趙佃云，洪 濤

（中國(guó)計(jì)量大學(xué) 質(zhì)量與安全工程學(xué)院，杭州 310018）

航天電連接器廣泛應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈等需要分離的場(chǎng)合。它是進(jìn)行電氣連接和信號(hào)傳遞的端口，是構(gòu)成一個(gè)完整系統(tǒng)所必須的基礎(chǔ)元件，其分離性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要[1]。目前國(guó)內(nèi)在航天電連接器上的研究起步較晚，且多數(shù)研究側(cè)重其連接可靠性等方面[2]，并沒(méi)有對(duì)其分離特性作深入的研究，尚沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的分離性能測(cè)試設(shè)備，只能進(jìn)行小型、非自動(dòng)、功能單一的測(cè)試（如簡(jiǎn)單的測(cè)分離拉力），無(wú)法滿足現(xiàn)階段的測(cè)試要求[3]。

本文根據(jù)實(shí)際需要開發(fā)了一種功能完善，自動(dòng)化程度較高的航天電連接器分離性能測(cè)試設(shè)備，該設(shè)備能夠有效檢測(cè)航天電連接器分離過(guò)程產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，用于國(guó)內(nèi)研制與生產(chǎn)航天電連接器的企業(yè)，提高航天電連接器的合格率與經(jīng)濟(jì)效益。

1 總體設(shè)計(jì)方案

航天電連接器有2種分離方式：機(jī)械分離和電磁分離。在電磁分離失效的情況下，采用機(jī)械分離方式，以確保電連接器能夠成功分離。電磁分離需要給電連接器提供電壓信號(hào)觸發(fā)其分離，機(jī)械分離需要施加一定的拉力。所開發(fā)設(shè)備要能真實(shí)模擬電連接器的實(shí)際使用情況，滿足電連接器機(jī)械分離和電磁分離2種分離方式的檢測(cè)要求。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用“PLC+觸摸屏+計(jì)算機(jī)”控制方案，以計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，PLC作為下位機(jī)，結(jié)合嵌入式觸摸屏和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成整個(gè)系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用觸摸屏組態(tài)界面結(jié)合PLC控制程序的方式，并以虛擬儀器（LabVIEW）作為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)置電連接器分離性能檢測(cè)控制面板，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)航天電連接器分離過(guò)程的有效控制。

1.1 系統(tǒng)組成框架

整個(gè)系統(tǒng)由高速攝像、夾緊機(jī)構(gòu)、拉力模擬、電磁分離觸發(fā)、驅(qū)動(dòng)、拉力角度調(diào)整、力值傳感、計(jì)算機(jī)控制、觸摸屏、PLC控制等模塊構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure diagram

在圖1中高速攝像模塊的主要功能是采集航天電連接器分離過(guò)程圖像，經(jīng)高速采集卡傳輸至計(jì)算機(jī)上的分離性能檢測(cè)系統(tǒng)；夾緊機(jī)構(gòu)的主要功能是夾持固定住航天電連接器，為了適應(yīng)不同型號(hào)的電連接器，需要實(shí)現(xiàn)移動(dòng)可調(diào)，根據(jù)其尺寸設(shè)計(jì)相應(yīng)的工裝墊塊需要實(shí)現(xiàn)夾具的寬度定位、高度定位、前后距離定位；拉力模擬模塊主要負(fù)責(zé)模擬航天電連接器引伸出的電線的重力作用，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)力的大??；電磁分離觸發(fā)模塊主要功能是通過(guò)施加電壓信號(hào)觸發(fā)電連接器電分離，電壓可調(diào)范圍是0～50 V；驅(qū)動(dòng)模塊主要負(fù)責(zé)給航天電連接器提供拉力，使其分離；拉力角度調(diào)整模塊能夠調(diào)節(jié)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的拉力在三維空間里的不同角度，最大垂直角度為水平向上30°，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)180°旋轉(zhuǎn)；力值傳感模塊主要負(fù)責(zé)把采集的模擬信號(hào)傳輸給PLC，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換傳輸至觸摸屏、計(jì)算機(jī)分析處理。

1.2 控制系統(tǒng)

