直線扳動航空開關(guān)疲勞測試系統(tǒng)設計與開發(fā)

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(上海工程技術(shù)大學 機械工程學院，上海 201620)

0 引言

直線扳動航空開關(guān)是一種重要的航空元器件，廣泛應用于航空領域中駕駛艙、控制臺和輔助控制面板等方面，實現(xiàn)電路的接通或斷開。扳動開關(guān)對控制電路以及控制系統(tǒng)正確動作起著非常重要的作用，出廠前必須對開關(guān)的接觸電阻、疲勞壽命等性能參數(shù)進行檢測。目前對開關(guān)進行疲勞壽命測試主要以按壓式開關(guān)為主，蔣媛媛[1]針對按鈕型低壓開關(guān)設計了機械執(zhí)行裝置，基于labview和PLC開發(fā)了測控系統(tǒng)，實現(xiàn)了該類型開關(guān)的疲勞壽命測試。龍林[2]等基于工控機和PLC開發(fā)了接近開關(guān)操作頻率智能測試平臺，對接近開關(guān)的響應頻率進行測試。張海濤[3]等從電路、機械結(jié)構(gòu)、軟件等方面入手，設計了一種電動工具開關(guān)壽命測試系統(tǒng)。唐靜[4]設計了一種鍵盤開關(guān)壽命試驗機，模擬手指按壓鍵盤開關(guān)的操作狀態(tài)，測試開關(guān)的真實壽命。

國內(nèi)針對直線往復扳動的航空開關(guān)測試系統(tǒng)較少，現(xiàn)有少量的疲勞測試系統(tǒng)普遍存在著功能單一、自動化程度低、通用性差等不足，數(shù)據(jù)的測量和記錄大多依靠人工，效率低、工作強度大，直接影響著測試效率和精度。本文在分析直線扳動航空開關(guān)測試原理和規(guī)范基礎上，進行機械執(zhí)行機構(gòu)、測控系統(tǒng)和測試軟件等設計和開發(fā)，研制一種穩(wěn)定可靠、自動化程度高的測試系統(tǒng)，為我國航空電器開關(guān)測試提供一種有效、可靠、高效的測試系統(tǒng)。

1 測試原理和規(guī)范

航空開關(guān)外形示意如圖1所示，其中內(nèi)部機構(gòu)由開關(guān)手柄、自動回彈的彈簧和觸點等部分組成。當開關(guān)手柄處于中間時，表示為斷開狀態(tài)；當開關(guān)手柄向前端“ON”位置扳動時，表示為接通狀態(tài)；當開關(guān)手柄向后端“OFF”位置扳動時，表示為停止狀態(tài)。開關(guān)底部有若干接線端子，用于連接固定電路電纜。測試原理比較簡單，把開關(guān)接入測試回路，測量接通時開關(guān)兩端的電壓降，由于測試回路的電流是已知固定的，這時可以計算出開關(guān)的接觸電阻，因此開關(guān)兩端的電壓降是最主要的測試參數(shù)。測試規(guī)范也比較簡明，就是以一定頻率扳動開關(guān)，實現(xiàn)開關(guān)的接通/斷開，測量開關(guān)接通時兩端電壓降信號，在規(guī)定的測試次數(shù)內(nèi)，如果電壓降大于測試規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，就可判定該被測開關(guān)已失效，這時報警或停止測試。

圖1 開關(guān)外形示意

根據(jù)測試原理和規(guī)范，可以看出整個開關(guān)疲勞測試系統(tǒng)要有機械執(zhí)行機構(gòu)和測控兩部分組成，其中機械執(zhí)行機構(gòu)的主要功能是按照一定的頻率，模擬人工自動扳動開關(guān)，實現(xiàn)開關(guān)的接通/斷開；測控部分的主要功能是自動采集開關(guān)接通時兩端的電壓降信號，同時按要求控制機械執(zhí)行機構(gòu)的動作頻率，調(diào)整開關(guān)接通/斷開的頻率，并同時對開關(guān)測試次數(shù)進行計數(shù)。

