單片機(jī)控制下的波形機(jī)械彈簧片變形檢測(cè)技術(shù)

王 慧

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電自動(dòng)化學(xué)院，河南 南陽 473000；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

1 引言

波形機(jī)械彈簧片變形檢測(cè)，是當(dāng)前機(jī)械測(cè)試領(lǐng)域較為重要的內(nèi)容，但是，我國(guó)相關(guān)技術(shù)以人工檢測(cè)為主，效率低，并且由于人工參與，控制誤差也較大[1-2]。彈簧片的波動(dòng)形變形測(cè)量，直接影響機(jī)械型設(shè)備的實(shí)用壽命周期，且前者的變化幅度越大，后者的應(yīng)用時(shí)間周期越短。以人工方法進(jìn)行檢測(cè)，在微弱波形感知方面的能力較弱，所能承載的波動(dòng)形變量極值條件也始終達(dá)不到理想數(shù)值水平。為解決此問題，引入單片機(jī)控制原理，在單片機(jī)模塊、反饋電路兩類設(shè)備元件的支持下，建立必要的關(guān)聯(lián)性分析模型，再通過確定波形連接點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)的方式，計(jì)算彈簧片的真實(shí)形變失效差，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制的波形機(jī)械彈簧片變形檢測(cè)技術(shù)優(yōu)化。

2 單片機(jī)結(jié)構(gòu)及控制模型分析

單片機(jī)執(zhí)行結(jié)構(gòu)包含單片機(jī)模塊、波形反饋電路兩部分，以有限元加載控制量作為約束條件，具體搭建方法如下。

2.1 單片機(jī)控制模塊邏輯設(shè)計(jì)

單片機(jī)模塊是單片機(jī)組織中的主要控制元件，由運(yùn)算器、控制器、主要寄存器構(gòu)成，主要包含單片機(jī)轉(zhuǎn)換器、OUTA 芯片、OUTB 芯片、VSS 引腳、AL 插口等多部分，如圖 1 所示。其中，單片機(jī)主機(jī)作為單片機(jī)模塊的核心搭建結(jié)構(gòu)，能夠較好順應(yīng)機(jī)械彈簧片的波形變化行為，可分別以波峰和波谷數(shù)值作為記錄節(jié)點(diǎn)，生產(chǎn)兩份數(shù)據(jù)記錄信息腳本，且可以借助既定傳輸信道，將這些信息反饋給OUTA 芯片和OUTB 芯片，進(jìn)而建立與控制主機(jī)的物理連接。OUTA 芯片是機(jī)械彈簧片波峰數(shù)值存儲(chǔ)元件，可按照時(shí)間順序排列所有信息參量，在接收到單片機(jī)控制元件的調(diào)用指令后，篩選現(xiàn)有信息中的有價(jià)值數(shù)據(jù)，再經(jīng)由反饋信道傳輸回控制主機(jī)端[3]。OUTB 芯片是機(jī)械彈簧片波谷數(shù)值存儲(chǔ)元件，按照時(shí)間順序排列信息參量，同時(shí)接收單片機(jī)控制元件和OUTA 芯片的調(diào)用指令，但每次只能借助反饋信道輸出一個(gè)與相應(yīng)波峰值匹配的波谷數(shù)據(jù)。VSS 引腳與單片機(jī)控制元件相連，是調(diào)用指令信息的唯一傳輸通道，與AL 插口保持相反的執(zhí)行作用原理，前者負(fù)責(zé)接收一切與機(jī)械彈簧片波形峰谷值相關(guān)的信息參量，后者則作為指令輸出通道，將所有未完全消耗的數(shù)據(jù)信息傳送至其它單片機(jī)元件之中。

圖1 單片機(jī)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure Diagram of Single Chip Microcomputer Module

2.2 波形反饋電路的設(shè)計(jì)

