陳碩，方曉樂，檀叢嘯

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州 350116)

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柱塞式限位開關(guān)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的研制

陳碩，方曉樂，檀叢嘯

(福州大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 福建 福州 350116)

摘要：以虛擬儀器技術(shù)為核心，結(jié)合數(shù)據(jù)采集模塊、伺服控制模塊，設(shè)計(jì)了柱塞式限位開關(guān)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的接觸電阻、荷重、位移的測(cè)試,并能根據(jù)測(cè)試結(jié)果自動(dòng)判別產(chǎn)品合格與否?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，該測(cè)試系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠，測(cè)試精度高。

關(guān)鍵詞：限位開關(guān)；測(cè)試系統(tǒng)；虛擬儀器

0引言

限位開關(guān)，又稱行程開關(guān)，是一種常用的主令電器，通常利用機(jī)械部件碰撞其觸頭來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的通斷，以達(dá)到相應(yīng)的控制目的，廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)、航空航天和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。

柱塞式限位開關(guān)主要檢測(cè)的參數(shù)有：接觸電阻(CA)、動(dòng)作力(OF)、釋放力(RF)、動(dòng)作行程(OT)、釋放行程(RT)、全行程(TT)等[1]。目前，生產(chǎn)商對(duì)限位開關(guān)參數(shù)的檢驗(yàn)一般是通過手工測(cè)量，將待測(cè)驗(yàn)的限位開關(guān)用不同測(cè)試儀器測(cè)量。這種測(cè)量方式工序多、過程復(fù)雜，需要熟練的操作人員，主觀因素影響大，并且效率低，不能滿足大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品合格檢驗(yàn)要求。

虛擬儀器技術(shù)是計(jì)算機(jī)與測(cè)試技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[2]，已廣泛應(yīng)用于各種測(cè)試系統(tǒng)中，既節(jié)約成本，又使系統(tǒng)功能更加靈活。

本文介紹了一種基于虛擬儀器技術(shù)的柱塞式限位開關(guān)參數(shù)智能測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)柱塞式限位開關(guān)出廠前的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試并進(jìn)行篩選。操作人員只要將限位開關(guān)固定在專用夾具上，按下啟動(dòng)鍵,即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)。通過計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示測(cè)試過程，具有較好的人機(jī)界面。該測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，重復(fù)性好，準(zhǔn)確度高，可降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品檢驗(yàn)的穩(wěn)定性和可靠性。該成果可彌補(bǔ)國(guó)內(nèi)限位開關(guān)產(chǎn)品自動(dòng)化檢測(cè)專用儀表的缺失，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本測(cè)量系統(tǒng)以兩對(duì)觸點(diǎn)的柱塞式限位開關(guān)為研究對(duì)象，通過對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)作原理、特性參數(shù)的分析研究，提出了以伺服電機(jī)為機(jī)構(gòu)動(dòng)作原動(dòng)力、以線性模組為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)傳感器觸頭動(dòng)作的設(shè)計(jì)方案，測(cè)試裝置如圖1所示。本系統(tǒng)采用臥式安裝，精密荷重傳感器安裝于線性模組滑塊上，能實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)?；雷笥曳謩e安裝行程限位開關(guān)S1和S2。測(cè)試時(shí)，將待測(cè)開關(guān)固定在專用夾具上，電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滑塊上荷重傳感器以設(shè)定的速度向右移動(dòng)，傳感器觸頭按壓被測(cè)開關(guān)并返回，同時(shí)完成數(shù)據(jù)采集、曲線繪制以及報(bào)表生成。

1—伺服電機(jī)；2—聯(lián)軸器；3—左限位開關(guān)；4—荷重傳感器；5—線性模組；6—右限位開關(guān)；7—被測(cè)開關(guān)圖1　測(cè)試裝置示意圖

本系統(tǒng)主要由PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集模塊、測(cè)試單元模塊、伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制模塊和機(jī)械部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)用戶的需求，本系統(tǒng)滿足以下技術(shù)指標(biāo)：

1) 位移，精度±0.4mm，量程為：0～100mm；

2) 荷重，精度±0.2N，量程為：0～80N；

3) 接觸電阻，精度±1mΩ，量程為：25～250mΩ。

4) 測(cè)試速度：0～100mm/min

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要采集6路模擬輸入信號(hào)和12路數(shù)字輸入信號(hào)，模擬輸入信號(hào)包括位移(1路)、荷重(1路)、觸點(diǎn)彈跳(2路)、接觸電阻(2路)，數(shù)字輸入信號(hào)由控制面板按鍵輸入信號(hào)(9路)和監(jiān)測(cè)信號(hào)(3路)組成。本系統(tǒng)所選用多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有16路模擬量輸入通道、100k/s采樣速率，用戶可通過編程對(duì)采樣方式、采樣范圍和采樣頻率進(jìn)行設(shè)置。另外該數(shù)據(jù)采集卡還有24路可編程DI/O通道，可用于控制面板按鍵信號(hào)和監(jiān)測(cè)信號(hào)的采集。