2 機械執(zhí)行機構(gòu)設計

測試系統(tǒng)機械執(zhí)行機構(gòu)采用solidworks設計，主要由框架、驅(qū)動、推桿、撥叉、開關(guān)安裝板、電機及減速器等組成，其中電機和減速器為特殊定制，能在-60～ +90 ℃溫度范圍能正常工作，執(zhí)行機構(gòu)三維裝配如圖2所示。撥叉和推桿之間通過鉸鏈連接，為保護開關(guān)手柄，用尼龍加工成半圓形狀，并把該尼龍半圓安裝在推桿最前端。開關(guān)安裝板有5個工位，可同時測試5個同類型開關(guān)。

根據(jù)設計要求，開關(guān)測試頻率5～20次/分鐘，即開關(guān)每分鐘閉合5～20次，電機額定轉(zhuǎn)速為3 000轉(zhuǎn)/分鐘，減速器輸出的額定轉(zhuǎn)速為20轉(zhuǎn)/分鐘，通過控制電壓調(diào)整電機轉(zhuǎn)速，經(jīng)減速器減速后實現(xiàn)5-20轉(zhuǎn)/分鐘。通過離合器帶動執(zhí)行機構(gòu)的主軸旋轉(zhuǎn)，根據(jù)開關(guān)扳動行程，設計凸輪的壓力角和外形輪廓，并把設計的凸輪安裝在主軸上，通過凸輪機構(gòu)將主軸轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化成撥叉擺動，帶動推桿前后水平移動，實現(xiàn)對開關(guān)的撥動和復位。

圖2 機械執(zhí)行機構(gòu)三維圖

3 測控系統(tǒng)設計

測試系統(tǒng)主要由工控機、可編程直流電源、數(shù)據(jù)采集卡、直流電機、自研調(diào)理電路板等組成，如圖3所示。其中工控機為控制核心，通過RS232通訊方式控制程控電源的輸出， 控制電機轉(zhuǎn)速，經(jīng)過減速器后驅(qū)動機械執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)開關(guān)的閉合或斷開。數(shù)據(jù)采集卡采用凌華PCI-9114多功能板卡，當開關(guān)閉合時兩端電壓降信號經(jīng)過隔離放大后進入數(shù)據(jù)采集卡，同時開關(guān)閉合/斷開的動作經(jīng)過調(diào)理電路板處理后變成方波信號，作為計數(shù)觸發(fā)信號，實現(xiàn)開關(guān)測試的計數(shù)。

圖3 測控系統(tǒng)框圖

根據(jù)委托單位測試規(guī)范，原開關(guān)疲勞壽命測試回路較簡單，由27 V/15 A的穩(wěn)壓電源、模擬負載R和被測開關(guān)組成，如圖4中的虛線框所示。當開關(guān)閉合時回路中15 A的電流通過開關(guān)，考慮開關(guān)的接觸電阻，這時開關(guān)兩端有幾毫伏到幾十毫伏的電壓降。測試人員根據(jù)開關(guān)總閉合次數(shù)和每分鐘閉合次數(shù)，可以估算出完成一次疲勞壽命測試所需的時間，例如總次數(shù)為8 000次，開關(guān)閉合10次/分鐘，則完成該開關(guān)的疲勞測試需要800分鐘，經(jīng)過800分鐘后測試人員用毫伏表測量開關(guān)閉合時兩端的電壓降，如果該電壓降大于某一設定閾值，則判定開關(guān)失效。這種測試方法主要弊端有：1)計算和測量完全依靠人工，工作強度大；2)測試過程數(shù)據(jù)沒有記錄和保存；3)開關(guān)測試次數(shù)不精確，測試過程中由于電壓波動等因素，開關(guān)每分鐘閉合次數(shù)并不恒定，按總時間估算得到的開關(guān)閉合總次數(shù)并不精確；4)有的開關(guān)沒有達到設定測試次數(shù)之前就失效了，這時再按設定次數(shù)繼續(xù)進行測試就是一種浪費，沒有必要繼續(xù)往下測試。

