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(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620)

0 引言

直線扳動(dòng)航空開關(guān)是一種重要的航空元器件，廣泛應(yīng)用于航空領(lǐng)域中駕駛艙、控制臺(tái)和輔助控制面板等方面，實(shí)現(xiàn)電路的接通或斷開。扳動(dòng)開關(guān)對(duì)控制電路以及控制系統(tǒng)正確動(dòng)作起著非常重要的作用，出廠前必須對(duì)開關(guān)的接觸電阻、疲勞壽命等性能參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。目前對(duì)開關(guān)進(jìn)行疲勞壽命測(cè)試主要以按壓式開關(guān)為主，蔣媛媛[1]針對(duì)按鈕型低壓開關(guān)設(shè)計(jì)了機(jī)械執(zhí)行裝置，基于labview和PLC開發(fā)了測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了該類型開關(guān)的疲勞壽命測(cè)試。龍林[2]等基于工控機(jī)和PLC開發(fā)了接近開關(guān)操作頻率智能測(cè)試平臺(tái)，對(duì)接近開關(guān)的響應(yīng)頻率進(jìn)行測(cè)試。張海濤[3]等從電路、機(jī)械結(jié)構(gòu)、軟件等方面入手，設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)工具開關(guān)壽命測(cè)試系統(tǒng)。唐靜[4]設(shè)計(jì)了一種鍵盤開關(guān)壽命試驗(yàn)機(jī)，模擬手指按壓鍵盤開關(guān)的操作狀態(tài)，測(cè)試開關(guān)的真實(shí)壽命。

國(guó)內(nèi)針對(duì)直線往復(fù)扳動(dòng)的航空開關(guān)測(cè)試系統(tǒng)較少，現(xiàn)有少量的疲勞測(cè)試系統(tǒng)普遍存在著功能單一、自動(dòng)化程度低、通用性差等不足，數(shù)據(jù)的測(cè)量和記錄大多依靠人工，效率低、工作強(qiáng)度大，直接影響著測(cè)試效率和精度。本文在分析直線扳動(dòng)航空開關(guān)測(cè)試原理和規(guī)范基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)控系統(tǒng)和測(cè)試軟件等設(shè)計(jì)和開發(fā)，研制一種穩(wěn)定可靠、自動(dòng)化程度高的測(cè)試系統(tǒng)，為我國(guó)航空電器開關(guān)測(cè)試提供一種有效、可靠、高效的測(cè)試系統(tǒng)。

1 測(cè)試原理和規(guī)范

航空開關(guān)外形示意如圖1所示，其中內(nèi)部機(jī)構(gòu)由開關(guān)手柄、自動(dòng)回彈的彈簧和觸點(diǎn)等部分組成。當(dāng)開關(guān)手柄處于中間時(shí)，表示為斷開狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)手柄向前端“ON”位置扳動(dòng)時(shí)，表示為接通狀態(tài)；當(dāng)開關(guān)手柄向后端“OFF”位置扳動(dòng)時(shí)，表示為停止?fàn)顟B(tài)。開關(guān)底部有若干接線端子，用于連接固定電路電纜。測(cè)試原理比較簡(jiǎn)單，把開關(guān)接入測(cè)試回路，測(cè)量接通時(shí)開關(guān)兩端的電壓降，由于測(cè)試回路的電流是已知固定的，這時(shí)可以計(jì)算出開關(guān)的接觸電阻，因此開關(guān)兩端的電壓降是最主要的測(cè)試參數(shù)。測(cè)試規(guī)范也比較簡(jiǎn)明，就是以一定頻率扳動(dòng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的接通/斷開，測(cè)量開關(guān)接通時(shí)兩端電壓降信號(hào)，在規(guī)定的測(cè)試次數(shù)內(nèi)，如果電壓降大于測(cè)試規(guī)范規(guī)定的數(shù)值，就可判定該被測(cè)開關(guān)已失效，這時(shí)報(bào)警或停止測(cè)試。

