陳碩，方曉樂，檀叢嘯

(福州大學 機械工程及自動化學院, 福建 福州 350116)

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柱塞式限位開關參數(shù)測試系統(tǒng)的研制

陳碩，方曉樂，檀叢嘯

(福州大學 機械工程及自動化學院, 福建 福州 350116)

摘要：以虛擬儀器技術為核心，結合數(shù)據(jù)采集模塊、伺服控制模塊，設計了柱塞式限位開關參數(shù)測試系統(tǒng)，實現(xiàn)產品的接觸電阻、荷重、位移的測試,并能根據(jù)測試結果自動判別產品合格與否?，F(xiàn)場實驗表明，該測試系統(tǒng)性能穩(wěn)定，工作可靠，測試精度高。

關鍵詞：限位開關；測試系統(tǒng)；虛擬儀器

0引言

限位開關，又稱行程開關，是一種常用的主令電器，通常利用機械部件碰撞其觸頭來實現(xiàn)電路的通斷，以達到相應的控制目的，廣泛用于工業(yè)生產、航空航天和醫(yī)療器械等領域。

柱塞式限位開關主要檢測的參數(shù)有：接觸電阻(CA)、動作力(OF)、釋放力(RF)、動作行程(OT)、釋放行程(RT)、全行程(TT)等[1]。目前，生產商對限位開關參數(shù)的檢驗一般是通過手工測量，將待測驗的限位開關用不同測試儀器測量。這種測量方式工序多、過程復雜，需要熟練的操作人員，主觀因素影響大，并且效率低，不能滿足大批量生產的產品合格檢驗要求。

虛擬儀器技術是計算機與測試技術相結合的產物[2]，已廣泛應用于各種測試系統(tǒng)中，既節(jié)約成本，又使系統(tǒng)功能更加靈活。

本文介紹了一種基于虛擬儀器技術的柱塞式限位開關參數(shù)智能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對柱塞式限位開關出廠前的各項參數(shù)進行測試并進行篩選。操作人員只要將限位開關固定在專用夾具上，按下啟動鍵,即可實現(xiàn)自動檢測。通過計算機實時顯示測試過程，具有較好的人機界面。該測試系統(tǒng)自動化程度高，重復性好，準確度高，可降低勞動強度，提高生產效率，提高產品檢驗的穩(wěn)定性和可靠性。該成果可彌補國內限位開關產品自動化檢測專用儀表的缺失，具有較高的應用價值。

1系統(tǒng)總體設計

本測量系統(tǒng)以兩對觸點的柱塞式限位開關為研究對象，通過對其機械結構、動作原理、特性參數(shù)的分析研究，提出了以伺服電機為機構動作原動力、以線性模組為傳動機構，帶動傳感器觸頭動作的設計方案，測試裝置如圖1所示。本系統(tǒng)采用臥式安裝，精密荷重傳感器安裝于線性模組滑塊上，能實現(xiàn)左右移動?；雷笥曳謩e安裝行程限位開關S1和S2。測試時，將待測開關固定在專用夾具上，電機旋轉帶動滑塊上荷重傳感器以設定的速度向右移動，傳感器觸頭按壓被測開關并返回，同時完成數(shù)據(jù)采集、曲線繪制以及報表生成。

1—伺服電機；2—聯(lián)軸器；3—左限位開關；4—荷重傳感器；5—線性模組；6—右限位開關；7—被測開關圖1　測試裝置示意圖

本系統(tǒng)主要由PC機、數(shù)據(jù)采集模塊、測試單元模塊、伺服電機運動控制模塊和機械部分組成，系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)結構框圖