2.1　位移測(cè)量

(1)

若采樣頻率fs取10kHz，則采樣頻率和信號(hào)最高頻率比值N為：

(2)

式(2)表明fs取10kHz完全滿足工程上對(duì)信號(hào)采樣的要求。

系統(tǒng)發(fā)出的控制信號(hào)通過串口傳給伺服驅(qū)動(dòng)器，控制伺服電機(jī)動(dòng)作。光電編碼器輸出信號(hào)反饋給伺服驅(qū)動(dòng)器以控制轉(zhuǎn)速，同時(shí)反饋到數(shù)據(jù)采集卡用于計(jì)算位移。由于編碼器與絲杠通過聯(lián)軸器同軸連接，電機(jī)帶動(dòng)絲杠每旋轉(zhuǎn)一圈，絲桿左移或右移一個(gè)導(dǎo)程，編碼器對(duì)應(yīng)輸出2500個(gè)脈沖。因此：

(3)

式中，R為分辨率，S為導(dǎo)程，系統(tǒng)理論位移最小分辨率0.002mm。

2.2　荷重測(cè)量

柱塞式限位開關(guān)荷重測(cè)量是本系統(tǒng)最基本的測(cè)試項(xiàng)目之一。本系統(tǒng)采用壓阻式拉壓傳感器，量程0～100N，精度0.1%。測(cè)試原理圖如圖3所示。

圖3　荷重測(cè)量原理圖

傳感器加載后，其輸出信號(hào)通過屏蔽電纜輸入前置放大器，放大后的信號(hào)一路送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行荷重采集，一路送入比較器完成荷重保護(hù)。為提高荷重測(cè)試的精度和抗干擾能力，本系統(tǒng)采取如下措施：1) 選用具有較強(qiáng)共模抑制能力的放大器且將其置于距傳感器較近處，減小導(dǎo)線引入的干擾；2) 在采集卡接線端子處使用去耦濾波電路，減少信號(hào)在送入采集卡前的干擾；3) 傳感器激勵(lì)電源使用采集卡自帶的穩(wěn)壓電源，以減少測(cè)量誤差；4) 選用高阻抗比較器芯片，盡可能避免信號(hào)分流造成的信號(hào)衰減。另外，當(dāng)傳感器產(chǎn)生零點(diǎn)漂移時(shí)，可以通過放大器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

荷重保護(hù)主要是為了防止傳感器過載給傳感器本身帶來(lái)的損壞，當(dāng)荷重傳感器過載時(shí)，自動(dòng)停止測(cè)試，待過載消除后，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常運(yùn)行。為確保荷重保護(hù)的實(shí)時(shí)性，將比較器輸出的結(jié)果直接輸入伺服驅(qū)動(dòng)器的急停信號(hào)輸入端，一旦檢測(cè)到急停信號(hào)，立即無(wú)條件停止伺服電機(jī)。參考電壓使用可控精密穩(wěn)壓源芯片TL431，確保荷重保護(hù)的可靠性。

2.3　觸點(diǎn)彈跳測(cè)量

觸點(diǎn)彈跳是指動(dòng)靜觸點(diǎn)的閉合接觸動(dòng)作從初始接觸到接觸靜止之間的整個(gè)過程[1]。根據(jù)國(guó)家微動(dòng)開關(guān)通用規(guī)范，觸點(diǎn)彈跳測(cè)試原理如圖4所示。為提高觸點(diǎn)彈跳檢測(cè)的精度，本系統(tǒng)使用高精度穩(wěn)壓源，并在電路中使用大容量電容減小頻繁啟閉對(duì)電路造成的沖擊，另外使用精密高阻值電阻減少電路對(duì)觸點(diǎn)彈跳測(cè)量的干擾。

圖4　觸點(diǎn)彈跳測(cè)量原理圖

2.4　接觸電阻測(cè)量

限位開關(guān)觸點(diǎn)的接觸電阻一般是mΩ姆級(jí)別，接觸電阻的測(cè)量方法有多種[4],本系統(tǒng)對(duì)開關(guān)觸點(diǎn)采用的是四線制凱爾文測(cè)試方法，其原理圖如圖5所示。

