登機門加載測試系統(tǒng)設計與制作

摘 要：單臺非標自動化試驗設備，是特殊行業(yè)為驗證產(chǎn)品參數(shù)測試而具體化的一種設備，用途具體，條件苛刻，但對自動化行業(yè)的實際經(jīng)驗應用卻非常廣泛。覆蓋到軟件、硬件、測量技術、采樣技術、機械結(jié)構(gòu)、動作執(zhí)行以及軟件算法模型、控制理論等。文章針對一款具體要求的實現(xiàn)過程做了簡單回顧與總結(jié)。

關鍵詞：載荷試驗；仿生模糊控制；電磁推桿；機電一體化

1 任務簡介

按照《MA-XXX型飛機登機門乘客載荷試驗任務書》的要求，需進行登機門乘客載荷壽命試驗，通過模擬乘客登機的循環(huán)載荷狀態(tài)，驗證飛機登機門在96萬次登機循環(huán)中是否滿足使用要求而不發(fā)生損壞。為完成該試驗，提出研制《MA-XXX型飛機登機門乘客載荷試驗加載系統(tǒng)》，測試收集實際參數(shù)資料，為未來設計提取依據(jù)。試驗次數(shù)達到近百萬次，人工操作比較困難，要求使用自動智能系統(tǒng)完成。

2 主要要求

（1）研制自動控制的加載測試系統(tǒng)，具有100萬次的循環(huán)加載能力。

（2）工作環(huán)境： 常溫常壓。

（3）加載載荷：500-3500牛頓加載曲線變化過程，加載控制曲線能夠根據(jù)載荷需求進行調(diào)整，包括初始速度、下踏加力速度、接觸加載點的減速度以及最后的下壓加載保持力。各個階段參數(shù)能夠界面調(diào)整。

（4）采用智能控制及自動加載，試驗進行中不必人工干預，能夠根據(jù)預先設定的加載曲線，控制加力機構(gòu)向試驗件施加載荷，具有顯示、調(diào)整、設置、查詢等功能，配置壓力傳感器實時采集記錄載荷值和加載次數(shù)。配置位移傳感器，實時監(jiān)控試驗件的形變狀態(tài)，當試驗件出現(xiàn)變形異常時，能夠自動停止試驗，提示操作人員，記錄當時的參數(shù)。

3 設計方案

（1）加載受力過程曲線描繪及設計總體思路：實現(xiàn)一臺自動控制的受力動作機構(gòu)，能夠按照圖示要求的“時間__加力”過程，完成任務產(chǎn)品疲勞試驗次數(shù)的測試。加載受力過程曲線示意如圖1：

試驗中次數(shù)96萬次，每天單班8小時，一個試驗周期4秒，每天大約可做7200次，全部試驗大約需要133天。大強度長時間的試驗數(shù)據(jù)采集，促使我們設計選用高可靠性智能系統(tǒng)為首選。根據(jù)以往經(jīng)驗，控制系統(tǒng)選擇工業(yè)嵌入式配置。集成有MCU控制器，A/D轉(zhuǎn)換，掉電存儲器，實時時鐘，液晶顯示器，人機交互等。受力執(zhí)行器采用電磁結(jié)構(gòu)，對于動作次數(shù)為百萬次的機械結(jié)構(gòu)，使用普通往返運動構(gòu)件將很難保證試驗的完整進行。經(jīng)過考慮，選用電磁力電動推桿，優(yōu)點是沒有強烈的機械動作沖擊，加受力量根據(jù)需要可控，動作過程的推力可根據(jù)要求由控制器調(diào)整。同時在試驗過程中，可更改加力參數(shù)和加力動作曲線，達到快速調(diào)整試驗參數(shù)的目的。

控制器具有顯示、調(diào)整、設置、查詢等功能。并配有壓力傳感器，可隨時記錄加力大小，當出現(xiàn)被測試對象發(fā)生異常裂變時，提示并記錄當時參數(shù)，減少人員的參與，使得測試試驗更具科學性。試驗所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將存儲在控制器內(nèi)，可以調(diào)出提供查詢。

