韓慧彥

（山西省財政科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

引言

操作桿及力傳感器是將操作者力反饋給控制系統(tǒng)的重要部件，其性能影響電傳系統(tǒng)的可靠性，其中疲勞耐久性試驗是必不可少的試驗之一。由于操作桿及傳感器部件因使用工況不同種類繁多，形狀各異，針對該類部件和試驗傳感器的疲勞試驗機也就各有所需[1]。目前，常用的耐久試驗根據(jù)動力不同主要有電機驅(qū)動加載、氣動驅(qū)動加載和液壓驅(qū)動加載三種方式，取決于系統(tǒng)的壓力、頻率、精度及經(jīng)濟性等因素，因此非標(biāo)耐久試驗裝置是各類加載裝置的設(shè)計主流。設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、易于操作、適用廣泛的試驗裝置[2]，已成為耐久性試驗機需求主流。

本文結(jié)合某類操作桿及傳感器部件功能性和耐久性試驗需求，從系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)組成、控制軟件等方面進行詳細設(shè)計，并進行功能驗證，設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全、安全可靠的試驗裝置，為操作桿類部件耐久性試驗提供參考依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成

試驗裝置應(yīng)滿足操縱桿及傳感器功能性試驗和耐久試驗要求，該試驗裝置包含機械裝置、氣動系統(tǒng)和電控系統(tǒng)三部分組成。機械裝置為試驗提供安裝工裝、臺架和機械接口，為試驗裝置基礎(chǔ)部分；氣動系統(tǒng)為試驗裝置提供動力、施載壓力和疲勞動作等，為系統(tǒng)的動力部分；電氣系統(tǒng)控制氣動裝置完成相應(yīng)功能，并將參數(shù)進行顯示、處理和存儲等，為系統(tǒng)控制部分。三者協(xié)調(diào)完成操作桿功能試驗和疲勞耐久試驗。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

試驗工件即操作桿及力傳感器部件通過工裝安裝到試驗臺架后，電氣系統(tǒng)上電，通過觸摸屏操作控制電磁閥給空壓機供電，待系統(tǒng)壓力達到設(shè)定壓力后，手動調(diào)節(jié)表顯式調(diào)壓閥，使系統(tǒng)滿足試驗壓力，此時可通過觸摸屏操作按鈕對控制氣缸加載，氣缸與試驗件安裝有壓力傳感器，可采集加載壓力。氣缸運動到位后其限位開關(guān)狀態(tài)改變，PLC檢測到后控制換向閥換向，氣缸回程，完成一次操作桿加載試驗。在操作桿前推、后拉、左右側(cè)各布置一套加載氣缸，完成操作桿推拉力及側(cè)向載荷的模擬。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機械裝置設(shè)計

試驗裝置機械部分包括安裝有測試操作桿工裝、臺架和機械氣動接口等。工裝可將操作桿及傳感器安裝在臺架工作臺上，由氣缸進行加載，并可根據(jù)型號不同更換工裝以適應(yīng)不同類型操縱桿。臺架為箱體式結(jié)構(gòu)，頂部安裝有操作箱，底部有安裝板，布置有電氣系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)，為系統(tǒng)提供支撐。箱體采用雙開門的結(jié)構(gòu)形式，可方便電氣系統(tǒng)和氣動系統(tǒng)的維護。操作箱上布置有觸摸屏和操作面板，面板有急停按鈕、PLC系統(tǒng)上電指示燈、旋轉(zhuǎn)按鈕，觸摸屏安裝高度基本與人面部等高，符合人體學(xué)設(shè)計。