當開關(guān)斷開時，電源的27 V電壓就加在開關(guān)兩端，這時開關(guān)兩端的電壓降就是電源電壓27 V。一般的模擬信號采集卡最大輸入范圍為-10～+10 V，如果把27 V直接加在采集卡輸入端，則會損壞采集卡。因此，需要設計電流檢測和采樣觸發(fā)電路，當測試回路中有電流通過時，產(chǎn)生觸發(fā)信號通知數(shù)據(jù)采集卡進行信號采樣。系統(tǒng)測控原理如圖4所示，在測試回路中串入電流檢測傳感器(該傳感器的內(nèi)阻很小，一般為0.01或0.001歐姆，對測試回路的電流影響很小)，當開關(guān)閉合時測試回路有電流，這時電流傳感器檢測到電流，經(jīng)調(diào)理電路處理后變成高電平；當開關(guān)斷開時測試回路無電流，這時電流傳感器檢測不到電流，經(jīng)調(diào)理電路處理后變成低電平。這時開關(guān)的閉合/斷開動作變成高低電平信號，該信號作為觸發(fā)信號控制采樣通道上模擬電子開關(guān)的閉合/斷開，閉合時開關(guān)兩端的電壓降信號經(jīng)過隔離放大處理電路變成0-10 V的信號，進入模擬信號數(shù)據(jù)采集卡；斷開時被測開關(guān)兩端27 V的電壓降就不會加到數(shù)據(jù)采集卡上，這樣就達到保護采集卡的目的。該信號作為A/D采樣啟動信號，當檢測到上升沿(電平由低到高)時，說明這時被測開關(guān)閉合，啟動數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換，進行開關(guān)兩端電壓降信號的采集。同時該信號作為計數(shù)信號，對開關(guān)閉合次數(shù)進行計數(shù)。

圖4 測控原理

4 軟件系統(tǒng)設計

開關(guān)疲勞壽命測試系統(tǒng)采用模塊化編程思想，從用戶所需功能出發(fā)，測試軟件按功能模塊劃分為：電機控制模塊、計數(shù)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊等，各模塊功能如下：

1)電機控制模塊，按照程控電源的通信協(xié)議，通過RS232和程控電源通信，改變程控電源的輸出電壓，實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速控制，從而滿足開關(guān)測試頻率的需求。

2)計數(shù)模塊，根據(jù)觸發(fā)信號對開關(guān)測試次數(shù)進行計數(shù)，開關(guān)每扳動一次，實現(xiàn)一次計數(shù)，在對應位置顯示開關(guān)總測試次數(shù)，當測試次數(shù)達到預設定次數(shù)時，系統(tǒng)自動停機。

3)數(shù)據(jù)采集模塊，根據(jù)觸發(fā)信號，啟動數(shù)據(jù)采集卡進行A/D采樣，采集開關(guān)兩端電壓降信號，并在對應位置顯示電壓降數(shù)據(jù)。

4)圖形顯示模塊，將采集到的開關(guān)兩端電壓降數(shù)據(jù)畫成折線圖顯示在軟件界面相應區(qū)域，同時隨著數(shù)據(jù)增加，折線圖自動移動，方便用戶查看。

