基于LRU 測試方法的機頭電纜自動化測試技術(shù)研究及應(yīng)用

李方圓*，鄧伯孟，楊 剛，楊啟兵，李 倫，韓 瑞，劉 云

（中航成飛民用飛機有限責(zé)任公司，四川 成都）

大型飛機的生產(chǎn)研制是體現(xiàn)國家綜合實力、先進制造技術(shù)能力的重要標(biāo)志，對于提高國防建設(shè)能力、國民經(jīng)濟發(fā)展水平等具有重要意義[1]?！笆濉币詠?，具有中國特色的“主制造商-供應(yīng)商”的飛機制造模式得以廣泛應(yīng)用，主供模式下飛機模塊化程度越來越高。特別是涵蓋飛機電纜等各系統(tǒng)的模塊化部件，充分利用各主機廠現(xiàn)有技術(shù)、資源，最大程度縮短飛機結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)等零部件研制周期，整體壓縮研制成本，同時降低項目研制風(fēng)險，是對主供模式的積極驗證[2]，同時線纜裝配質(zhì)量也是衡量飛機性能和可靠性的重要指標(biāo)[3]。目前機頭電纜測試主要采用手工檢測方式，以萬用表、兆歐表、蜂鳴器或指示燈為主要檢測工具，利用手工完成每根導(dǎo)線的測試，通過電阻顯示數(shù)值或蜂鳴器聲音來判斷導(dǎo)線是否存在斷路故障以及每條連接線的絕緣情況。受機頭空間限制及相互噪音影響，機上最多只能3組人同時進行檢測[4]，整個檢測過程要求檢測人員注意力集中，操作細心，所處的周圍環(huán)境要達到一定的安靜程度，否則會影響檢測人員對檢測結(jié)果的判斷。

電纜自動化測試系統(tǒng)作為一種先進高效的測試技術(shù)，能夠?qū)︼w機和航空航天、電信設(shè)施其他商業(yè)和軍事應(yīng)用、公共交通運輸車輛等的線束組件執(zhí)行導(dǎo)通、絕緣電阻、耐壓測試（介電擊穿）、電容、電阻和電壓的測試。機頭電纜要保證飛按系統(tǒng)、航電系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、氧氣系統(tǒng)等各系統(tǒng)的正常運行，機頭電纜的制造質(zhì)量對飛機飛行安全極為重要。電纜測試是關(guān)乎電纜制造質(zhì)量高低的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在航空制造業(yè)受到廣泛重視。

1 現(xiàn)有測試技術(shù)

基于轉(zhuǎn)接電纜的線纜自動化測試技術(shù)，是目前國內(nèi)航空制造企業(yè)對飛機線纜檢測所采用的技術(shù)手段。測試系統(tǒng)主要由總按單元、執(zhí)行單元、總線網(wǎng)絡(luò)、功率電纜、轉(zhuǎn)接電纜等組成[5]。該技術(shù)可提供導(dǎo)通、元器件、絕緣/耐壓和繼電器功能測試能力，可以快速的對線束及組件(UUT)的電氣性能進行測試，實時顯示并保存測試結(jié)果數(shù)據(jù)，并生成測試報告。

國內(nèi)市場主流的電纜測試儀測試原理都是基于最基本的電氣理論定律，即歐姆定律。歐姆定律定義了最基本電氣單位之間的關(guān)系-電壓(V)、電流(I)和電阻(R)。

如圖1 所示，當(dāng)測試儀測量UUT 電阻時，測試儀主按單元產(chǎn)生一個恒定電壓源或一個恒定電流源，通過測量通道的開關(guān)矩陣和轉(zhuǎn)接工裝加載到UUT 上，再由相應(yīng)的測量單元測量通過流經(jīng) UUT 的電流或兩端的電壓降，根據(jù)歐姆定律計算UUT 的電阻，并將其與測試程序中定義的電阻閾值進行比較，以確定測量結(jié)果是否通過。

圖1 測試儀原理

如圖2 所示，目前標(biāo)準(zhǔn)配置的測試儀可以有多達三個激勵源和三個測量單元以滿足不同的測試需求。

測試儀采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便測試系統(tǒng)的后期升級和維護，主機通過RJ45 接口與上位機網(wǎng)絡(luò)連接，上位機軟件ELINKS 以TCP/IP 協(xié)議由按制計算機按制，TCP/IP 協(xié)議的以太網(wǎng)是一種高速廣域、開放型、通用化的高性能信息聯(lián)接方式[6]。

電纜測試儀由220 VAC 供電，經(jīng)由濾波模塊及AC-DC 電源轉(zhuǎn)換后，主機內(nèi)部形成DC 供電網(wǎng)絡(luò)，提供48 V 和12 VDC 電源，為各個模塊供電。測量總線由一對激勵線和一對測量線組成。如圖3 所示。