波形反饋電路能夠直接干擾單片機(jī)模塊的執(zhí)行連接狀態(tài)，是整個(gè)變形檢測(cè)過程中的唯一電子輸出元件，由反饋調(diào)節(jié)、單片機(jī)輸出、波形穩(wěn)流、形變控制四個(gè)分級(jí)電路組織共同組成。波形穩(wěn)流電路位于單片機(jī)波形反饋主電路中部，起到承上啟下的調(diào)節(jié)作用，在負(fù)載電阻R 電量變化作用的同時(shí)，聚集處于分流狀態(tài)的單片機(jī)電量，并傳輸至其它各級(jí)消耗電路之中。單片機(jī)輸出是波形反饋電路的主要調(diào)節(jié)作用結(jié)構(gòu)，連接反饋調(diào)節(jié)單元與波形穩(wěn)流單元，其中不包含大功率的波形消耗元件，僅能在小范圍內(nèi)改變機(jī)械彈簧片所承載的形變電壓[4-5]。形變控制單元位于單片機(jī)波形反饋電路最底層，具備較強(qiáng)的電量整合能力，可存儲(chǔ)其它分級(jí)結(jié)構(gòu)中未完全消耗的傳輸電壓或電流，從而影響機(jī)械彈簧片波形動(dòng)量的實(shí)際變化情況，如圖2 所示。

圖2 單片機(jī)波形反饋電路圖Fig.2 Single Chip Microcomputer Waveform Feedback Circuit Diagram

2.3 形變加載控制量計(jì)算

形變加載控制是指單片機(jī)模塊對(duì)機(jī)械彈簧片波峰、波谷值的調(diào)節(jié)限制作用，能夠影響單片機(jī)波形反饋電路中的電量輸出運(yùn)載情況，通常情況下，前者對(duì)于波動(dòng)參量的調(diào)節(jié)效果由上行、下行兩部分共同組成，但無論哪一種形變控制行為對(duì)電路的反饋輸出調(diào)節(jié)作用效果均為正向促進(jìn)[6]。單片機(jī)模塊對(duì)機(jī)械彈簧片波峰的調(diào)節(jié)限制作用，也叫形變加載控制量的上行作用條件，受到變形波寬度r1、形變曲率條件q1的共同影響。變形波寬度是指機(jī)械彈簧片兩個(gè)相鄰波峰之間的最大距離數(shù)值，不會(huì)無限制增大，但不收變形檢測(cè)時(shí)間的干擾影響。形變曲率條件是指機(jī)械彈簧片變形波的晃動(dòng)頻度數(shù)值，由于整個(gè)變形檢測(cè)過程中電量始終保持多變性輸出狀態(tài)，故該項(xiàng)指標(biāo)條件的數(shù)值表現(xiàn)形式可以不唯一。單片機(jī)模塊對(duì)機(jī)械彈簧片波谷的調(diào)節(jié)限制作用，也叫形變加載控制量的下行作用條件，受到彈簧片勁度系數(shù)k 及變形波深度l1的共同影響。彈簧片勁度系數(shù)是干擾機(jī)械波形產(chǎn)生形變的最主要條件，但該項(xiàng)數(shù)值屬于結(jié)構(gòu)體的本質(zhì)化屬性，不受其它外界物理量的干擾影響。變形波深度是指單一形變區(qū)間內(nèi)，彈簧片波峰與波谷值之間的最大物理距離，與單片機(jī)結(jié)構(gòu)的輸出控制效果保持相同的作用變化趨勢(shì)[7]。聯(lián)立上述物理量可將單片機(jī)結(jié)構(gòu)的形變加載控制量計(jì)算結(jié)果表示為：

式中：y—機(jī)械彈簧片波峰數(shù)值的波動(dòng)行為權(quán)限；y′—與y 相關(guān)的補(bǔ)充說明條件；I—機(jī)械彈簧片波谷數(shù)值的波動(dòng)行為權(quán)限；I′—與I 相關(guān)的補(bǔ)充說明條件。

