面向小型加速台车系统的自动升降灯架设计

1 前言

加速台车试验系统作为完美复制汽车碰撞过程的试验装置，广泛应用于汽车被动安全领域。目前，汽车被动安全检测行业主要实验室已配备加速台车检测系统，对汽车、汽车零部件、机动车儿童乘客约束系统等产品进行动态性能检测。大型加速台车试验系统的推力一般为3MN小系统的推力一般不超过1MN。小型加速台车系统常用于汽车零部件的动态，如安全带、门锁、电池组、汽车座椅等有动态要求的被动安全产品，如机动车儿童乘客约束系统。

CNAL-CL01：2018（ISO-IEC17025:2017)检测校准实验室认可标准规定，实验室应获得正确开展实验室活动所需的设备，用于测量的设备应能够满足所需的准确性和(或)测量不确定性，以提供有效的结果。在实验过程中，视频数据的收集非常重要。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观察和记录主要通过视频判断的伤害数据。各种高速摄像机是视频采集的设备，其功能必须借助照明系统才能正常发挥。因此，照明系统的性能直接决定了视频数据的质量，直接影响了样品的合格判断。灯具是照明系统的核心部件，色温、光强是其性能的重要指标。除了一些灯具有自己的相关调节功能外，大多数灯具都安装在各种灯架上，通过调整灯架来改变照明方向，从而改变光场。灯架是照明系统和灯具安装载体的重要组成部分，一般分为固定式和可调式。经调查，国内外汽车被动安全实验室灯架种类繁多，部分实验室为固定灯架，一次调试后照射角度等参数不再调整。其他实验室采用可调灯架，涉及调整参数X、Y、Z轴向及各轴旋转角度等。灯架结构越复杂，重量越大，对建筑物的承载要求越高，维护越复杂。

就小型加速台车而言，固定灯架一般能满足要求，但当试验条件有特定要求时，往往难以调整或调整。虽然安装六个自由度的大灯架可以覆盖较大的区域，但对零件的成本较高，对现场的建筑结构有特殊要求。因此，有必要设计一种成本低、可调、性能可靠的轻型自动升降灯。目前，三相异步电机的控制技术相当成熟，系统建设成本较低。采用三相异步电机、接触器、无线控制模块等设备，可实现自动升降灯架方案。

2 试验照明要求及灯架总成施工

照明系统一般应满足以下要求：

a.试验过程中，试验环境温度和假人温度不得超过相关标准法规的要求。

b.系统在任何情况下都不得产生过多的电磁辐射，以免干扰数据采集系统。通常需要满足IEC61000-6-2、IEC61000-6-4、DINEN50081-2、DINEN50082-2等技术标准。

c.该系统具有保护试验操作人员免受紫外线伤害的功能。

d.该系统具有防止突然断电或过载等事故损坏设备的自我保护能力。

e.照明、发光效率、色温、显色指数等指标应符合试验要求。

f.灯架设计、灯具数量布置、电缆布置、电气柜布置、电源及通信接口布置等。

g.满足建筑称重要求。

灯架的设计对光场参数影响很大。例如，灯架可以直接照明灯架上灯具的高度、倾角、形状和尺寸。如图1所示，灯架的倾角根据光束直线传播θ、灯架和台车台面的高度h是直接影响照射范围和照射区亮度的较直观参数。因此，足够的灯架提升范围和倾斜角度对构建合理的光场分布具有重要意义，更容易实现。灯架的外观尺寸和灯具分布主要取决于现场条件、灯架的机械结构和光场要求。灯架的设计重点是实现灯架的升降和侧倾。

图1 灯架装载灯的照明范围示意

灯架使用时，应综合考虑现场工作条件，充分考虑操作人员的使用需求。一般来说，灯架应采用手动控制和遥控两种模式，以便于现场调整。此外，侧倾动作可以通过两台电机的升降高度差来实现。因此，灯架工作流程图设计如图2所示，方案按流程图规划实施。

图2 灯架工作流程

3 机械部件配置

本项目建立了灯架机械部分的三维数字原型模型，如图3所示。机械部分主要包括槽钢焊接的承重框架、钢丝绳、四个三相异步电机、铝型材拼接的安装框架和连接器。其中，承重框架通过金属板吊装在水泥梁上。水泥梁水平开口，通过钢丝杆和金属板吊装。钢丝杆应位于水泥梁钢筋上，以确保足够的承载能力。

图3 灯架机械部分三维图

三相异步电机安装并固定在安装框架上。安装框架作为灯具的安装载体，由铝型材组成，重量轻，易于拼接各种所需的形状。安装框架和承重框架通过由三相异步电机和钢丝绳组成的卷扬机连接。卷扬机通过收集和放置四台电机连接的钢丝绳，实现安装框架的升降和倾斜角度的变化。如图4所示，是灯架机械部件的匹配图。

图4 灯架机械部分实物与台车匹配图

4 控制系统设计

控制系统的主要功能是控制三相异步电机的正反转，以及手动和遥控切换。可直接采用系统PLC通过控制按钮/旋钮与接触器的逻辑匹配，作为控制单元，与继电器和接触器相匹配。后者在成本和系统复杂性方面更具优势。因此，设计方案控制系统的手动模式是按照上述方法实施的。遥控模式通过引入遥控发送器和接收器来控制接触器。可切换两种控制模式，每种模式可独立实现四台电机的正反转。

图5 控制系统接线图

图6 电机动力部分接线图

图7 无线控制模块发送器实物图

控制部分接线图如图5所示，电机动力部分接线图如图6所示。通过引入12个接触器，可以实现四台电机的选择切换反转控制。无线控制模块接收器在控制电路中并联。通过两种模式SA0控制旋钮切换，可以保证任何时候只有一个模式连接，另一个模式断开。手持式无线遥控模块发送机。目前，国内电子市场的传统产品可控制在20米以内，完全满足实验室的现场使用。如图7所示，无线遥控模块发送器实物图。

5 结论

通过引入传统的三相异步电机、接触器、各种按钮/旋钮等设备，构建了适合小型加速台车的自动升降灯架，已投入实际使用。灯具可稳定安装在灯架上。此外，灯架的升降高度范围和侧倾角度也能满足规划要求。灯架重量轻，结构简单，操作可靠，能有效调节灯具的照射角。同时，灯架作为一种性价比高的照明姿态调整解决方案，具有固定灯架难以具备的优点，适用于各种中小型实验室和工厂。

当然，照明姿态调整有很多解决方案，可以采用剪切升降平台结构作为灯架高度调整方案；同时，结合电动伺服缸等设备，设计合理的机械结构作为倾斜角度调整方案，可以在调整范围、外观、集成等方面取得更好的效果，但成本略高于现有方案。如无特殊要求，现有方案可作为调整小型加速台灯照明姿势的好案例。