摘要：本文探讨了伺服系统在机动车安全带倾斜锁止试验中的应用，引入PLC、伺服电机、编码器等元件，提出了一种检测设备的实施方式。对我国国家标准规定的试验要求和试验方法进行了详细阐述，论述了该类检测设备机械部分以及测控系统设计的可行方案，并就PLC编程中涉及的测控流程、各关键件的通讯关系进行了系统说明。
1 引言
机动车安全带是一种用于约束车辆驾驶员和乘客的防护装置，可有效提高车辆的被动安全性。自从1955年，美国乘用车首次装用安全带以后，其应用愈加普遍。美、欧、日等国家和地区相继立法或出台规定，要求汽车乘员必须佩戴安全带。我国也已于1992年11月15日颁布通告，规定从1993年7月1日起，所有小客车(包括轿车、吉普车、面包车、微型车)驾驶人和前排座乘车人必须使用安全带。另外，我国《道路交通安全法》第五十一条规定：机动车行驶时，驾驶人、乘坐人员应当按规定使用安全带。
按照国家标准的定义，安全带即具有织带、带扣、调节件以及将其固定在机动车辆内部的连接件，用于在车辆骤然减速或碰撞时通过限制佩戴者身体的运动以减轻其伤害程度的总成，包括吸能或卷收织带的装置。目前，安全带的常见种类较多。按照结构形式，安全带可分为腰带、肩带、三点式安全带、S型安全带和全背带式安全带。其中，带卷收器的安全带性能更佳，对制造工艺要求也更高。卷收器作为安全带的关键件，按照其性能和调节方式，可分为无锁式卷收器（1型）、手调式卷收器（2型）、自锁式卷收器（3型）、紧急锁止式卷收器（4型）、高响应紧急锁止式卷收器（4N型）。最常见的安全带卷收器型式是4型和4N型，二者都具有带感和/或车感锁止以及倾斜锁止性能。车感锁止和带感锁止分别用于评价车辆和车辆乘员紧急作动时的安全带防护性能，而倾斜锁止是用于评价车辆在俯仰和侧倾姿态下的安全带防护性能。本文重点探讨安全带的倾斜锁止特性及其检测实现方法。
《机动车乘员用安全带、约束系统、儿童约束系统和ISOFIX儿童约束系统》（GB14166-2013）4.2.5.3.1c）和4.2.5.3.1d）条款规定，当敏感装置在其制造厂规定的安装位置向任意方向倾斜12°或以下时，卷收器不得锁止；对于4型卷收器，当敏感装置在其制造厂规定的安装位置向任意方向倾斜大于27°时，卷收器应锁止；对于4N型卷收器，当敏感装置在其制造厂规定的安装位置向任意方向倾斜大于40°时，卷收器应锁止。国家标准5.6.2.3条款约定了倾斜锁止试验方法，即为检查是否满足4.2.5.3.1c）和4.2.5.3.1d）要求，卷收器应安装在水平台面上，并使台面以不超过2°/s的速度倾斜直至发生锁止。试验应在其他方向上重复进行以满足要求。
2 试验流程及设备构建关注点
为实施标准规定的试验过程，需策划相关流程，即卷收器按照规定的安装方法安装完成后，应能模拟车辆的俯仰和侧倾姿态，在前、后、左、右四个翻转方向实时监测卷收器的锁止状态，并记录锁止角度。
目前，安全带生产工厂为实施COP试验中的100%检验，均会在生产线上配备倾斜锁止检测设备，但该类线上设备为适应生产线节拍，提高生产效率，国家标准5.6.2.3条款规定的倾斜速度一般不予考虑和满足。且卷收器装夹方式通常为采用适应卷收器外形和尺寸的特制夹具，气动夹紧模式。而作为实验室检测设备，则不能简单等同于线上设备，前者对安装定位精度、倾斜角度、锁止角度的测量均有更高要求，以适应ISO/IEC17025:2005《检测和校准实验室能力的通用要求》的规定，且该要求转换为2017版之后，对检测仪器的相关要求并未弱化。
为构建该项试验检测设备，满足标准规定的倾斜速度精准实现系统、卷收器锁止识别系统、90°换向系统、织带抽取系统等应为试验流程实现的必需系统。其中，倾斜速度精准实现系统主要通过引入伺服电机和PLC，构成精准速度控制环节；卷收器锁止识别系统引入压力传感器，如果卷收器锁止，则织带对压力传感器施加压力骤然增加，设定可信数值，即可实现锁止识别功能；90°换向系统用于实现前后、左右两垂直旋转轴的切换，通过伺服电机和PLC构成的伺服系统实现；织带抽取系统采用辊轮夹紧并旋转抽带的方式，夹紧方式利用气缸实现，旋转动作采用小型伺服电机实现。
3 试验设备构建方法
该检测设备由机械部分和测控部分组成。机械部分为执行部分，直接和样品接触，由上述各系统和相关辅件匹配组合而成。测控部分主要由PLC、触摸屏和旋转编码器构成。触摸屏作为人机界面，同时也是上位机，PLC为下位机，上位机对下位机进行参数设置，下位机内置梯形图程序，直/间接与编码器和伺服驱动器通讯。
3.1 机械部分
机械部分的设计直接采用UG绘制三维图，并进行数字样机虚拟装配和干涉检查等，涉及上述各个系统，充分考虑人因工程学因素。该过程实现了无纸化，也极大缩短了产品生产周期。设备装配图见图1，设备实物图见图2.