為了確保圖像采集及拉力的同步及拉力采集的準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)控制和PLC控制的雙層結(jié)構(gòu)。計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)主要負(fù)責(zé)上層控制，包括整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)測(cè)試、圖像采集及檢測(cè)識(shí)別、數(shù)據(jù)庫(kù)及系統(tǒng)界面等；PLC作為下位機(jī)主要負(fù)責(zé)底層控制，包括伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電連接器電磁分離觸發(fā)器的控制等。為了防止出現(xiàn)意外事故，在控制系統(tǒng)中還安裝了光電限位開關(guān)、接近開關(guān)。光電限位開關(guān)主要安裝于拉力角度調(diào)整模塊，其目的是限位保護(hù)；接近開關(guān)主要安裝于驅(qū)動(dòng)模塊，其目的是限制滑塊的移動(dòng)距離，使滑塊在安全范圍內(nèi)移動(dòng)，保證分離測(cè)試能夠順利進(jìn)行。

PLC觸發(fā)控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)模塊和拉力角度調(diào)整模塊，經(jīng)觸摸屏設(shè)置的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)方向等的控制。PLC觸發(fā)控制電連接器電磁分離觸發(fā)器，通過(guò)在觸摸屏上設(shè)定電觸發(fā)超時(shí)時(shí)間來(lái)判斷電連接器電觸發(fā)是否正常?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Control system structure diagram

1.3 控制流程

在開始進(jìn)行測(cè)試工作時(shí)，需用專用夾具夾持固定住航天電連接器，調(diào)整好高速攝像機(jī)鏡頭位置，并設(shè)定相關(guān)參數(shù)，選擇分離方式。當(dāng)采用機(jī)械分離方式時(shí)，PLC觸發(fā)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服拉力電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)絲桿上的滑塊以設(shè)定的速度移動(dòng)，線纜拉動(dòng)航天電連接器的分離端使其分離；高精度力傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量線纜所受的拉力并將測(cè)量值傳輸給PLC，PLC經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊把數(shù)字信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)；高速攝像機(jī)把實(shí)時(shí)獲取的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)高速采集卡傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理；當(dāng)采用電磁分離方式時(shí)，PLC向航天電連接器上的電分離觸發(fā)器發(fā)送觸發(fā)電壓信號(hào)，與此同時(shí)，啟動(dòng)高速攝像機(jī)的攝像程序進(jìn)行高速攝像，經(jīng)高速采集卡將圖像數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理；計(jì)算機(jī)計(jì)算出分離拉力、分離時(shí)間、分離速度等參數(shù)，并截取有效的分離過(guò)程圖像。

為保證航天電連接器的機(jī)械分離和電磁分離有序進(jìn)行，并按預(yù)期記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)整體控制流程進(jìn)行如下設(shè)計(jì)。整體控制流程如圖3所示，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)布局如圖4所示。

圖3 整體控制流程Fig.3 Flow chart of whole control process

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)布局Fig.4 System overall structure layout

2 航天電連接器PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 PLC控制系統(tǒng)硬件的組成

PLC控制系統(tǒng)硬件組成為高速攝像機(jī)1部；高速采集卡1塊；拉力電機(jī)、調(diào)角電機(jī)、分度電機(jī)各1臺(tái)；伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器3個(gè)；接近開關(guān)2個(gè)；光電限位開關(guān)6個(gè)；高精度拉力傳感器2個(gè)；PLC采用西門子公司S7-200 SMART型1套；觸摸屏SMART 700IE 1臺(tái)；計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）1臺(tái)。

2.2 PLC輸入輸出點(diǎn)分配

本控制系統(tǒng)選用S7-200 SMART CPU ST60可編程邏輯控制器，晶體管輸出，24 VDC供電，36輸入/24輸出，提供3軸100 kHz高速脈沖輸出，支持PWM和PTO脈沖輸出。在PWM方式中，輸出脈沖的周期是固定的，脈沖的寬度或占空比由程序來(lái)調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)電機(jī)速度等。在PTO方式中，輸出脈沖可以組態(tài)為多種工作模式，包括自動(dòng)尋找原點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的控制，達(dá)到調(diào)速和定位的目的。CPU本體上的 Q0.0，Q0.1和 Q0.3可組態(tài)為 PWM輸出或高速脈沖輸出，均可通過(guò)設(shè)置向?qū)瓿缮鲜龉δ?。PLC輸入輸出分配如圖5所示。

