掃地機(jī)器人電機(jī)自動測試裝置

陳敏生

開發(fā)設(shè)計

掃地機(jī)器人電機(jī)自動測試裝置

陳敏生

（揭陽市匯寶昌電器有限公司，廣東 揭陽 522000）

針對掃地機(jī)器人吸塵電機(jī)性能測試頻繁切換進(jìn)氣閥門開度時，人工操作導(dǎo)致進(jìn)氣閥門開度控制不穩(wěn)定，測試流程繁瑣等問題，研制掃地機(jī)器人吸塵電機(jī)自動測試裝置。利用LabVIEW軟件平臺編寫測試軟件，結(jié)合串行總線技術(shù)，實現(xiàn)進(jìn)氣閥門的數(shù)控切換，并自動記錄測試溯源數(shù)據(jù)，生成測試報告。測試結(jié)果表明：該裝置可對掃地機(jī)器人吸塵電機(jī)進(jìn)行快速可靠的性能測試，具備測試自動化、可溯源的特點。

掃地機(jī)器人；吸塵電機(jī)；自動測試；可溯源

0　引言

掃地機(jī)器人吸塵電機(jī)是掃地機(jī)器人功能的核心組成部件，其需長期運轉(zhuǎn)，要求性能穩(wěn)定，以保障掃地機(jī)器人的正常清潔能力與工作壽命。為實現(xiàn)掃地機(jī)器人吸塵電機(jī)性能的自動測試，本文研制掃地機(jī)器人吸塵電機(jī)自動測試裝置，對電機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行測試，利用計算機(jī)作為測試控制單元，實現(xiàn)測試裝置自動化、數(shù)字化；并結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)測試過程數(shù)據(jù)可溯源。

1　裝置測試需求與總體框架

1.1　測試裝置需求

掃地機(jī)器人吸塵電機(jī)的工作原理示意圖如圖1所示。吸塵電機(jī)安裝在掃地機(jī)器人內(nèi)部，通過電機(jī)帶動扇葉轉(zhuǎn)動產(chǎn)生負(fù)壓并形成吸力，吸入的灰塵暫存于塵盒中，同時吸入的空氣經(jīng)塵盒過濾后排出掃地機(jī)器人，實現(xiàn)灰塵清掃。

圖1　吸塵電機(jī)工作原理示意圖

GB/T 25441—2010《吸塵器電機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了吸塵器電機(jī)的相關(guān)測試項目與測試要求[1]，并給出了基于均壓箱的吸塵器電機(jī)性能測試方法。利用均壓箱內(nèi)形成的真空度、均壓箱進(jìn)風(fēng)量和電機(jī)輸入功率計算電機(jī)的輸出功率及工作效率?；诰鶋合涞男阅軠y試裝置結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　基于均壓箱的性能測試裝置結(jié)構(gòu)圖[1]

根據(jù)測試標(biāo)準(zhǔn)，測試吸塵器電機(jī)性能時，主要測試電機(jī)的電壓、電流、真空度、吸入功率和工作效率。測試需要模擬不同的進(jìn)氣條件，需頻繁切換進(jìn)氣閥門開度，并按規(guī)定時間間隔采集傳感器數(shù)據(jù)。為此，本文研制的掃地機(jī)器人吸塵電機(jī)自動測試裝置需求為：1）自動化，自動控制進(jìn)氣閥門的開度，并按照規(guī)定時間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，減少人工切換閥門開度，實現(xiàn)自動化測試；2）數(shù)據(jù)可溯源，自動記錄測試過程數(shù)據(jù)，形成溯源信息，測試完成后自動輸出測試結(jié)果報表與性能曲線。

