度和各种点爆方式下的工作情况，满足客户对气囊产品安全测试的需求。
参考文献
[1]严飞燕，王书文.某汽车乘客安全气囊壳体的点爆强度仿真分析[J].农业装备与车辆工程，2017，55（6）：63-66，75.
[2]石洋洋，霍长宏，汤艳.仪表板头碰和气囊点爆试验部件分离问题研究[J].汽车实用技术，2016（4）：112-117.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15308468.htm
