面向小型加速台车测试系统 的自动升降灯架设计

加速台车测试系统作为对汽车碰撞过程完美复现的试验装置,在汽车被动安全领域应用广泛。目前,汽车被动安全检测行业各主要实验室均已配备加速台车测试系统,对汽车整车、汽车零部件、机动车儿童乘员用约束系统等产品实施动态性能检验。大型的加速台车测试系统推力一般在3MN以上,小型的测试系统推力一般不超过1MN。小型加速台车测试系统常用于汽车零部件的动态试验,如安全带、门锁、电池包、汽车座椅等,以及其他有动态试验要求的被动安全产品,如机动车儿童乘员用约束系统等。

 

CNAL-CL01:2018(ISO-IEC17025:2017)检测和校准实验室认可准则规定,实验室应获得正确开展实验室活动所需的并影响结果的设备。用于测量的设备应能达到要求的准确度和(或)测量不确定度,以提供有效结果。试验过程中,对视频数据的采集至关重要。作为动态试验的原始数据,高速视频信息可以通过回放复现试验过程,从而观测、记录各项主要通过视频才能研判的伤害数据。各类高速摄像机是视频采集的必需设备,其功能须借助照明系统才能正常发挥。因此,照明系统性能优劣直接决定视频数据质量好坏,直接影响样品的合格判定。灯具是照明系统的核心部件,色温、光强等是其性能表征的重要指标。除部分灯具自带相关调节功能外,大部分灯具均安装于各类灯架上,通过灯架调整实现照射方向的改变,以便改变光场。灯架是照明系统的重要组成和灯具的安装载体,一般分为固定式和可调式。经调研,国内外的汽车被动安全实验室灯架种类繁多,部分实验室为固定式灯架,一次调试完成后不再调整照射角度等参数。其他实验室采用可调式灯架,调整的参数涉及X、Y、Z轴向及绕各轴的旋转角度等。功能越多,灯架结构越复杂,重量会越大,对于建筑物的承重要求就越高,维护、保养也偏复杂。

 

就小型加速台车而言,固定式灯架一般可以满足要求,但试验条件有特定要求时,往往无法调整或者调整困难。而安装六自由度的大型灯架,虽可覆盖较大区域,但对于零部件测试而言,成本较高,且对试验场地的建筑结构有特殊要求。因此,有必要设计一类低成本、可调节、性能可靠的轻型自动升降灯架。当前,三相异步电机控制技术相当成熟,且系统构建成本低廉,完全可以通过使用三相异步电机、接触器、无线控制模块等器件实现自动升降灯架方案。

 

1 试验照明要求及灯架总成构建

为正常获取动态试验高速视频数据,同时不对试验仪器、设备、操作人员等造成损害,照明系统一般需满足以下要求:

a.系统在试验过程中不能因产生过量红外光等原因导致试验环境温度、假人温度等超出相关标准法规的要求范围。

b.系统在任何情况下不得产生过量的电磁辐射,以免干扰数据采集系统等。通常需符合IEC61000-6-2、IEC61000-6-4、DINEN50081-2、DINEN50082-2等技术标准。

c.系统具有保护试验操作人员免受紫外线伤害的功能。

d.系统具有防止突然断电或过载等意外事故而损坏设备的自我保护能力。

e.单个灯具的照度、发光效率、色温、显色指数等指标需满足试验要求。

f.需合理进行灯架设计、灯具数量布置、线缆布置、电器柜布置、电源及通信接口布置等。

g.满足建筑物称重要求。

 

其中,灯架的设计对于光场参数的影响较大。例如,灯架距离台面高度、灯架倾角、灯架外形尺寸及灯具在灯架上的分布等均可直接照明效果。按照光束直线传播,灯架的倾角θ、灯架距离台车台面高度h是直接影响照射范围和照射区亮度的直观参数。因此,足够的灯架升降范围和侧倾角度对于构建合理的光场分布意义重大且更易实现,而灯架的外形尺寸和灯具分布主要取决于场地条件、灯架机械结构以及光场要求等。灯架的设计方案重点以实现灯架升降和侧倾为主。

 

2 机械部分配置

机械部分主要包括由槽钢焊接成的承重框架、钢丝绳、4台三相异步电机、由铝型材拼接成的安装框架以及联接件等。其中,承重框架通过金属板吊装于水泥梁上。水泥梁横向打通孔,通过丝杆与金属板联接实现吊装。丝杆应位于水泥梁钢筋之上,确保足够的承重能力。

 

三相异步电机均安装固定于安装框架上。安装框架作为灯具的安装载体,由铝型材拼接而成,质量轻且易于拼接各种所需形状。安装框架和承重框架通过由三相异步电机和钢丝绳构成的卷扬机实现连接。卷扬机通过收放4台电机所连接的钢丝绳实现安装框架的升降及其侧倾角度变化。

 

3 控制系统设计

控制系统功能主要是实现对三相异步电机正、反转的控制,以及手动、遥控两种控制模式的切换等。系统可直接采用PLC作为控制单元,与继电器、接触器配合实现所需动作,也可通过控制按钮/旋钮和接触器的逻辑匹配实现控制。就成本和系统复杂程度而言,后者更具优势。因此,设计方案的控制系统手动模式按照所述方法实施。遥控模式通过引入遥控发送器、接收器的方法,对接触器进行通断控制。两种控制模式可进行切换,每种模式均可独立实现4台电机的正、反转。

 

4 结论

通过引入常规的三相异步电机、接触器、各类按钮/旋钮等器件,构建了一种适合用于小型加速台车的自动升降灯架,该灯架样机已投入实际使用。经验证,灯具可稳定安装于灯架。且灯架升降高度范围、侧倾角度可满足策划要求,灯架质量轻、结构简单、运行可靠,能够实现对灯具照射角的有效调节。同时,该型灯架作为一种性价比较高的照明姿态调整解决方案,具有固定式灯架难以具备的各项优点,适合各类中小型实验室、工厂使用。

 

当然,照明姿态调整的解决方案很多,可以采用剪叉式升降平台结构,作为灯架高度调整方案;同时结合采用电动伺服缸等器件,设计合理的机械结构,作为侧倾角度调整方案,可在调节范围、外观、集成度等方面实现更好的效果,但是成本略高于现有方案。如无特殊要求,现有方案可作为小型加速台车灯具照明姿态调整解决方案的良好案例。

 

来源:机械科学研究总院中机寰宇认证检验有限公司