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解决方案|基于LabVIEW的汽车电动座椅振动检测系统设计

  时间: 2023-01-09      19    

  针对现有高标准静音房检测方法成本高、效率低以及人工主观判定偏差较大的问题,本文纳米软件Namisoft基于LabVIEW软件设计了一套汽车电动座椅振动检测系统。采集座椅驱动电机运行时的振动加速度信号,对信号进行时域及频域分析,得到振动加速度信号的均方根值、峭度、波形因子、峰值能量及功率谱密度等相关参数,将参数计算结果与系统预设阈值进行比较,判断汽车座椅是否合格,最后将该系统应用于实际生产中进行检测验证。检测结果表明,该检测系统在工厂环境下能高效准确地检测出质量不合格的电动座椅,具有一定的实际应用价值。

  1、 检测系统检测原理

  电动座椅运行过程中,由3个驱动电机分别驱动电动座椅进行前升、前降、前进、后退、后升及后降6个动作。在电动座椅振动测试中,通过加速度传感器采集电动座椅6个动作产生的加速度信号,对信号进行时域及频域的采样分析,检测电动座椅的质量。为了更符合实际工作情况,检测时对电动座椅施加固定载荷,质量为70kg,模拟乘客在使用电动座椅时的运行情况。为了保证采集到的信号频率不发生混叠,根据香农定理,采样率必须满足ωs≥2ωM,其中,ωM为采集信号频率的最高频率。本文检测系统采样频率选取5kHz。

  检测系统组成如图1所示。加速度传感器型号为BK4534-B,测量频率范围为0.2~12.8kHz,测量精度可达到98mV/g。为了更真实地反映乘坐人员的感受,加速度传感器安装在座椅两侧中间部位,加速度传感器安装位置示意图如图所示。

解决方案|基于LabVIEW的汽车电动座椅振动检测系统设计-纳米软件

  可编程控制器S7-1200与工控机通过TCP通信,S7-1200在接到工控机发出的测试指令后,运行电动座椅驱动电机,加速度传感器将采集的数据直接传输给采集卡NI9230,采集卡对数据进行A/D转换,并传递到工控机,之后LabVIEW检测程序进行数据处理,包括实时波形显示、数据分析和对比、数据存储和查询。

  2、 检测系统设计

  检测系统主要由系统配置、检测程序、数据存储以及历史记录查询4个功能模块组成。检测系统LabVIEW软件运行流程如图所示。

  启动检测前,首先建立检测系统和可编程控制器之间的通信,使检测系统通过可编程控制器控制电动座椅的运行状态,从而针对不同型号的座椅设置不同的检测参数。PLC通信程序如图4所示。PLC发送指令“PLCinstruc- tions”到检测系统,检测系统将指令与预设指令进行对比验证,判断座椅电机的运行状态。如PLC发送指令“200”,电机进行前进动作,检测系统进行数据分析,与前进动作的预设参数进行对比,判断座椅是否合格,动作结束后将分析数据结果存入数据库。

解决方案|基于LabVIEW的汽车电动座椅振动检测系统设计-纳米软件

解决方案|基于LabVIEW的汽车电动座椅振动检测系统设计-纳米软件

  检测程序是对采集的数据进行时域参数和频域参数的计算。数据处理如图5所示。结合预设参数阈值,对座椅的质量进行判定。数据处理程序如图5a所示。检测系统使用dataprepcs.vi对数据进行预处理,包括去趋势项和剔除野点,通过NEWCAL.vi实现对数据的参数计算,并与预先设定的参数阈值进行比较,得出结果。参数阈值设置如图5b所示。对于不同型号的电动座椅,可以对加速度、均值、均方根值、偏度、峭度、裕度、峰值因子、波形因子等14个参数进行不同的阈值设置。

  解决方案|基于LabVIEW的汽车电动座椅振动检测系统设计-纳米软件

  检测程序主界面如图6所示。对采集到的电流电压值进行实时监测显示,当电流电压值超过设定值时,向可编程控制器发送反馈,防止驱动电机因电流电压过大造成损坏。对采集到的加速度信号进行时域波形的显示,在界面上对每个检测状态及检测用时进行显示,每个动作结束后对检测结果进行显示,绿色的表示合格,红色表示不合格。

  解决方案|基于LabVIEW的汽车电动座椅振动检测系统设计-纳米软件

  数据通过SQLServer数据库存储,相比于其它数据库,SQLServer的易用性、适合分布式组织的可伸缩性等优点对数据管理与分析的灵活性更好,也与更多的服务器软件存在关联集成性。数据库通过Ac-tiveX数据对象(activeXdataobjects,ADO)方式与LabVIEW进行连接,与开放数据库互联(opendatabaseconnectivity,ODBC)等方式相比,该方式无需设置数据源,应用场景广泛。数据库连接程序和设置界面如图7所示。由图7a可知,通过编写的LocalSQLConnect.vi实现对本地数据库的连接,方便存储检测数据;由图7b可知,系统对本地数据库和服务器数据库的名称地址等参数进行配置,电动座椅检测完成后,将数据直接存入本地数据库,上传至服务器数据库。

  解决方案|基于LabVIEW的汽车电动座椅振动检测系统设计-纳米软件

  传感器采集到的前进运动振动加速度信号时域波形如图8所示。通过对信号波形的时域及频域分析,得到峰值、幅值、均方根值、峭度、波形因子、峰值因子、脉冲因子、裕度、偏度、功率谱密度等信号参数,与设定阈值进行对比,判定电动座椅的运行质量。

  峰值能量是非常短的脉冲能量,用来检测运行过程中的故障,前进运动振动加速度信号峰值能量[20]如图9所示。由图9可以看出,当t=0~0.5s时,峰值能量明显高于其它时刻,说明此时振动存在一定问题。

  解决方案|基于LabVIEW的汽车电动座椅振动检测系统设计-纳米软件

  历史记录查询是对已检测的座椅数据进行查询,方便工厂查看生产产品的质量。检测系统对检测的信号数据处理后存储于SQLServer数据库,通过内部以太网对检测数据进行查询,也可根据日期或产品序列号查询检测完成的产品。另外,该查询检测系统也可单独查看每个动作的检测信息。历史数据查询检测界面如图10所示。

解决方案|基于LabVIEW的汽车电动座椅振动检测系统设计-纳米软件

  该检测系统应用于企业公司的实际生产中进行生产验证。检测之前,工作人员设定不同的参数阈值,将组装好的电动座椅送入检测系统,PLC将读取到的座椅编号信息发送给检测系统后,检测系统开始接收NI9230发送的电流电压值以及加速度传感器采集到的电动座椅加速度值。同时,该系统与PLC通信控制电动座椅驱动电机进行前升、前降、前进、后退、后升及后降6个动作,数据处理实时显示并给出判别结果。通过优化程序算法,该系统可以在60s内对电动座椅的6个动作进行检测并得到检测结果。检测完成后,合格的电动座椅进入下一生产环节。为了避免偶然误差影响检测结果,不合格的电动座椅会在检测系统内进行二次检测,结合两次检测结果对电动座椅的质量进行判别。

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