5)數(shù)據(jù)存儲模塊，將采集到的開關(guān)兩端電壓降數(shù)據(jù)保存到Excel文檔中，方便用戶查看以及后續(xù)研究。

軟件采用Labview進行設計開發(fā)，其中數(shù)據(jù)采集模塊的程序框圖如圖5所示，測試系統(tǒng)的軟件界面如圖6所示，圖中電機控制欄目負責和程控電源通信；開關(guān)選擇欄目選擇測試開關(guān)的種類；測試頻率欄目設置開關(guān)測試頻率；壓降閾值設置開關(guān)電壓降的閾值，當開關(guān)電壓降大于等于該閾值時，系統(tǒng)自動報警或停機；測試次數(shù)欄目設置開關(guān)總測試次數(shù)，當被測開關(guān)測試次數(shù)大于等于該值時，系統(tǒng)自動停機；開關(guān)1至開關(guān)5表示開關(guān)安裝板上的5個被測開關(guān)，每個開關(guān)的壓降、測試次數(shù)、壓降最大值、壓降平均值等信息都可顯示，同時測試壓降值以折線圖形式實時顯示。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊

圖6 測試系統(tǒng)軟件界面

5 實驗結(jié)果與分析

開關(guān)疲勞測試系統(tǒng)由控制柜和機械執(zhí)行機構(gòu)兩部分組成，兩者之間通過電纜連接。按照委托單位的驗收大綱和驗收規(guī)范，對開關(guān)疲勞測試系統(tǒng)進行測試。

1)高低溫測試，把機械執(zhí)行機構(gòu)放入高低溫箱，分別在-60 ℃和+90 ℃環(huán)境下長時間連續(xù)運行，執(zhí)行機構(gòu)無故障，能正常連續(xù)運行；

2)頻率測試，通過RS232通信，在上位機界面調(diào)整程控電源的輸出，控制電機轉(zhuǎn)速，調(diào)整開關(guān)的撥動頻率，單位時間內(nèi)誤差小于委托單位要求；

3)計數(shù)測試，開關(guān)每扳動一次，計數(shù)能自動加1，沒有誤差，設定測試次數(shù)，當計數(shù)達到設定次數(shù)時，機械執(zhí)行裝置自動停機；

4)數(shù)據(jù)采集測試，開關(guān)每次閉合時系統(tǒng)能自動采集開關(guān)兩端的電壓信號，同時用毫伏表人工測量開關(guān)兩端的電壓，兩個電壓的之間的差值小于委托單位的要求；

5)折線圖自動顯示測試，觀察電壓降測量結(jié)果，每次測量結(jié)果都能在圖形顯示區(qū)域?qū)恢米詣由梢粋€數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)點之間通過直線自動連接，隨著數(shù)據(jù)點的增加，折線圖自動向前移動；

6)數(shù)據(jù)自動存儲測試，打開相應的Excel文件，可以看到每次測量數(shù)據(jù)都保存下來了，且數(shù)據(jù)準確無誤。

測試結(jié)果表明：系統(tǒng)在低溫、常溫、高溫環(huán)境下都能連續(xù)可靠運行，能夠?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)的往復穩(wěn)定撥動，在電壓降信號采集、開關(guān)扳動計數(shù)、測試頻率控制等方面準確，人機交互界面友好，操作方便。

6 結(jié)束語

該測試系統(tǒng)通過了委托單位測試中心的驗收并交付使用，使用效果良好。該壽命測試系統(tǒng)的設計和開發(fā)極大地提高了測試效率和精度，減輕了測試人員的工作強度，為開關(guān)的出廠檢驗提供了科學依據(jù)，同時為相關(guān)航空開關(guān)的疲勞測試系統(tǒng)的設計開發(fā)提供了參考和借鑒。

[1]蔣媛媛.全自動手控開關(guān)疲勞壽命測試系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].南京：南京理工大學,2014.

[2]龍 林,程武山,岳 敏，等.接近開關(guān)操作頻率智能測試平臺的研究與實現(xiàn)[J].實驗室研究與探索,2014,33(3):59-62.

[3]張海濤,王建軍,林 森,等.電動工具開關(guān)壽命測試技術(shù)研究[J].寧波工程學院學報,2013，25(1):53-58.

[4]唐 靜.一種試驗用壽命機的研制[J].科技資訊,2015(3)：206.