2.2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

電氣控制系統(tǒng)分為執(zhí)行層、控制層及配電系統(tǒng)，其中執(zhí)行層包括各氣缸及磁環(huán)傳感器、電磁閥；控制層包括控制器、現(xiàn)場操作按鈕盒、按鈕開關(guān)、急停及觸摸式操作面板；配電系統(tǒng)主要包括小型塑殼斷路器、中間繼電器及電源模塊等電氣元件。電氣系統(tǒng)控制氣動系統(tǒng)為操作桿及傳感器部件施加載荷，通過傳感器將采集數(shù)據(jù)信息顯示和存儲，采用西門子S7-200 Smart作為系統(tǒng)主要控制器，與觸摸屏以以太網(wǎng)形式通信[3-5]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。操作桿四個方向布置有加載氣缸，氣缸等高安裝，氣缸兩個極限位置安裝有磁環(huán)傳感器，可采集氣缸內(nèi)活塞位置并傳給PLC，由PLC判定氣缸位置，控制換向電磁閥動作，完成操作桿及傳感器往復(fù)一次加載。系統(tǒng)根據(jù)廠家試驗要求從四個方向進行加載，加載力由氣動系統(tǒng)保證，由PLC實現(xiàn)加載順序邏輯和加載時間控制。通過繼電器控制空壓機的通斷，系統(tǒng)配置觸摸屏完成系統(tǒng)操作并顯示壓力、加載力、加載次數(shù)等系統(tǒng)參數(shù)，觸摸屏與西門子Smart PLC以太網(wǎng)方式進行通信。壓力傳感器采集氣缸加載力的大小，根據(jù)需求可手動調(diào)節(jié)數(shù)顯調(diào)壓閥進而通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)氣壓方式更改加載力的大小，傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過西門子模擬量擴展模塊EM AE04進入PLC，由PLC進行計算，通過觸摸屏進行顯示。PLC控制兩位三通換向閥更改氣路對氣缸換向，實現(xiàn)加載氣缸的往復(fù)運動控制。

2.3 氣動系統(tǒng)設(shè)計

試驗裝置采用氣動為系統(tǒng)加載，其組成原理如圖3所示。氣動系統(tǒng)包括空氣壓縮機、氣動三聯(lián)件、表顯式調(diào)壓閥、電磁換向閥、出口節(jié)流閥、加載氣缸及附件等?？諌簷C經(jīng)氣動三聯(lián)件后，由調(diào)壓閥、電磁換向閥后進入加載氣缸，調(diào)壓閥上帶有數(shù)顯式壓力表，可實時顯示系統(tǒng)壓力。電磁換向閥為兩位三通閥，控制加載氣缸的往復(fù)運動，在氣缸回程回路布置節(jié)流閥，可手動調(diào)節(jié)加載氣缸的運動速度，較少對操縱桿及傳感器部件的沖擊。

系統(tǒng)開機后，由控制系統(tǒng)通過繼電器對空壓機上電，空壓機到達設(shè)定最大壓力值后自動停機保護。通過手動調(diào)壓閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并通過觸摸屏控制某號缸單次加載和卸載，此時實時觀察觸摸屏上系統(tǒng)壓力，并不斷調(diào)節(jié)調(diào)壓閥壓力，待系統(tǒng)達到試驗要求壓力和加載力后停止調(diào)節(jié)，可啟動系統(tǒng)試驗。試驗開始后，電控系統(tǒng)通過氣缸磁環(huán)傳感器和電磁換向閥實現(xiàn)加載力的往復(fù)加載，根據(jù)需求手動調(diào)節(jié)出口節(jié)流閥，調(diào)節(jié)系統(tǒng)加載速度。

2.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

2.4.1 程序設(shè)計

電控系統(tǒng)設(shè)計主程序和子程序，完成操縱桿功能試驗和疲勞耐久試驗。其中耐久試驗流程如圖4所示。進入疲勞試驗選擇界面后，選擇疲勞試驗，系統(tǒng)按1、2、3、4順序進行加載。先是推出1號缸加載，判定其極限開關(guān)動作后推出2號缸，并同時收回1號缸，判定2號缸推出磁環(huán)動作和1號缸收回磁環(huán)動作后，推出3號缸加載收回2號缸，其磁環(huán)動作后，推出4號缸加載收回3號缸，4號缸磁環(huán)動作后，耐久試驗計數(shù)器加1，完成一次循環(huán)，再次推出一號缸加載，進行耐久試驗。

主程序采用循環(huán)掃描的方式自上而下從左至右進行，并調(diào)用子程序。主程序完成參數(shù)的初始化、PLC的I/O端口自檢和存儲器的復(fù)位。參數(shù)的初始化主要完成相關(guān)參數(shù)的初值設(shè)置，如以太網(wǎng)、定時器初值設(shè)定等；存儲器復(fù)位完成系統(tǒng)開始運行前清除程序所使用中間寄存器中的數(shù)值，如M寄存器和V寄存器，防止上次運行后某位處于不確定的狀態(tài)而引起誤動作。I/O可通過置位、復(fù)位的方式對PLC相關(guān)管腳進行檢查，以查詢I/O口是否良好。子程序完成加載缸的自動控制和手動控制，并將狀態(tài)參數(shù)實時顯示。