根據(jù)用戶的需求，本系統(tǒng)滿足以下技術指標：

1) 位移，精度±0.4mm，量程為：0～100mm；

2) 荷重，精度±0.2N，量程為：0～80N；

3) 接觸電阻，精度±1mΩ，量程為：25～250mΩ。

4) 測試速度：0～100mm/min

2系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)需要采集6路模擬輸入信號和12路數(shù)字輸入信號，模擬輸入信號包括位移(1路)、荷重(1路)、觸點彈跳(2路)、接觸電阻(2路)，數(shù)字輸入信號由控制面板按鍵輸入信號(9路)和監(jiān)測信號(3路)組成。本系統(tǒng)所選用多功能數(shù)據(jù)采集卡，具有16路模擬量輸入通道、100k/s采樣速率，用戶可通過編程對采樣方式、采樣范圍和采樣頻率進行設置。另外該數(shù)據(jù)采集卡還有24路可編程DI/O通道，可用于控制面板按鍵信號和監(jiān)測信號的采集。

2.1　位移測量

(1)

若采樣頻率fs取10kHz，則采樣頻率和信號最高頻率比值N為：

(2)

式(2)表明fs取10kHz完全滿足工程上對信號采樣的要求。

系統(tǒng)發(fā)出的控制信號通過串口傳給伺服驅動器，控制伺服電機動作。光電編碼器輸出信號反饋給伺服驅動器以控制轉速，同時反饋到數(shù)據(jù)采集卡用于計算位移。由于編碼器與絲杠通過聯(lián)軸器同軸連接，電機帶動絲杠每旋轉一圈，絲桿左移或右移一個導程，編碼器對應輸出2500個脈沖。因此：

(3)

式中，R為分辨率，S為導程，系統(tǒng)理論位移最小分辨率0.002mm。

2.2　荷重測量

柱塞式限位開關荷重測量是本系統(tǒng)最基本的測試項目之一。本系統(tǒng)采用壓阻式拉壓傳感器，量程0～100N，精度0.1%。測試原理圖如圖3所示。

圖3　荷重測量原理圖

傳感器加載后，其輸出信號通過屏蔽電纜輸入前置放大器，放大后的信號一路送入數(shù)據(jù)采集卡進行荷重采集，一路送入比較器完成荷重保護。為提高荷重測試的精度和抗干擾能力，本系統(tǒng)采取如下措施：1) 選用具有較強共模抑制能力的放大器且將其置于距傳感器較近處，減小導線引入的干擾；2) 在采集卡接線端子處使用去耦濾波電路，減少信號在送入采集卡前的干擾；3) 傳感器激勵電源使用采集卡自帶的穩(wěn)壓電源，以減少測量誤差；4) 選用高阻抗比較器芯片，盡可能避免信號分流造成的信號衰減。另外，當傳感器產生零點漂移時，可以通過放大器進行調節(jié)。

荷重保護主要是為了防止傳感器過載給傳感器本身帶來的損壞，當荷重傳感器過載時，自動停止測試，待過載消除后，系統(tǒng)才能恢復正常運行。為確保荷重保護的實時性，將比較器輸出的結果直接輸入伺服驅動器的急停信號輸入端，一旦檢測到急停信號，立即無條件停止伺服電機。參考電壓使用可控精密穩(wěn)壓源芯片TL431，確保荷重保護的可靠性。

2.3　觸點彈跳測量

觸點彈跳是指動靜觸點的閉合接觸動作從初始接觸到接觸靜止之間的整個過程[1]。根據(jù)國家微動開關通用規(guī)范，觸點彈跳測試原理如圖4所示。為提高觸點彈跳檢測的精度，本系統(tǒng)使用高精度穩(wěn)壓源，并在電路中使用大容量電容減小頻繁啟閉對電路造成的沖擊，另外使用精密高阻值電阻減少電路對觸點彈跳測量的干擾。