圖1 開關(guān)外形示意

根據(jù)測(cè)試原理和規(guī)范，可以看出整個(gè)開關(guān)疲勞測(cè)試系統(tǒng)要有機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和測(cè)控兩部分組成，其中機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主要功能是按照一定的頻率，模擬人工自動(dòng)扳動(dòng)開關(guān)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的接通/斷開；測(cè)控部分的主要功能是自動(dòng)采集開關(guān)接通時(shí)兩端的電壓降信號(hào)，同時(shí)按要求控制機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作頻率，調(diào)整開關(guān)接通/斷開的頻率，并同時(shí)對(duì)開關(guān)測(cè)試次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2 機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用solidworks設(shè)計(jì)，主要由框架、驅(qū)動(dòng)、推桿、撥叉、開關(guān)安裝板、電機(jī)及減速器等組成，其中電機(jī)和減速器為特殊定制，能在-60～ +90 ℃溫度范圍能正常工作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維裝配如圖2所示。撥叉和推桿之間通過(guò)鉸鏈連接，為保護(hù)開關(guān)手柄，用尼龍加工成半圓形狀，并把該尼龍半圓安裝在推桿最前端。開關(guān)安裝板有5個(gè)工位，可同時(shí)測(cè)試5個(gè)同類型開關(guān)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，開關(guān)測(cè)試頻率5～20次/分鐘，即開關(guān)每分鐘閉合5～20次，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000轉(zhuǎn)/分鐘，減速器輸出的額定轉(zhuǎn)速為20轉(zhuǎn)/分鐘，通過(guò)控制電壓調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)減速器減速后實(shí)現(xiàn)5-20轉(zhuǎn)/分鐘。通過(guò)離合器帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主軸旋轉(zhuǎn)，根據(jù)開關(guān)扳動(dòng)行程，設(shè)計(jì)凸輪的壓力角和外形輪廓，并把設(shè)計(jì)的凸輪安裝在主軸上，通過(guò)凸輪機(jī)構(gòu)將主軸轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成撥叉擺動(dòng)，帶動(dòng)推桿前后水平移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)的撥動(dòng)和復(fù)位。

圖2 機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)三維圖

3 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)主要由工控機(jī)、可編程直流電源、數(shù)據(jù)采集卡、直流電機(jī)、自研調(diào)理電路板等組成，如圖3所示。其中工控機(jī)為控制核心，通過(guò)RS232通訊方式控制程控電源的輸出， 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)減速器后驅(qū)動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的閉合或斷開。數(shù)據(jù)采集卡采用凌華PCI-9114多功能板卡，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)兩端電壓降信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離放大后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，同時(shí)開關(guān)閉合/斷開的動(dòng)作經(jīng)過(guò)調(diào)理電路板處理后變成方波信號(hào)，作為計(jì)數(shù)觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)測(cè)試的計(jì)數(shù)。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)框圖

根據(jù)委托單位測(cè)試規(guī)范，原開關(guān)疲勞壽命測(cè)試回路較簡(jiǎn)單，由27 V/15 A的穩(wěn)壓電源、模擬負(fù)載R和被測(cè)開關(guān)組成，如圖4中的虛線框所示。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)回路中15 A的電流通過(guò)開關(guān)，考慮開關(guān)的接觸電阻，這時(shí)開關(guān)兩端有幾毫伏到幾十毫伏的電壓降。測(cè)試人員根據(jù)開關(guān)總閉合次數(shù)和每分鐘閉合次數(shù)，可以估算出完成一次疲勞壽命測(cè)試所需的時(shí)間，例如總次數(shù)為8 000次，開關(guān)閉合10次/分鐘，則完成該開關(guān)的疲勞測(cè)試需要800分鐘，經(jīng)過(guò)800分鐘后測(cè)試人員用毫伏表測(cè)量開關(guān)閉合時(shí)兩端的電壓降，如果該電壓降大于某一設(shè)定閾值，則判定開關(guān)失效。這種測(cè)試方法主要弊端有：1)計(jì)算和測(cè)量完全依靠人工，工作強(qiáng)度大；2)測(cè)試過(guò)程數(shù)據(jù)沒(méi)有記錄和保存；3)開關(guān)測(cè)試次數(shù)不精確，測(cè)試過(guò)程中由于電壓波動(dòng)等因素，開關(guān)每分鐘閉合次數(shù)并不恒定，按總時(shí)間估算得到的開關(guān)閉合總次數(shù)并不精確；4)有的開關(guān)沒(méi)有達(dá)到設(shè)定測(cè)試次數(shù)之前就失效了，這時(shí)再按設(shè)定次數(shù)繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試就是一種浪費(fèi)，沒(méi)有必要繼續(xù)往下測(cè)試。