2.4.2 人機交互界面設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計觸摸式操作面板實現(xiàn)人機交互，設(shè)計了選擇主界面和二級界面。二級界面包含氣泵控制、手動控制、自動控制三個控制方式；并包含疲勞參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定等操作界面，如圖5所示。其中疲勞參數(shù)為斷電保持型數(shù)據(jù)，清零設(shè)定如圖6所示，可清除耐久試驗次數(shù)。

主界面為開機后顯示界面，提供二級控制界面選擇界面，可通過虛擬按鈕打開二級界面。氣泵控制界面主要提供氣泵的通斷控制和狀態(tài)顯示，實現(xiàn)空氣壓縮機的上電控制，提高空壓機的安全性和可靠性。手動控制界面主要提供4個加載缸的同時回零點、同時加載及單個缸的點動單向控制，滿足操作桿及傳感器部件單次加載的功能需求，同時在調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力和缸加載力時為系統(tǒng)提供手動方式。自動控制為系統(tǒng)耐久性試驗操作界面，提供氣缸回零點、實施加載、疲勞開始、疲勞暫停和疲勞停止等按鈕，并實時顯示系統(tǒng)的加載力、加載次數(shù)、缸的當(dāng)前狀態(tài)等信息。

系統(tǒng)上電后，先進入選擇主界面，選擇氣泵控制界面，通過虛擬按鈕接通氣泵電源，壓力穩(wěn)定后，返回主界面選擇進入手動控制界面，此時手動調(diào)節(jié)某回路的數(shù)顯式調(diào)壓閥，通過手動控制界面控制該回路氣缸加載和卸載，實時觀察界面內(nèi)加載力的大小，并不斷調(diào)節(jié)調(diào)壓閥且手動往復(fù)加載氣缸，直到該回路加載力達到試驗規(guī)定值，虛擬按鈕控制該回路復(fù)位；同理調(diào)節(jié)其他回路加載力達到試驗規(guī)定值后退出手動控制界面返回主界面。選擇自動控制界面，啟動疲勞耐久試驗，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定邏輯依次對各氣缸進行加載?？赏ㄟ^虛擬暫停和停止按鈕對耐久試驗進行暫停和終止，其中停止按鈕是在一個加載周期完成后才能停止，暫停操作按鈕是讓加載缸停留在當(dāng)前狀態(tài)。耐久試驗次數(shù)較多、時間較長，設(shè)計其試驗次數(shù)為斷電保持型數(shù)據(jù)，保證因系統(tǒng)突然斷電或者系統(tǒng)關(guān)機后該耐久試驗次數(shù)數(shù)據(jù)的存儲和記憶功能。為防止該數(shù)據(jù)因誤操作清除給試驗過程帶來經(jīng)濟損失，設(shè)置數(shù)據(jù)清零確定功能，由操作者根據(jù)需求對該參數(shù)清零。清零時會彈出提示框，確認清除后系統(tǒng)將該參數(shù)清零處理。

3 現(xiàn)場調(diào)試

試驗設(shè)備在中航某企業(yè)進行了功能性試驗和耐久性試驗，符合性分析后滿足設(shè)計要求，達到預(yù)期效果?，F(xiàn)場圖如圖7所示。試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計試驗裝置滿足企業(yè)某型號工件試驗大綱要求，完成了某操作桿和傳感器部件功能性和耐久性試驗，試驗裝置功能齊全、系統(tǒng)可靠運行，試驗數(shù)據(jù)符合要求，取得了較好的效果。

4 結(jié)語

本設(shè)計操作桿及傳感器部件功能性和疲勞耐久試驗的試驗裝備，對機械裝置、氣動系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)進行了詳細設(shè)計，并設(shè)計了良好的人機交互界面，可以對操作桿及傳感器部件進行功能性驗證和耐久性試驗，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，取得較好的效果。試驗裝置可為操作桿類傳感器部件功能和耐久性試驗提供思路和實現(xiàn)方法。