3 波形機(jī)械彈簧片的變形檢測(cè)方法

在單片機(jī)結(jié)構(gòu)及相關(guān)數(shù)值控制模型的支持下，按照波形連接點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)計(jì)算、彈簧片形變失效差確定、機(jī)械檢測(cè)誤差設(shè)置的處理流程，實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)控制波形機(jī)械彈簧片變形檢測(cè)方法的順利應(yīng)用。

3.1 波形連接點(diǎn)的質(zhì)量參數(shù)

波形連接點(diǎn)特指與機(jī)械彈簧片作用原點(diǎn)變形原理相同的單片機(jī)節(jié)點(diǎn)組織，受到核心檢測(cè)主機(jī)的控制調(diào)度，在單位時(shí)間內(nèi)，屬于波形連接點(diǎn)范疇內(nèi)的所有物理節(jié)點(diǎn)均保持相同的變形運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。若不考慮因機(jī)械彈簧片拉伸過度而造成的變形檢測(cè)誤差問題，波形連接點(diǎn)質(zhì)量則成為影響單片機(jī)最終控制效果的唯一物理參數(shù)指標(biāo)[8]。所謂波形連接點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)也叫單片機(jī)節(jié)點(diǎn)組織變形受控質(zhì)量參數(shù)，受到機(jī)械彈簧片變形波動(dòng)量、單位控制時(shí)長(zhǎng)、參與連接點(diǎn)個(gè)數(shù)三項(xiàng)物理量的直接作用影響。機(jī)械彈簧片變形波動(dòng)量常表示為β，是單片機(jī)控制影響下，對(duì)變形檢測(cè)結(jié)果造成直接影響的物理干擾量，與其它系數(shù)指標(biāo)不同的是，該項(xiàng)參數(shù)不受除彈簧片介質(zhì)屬性外其它限制條件的作用，是一項(xiàng)相對(duì)獨(dú)立的數(shù)據(jù)參數(shù)條件。單位控制時(shí)長(zhǎng)常表示為，不隨單片機(jī)控制時(shí)間的延長(zhǎng)而出現(xiàn)明顯的增減行為，在整個(gè)機(jī)械彈簧片變形檢測(cè)處理的過程中，該項(xiàng)物理量是穩(wěn)定性最強(qiáng)的數(shù)值化指標(biāo)條件。參與連接點(diǎn)個(gè)數(shù)會(huì)隨機(jī)械彈簧片形變量的增加而不斷增大，直至與單片機(jī)的波形影響控制作用完全相等，但最大邊界數(shù)值始終不會(huì)超過數(shù)值χ˙。在參與連接點(diǎn)個(gè)數(shù)等于最大作用數(shù)值的前提下，聯(lián)立式（1），可將機(jī)械彈簧片的波形連接點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)計(jì)算結(jié)果表示為：

式中：d—機(jī)械彈簧片波形變動(dòng)組織在單片機(jī)控制結(jié)構(gòu)中所占的調(diào)節(jié)比例系數(shù)；p′—變形檢測(cè)的平均作用權(quán)限參量；R—冪次項(xiàng)檢測(cè)處理指標(biāo)。

3.2 彈簧片的形變失效差

彈簧片形變失效是相對(duì)于波形連接點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)而存在的過程性變量，因初始條件、終止條件之間存在明顯的極化誤差，故該項(xiàng)物理量在大多數(shù)計(jì)算過程中只以失效差的形式存在。從單片機(jī)控制實(shí)效性的角度來看，彈簧片形變失效差的作用形式與模型化適量參數(shù)類似，都是從初始波形方向指向終止波形方向，且在整個(gè)形變過程中失效法則的作用標(biāo)度始終不發(fā)生改變[9-10]?；镜膹椈善巫兪Р罘譃閿嗔咽?、聚合式兩種類型。其中，斷裂式彈簧片形變失效差能根據(jù)波形連接點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)計(jì)算結(jié)果，影響檢測(cè)波峰值的最遠(yuǎn)所及邊界值，從而約束機(jī)械檢測(cè)誤差的最大數(shù)值分度，如圖3 所示。