1.2　測試裝置功能框架

根據(jù)測試需求，設(shè)計掃地機(jī)器人吸塵器電機(jī)自動測試裝置的結(jié)構(gòu)框架如圖3所示，其由上位機(jī)、氣體流量計、數(shù)字真空計、均壓箱、數(shù)控閥門、待測電機(jī)及數(shù)控直流電源組成。其中，上位機(jī)裝有測試軟件及數(shù)據(jù)庫，其作為測試裝置的操作面板及數(shù)據(jù)處理中心，基于Modbus協(xié)議通過串行總線控制各測試設(shè)備（數(shù)控直流電源、數(shù)控閥門、氣體流量計和數(shù)字真空計）。

圖3　掃地機(jī)器人吸塵器電機(jī)自動測試設(shè)備結(jié)構(gòu)框架

Modbus協(xié)議是工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中一種重要的通信協(xié)議，其構(gòu)筑的硬件平臺基于RS-485串行總線，在多種通用工控組態(tài)軟件中廣泛應(yīng)用[2]。

數(shù)控直流電源通過串行總線設(shè)置或讀取當(dāng)前輸出電流、電壓和功率；數(shù)控閥門根據(jù)進(jìn)氣閥門的數(shù)模轉(zhuǎn)換卡輸出的直流電流信號值改變閥門開關(guān)情況，進(jìn)而改變均壓箱進(jìn)氣條件，模擬吸塵器電機(jī)工作工況；氣體流量計采集均壓箱進(jìn)氣管道的實時空氣流量，并通過串行總線上傳至上位機(jī)；數(shù)字真空計采集均壓箱內(nèi)的真空度，并通過串行總線上傳至上位機(jī)。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的均壓箱示意圖如圖4所示。箱體設(shè)置了3個開孔：1）被測電機(jī)插入孔，用于安放被測電機(jī)；2）真空度測定孔，用于安放真空度計；3）流量計插入孔，用于連接流量計，測量均壓箱的吸入風(fēng)量。

圖4　均壓箱示意圖

測試時，首先，上位機(jī)通過串行總線設(shè)置測試電機(jī)所需的電壓、電流；然后，待測電機(jī)通電，均壓箱內(nèi)部因電機(jī)抽風(fēng)而形成負(fù)壓，上位機(jī)輪詢不同站號的測試設(shè)備并獲取當(dāng)前測試數(shù)據(jù)；最后，完成一個點位的數(shù)據(jù)采集后，上位機(jī)控制數(shù)控閥門切換進(jìn)氣閥門開度，測試不同進(jìn)氣條件下吸塵器電機(jī)的效率。

為同時連接多種測試設(shè)備進(jìn)行信號傳輸，設(shè)計基于串行總線的數(shù)據(jù)通信方案，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的實時采集與記錄。上位機(jī)按Modbus協(xié)議發(fā)送不同的通信報文至串行總線，掛載在串行總線的測試設(shè)備根據(jù)報文的站號數(shù)據(jù)位，確定通信對象是否為本設(shè)備：若是則執(zhí)行報文要求的操作，并返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)；否則忽略本次報文，不作任何處理。上位機(jī)接收到返回數(shù)據(jù)后進(jìn)行循環(huán)冗余碼校驗，確定返回信息無誤后進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，獲取測試數(shù)據(jù)。

2　測試軟件設(shè)計

2.1　測試軟件功能結(jié)構(gòu)

掃地機(jī)器人吸塵器電機(jī)自動測試裝置測試軟件基于LabVIEW軟件平臺開發(fā)，搭配NI-VISA串行通信組件，實現(xiàn)上位機(jī)軟件與連接至串行總線的設(shè)備通訊。LabVIEW軟件平臺是NI公司推出的圖形化編程平臺，具有開發(fā)簡便、界面設(shè)計快速的特點，被廣泛應(yīng)用于虛擬儀器軟件的開發(fā)[4-5]。測試軟件功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　測試軟件功能結(jié)構(gòu)

掃地機(jī)器人吸塵器電機(jī)自動測試裝置測試軟件包括測試系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和測試狀態(tài)機(jī)模塊，各模塊相互協(xié)作，完成吸塵器電機(jī)測試功能。