圖3 激勵/測量電路框圖

直流/交流高壓和恒流恒壓主要用于生成所需的測試電壓/電流，測量單元包含一個電壓測量單元，和兩個分別用于交流和直流的電流測量單元。

測試儀采用模塊的總線結(jié)構(gòu)，通過增加激勵和測試單元以滿足客戶的更多測試要求，比如LCR 測量單元，交流電壓測量單元。

綜上，基于轉(zhuǎn)接電纜的線纜自動化測試方法其主要以轉(zhuǎn)接電纜作為媒介，一端通過轉(zhuǎn)接端口與飛機上的電纜相接，另一端與布置在飛機周圍的分布式測試箱相接[7]，機上電纜的點數(shù)與轉(zhuǎn)接電纜一一對應(yīng)。對于中小型飛機測量點數(shù)較少，采用該方法工作量和工作效率相對能夠接受[8]，而機頭作為各大系統(tǒng)的按制中樞，某機型機頭電纜共192 根，電纜末端插頭共553個，電纜導(dǎo)通關(guān)系7 126 條（14 252 測試點），占整機電纜導(dǎo)通工作的35%；電纜測試數(shù)量大，關(guān)系復(fù)雜，且電纜敷設(shè)的空間狹小，開敞性差。如果仍采用上述基于轉(zhuǎn)接電纜的檢測方法，將會出現(xiàn)以下問題[9]：

（1） 分布式測試模塊必須與轉(zhuǎn)接電纜一一對接，模塊和轉(zhuǎn)接電纜過于笨重，不能進入狹窄區(qū)域操作，搬運操作不方便。

（2） 轉(zhuǎn)接電纜過多，對操作人員的操作負擔(dān)更大，工人在檢測前對轉(zhuǎn)接電纜的查找、檢測完后對轉(zhuǎn)接電纜的收放等，都需要耗費很多時間，且極易出現(xiàn)操作失誤，比如連接器插入對接時錯插與漏插等，影響工作效率。

（3） 轉(zhuǎn)接電纜長短不一，轉(zhuǎn)接電纜的纏絞、踩踏等問題難以解決，存儲難度較大，使用時對轉(zhuǎn)接電纜的查找、收放等花費的時間較多[10]。

因此為了提高測試儀的工作效率，適應(yīng)各種復(fù)雜的測試環(huán)境，基于LRU 測試方法的機頭電纜自動化測試技術(shù)被提出，該方法具備精小化、便攜化的特點，下面進行詳細闡述。

2 基于LRU 測試方法的測試系統(tǒng)設(shè)計

2.1 技術(shù)方案

LRU 系列測試模塊與轉(zhuǎn)接電纜的工作性質(zhì)與原理是一樣的，都是電纜自動化測試的重要組成部分。LRU 測試模塊工作原理：由主按系統(tǒng)輸出測試電壓/電流，通過各分布式總線傳播到各LRU 測試模塊，主按板卡再通過先祖卡槽將各信號分配到各繼電器板卡，再到各被測線纜對應(yīng)的繼電器。然后測試電壓/電流通過被測產(chǎn)品后從另一端LRU 測試模塊返回主按系統(tǒng)。最后將所有的LRU 測試模塊由串聯(lián)方式連接在一起。如圖4 所示。

圖4 LRU 測試技術(shù)架構(gòu)

如圖5 所示，LRU 系列測試模塊由四個部分組成，一是測試模塊，二是主按板卡，三是與主機相連的分布式總線（電連接器），四是金屬外殼。

圖5 LRU 測試模塊內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)

LRU 系列測試模塊中采用的是7501 主按板卡，主按模塊為LRU 系列測試模塊的按制中心，接收上位機的按制指令并分發(fā)到相應(yīng)的繼電器板卡，收集相關(guān)測試數(shù)據(jù)后將測量結(jié)果上傳到上位機。 主按模塊采用STM32H750VBT6 核心按制單元，內(nèi)核，高400 MHz 主頻，提供2 路CAN 和多路內(nèi)部總線按制。實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)打包和轉(zhuǎn)發(fā)功能。

LRU 系列繼電器板卡需要非標(biāo)定制，內(nèi)置板卡功能與標(biāo)準(zhǔn)測試模塊一致，因此測試原理一致。但其內(nèi)部板卡有兩個，都為2232 繼電器板卡。

繼電器板卡數(shù)量根據(jù)被測設(shè)備來確定，LRU 測試模塊中可容納12 塊2232 繼電器板卡，每個2232 繼電器板卡32 個點位，每個終端測試通道最大可支持400 個。

繼電器模塊主要承擔(dān)WP/IP 和WS/IS 兩對激勵/測量線在激勵/測量單元通過IO 按制單元、總線和繼電器模塊到達被測產(chǎn)品兩端。測試儀提供三種繼電器板卡以滿足不同的測試需求。