圖3 斷裂形變失效Fig.3 Failure of Fracture Deformation

聚合式彈簧片形變失效差能根據(jù)波形連接點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)計(jì)算結(jié)果，影響檢測(cè)波谷值的最遠(yuǎn)所及邊界值，從而約束機(jī)械檢測(cè)誤差的最小數(shù)值分度，如圖4 所示。

設(shè)k1代表機(jī)械彈簧片波形的斷裂式形變條件，k2代表機(jī)械彈簧片波形的聚合式形變條件，聯(lián)立式（2），可將彈簧片形變失效差計(jì)算量表示為：

式中：f′—彈簧片所承載的斷裂形變檢測(cè)系數(shù)；φ—彈簧片所承載的聚合形變檢測(cè)系數(shù)—必要檢測(cè)向量的補(bǔ)充說明條件。

圖4 聚合式形變失效Fig.4 Polymer Deformation Failure

3.3 機(jī)械檢測(cè)誤差

機(jī)械檢測(cè)誤差是指在不干擾單片機(jī)控制效果的情況下，彈簧片結(jié)構(gòu)所能承受的最大波形偏差量影響結(jié)果。在既定檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，該項(xiàng)物理量同時(shí)作用于機(jī)械彈簧片的變形波峰與波谷值，但只作用于兩類物理量的外在表現(xiàn)行為，不從根本上產(chǎn)生任何不利于彈簧片拉伸或收縮的作用效果。若以機(jī)械彈簧片的自然長(zhǎng)度作為初始長(zhǎng)度考量條件，機(jī)械檢測(cè)誤差的實(shí)際數(shù)量值則受到單片機(jī)控力分量、彈簧片波形作用曲度的直接影響[11]。單片機(jī)控力分量由水平、豎直兩個(gè)物理方向共同組成，通常情況下，F(xiàn)1（水平分力）對(duì)機(jī)械彈簧片相鄰波形起到延伸擴(kuò)張的作用影響，F(xiàn)2（豎直分力）對(duì)機(jī)械彈簧片波形峰谷值間距起到延伸擴(kuò)張的作用影響。彈簧片波形作用曲度常表示為ρ˙，不受其它物理量的干擾影響，但會(huì)隨機(jī)械彈簧片檢測(cè)波形的變化而出現(xiàn)一定幅度的增大或較小。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（3），可將機(jī)械檢測(cè)誤差的數(shù)值計(jì)算結(jié)果表示為：

至此，完成所有數(shù)值處理及前期搭建準(zhǔn)備，在確保單片機(jī)處于良好輸出控制狀態(tài)的情況下，實(shí)現(xiàn)新型波形機(jī)械彈簧片變形檢測(cè)方法的應(yīng)用與設(shè)計(jì)。

4 技術(shù)應(yīng)用與檢測(cè)

為突出基于單片機(jī)控制波形機(jī)械彈簧片變形檢測(cè)方法與傳統(tǒng)Bootloader 檢測(cè)手段間的實(shí)用差異性，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。以彈性形變良好的機(jī)械彈簧片作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別以搭載新型變形檢測(cè)方法、傳統(tǒng)Bootloader 檢測(cè)手段的實(shí)驗(yàn)主機(jī)作為實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組記錄元件，閉合所有器材設(shè)備，研究既定實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，相關(guān)波形檢測(cè)指標(biāo)的變化情況。

4.1 實(shí)用檢測(cè)環(huán)境

為方便實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組檢測(cè)行為的同時(shí)實(shí)施，機(jī)械彈簧片的物理體積相對(duì)較大，且整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置包含多個(gè)獨(dú)立的彈簧片設(shè)備，各個(gè)組織結(jié)構(gòu)間也不具有明顯的干擾影響作用。