圖5 PLC輸入輸出分配Fig.5 PLC input and output allocation

2.3 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)采用STEP 7-Micro/WIN編程工具進(jìn)行PLC程序的編制、測(cè)試、調(diào)試和系統(tǒng)參數(shù)配置。編程軟件主要用梯形圖編寫，程序編譯無(wú)誤后用以太網(wǎng)下載到PLC中。

2.4 觸摸屏組態(tài)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)備工藝和控制要求，觸摸屏的軟件設(shè)計(jì)采用SIMATIC WinCC flexible 2008組態(tài)軟件，它是一種基于Windows的創(chuàng)新型HMI軟件。WinCC flexible與編程軟件STEP 7集成一起，控制系統(tǒng)使用統(tǒng)一的通信協(xié)議、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)和統(tǒng)一的編程組態(tài)工具[4]。該系統(tǒng)所涉及的界面窗口主要包括手動(dòng)操作、位置調(diào)整和參數(shù)設(shè)置窗口。手動(dòng)操作（圖6）分別對(duì)拉力電機(jī)、調(diào)角電機(jī)、分度電機(jī)設(shè)置了轉(zhuǎn)動(dòng)速度和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的控制按鈕，其中還設(shè)置有回原點(diǎn)操作按鈕。位置調(diào)整（圖7）通過(guò)對(duì)調(diào)角電機(jī)和分度電機(jī)設(shè)定不同的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的調(diào)整。參數(shù)設(shè)置界面（圖8）可對(duì)電連接器與分度盤的距離、拉力電機(jī)測(cè)試時(shí)的速度、調(diào)角電機(jī)原點(diǎn)偏移角度、分度電機(jī)原點(diǎn)偏移角度、電觸發(fā)電壓、電觸發(fā)超時(shí)時(shí)間進(jìn)行設(shè)置，其中為了使測(cè)試工作更高效，利用光電限位開關(guān)作為速度改變的基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置了拉力電機(jī)測(cè)試時(shí)的快進(jìn)速度與慢進(jìn)速度，電連接器在慢進(jìn)速度運(yùn)行狀態(tài)下分離。

圖6 手動(dòng)操作Fig.6 Manual operation diagram

圖7 位置調(diào)整Fig.7 Position adjustment diagram

圖8 參數(shù)設(shè)置界面Fig.8 Parameter settings interface

2.5 計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)試界面設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)采用虛擬儀器（LabVIEW）作為開發(fā)平臺(tái)，用其創(chuàng)建航天電連接器分離檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括自動(dòng)檢測(cè)、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、產(chǎn)品管理、統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（SPC）管理、歷史數(shù)據(jù)查詢5個(gè)窗口。其中自動(dòng)檢測(cè)界面可以完成對(duì)航天電連接器分離拉力、分離時(shí)間、分離速度，以及抓拍的分離過(guò)程圖像等性能參數(shù)的獲取工作。在點(diǎn)擊測(cè)試啟動(dòng)按鈕前，需要安裝固定好電連接器，待檢查無(wú)誤后，選擇電連接器分離方式，并根據(jù)實(shí)際測(cè)試需要填寫產(chǎn)品系列號(hào)、插頭型號(hào)、插座型號(hào)，其中分離圖像顯示欄可以以一定的幀率播放電連接器的分離過(guò)程圖像，并可以導(dǎo)出電連接器分離過(guò)程AVI影像視頻。自動(dòng)測(cè)試界面如圖9所示。

圖9 自動(dòng)測(cè)試界面Fig.9 Automatic test interface

3 結(jié)語(yǔ)

設(shè)備利用PLC控制系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)航天電連接器分離性能測(cè)試的自動(dòng)化控制。該P(yáng)LC控制系統(tǒng)運(yùn)行良好、可靠性高、操作方便，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，滿足了有效檢測(cè)航天電連接器分離過(guò)程的需要。該設(shè)備也可以改造應(yīng)用于測(cè)試其它型號(hào)電連接器，具有較高的推廣和使用價(jià)值。

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[2]王雯吉.分離脫落電連接器分離性能測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].浙江：浙江大學(xué)，2012.

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