張 帆，王天杰

（唐山學(xué)院 機(jī)電工程系，唐山 063000）

0 引言

近年來(lái)，室外健身器材得到了迅速發(fā)展，有力地推動(dòng)了全民健身運(yùn)動(dòng)[1,2]，產(chǎn)生了極大的社會(huì)效益。與此同時(shí)，公眾對(duì)室外健身器材質(zhì)量和安全性能的重視也日益提高。隨著室外健身器材新國(guó)標(biāo)的頒布，產(chǎn)品壽命和安全性能再次成為關(guān)注的重點(diǎn)，生產(chǎn)企業(yè)也將面臨更為嚴(yán)格的要求。作為室外健身器材的生產(chǎn)大國(guó)，我國(guó)不僅需要先進(jìn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，更要有相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)手段支持。因此，室外健身器材綜合檢測(cè)系統(tǒng)的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

本文設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)了一個(gè)室外健身器材綜合檢測(cè)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了疲勞性能測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試和沖擊試驗(yàn)項(xiàng)目。該系統(tǒng)以PLC為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制；以組態(tài)王為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控。針對(duì)疲勞性能測(cè)試耗時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)，充分考慮了測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。應(yīng)用激光位移傳感器，實(shí)現(xiàn)了非接觸式的沖擊變形量測(cè)量，有效保證了測(cè)量精度。

1 工作原理

疲勞性能是室外健身器材在正常或模擬使用狀態(tài)下所能達(dá)到的運(yùn)動(dòng)次數(shù)。不同類型器材應(yīng)符合的疲勞試驗(yàn)次數(shù)不同，一般為1030萬(wàn)次[3]。因此，疲勞性能測(cè)試是一個(gè)十分耗時(shí)的檢測(cè)項(xiàng)目。以單次連續(xù)運(yùn)行不少于4小時(shí)，間隔1小時(shí)，工作頻率約為1 Hz[3]計(jì)算，疲勞試驗(yàn)耗時(shí)為：

當(dāng)N＝30萬(wàn)次時(shí)，T＝104.2小時(shí)。實(shí)際上，若要獲得室外健身器材的最大疲勞試驗(yàn)次數(shù)，所需要的時(shí)間則可能會(huì)更長(zhǎng)。為此，確保PLC開(kāi)關(guān)量檢測(cè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期、準(zhǔn)確、有效地計(jì)數(shù)，是疲勞性能測(cè)試的關(guān)鍵。因此，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間tON、開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間tr、PLC掃描周期tc必須滿足：

穩(wěn)定性測(cè)試要在垂直于橫梁或主支架方向施以規(guī)定的水平拉力，并保持一定時(shí)間，并以無(wú)任何方向的傾斜、翻倒或較明顯的永久變形作為合格判定依據(jù)。為此，測(cè)試系統(tǒng)需要對(duì)水平拉力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。當(dāng)水平拉力到規(guī)定值，則啟動(dòng)PLC定時(shí)器，并保持拉力至定時(shí)結(jié)束。本文采用測(cè)力傳感器和精密放大器將力變換為420mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，并通過(guò)PLC模擬量輸入模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

沖擊試驗(yàn)是針對(duì)太空漫步機(jī)的附加項(xiàng)目。試驗(yàn)以從規(guī)定高度自由下落的檢驗(yàn)重錘沖擊踏板正中心，測(cè)量轉(zhuǎn)軸、擺桿和踏板的沖擊變形量。其中轉(zhuǎn)軸、擺桿的變形應(yīng)不超過(guò)1/200，踏板的變形應(yīng)不超過(guò)1/20[3]。本文采用激光位移傳感器分別測(cè)量轉(zhuǎn)軸、擺桿和踏板沖擊前后的位移變化量Ddi，則沖擊變形量可表示為：

其中Li為與轉(zhuǎn)軸、擺桿和踏板相關(guān)的幾何尺寸，di、di'分別為沖擊前后的位移值。

2 下位機(jī)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

疲勞測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)PLC的開(kāi)關(guān)量輸入實(shí)現(xiàn)疲勞計(jì)數(shù)。根據(jù)室外健身器材運(yùn)動(dòng)形式的不同，分為往復(fù)運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩類情況。前者通過(guò)磁性開(kāi)關(guān)完成信號(hào)檢測(cè)，后者通過(guò)電感式接近開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)，由PLC程序分別實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的上升沿計(jì)數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，可知PLC掃描周期小于2.3 ms。而回轉(zhuǎn)式器材的工作頻率小于10 Hz，因此采用電感式接近開(kāi)關(guān)可完全滿足回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)要求。