圖4　觸點彈跳測量原理圖

2.4　接觸電阻測量

限位開關觸點的接觸電阻一般是mΩ姆級別，接觸電阻的測量方法有多種[4],本系統(tǒng)對開關觸點采用的是四線制凱爾文測試方法，其原理圖如圖5所示。

圖5　四線制測接觸電阻原理圖

由恒流源提供恒定的電流(本系統(tǒng)設計為100mA)給限位開關觸點，從開關觸點處直接引線將觸點電壓送入高精度低噪聲放大器，最后送入數(shù)據(jù)采集卡。限位開關觸點電阻一般很小(200mW以內)，直接測量的電壓僅為毫伏級,放大器輸入阻抗為高阻抗，故通過觸點的電流基本為恒流源輸出的電流，使得放大器兩端的電壓即為待測電阻兩端的電壓，從而消除了導線對測試結果的影響。

3系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)測試軟件采用模塊化的設計方法，可提高設計效率[5]，也便于系統(tǒng)的擴展，各個模塊之間只需要通過少量的接口進行通訊，從而降低開發(fā)難度[6]。本系統(tǒng)主要劃分成6個模塊，系統(tǒng)軟件功能模塊如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)軟件功能模塊

數(shù)據(jù)采集主要完成數(shù)據(jù)采集卡的配置、數(shù)據(jù)還原、數(shù)據(jù)濾波和數(shù)據(jù)存取。采集卡的配置包括采樣方式、起始通道、通道總數(shù)、增益設置、輸入量程、采樣速率、接地方式、觸發(fā)控制等。數(shù)據(jù)還原主要是還原位移、荷重值，測試單元模塊對信號進行調理后，輸入計算機為0～5V電壓信號。需要將該電壓信號轉化為相對應的測量值，其中難點在于位移信號的轉化，采集的位移信號數(shù)據(jù)量大且全是脈沖信號。需要根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡DI/O輸入的信號先判斷方向后再進行計算。數(shù)據(jù)濾波主要采用4階切比雪夫和3階巴特沃斯低通濾波，濾除中高頻的干擾信號；最后將采集處理后的數(shù)據(jù)存入TDMS二進制記錄文件，以便高速存取。

參數(shù)配置模塊主要是配置系統(tǒng)測試有關的參數(shù)，用戶通過如圖7所示的參數(shù)輸入界面，輸入待測開關的型號，設置測試速度、最大行程、荷重測定范圍、參數(shù)范圍。其中，參數(shù)范圍是讓用戶輸入待測參數(shù)的上下極限值，以便系統(tǒng)自動判斷待測開關是否合格，而啟用/禁用開關的作用是該參數(shù)由用戶決定是否參與待測開關的判斷與顯示。最后將這些配置的參數(shù)寫入配置數(shù)據(jù)中，用戶可根據(jù)需要將這些配置數(shù)據(jù)保存于指定的文件中，以便日后調用。

圖7　參數(shù)輸入界面

PC機與伺服驅動器之間的通訊是基于Modbus協(xié)議，由于該總線協(xié)議支持RS-232串行接口，只需在上位機設置波特率、傳輸模式、COM口，伺服驅動器中設置相應的通訊模式，即可完成兩者的通訊。

本系統(tǒng)菜單管理使用事件結構完成菜單欄的配置，主要包括主菜單和子菜單，主菜單包括配置文件、測試模式、調零、退出程序。子菜單包括配置文件、保存配置文件、自動測試、打印、退出測試。

狀態(tài)監(jiān)測模塊包括位移監(jiān)測、荷重監(jiān)測、限位監(jiān)測、斷電監(jiān)測。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實時地監(jiān)測測試系統(tǒng)的各種狀態(tài)，一旦發(fā)生異常，軟件或指示燈會出現(xiàn)相應的報警。

數(shù)據(jù)顯示模塊主要包括動作-位移曲線、觸點彈跳-位移曲線、接觸電阻-位移曲線、關鍵點、關鍵點不合格報警(以紅色標記)、測試報表(含測試結果的自動判斷)等。另外，該模塊能快速地放大單張曲線以及翻頁查看各個參數(shù)的測試結果。數(shù)據(jù)顯示壓力測試界面如圖8所示。