當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，電源的27 V電壓就加在開關(guān)兩端，這時(shí)開關(guān)兩端的電壓降就是電源電壓27 V。一般的模擬信號(hào)采集卡最大輸入范圍為-10～+10 V，如果把27 V直接加在采集卡輸入端，則會(huì)損壞采集卡。因此，需要設(shè)計(jì)電流檢測(cè)和采樣觸發(fā)電路，當(dāng)測(cè)試回路中有電流通過(guò)時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)通知數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)采樣。系統(tǒng)測(cè)控原理如圖4所示，在測(cè)試回路中串入電流檢測(cè)傳感器(該傳感器的內(nèi)阻很小，一般為0.01或0.001歐姆，對(duì)測(cè)試回路的電流影響很小)，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)測(cè)試回路有電流，這時(shí)電流傳感器檢測(cè)到電流，經(jīng)調(diào)理電路處理后變成高電平；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)測(cè)試回路無(wú)電流，這時(shí)電流傳感器檢測(cè)不到電流，經(jīng)調(diào)理電路處理后變成低電平。這時(shí)開關(guān)的閉合/斷開動(dòng)作變成高低電平信號(hào)，該信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)控制采樣通道上模擬電子開關(guān)的閉合/斷開，閉合時(shí)開關(guān)兩端的電壓降信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離放大處理電路變成0-10 V的信號(hào)，進(jìn)入模擬信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡；斷開時(shí)被測(cè)開關(guān)兩端27 V的電壓降就不會(huì)加到數(shù)據(jù)采集卡上，這樣就達(dá)到保護(hù)采集卡的目的。該信號(hào)作為A/D采樣啟動(dòng)信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到上升沿(電平由低到高)時(shí)，說(shuō)明這時(shí)被測(cè)開關(guān)閉合，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行開關(guān)兩端電壓降信號(hào)的采集。同時(shí)該信號(hào)作為計(jì)數(shù)信號(hào)，對(duì)開關(guān)閉合次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖4 測(cè)控原理

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

開關(guān)疲勞壽命測(cè)試系統(tǒng)采用模塊化編程思想，從用戶所需功能出發(fā)，測(cè)試軟件按功能模塊劃分為：電機(jī)控制模塊、計(jì)數(shù)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、圖形顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等，各模塊功能如下：

1)電機(jī)控制模塊，按照程控電源的通信協(xié)議，通過(guò)RS232和程控電源通信，改變程控電源的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，從而滿足開關(guān)測(cè)試頻率的需求。

2)計(jì)數(shù)模塊，根據(jù)觸發(fā)信號(hào)對(duì)開關(guān)測(cè)試次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，開關(guān)每扳動(dòng)一次，實(shí)現(xiàn)一次計(jì)數(shù)，在對(duì)應(yīng)位置顯示開關(guān)總測(cè)試次數(shù)，當(dāng)測(cè)試次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)定次數(shù)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)。

3)數(shù)據(jù)采集模塊，根據(jù)觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D采樣，采集開關(guān)兩端電壓降信號(hào)，并在對(duì)應(yīng)位置顯示電壓降數(shù)據(jù)。

4)圖形顯示模塊，將采集到的開關(guān)兩端電壓降數(shù)據(jù)畫成折線圖顯示在軟件界面相應(yīng)區(qū)域，同時(shí)隨著數(shù)據(jù)增加，折線圖自動(dòng)移動(dòng)，方便用戶查看。