圖1 磁性開(kāi)關(guān)布置圖

對(duì)于往復(fù)運(yùn)動(dòng)式器材，磁性開(kāi)關(guān)布置在與活動(dòng)零部件運(yùn)動(dòng)垂直的方向。如圖1所示，其中1為轉(zhuǎn)軸，2為磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)，3為擺桿，l為傳感器與轉(zhuǎn)軸的距離。擺桿的運(yùn)動(dòng)為簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，則磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間tON滿足聯(lián)立方程：

因此，開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間為：

磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間tr≤2 ms，因此可認(rèn)為 tON＞＞ tr。由 PLC 掃描周期tc＜ 2.3 ms，可知完全滿足 tON＞2tc。

穩(wěn)定性測(cè)試采用LCS-S3力傳感器和RWPT01+放大器將力變換為420mA的電流信號(hào)，通過(guò)模擬量輸入模塊AD-041轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，實(shí)現(xiàn)對(duì)拉力的實(shí)時(shí)測(cè)量。其中力傳感器精度為0.03%，放大器精度為0.1%。AD-041分辨率為1/6000，精度為0.8%[4]。拉力控制[5]曲線如圖2所示，拉力從零線性增加到規(guī)定值FN。若取Dr＝t1/100，則線圖上加載段的拉力變化量Dr＝1%FN。為此取t1＝3s，則可得拉力信號(hào)的采樣間隔Dt＝30 ms。已知AD-041轉(zhuǎn)換時(shí)間為2ms/點(diǎn)，PLC掃描周期tc＜ 2.3 ms，因此完全滿足拉力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的要求。保持時(shí)間t2＝30s，采用100ms的PLC定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)要求，則定時(shí)誤差為：

圖2 拉力控制曲線

沖擊試驗(yàn)需要檢測(cè)轉(zhuǎn)軸、擺桿和踏板的變形，對(duì)于轉(zhuǎn)軸和擺桿，其尺寸范圍為100-1000mm，即Li[100, 1000]，因此，取di＝ 1/200，由式（3）可得沖擊前后允許的位移變化量為Ddi＝Lidi[0.5,5]mm。踏板的尺寸為260-300 mm，取di＝1/20，則沖擊前后允許的位移變化量Ddi小于15mm?？梢?jiàn)，轉(zhuǎn)軸允許的位移變化量最小。若取傳感器分辨率不超過(guò)轉(zhuǎn)軸允許的位移變化量的1%，可得：

因此，采用LM10激光位移傳感器測(cè)量沖擊前后的位移。激光測(cè)頭為L(zhǎng)M10-80-2，測(cè)量范圍80±20mm，分辨率4mm。該測(cè)頭與4-20mA 模擬量輸出的控制器連接，由PLC模擬量輸入模塊AD-041實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

疲勞測(cè)試軟件流程如圖3所示。首先，判斷是否為新檢測(cè)，若為新檢測(cè)，則清零相應(yīng)的PLC數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，設(shè)定循環(huán)測(cè)試次數(shù)，并啟動(dòng)設(shè)備。然后，程序進(jìn)入疲勞測(cè)試監(jiān)控循環(huán)，主要完成當(dāng)前測(cè)試?yán)塾?jì)運(yùn)動(dòng)次數(shù)、連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)間、健身器材工作頻率、剩余時(shí)間的更新顯示。否則，繼續(xù)上一次檢測(cè)，跳過(guò)數(shù)據(jù)清零與循環(huán)測(cè)試次數(shù)設(shè)定，直接啟動(dòng)設(shè)備，然后，程序進(jìn)入疲勞測(cè)試監(jiān)控循環(huán)。監(jiān)控循環(huán)的刷新速率為100ms。上位機(jī)通過(guò)Host Link通訊協(xié)議，獲取PLC采集的疲勞測(cè)試實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并以變量的形式在組態(tài)王程序中引用。疲勞測(cè)試的監(jiān)控循環(huán)，在主界面程序中實(shí)現(xiàn)。新檢測(cè)的判別至設(shè)備啟動(dòng)部分則既可由歡迎界面程序完成，又可由主界面程序?qū)崿F(xiàn)。