圖5 機(jī)械彈簧片F(xiàn)ig.5 Mechanical Spring Plate

圖6 檢測(cè)記錄環(huán)境Fig.6 Test Record Environment

4.2 微弱波形感知范圍

微弱波形感知數(shù)值對(duì)延長(zhǎng)機(jī)械型設(shè)備的實(shí)用壽命周期起到反向促進(jìn)作用，通常情況下，前者的數(shù)值結(jié)果越大，后者的使用時(shí)間越短，反之則越長(zhǎng)。下圖反應(yīng)了既定實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組微弱波形感知數(shù)值的具體變化情況，如圖7 所示。

圖7 微弱波形感知范圍對(duì)比圖Fig.7 Comparison of Weak Waveform Sensing Range

由圖7 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組微弱波形感知均出現(xiàn)一定幅度的下降趨勢(shì)，從最大值角度來看，實(shí)驗(yàn)組的0.47μm 低于對(duì)照組的0.61μm，從最小值角度來看，實(shí)驗(yàn)組的0.41μm 依然低于對(duì)照組的0.57μm。綜上可知，基于單片機(jī)控制波形機(jī)械彈簧片變形檢測(cè)方法更能抑制微弱波形感知范圍的上升趨勢(shì)，有益于延長(zhǎng)機(jī)械型設(shè)備的實(shí)用壽命周期。

4.3 波動(dòng)形變量最大承受值

波動(dòng)形變量承受值也能影響機(jī)械型設(shè)備的實(shí)用壽命周期，且二者間的作用效果保持為正向延長(zhǎng)，即波動(dòng)形變量承受值越大，機(jī)械型設(shè)備的實(shí)用壽命周期也就越長(zhǎng)。下圖為實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組波動(dòng)形變量承受值在60min 實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)的具體對(duì)比變化情況。分析表1可知，實(shí)驗(yàn)前期實(shí)驗(yàn)組波動(dòng)形變量承受值基本保持穩(wěn)定，第30min 開始，連續(xù)出現(xiàn)兩次極值上升趨勢(shì)，最大值達(dá)到9.77μm，區(qū)間性極值狀態(tài)結(jié)束后，又開始逐漸下降。

表1 實(shí)驗(yàn)組波動(dòng)形變量承受值Tab.1 Tolerance Value of Wave Shape Variable in Experimental Group

表2 對(duì)照組波動(dòng)形變量承受值Tab.2 Tolerance Value of Wave Shaped Variable in Control Group

分析表2 可知，實(shí)驗(yàn)前期對(duì)照組波動(dòng)形變量承受值一直不斷上升，直至達(dá)到最大值4.78μm，但依然遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)組極值9.77μm，第25min 出現(xiàn)一次明顯的下降行為后，又開始逐漸上升，直至達(dá)到4.60μm 開始出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的變化狀態(tài)。綜上可知，基于單片機(jī)控制波形機(jī)械彈簧片變形檢測(cè)方法可有效促進(jìn)波動(dòng)形變量承受值的提升，充分延長(zhǎng)機(jī)械型設(shè)備的實(shí)用壽命周期。

5 結(jié)語

在單片機(jī)控制原理的支持下，波形機(jī)械彈簧片變形檢測(cè)方法改善了傳統(tǒng)Bootloader 檢測(cè)手段波動(dòng)形變范圍不精準(zhǔn)的問題，增設(shè)單片機(jī)模塊與反饋電路，通過計(jì)算加載控制量的方式，確定波形連接點(diǎn)的質(zhì)量參數(shù)及彈簧片的形變失效差指標(biāo)，再按照檢測(cè)誤差標(biāo)準(zhǔn)，細(xì)化各項(xiàng)數(shù)值參量的具體應(yīng)用邊限范圍。實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，在微弱波形感知數(shù)值范圍出現(xiàn)縮小的同時(shí)，波動(dòng)形變量承受值開始快速增大，從根本上改善了機(jī)械型設(shè)備實(shí)用壽命周期不達(dá)標(biāo)的問題，可將其應(yīng)用于實(shí)際。