圖5　四線制測(cè)接觸電阻原理圖

由恒流源提供恒定的電流(本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為100mA)給限位開關(guān)觸點(diǎn)，從開關(guān)觸點(diǎn)處直接引線將觸點(diǎn)電壓送入高精度低噪聲放大器，最后送入數(shù)據(jù)采集卡。限位開關(guān)觸點(diǎn)電阻一般很小(200mW以內(nèi))，直接測(cè)量的電壓僅為毫伏級(jí),放大器輸入阻抗為高阻抗，故通過觸點(diǎn)的電流基本為恒流源輸出的電流，使得放大器兩端的電壓即為待測(cè)電阻兩端的電壓，從而消除了導(dǎo)線對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)測(cè)試軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，可提高設(shè)計(jì)效率[5]，也便于系統(tǒng)的擴(kuò)展，各個(gè)模塊之間只需要通過少量的接口進(jìn)行通訊，從而降低開發(fā)難度[6]。本系統(tǒng)主要?jiǎng)澐殖?個(gè)模塊，系統(tǒng)軟件功能模塊如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)軟件功能模塊

數(shù)據(jù)采集主要完成數(shù)據(jù)采集卡的配置、數(shù)據(jù)還原、數(shù)據(jù)濾波和數(shù)據(jù)存取。采集卡的配置包括采樣方式、起始通道、通道總數(shù)、增益設(shè)置、輸入量程、采樣速率、接地方式、觸發(fā)控制等。數(shù)據(jù)還原主要是還原位移、荷重值，測(cè)試單元模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理后，輸入計(jì)算機(jī)為0～5V電壓信號(hào)。需要將該電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的測(cè)量值，其中難點(diǎn)在于位移信號(hào)的轉(zhuǎn)化，采集的位移信號(hào)數(shù)據(jù)量大且全是脈沖信號(hào)。需要根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡DI/O輸入的信號(hào)先判斷方向后再進(jìn)行計(jì)算。數(shù)據(jù)濾波主要采用4階切比雪夫和3階巴特沃斯低通濾波，濾除中高頻的干擾信號(hào)；最后將采集處理后的數(shù)據(jù)存入TDMS二進(jìn)制記錄文件，以便高速存取。

參數(shù)配置模塊主要是配置系統(tǒng)測(cè)試有關(guān)的參數(shù)，用戶通過如圖7所示的參數(shù)輸入界面，輸入待測(cè)開關(guān)的型號(hào)，設(shè)置測(cè)試速度、最大行程、荷重測(cè)定范圍、參數(shù)范圍。其中，參數(shù)范圍是讓用戶輸入待測(cè)參數(shù)的上下極限值，以便系統(tǒng)自動(dòng)判斷待測(cè)開關(guān)是否合格，而啟用/禁用開關(guān)的作用是該參數(shù)由用戶決定是否參與待測(cè)開關(guān)的判斷與顯示。最后將這些配置的參數(shù)寫入配置數(shù)據(jù)中，用戶可根據(jù)需要將這些配置數(shù)據(jù)保存于指定的文件中，以便日后調(diào)用。

圖7　參數(shù)輸入界面

PC機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的通訊是基于Modbus協(xié)議，由于該總線協(xié)議支持RS-232串行接口，只需在上位機(jī)設(shè)置波特率、傳輸模式、COM口，伺服驅(qū)動(dòng)器中設(shè)置相應(yīng)的通訊模式，即可完成兩者的通訊。

本系統(tǒng)菜單管理使用事件結(jié)構(gòu)完成菜單欄的配置，主要包括主菜單和子菜單，主菜單包括配置文件、測(cè)試模式、調(diào)零、退出程序。子菜單包括配置文件、保存配置文件、自動(dòng)測(cè)試、打印、退出測(cè)試。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊包括位移監(jiān)測(cè)、荷重監(jiān)測(cè)、限位監(jiān)測(cè)、斷電監(jiān)測(cè)。狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)的各種狀態(tài)，一旦發(fā)生異常，軟件或指示燈會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)警。

數(shù)據(jù)顯示模塊主要包括動(dòng)作-位移曲線、觸點(diǎn)彈跳-位移曲線、接觸電阻-位移曲線、關(guān)鍵點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)不合格報(bào)警(以紅色標(biāo)記)、測(cè)試報(bào)表(含測(cè)試結(jié)果的自動(dòng)判斷)等。另外，該模塊能快速地放大單張曲線以及翻頁(yè)查看各個(gè)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果。數(shù)據(jù)顯示壓力測(cè)試界面如圖8所示。

圖8　壓力測(cè)試界面

4實(shí)際運(yùn)行結(jié)果

經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)中傳感器等硬件的校準(zhǔn)與標(biāo)定，以及對(duì)系統(tǒng)軟件的大量仿真與測(cè)試后，該系統(tǒng)現(xiàn)已在某開關(guān)制造廠的生產(chǎn)線上成功運(yùn)行，取得了良好的效果，如圖9所示。