5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，將采集到的開關(guān)兩端電壓降數(shù)據(jù)保存到Excel文檔中，方便用戶查看以及后續(xù)研究。

軟件采用Labview進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，其中數(shù)據(jù)采集模塊的程序框圖如圖5所示，測(cè)試系統(tǒng)的軟件界面如圖6所示，圖中電機(jī)控制欄目負(fù)責(zé)和程控電源通信；開關(guān)選擇欄目選擇測(cè)試開關(guān)的種類；測(cè)試頻率欄目設(shè)置開關(guān)測(cè)試頻率；壓降閾值設(shè)置開關(guān)電壓降的閾值，當(dāng)開關(guān)電壓降大于等于該閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警或停機(jī)；測(cè)試次數(shù)欄目設(shè)置開關(guān)總測(cè)試次數(shù)，當(dāng)被測(cè)開關(guān)測(cè)試次數(shù)大于等于該值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)；開關(guān)1至開關(guān)5表示開關(guān)安裝板上的5個(gè)被測(cè)開關(guān)，每個(gè)開關(guān)的壓降、測(cè)試次數(shù)、壓降最大值、壓降平均值等信息都可顯示，同時(shí)測(cè)試壓降值以折線圖形式實(shí)時(shí)顯示。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊

圖6 測(cè)試系統(tǒng)軟件界面

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

開關(guān)疲勞測(cè)試系統(tǒng)由控制柜和機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成，兩者之間通過(guò)電纜連接。按照委托單位的驗(yàn)收大綱和驗(yàn)收規(guī)范，對(duì)開關(guān)疲勞測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

1)高低溫測(cè)試，把機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)放入高低溫箱，分別在-60 ℃和+90 ℃環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行，執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)故障，能正常連續(xù)運(yùn)行；

2)頻率測(cè)試，通過(guò)RS232通信，在上位機(jī)界面調(diào)整程控電源的輸出，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，調(diào)整開關(guān)的撥動(dòng)頻率，單位時(shí)間內(nèi)誤差小于委托單位要求；

3)計(jì)數(shù)測(cè)試，開關(guān)每扳動(dòng)一次，計(jì)數(shù)能自動(dòng)加1，沒(méi)有誤差，設(shè)定測(cè)試次數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到設(shè)定次數(shù)時(shí)，機(jī)械執(zhí)行裝置自動(dòng)停機(jī)；

4)數(shù)據(jù)采集測(cè)試，開關(guān)每次閉合時(shí)系統(tǒng)能自動(dòng)采集開關(guān)兩端的電壓信號(hào)，同時(shí)用毫伏表人工測(cè)量開關(guān)兩端的電壓，兩個(gè)電壓的之間的差值小于委托單位的要求；

5)折線圖自動(dòng)顯示測(cè)試，觀察電壓降測(cè)量結(jié)果，每次測(cè)量結(jié)果都能在圖形顯示區(qū)域?qū)?yīng)位置自動(dòng)生成一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)之間通過(guò)直線自動(dòng)連接，隨著數(shù)據(jù)點(diǎn)的增加，折線圖自動(dòng)向前移動(dòng)；

6)數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)試，打開相應(yīng)的Excel文件，可以看到每次測(cè)量數(shù)據(jù)都保存下來(lái)了，且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。

測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)在低溫、常溫、高溫環(huán)境下都能連續(xù)可靠運(yùn)行，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)開關(guān)的往復(fù)穩(wěn)定撥動(dòng)，在電壓降信號(hào)采集、開關(guān)扳動(dòng)計(jì)數(shù)、測(cè)試頻率控制等方面準(zhǔn)確，人機(jī)交互界面友好，操作方便。

6 結(jié)束語(yǔ)

該測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)了委托單位測(cè)試中心的驗(yàn)收并交付使用，使用效果良好。該壽命測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)極大地提高了測(cè)試效率和精度，減輕了測(cè)試人員的工作強(qiáng)度，為開關(guān)的出廠檢驗(yàn)提供了科學(xué)依據(jù)，同時(shí)為相關(guān)航空開關(guān)的疲勞測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了參考和借鑒。

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