測試系統(tǒng)初始化模塊負(fù)責(zé)初始化測試設(shè)備，建立上位機(jī)與測試設(shè)備之間及上位機(jī)程序與數(shù)據(jù)庫之間的通信，檢查測試設(shè)備的完整性。

數(shù)據(jù)采集處理模塊用于測試數(shù)據(jù)的采集、解析及存儲。數(shù)據(jù)采集處理模塊控制程序通過串行總線輪詢發(fā)送控制指令至測試設(shè)備，采集并解析測試設(shè)備返回的信息，并形成測試溯源信息，存儲于測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。測試軟件數(shù)據(jù)庫采用MYSQL開發(fā)，并配合Navicat軟件進(jìn)行管理。MYSQL數(shù)據(jù)庫是多線程、多用戶的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，具有查詢快速、占用空間小的特點[3]。測試過程中自動調(diào)整進(jìn)氣閥門開度，模擬不同的測試工況。測試完成后自動生成測試結(jié)果報表，輸出到指定位置的excel文件中。

由于測試系統(tǒng)涉及多個系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移，為方便程序管理與定時同步，設(shè)計測試狀態(tài)機(jī)模塊。其中，自動測試模式共有6種狀態(tài)（測試系統(tǒng)初始化、等待測試開始、系統(tǒng)熱機(jī)、等待讀數(shù)穩(wěn)定、等待進(jìn)氣閥門開度切換、結(jié)束測試）；壽命測試模式共有5種狀態(tài)（等待測試開始、電機(jī)運轉(zhuǎn)、電機(jī)休息、測試暫停、測試結(jié)束）。測試狀態(tài)機(jī)各個狀態(tài)根據(jù)測試程序預(yù)設(shè)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件進(jìn)行轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)測試流程的自動化定時控制。

測試軟件主界面如圖6所示，共設(shè)置3個主要模式，分別為自動測試模式、手動測試模式與壽命測試模式。

自動測試模式按照GB/T 25441—2010《吸塵器電機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測試流程自動進(jìn)行測試，采集11個不同進(jìn)氣閥門開度條件下電機(jī)性能點位，并繪制性能曲線。手動測試模式設(shè)定測試所需的電壓、電流及進(jìn)氣閥門開度，模擬特定工況下吸塵器電機(jī)的工作條件進(jìn)行測試。壽命測試模式按要求設(shè)定壽命測試所需工況，設(shè)置電機(jī)運行與休息時間、壽命測試結(jié)束的電壓下限；當(dāng)待測電機(jī)電流值低于一定閾值時，認(rèn)定該電機(jī)已損壞，結(jié)束壽命測試，并顯示當(dāng)前電機(jī)壽命。

圖6　測試軟件主界面

2.2　測試流程設(shè)計

自動測試模式測試流程如圖7所示，測試流程為：1）自動測試初始化，設(shè)置測試所需電壓、電流，設(shè)置進(jìn)氣閥門開度為最大值，接通電源；2）測試系統(tǒng)熱機(jī)3 min；3）等待1 min后采集傳感器數(shù)據(jù)，采集完成后調(diào)整進(jìn)氣閥門開度；4） 11組數(shù)據(jù)采集完畢則將進(jìn)氣閥門調(diào)整至最大開度，結(jié)束測試，若未完成采集則返回第3）步；5）測試結(jié)束，清理過程變量，對測試結(jié)果進(jìn)行修改并輸出測試結(jié)果報表。

圖7　自動測試模式測試流程圖

壽命測試模式測試流程圖如圖8所示，測試流程為：1）測試系統(tǒng)初始化，設(shè)置測試所需電壓、電流、進(jìn)氣閥門開度、電機(jī)運行時長、電機(jī)休息時長、電機(jī)損壞電流下限；2）按照電機(jī)運行時長、休息時長的設(shè)定進(jìn)行自動測試并計時；3）當(dāng)電流值低于下限值時，停止測試，記錄當(dāng)前壽命測試時長。