圖8　壓力測試界面

4實際運行結果

經過對系統(tǒng)中傳感器等硬件的校準與標定，以及對系統(tǒng)軟件的大量仿真與測試后，該系統(tǒng)現(xiàn)已在某開關制造廠的生產線上成功運行，取得了良好的效果，如圖9所示。

圖9　測試系統(tǒng)實物圖

圖10為某常閉觸點快動柱塞式限位開關的荷重-位移(曲線1、曲線2)和觸點彈跳-位移曲線(曲線3、曲線4)。荷重-位移的行走路徑為O-C-B-E-D-A-O,觸點彈跳-位移的路徑為O-H-G-F-J-I-O。 圖中A、B為待測開關促動件翻轉處，荷重曲線上C、D的值分別為OF和RF。

圖10　常閉觸點動作曲線

表1是SP:1NO/1NC型(快動、一對常開觸點/一對常閉觸點)產品連續(xù)測試25次測試結果統(tǒng)計。部分測量參數(shù)的計算和定義如下：

1) 相對誤差：

(4)

式中：S——樣本標準差；

Avrg——樣本平均值；

C——標準誤差估計系數(shù)。在正態(tài)分布情況下，誤差絕對值超過2.576S的概率僅占1%，誤差超過3S的僅為0.27%，故標準誤差估計值C取3。

2) 絕對誤差：

Ea=Avrg×Er

(5)

從表1可以看出，本系統(tǒng)位移精度Ea(T)：

Ea(T)=Max(OT1,RT1,OT2,RT2,TT)=

0.0210mm<0.04mm

(6)

荷重精度：

(7)

接觸電阻精度：

Ea(CA)=0.6963mΩ<1mΩ

(8)

根據(jù)以上計算，本系統(tǒng)各參數(shù)測試精度均滿足用戶技術指標要求。

3)Cg為短期檢具位指數(shù)[7]，是評估一臺測試儀器測量的可重復性，定義為：

(9)

式中：T——設定公差。

一般可接受的標準為Cg≥1.33。由表1可以看出，本系統(tǒng)所有測量參數(shù)的Cg均滿足標準。

4)CgK為短期的檢測設備能力指數(shù)[7]，是評估一個測試儀器的測量能力是否和被測產品相匹配的方法，一般可接受的標準為CgK≥1.33，若CgK太小，則該儀器不能用于這個產品性能測量。

(10)

表1中的所有測量參數(shù)的CgK均滿足標準，說明本系統(tǒng)可以用于相關產品的參數(shù)性能測試。

表1　測試結果統(tǒng)計

續(xù)表1

位指數(shù)Cg1.68791.57131.97551.97552.52982.10827.151028.7216能力指數(shù)CgK1.51911.76782.22242.22241.89742.37171.430239.8534

5結論

介紹了柱塞式限位開關參數(shù)測試系統(tǒng)，現(xiàn)場試運行表明，該系統(tǒng)能較好地完成限位開關主要參數(shù)的測量，滿足各項參數(shù)測試要求，測量準確度較高，可重復性較好，在限位開關品質檢驗方面具有實際意義和應用前景。

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Design of Plunger Limit Switch Parameter Testing System Based on Virtual Instrument Technology

CHEN Shuo ，F(xiàn)ANG Xiao-le ，TAN Cong-xiao

(School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China)

Abstract:This paper introduces a plunger limit switch parameter testing system with servo control module and data acquisition module, based on Virtual Instrument Technology. This system is enabled to test the contacting resistance, force and displacement. And the qualification of products is automatically judged according to the measured results. Field experiment shows that the parameter testing system has a stable and reliable performance with high precision.

Keywords:limit switch; testing system; virtual instrument

中圖分類號：TH86;TP206+.1

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)02-0215-05

作者簡介：陳碩(1964-)，男，福建人，教授，博士，主要研究方向：交流電機調速控制、測試技術、機電一體化。

收稿日期：2014-10-30 2014-10-14