圖9　測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

圖10為某常閉觸點(diǎn)快動(dòng)柱塞式限位開關(guān)的荷重-位移(曲線1、曲線2)和觸點(diǎn)彈跳-位移曲線(曲線3、曲線4)。荷重-位移的行走路徑為O-C-B-E-D-A-O,觸點(diǎn)彈跳-位移的路徑為O-H-G-F-J-I-O。 圖中A、B為待測(cè)開關(guān)促動(dòng)件翻轉(zhuǎn)處，荷重曲線上C、D的值分別為OF和RF。

圖10　常閉觸點(diǎn)動(dòng)作曲線

表1是SP:1NO/1NC型(快動(dòng)、一對(duì)常開觸點(diǎn)/一對(duì)常閉觸點(diǎn))產(chǎn)品連續(xù)測(cè)試25次測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)。部分測(cè)量參數(shù)的計(jì)算和定義如下：

1) 相對(duì)誤差：

(4)

式中：S——樣本標(biāo)準(zhǔn)差；

Avrg——樣本平均值；

C——標(biāo)準(zhǔn)誤差估計(jì)系數(shù)。在正態(tài)分布情況下，誤差絕對(duì)值超過2.576S的概率僅占1%，誤差超過3S的僅為0.27%，故標(biāo)準(zhǔn)誤差估計(jì)值C取3。

2) 絕對(duì)誤差：

Ea=Avrg×Er

(5)

從表1可以看出，本系統(tǒng)位移精度Ea(T)：

Ea(T)=Max(OT1,RT1,OT2,RT2,TT)=

0.0210mm<0.04mm

(6)

荷重精度：

(7)

接觸電阻精度：

Ea(CA)=0.6963mΩ<1mΩ

(8)

根據(jù)以上計(jì)算，本系統(tǒng)各參數(shù)測(cè)試精度均滿足用戶技術(shù)指標(biāo)要求。

3)Cg為短期檢具位指數(shù)[7]，是評(píng)估一臺(tái)測(cè)試儀器測(cè)量的可重復(fù)性，定義為：

(9)

式中：T——設(shè)定公差。

一般可接受的標(biāo)準(zhǔn)為Cg≥1.33。由表1可以看出，本系統(tǒng)所有測(cè)量參數(shù)的Cg均滿足標(biāo)準(zhǔn)。

4)CgK為短期的檢測(cè)設(shè)備能力指數(shù)[7]，是評(píng)估一個(gè)測(cè)試儀器的測(cè)量能力是否和被測(cè)產(chǎn)品相匹配的方法，一般可接受的標(biāo)準(zhǔn)為CgK≥1.33，若CgK太小，則該儀器不能用于這個(gè)產(chǎn)品性能測(cè)量。

(10)

表1中的所有測(cè)量參數(shù)的CgK均滿足標(biāo)準(zhǔn)，說明本系統(tǒng)可以用于相關(guān)產(chǎn)品的參數(shù)性能測(cè)試。

表1　測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

續(xù)表1

位指數(shù)Cg1.68791.57131.97551.97552.52982.10827.151028.7216能力指數(shù)CgK1.51911.76782.22242.22241.89742.37171.430239.8534

5結(jié)論

介紹了柱塞式限位開關(guān)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行表明，該系統(tǒng)能較好地完成限位開關(guān)主要參數(shù)的測(cè)量，滿足各項(xiàng)參數(shù)測(cè)試要求，測(cè)量準(zhǔn)確度較高，可重復(fù)性較好，在限位開關(guān)品質(zhì)檢驗(yàn)方面具有實(shí)際意義和應(yīng)用前景。

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Design of Plunger Limit Switch Parameter Testing System Based on Virtual Instrument Technology

CHEN Shuo ，F(xiàn)ANG Xiao-le ，TAN Cong-xiao

(School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China)

Abstract:This paper introduces a plunger limit switch parameter testing system with servo control module and data acquisition module, based on Virtual Instrument Technology. This system is enabled to test the contacting resistance, force and displacement. And the qualification of products is automatically judged according to the measured results. Field experiment shows that the parameter testing system has a stable and reliable performance with high precision.

Keywords:limit switch; testing system; virtual instrument

中圖分類號(hào)：TH86;TP206+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)02-0215-05

作者簡(jiǎn)介：陳碩(1964-)，男，福建人，教授，博士，主要研究方向：交流電機(jī)調(diào)速控制、測(cè)試技術(shù)、機(jī)電一體化。

收稿日期：2014-10-30 2014-10-14