圖8　壽命測試模式測試流程圖

3　測試效果與分析

掃地機(jī)器人吸塵電機(jī)自動測試裝置實物圖如圖9所示，被測電機(jī)安裝在均壓箱頂部出風(fēng)口處，被測電機(jī)采用數(shù)控電源供電，測試系統(tǒng)由上位機(jī)進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)采集。

圖9　掃地機(jī)器人吸塵電機(jī)自動測試裝置實物圖

使用該測試裝置對額定電壓為8.4 V，額定輸入功率為60 W的吸塵器電機(jī)進(jìn)行測試。測試設(shè)備按照GB/T 25441—2010《吸塵器電機(jī)》規(guī)定的測試流程自動進(jìn)行性能測試。測試系統(tǒng)對測試過程中的11個工況點位的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并分析結(jié)果，性能測試表如表1所示。

表1　8.4 V額定電壓電機(jī)性能測試表

測試結(jié)果表明：待測電機(jī)在進(jìn)氣閥門開度為30%時，工作效率最高，達(dá)32.0694%；該工況下的輸入功率為59.33 W，測試電機(jī)的性能符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大工作效率需大于30%的要求。

實際測試中，該測試裝置能按照給定的測試流程，對掃地機(jī)器人吸塵器電機(jī)性能進(jìn)行自動測試，并自動生成測試結(jié)果，形成測試溯源信息。該測試裝置實現(xiàn)機(jī)器代人，全面提升測試效率與自動化水平，實現(xiàn)測試過程的可溯源。

4　結(jié)論

1）針對掃地機(jī)器人吸塵器電機(jī)性能測試需要定時切換均壓箱進(jìn)風(fēng)條件，操作繁瑣的問題，提出基于數(shù)控閥門的自動閥門切換技術(shù)，利用上位機(jī)軟件定時切換閥門開度，實現(xiàn)機(jī)器代人，提升測試效率。

2）研發(fā)基于LabVIEW平臺的測試軟件，實現(xiàn)自動化測試、溯源信息自動生成并保存，兼容多種功率吸塵器電機(jī)測試，通用性良好。

以后將繼續(xù)提高測試裝置的自動化智能化水平，繼續(xù)推進(jìn)企業(yè)的自動化智能化改造。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 25441—2010 吸塵器電機(jī)[S].北京: 中國質(zhì)檢出版社,2010.

[2] 朱小襄.ModBus通信協(xié)議及編程[J].電子工程師,2005(7):42-44,55.

[3] 李榮國,王見.MySQL數(shù)據(jù)庫在自動測試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用,2011,31(S2):169-171,175.

[4] 趙磊,柏瀾.基于虛擬儀器技術(shù)的綜合測試系統(tǒng)研究[J].自動化與儀器儀表,2018(6):64-67.

[5] 孟武勝,朱劍波,黃鴻,等.基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2008(11):63-65.

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自動化與信息工程編輯部

Automatic Test Equipment for Vacuum Motor of Sweeping Robot

Chen Minsheng

(Jieyang Huibaochang Electric Appliance Co., Ltd. Jieyang 522000, China)

In order to solve the problems of frequent switching of the opening of the air intake valve in the performance test of the vacuum motor of the sweeping robot, which is difficult to control and tedious to test under the condition of manual operation, an automatic test equipment for the vacuum motor of the sweeping robot is proposed. The test software is compiled on the LabVIEW software platform, and the numerical control switching of the air intake valve is realized by combining the serial bus technology, and it is recorded automatically Record test traceability data and generate test report. The practice shows that the device has the characteristics of automation, rapidity and traceability. It can test the performance of the vacuum motor of the sweeping robot reliably and quickly, and has important reference value.

sweeping robot; vacuum motor; automatic test; traceable

TP23

A

1674-2605(2020)03-0006-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.03.006

陳敏生，男，1979年生，大專，主要研究方向：微電機(jī)制造與裝備技術(shù)。