图1.安全带倾斜锁止试验设备三维装配图
图2.安全带倾斜锁止试验设备实物图
3.2 测控系统
测控系统主要实现倾斜速度控制、90°转向控制、锁止判别与锁止角度测量四大功能。倾斜速度控制由电机I、电机II执行，试验开始即可动作，最大旋转范围可至180°。90°转向由转向电机执行，执行时机为前后旋转轴试验完成，左右旋转轴试验需要开始时。织带抽取由抽带电机执行，在气缸下压并带动辊轮夹紧织带时即可生效。所用共计4台伺服电机。锁止判别条件为压力传感器承受力值超限，并以此执行后续动作。锁止角度测量引入绝对型高精度旋转编码器，开机不必找零位，可对轴的绝对位置信息进行监测，且抗干扰性较强，也无增量型编码器的零点累积误差的问题。表1所示为所选欧姆龙NPN输出绝对值型E6C3-AG5C编码器、CP1H欧姆龙PLC和接线关系对应表。该型编码器可输出格雷码，格雷码属于错误最小化的可靠性编码，有利于减少编码器出错。
表1.绝对型编码器、PLC、直流电源接线关系对应表
4 关键控制部分实现方法
上位机采用昆仑通态触摸屏，可进行图形化编程及后台操作，作为人机界面实现相关参数设置及开、关机功能。
通过对下位机PLC进行梯形图编程，获得可靠的控制实现。PLC输出可分为晶体管和继电器输出类型，方案采用晶体管输出型，外加继电器实现对伺服驱动器和电磁阀的控制，以控制电机和气缸动作。控制的详细流程如图3所示。其中，“抽带电机回位正转”过程中，回位和正转的分界点为伺服电机I/II旋转至初始位置（零度位置）时。
上位机和下位机之间采用DP通讯，基于PLC可选的RS-232C端口，图4所示为欧姆龙PLC对应一侧的端口引脚定义。图5所示为所选昆仑通态触摸屏和PLC的接线关系图。
图3.设备测控流程图
图4.PLCRS232C端口引脚定义
图5.触摸屏和PLC通讯接线关系图
5 结语
本文探讨了伺服系统在安全带倾斜锁止试验中的应用，构建了一种高精度的自动检测方案。设备样机已投入实际应用，累计检测1000余次，暂无不良反馈。设备整体性能满足国家标准要求，对于检测类实验室装备提升有积极作用。
在设备研发过程中，四台伺服电机、驱动器、PLC、触摸屏及各类按钮、开关、继电器等辅件之间接线较为复杂，虽然实现了技术方案，但仍有可改进、优化之处。如引入总线模块，则大可缓解目前接线复杂的状态，有望进一步缩短设备开发周期。对于大型、复杂设备，则可行性尤为明显。
另外，设备系统精度是全面考虑了设备所有相关子系统的精度之后，按照设备使用方式、运转状况等得出的综合性精度。短板效应较为适用于该类设备精度的评价。虽然编码器精度较高，但应考虑合理匹配，并将机械精度，如减速机齿轮背隙、光电开关安装、对不同样品的适应性，以及外来扰动等因素纳入考虑范围。该过程可谓一系统工程，如能全盘考虑，则性价比有望达到最优。