2232 板卡采用單刀單擲為3 000 VDC 的繼電器，配合相應(yīng)的激勵和測量單元，可以達到3 000 VDC/2 000 VAC 的測試能力。

LRU 系列測試模塊的通訊線使用分布式總線，不僅使用分布式總線與主機相連接，還是用分布式總線與其它測試模塊串聯(lián)。

2.2 相比傳統(tǒng)測試方法的優(yōu)勢

手工線纜測試、基于轉(zhuǎn)接電纜的線纜測試和基于LRU 測試方法的線纜自動化測試3 種方法的比較如表1 所示。

表1 線纜自動化測試方法特點對比

（1） 為滿足大飛機內(nèi)部線纜測試的快捷、精確的要求，LRU 測試模塊為獨立運行設(shè)備，與機載設(shè)備1 比1 定制，與被測物直接對接，無測試轉(zhuǎn)接電纜，不占用飛機內(nèi)部空間。

（2） LRU 測試模塊體積較小，便攜性能較好，采用LRU 測試模塊的形式可以減少小型模塊轉(zhuǎn)運車，使用時可以很方便的由一個工人進行安裝，大大減少了操作者搬運和連接的工作量。

（3） LRU 測試模塊需要非標(biāo)定制，內(nèi)置板卡功能與標(biāo)準(zhǔn)測試模塊一致，因此測試原理一致，使用時，只需要將LRU 測試模塊，在指定設(shè)備架滑軌上推入，與被測試端對接完成。

（4） 后期維護成本低，標(biāo)準(zhǔn)測試模塊需要大量的轉(zhuǎn)接電纜，無論是連接模塊還是轉(zhuǎn)接電纜，在操作與搬運過程中，很容易出現(xiàn)損壞，而LRU 測試模塊無多余的轉(zhuǎn)接電纜，故障率將大大降低。

（5） 測量時，特別是大飛機等內(nèi)部空間進行測試時，需要大量的轉(zhuǎn)接電纜（幾十上百根）從空間外進入測試區(qū)域，容易對產(chǎn)品的其他區(qū)域造成損壞，但LRU 所使用的分布式總線數(shù)量極少（數(shù)量為標(biāo)準(zhǔn)測試儀的1/5，甚至更少），能對產(chǎn)品起到很好的保護作用。

2.3 實際應(yīng)用

飛機內(nèi)部因安裝了大量的管路、成品等零部件，通?？臻g比較狹小，尤其是對于飛機機頭更加明顯。以飛機駕駛艙為例，通常線纜敷設(shè)比較密集，需要測試的點數(shù)也多，狹小空間內(nèi)集中了多個線束插頭，“分布式測試箱+轉(zhuǎn)接電纜”的傳統(tǒng)測試方式一方面會造成轉(zhuǎn)接電纜數(shù)量龐大，出現(xiàn)扭絞和纏繞現(xiàn)象；另一方面給測試前的準(zhǔn)備及測試后的收尾工作都增加了較多工作量。LRU 測試模塊在外形、尺寸、接口上，與機載LRU 都保持一致，在功能上與分布式測試箱相同。由于LRU 測試模塊可以直接與飛機線束插頭相連接，省掉了“分布式測試箱+轉(zhuǎn)接電纜”的組合連接方式，測試準(zhǔn)備及收尾工作量都大為減少，且LRU 測試模塊擺放位置不受空間限制。

某機型中機頭線纜自動化集成測試方法主要通過LRU 測試模塊、分布式測試箱等將飛機線纜兩端進行連接，實現(xiàn)LRU 測試模塊和分布式測試箱的線纜集成測試，轉(zhuǎn)接電纜的數(shù)量大大減少，一方面提高了測試效率和質(zhì)量；另一方面相關(guān)測試設(shè)備及其附件的管理更加方便。機頭線纜自動化集成測試布局如圖6 所示。

圖6 機頭線纜自動化集成測試布局

3 結(jié)論

對于大型飛機而言，測試點數(shù)往往是按幾萬點的量級來計算。相對于傳統(tǒng)的測試方法，基于LRU 測試方法的線纜自動化測試技術(shù)的一大優(yōu)勢和特點在于集成化自動測試，測試過程中大大降低測試儀的故障率，測試儀的集成化程度高，解決了轉(zhuǎn)接電纜在設(shè)計和制造過程中數(shù)量最小化和輕量化設(shè)計的難題，對操作人員的要求也有所降低，且能一對一滿足客戶對線纜測試儀的各種復(fù)雜要求，已經(jīng)基本實現(xiàn)了飛機線纜系統(tǒng)檢測的數(shù)字化和智能化[11]。

提高測試質(zhì)量和效率是飛機電纜自動化集成測試追求的永恒目標(biāo)。在當(dāng)前工業(yè)4.0 等智能大發(fā)展的新時代[12]，線纜自動化測試技術(shù)發(fā)展將更加趨向于輕量化、模塊化、自動化。飛機制造業(yè)將逐步向智能時代過渡與轉(zhuǎn)變，將飛機電纜自動化測試技術(shù)與最新的無線5G、數(shù)字孿生等信息技術(shù)相結(jié)合，推動測試系統(tǒng)智能化、一體化將是后續(xù)技術(shù)研究的發(fā)展方向。