圖3 疲勞測(cè)試軟件流程圖

圖4 室外健身器材檢測(cè)系統(tǒng)歡迎界面

為計(jì)算疲勞測(cè)試的工作頻率，構(gòu)造一個(gè)長(zhǎng)度為10的隊(duì)列[6]Q，每隔10s將一個(gè)累計(jì)測(cè)試次數(shù)當(dāng)前值n放入Q中，隊(duì)列Q中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為k，則工作頻率f可表示為：

剩余時(shí)間tL可由工作頻率估算得到：

式中ng為設(shè)定的疲勞測(cè)試次數(shù)，ni為當(dāng)前累計(jì)測(cè)試次數(shù)。

穩(wěn)定性測(cè)試程序流程如圖5所示，主要是配合PLC，完成零點(diǎn)校正、量程校正，給定力FN設(shè)定及相應(yīng)整數(shù)目標(biāo)值DN的計(jì)算，被測(cè)力數(shù)值的實(shí)時(shí)計(jì)算和顯示。被測(cè)力的計(jì)算是將AD轉(zhuǎn)換獲得的整型數(shù)據(jù)變換為實(shí)數(shù)形式：

其中F為被測(cè)力實(shí)數(shù)數(shù)值，A為量程。D0、DFS、D分別為零點(diǎn)、滿量程和力為F時(shí)所對(duì)應(yīng)的整數(shù)。給定力FN對(duì)應(yīng)的整數(shù)目標(biāo)值DN為：

圖5 穩(wěn)定性測(cè)試程序流程圖

穩(wěn)定性測(cè)試，也在主界面程序中實(shí)現(xiàn)，顯示刷新速率為100ms。此外，在主界面上有開(kāi)始新檢測(cè)、繼續(xù)測(cè)試和退出按鈕，其中，開(kāi)始新檢測(cè)、繼續(xù)測(cè)試按鈕與歡迎界面中的相應(yīng)按鈕功能相同，只是為了方便操作。主界面上的沖擊檢測(cè)按鈕用于切換到?jīng)_擊試驗(yàn)界面，如圖6所示。顯示報(bào)告按鈕用于測(cè)試結(jié)果的格式輸出。

圖6 室外健身器材檢測(cè)系統(tǒng)主界面

沖擊試驗(yàn)監(jiān)控界面可分為3個(gè)功能區(qū)，最左上角為原始參數(shù)錄入?yún)^(qū)，即輸入與轉(zhuǎn)軸、擺桿和踏板相關(guān)的幾何尺寸L1、L2和L3。右邊為沖擊試驗(yàn)操作區(qū)，該區(qū)可分為3部分，上邊顯示位移當(dāng)前值，下邊左、右兩部分分別為沖擊試驗(yàn)前后的位移值，在沖擊前和沖擊后標(biāo)簽下，各有一個(gè)開(kāi)始檢測(cè)按鈕，分別實(shí)現(xiàn)沖擊試驗(yàn)前后的轉(zhuǎn)軸、擺桿和踏板的位移測(cè)量。界面的左下部用于檢測(cè)結(jié)果的顯示，其中顯示值的分母按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)范化，可直觀的反映沖擊變形量是否超差。

4 結(jié)論

1）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于PLC的室外健身器材綜合檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了疲勞測(cè)試、穩(wěn)定性測(cè)試和沖擊試驗(yàn)項(xiàng)目。

圖7 沖擊試驗(yàn)監(jiān)控界面

2）檢測(cè)系統(tǒng)符合新國(guó)標(biāo)要求，有效解決了檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和可靠性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了沖擊變形的非接觸測(cè)量，可用于室外健身器材的質(zhì)量評(píng)價(jià)。

[1] 謝林海, 彭小澍.我國(guó)全民健身活動(dòng)現(xiàn)狀及發(fā)展對(duì)策[J].體育與科學(xué), 2005, 26(6).

[2] 李蓉蓉.城市社區(qū)居民體育鍛煉, 組織與消費(fèi)狀況的研究-以北京市為研究個(gè)案[J].體育與科學(xué), 2011, 32(5).

[3] GB19272-2011.室外健身器材的安全通用要求[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2011.

[4] Omron, CPM1A-AD041 Operating Manual[M], Omron Corporation, 2004.

[5] 張帆, 張鐳.金屬帶軋機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].制造業(yè)自動(dòng)化, 2009, 31(7).

[6] 嚴(yán)蔚敏, 吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[M].北京: 清華大學(xué)出版社,2002.