（2）仿生模糊加載方案：由于要實現(xiàn)人體登機過程的踩踏加載過程，對控制系統(tǒng)和加載執(zhí)行機構(gòu)加力過程的參數(shù)要求比較苛刻，不能采用普通的直接通斷式加載方式。關鍵試驗特征必須抓住，比如：當加載進行初期，艙門變形系數(shù)比較硬，而當試驗次數(shù)的增加，艙門彈性系數(shù)（剛性）將隨著變化減弱，那么究竟變化到多少，事前根本無法預測。那么根據(jù)試驗要求，就得有模糊分析判斷功能，能夠在試驗中采取分析參數(shù)變化系數(shù)，再進行自動補償?shù)姆椒āＴ倬褪欠抡杖梭w下踏動作的力加載。人體下踏加力動作是一個比較動態(tài)的非線性加力過程，加速度特性在變化，要求控制系統(tǒng)具有實時性和跟隨性，既不能延時太慢，又不能有過大的超調(diào)，必須盡可能的仿真下踏加力曲線。

為了能夠更好地完成課題要求的控制過程。我們設計上采取了全閉環(huán)多重采樣與自動參數(shù)跟隨系統(tǒng)。這主要依靠軟件算法上實現(xiàn)。建立控制算法模型，完成仿生加力過程。在加力結(jié)構(gòu)上采用過渡彈簧軟連接緩沖。彈簧設計采用系數(shù)為20mm/T?，F(xiàn)場可根據(jù)需要選取合適彈性系數(shù)配置。

（3）電氣控制部分：

a.使用嵌入式微型MCU+CPLD為主控單元，配接擴展4G FLAS

H用于存儲試驗階段的各種采樣參數(shù)。在后續(xù)需要時，可以調(diào)出試驗數(shù)據(jù)供使用。

b.人機交互界面采用8寸彩色LCD觸摸屏，完成顯示和各種控制按鍵交互。具有各種超限報警提示功能，具有試驗數(shù)據(jù)實時曲線描繪功能。

c.采用12位8路MCU內(nèi)帶高速A/D轉(zhuǎn)換器，完成加載力、行程、超限、等試驗數(shù)據(jù)的模擬量調(diào)理、轉(zhuǎn)換、采集功能。總體模擬量精度等級設計標準為0.2級，使用標準為1級。

d.外部I/O信號全光隔離，使得系統(tǒng)抗干擾能力滿足工業(yè)現(xiàn)場電磁兼容性要求。

e.軟件采用Keil-C語言編制，采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試修改和未來擴展。算法模型是實現(xiàn)仿生加載試驗的關鍵，總體思路是記憶分析上次加載曲線的實際時間——速度過程，與要求的曲線進行分析比較，計算出給定與實際結(jié)果差量值，在下次加載過程中自動調(diào)整逼近。實現(xiàn)自動跟隨調(diào)整，逐次逼近，在實際應用中收到很好的效果。

f.控制器留有開關量輸入_輸出接口，提供給擴展功能使用。便于在后續(xù)功能調(diào)整中，直接擴展功能。在正常的試驗中，LCD顯示器顯示瞬態(tài)壓力、階段次數(shù)、形變尺寸、剛性系數(shù)等參數(shù)和加壓動態(tài)曲線圖，描繪本次加壓后被測試物件和最初設定的距離之間的相對變形提示，這個參數(shù)對于及時提醒技術人員查看試驗數(shù)據(jù)非常有用。通過對試驗開始到當前的變形距離曲線觀察分析。

（4）加載力執(zhí)行部分：執(zhí)行器采用電磁結(jié)構(gòu)，使用電磁力電動推桿，由控制器輸出PWM調(diào)制功率放大后驅(qū)動電磁推桿。最大推力5000N，最大帶載速度25mm/S，最大行程50mm。電磁推桿是一種新興的機電一體化作動裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格便宜、維護方便、體積輕巧的優(yōu)點。在這樣的場合，是我們第一次嘗試性應用。根據(jù)參數(shù)推算和實際應用，效果很好。無故障運行達到22萬次。

（5）試驗臺采用龍門架結(jié)構(gòu)，使用高強度變形系數(shù)小的材料，在龍門架與試驗件之間，依次安裝電動推桿、壓力傳感器、受力緩沖元件、極限開關、線性位移傳感器等。

4 結(jié)束語

這是一次很成功的試驗臺設計制作過程。為使用方解決了試驗困難，得到了非常寶貴的一手試驗參數(shù)資料。并且為使用方在類似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品壽命試驗中提供了很好的借鑒經(jīng)驗。

參考文獻

[1]MA-XXX飛機門試驗任務書[Z].

[2]CPLD系統(tǒng)設計技術入門與應用[M].電子工業(yè)出版社.

[3]C8051F020/1/2/3混合信號ISP FLASH微控制器[M].潘琢金譯.數(shù)據(jù)手冊.