摘 要：?jiǎn)闻_(tái)非標(biāo)自動(dòng)化試驗(yàn)設(shè)備，是特殊行業(yè)為驗(yàn)證產(chǎn)品參數(shù)測(cè)試而具體化的一種設(shè)備，用途具體，條件苛刻，但對(duì)自動(dòng)化行業(yè)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用卻非常廣泛。覆蓋到軟件、硬件、測(cè)量技術(shù)、采樣技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)作執(zhí)行以及軟件算法模型、控制理論等。文章針對(duì)一款具體要求的實(shí)現(xiàn)過(guò)程做了簡(jiǎn)單回顧與總結(jié)。

關(guān)鍵詞：載荷試驗(yàn)；仿生模糊控制；電磁推桿；機(jī)電一體化

1 任務(wù)簡(jiǎn)介

按照《MA-XXX型飛機(jī)登機(jī)門(mén)乘客載荷試驗(yàn)任務(wù)書(shū)》的要求，需進(jìn)行登機(jī)門(mén)乘客載荷壽命試驗(yàn)，通過(guò)模擬乘客登機(jī)的循環(huán)載荷狀態(tài)，驗(yàn)證飛機(jī)登機(jī)門(mén)在96萬(wàn)次登機(jī)循環(huán)中是否滿(mǎn)足使用要求而不發(fā)生損壞。為完成該試驗(yàn)，提出研制《MA-XXX型飛機(jī)登機(jī)門(mén)乘客載荷試驗(yàn)加載系統(tǒng)》，測(cè)試收集實(shí)際參數(shù)資料，為未來(lái)設(shè)計(jì)提取依據(jù)。試驗(yàn)次數(shù)達(dá)到近百萬(wàn)次，人工操作比較困難，要求使用自動(dòng)智能系統(tǒng)完成。

2 主要要求

（1）研制自動(dòng)控制的加載測(cè)試系統(tǒng)，具有100萬(wàn)次的循環(huán)加載能力。

（2）工作環(huán)境： 常溫常壓。

（3）加載載荷：500-3500牛頓加載曲線變化過(guò)程，加載控制曲線能夠根據(jù)載荷需求進(jìn)行調(diào)整，包括初始速度、下踏加力速度、接觸加載點(diǎn)的減速度以及最后的下壓加載保持力。各個(gè)階段參數(shù)能夠界面調(diào)整。

（4）采用智能控制及自動(dòng)加載，試驗(yàn)進(jìn)行中不必人工干預(yù)，能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的加載曲線，控制加力機(jī)構(gòu)向試驗(yàn)件施加載荷，具有顯示、調(diào)整、設(shè)置、查詢(xún)等功能，配置壓力傳感器實(shí)時(shí)采集記錄載荷值和加載次數(shù)。配置位移傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)件的形變狀態(tài)，當(dāng)試驗(yàn)件出現(xiàn)變形異常時(shí)，能夠自動(dòng)停止試驗(yàn)，提示操作人員，記錄當(dāng)時(shí)的參數(shù)。

3 設(shè)計(jì)方案

（1）加載受力過(guò)程曲線描繪及設(shè)計(jì)總體思路：實(shí)現(xiàn)一臺(tái)自動(dòng)控制的受力動(dòng)作機(jī)構(gòu)，能夠按照?qǐng)D示要求的“時(shí)間__加力”過(guò)程，完成任務(wù)產(chǎn)品疲勞試驗(yàn)次數(shù)的測(cè)試。加載受力過(guò)程曲線示意如圖1：

試驗(yàn)中次數(shù)96萬(wàn)次，每天單班8小時(shí)，一個(gè)試驗(yàn)周期4秒，每天大約可做7200次，全部試驗(yàn)大約需要133天。大強(qiáng)度長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，促使我們?cè)O(shè)計(jì)選用高可靠性智能系統(tǒng)為首選。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，控制系統(tǒng)選擇工業(yè)嵌入式配置。集成有MCU控制器，A/D轉(zhuǎn)換，掉電存儲(chǔ)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘，液晶顯示器，人機(jī)交互等。受力執(zhí)行器采用電磁結(jié)構(gòu)，對(duì)于動(dòng)作次數(shù)為百萬(wàn)次的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用普通往返運(yùn)動(dòng)構(gòu)件將很難保證試驗(yàn)的完整進(jìn)行。經(jīng)過(guò)考慮，選用電磁力電動(dòng)推桿，優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有強(qiáng)烈的機(jī)械動(dòng)作沖擊，加受力量根據(jù)需要可控，動(dòng)作過(guò)程的推力可根據(jù)要求由控制器調(diào)整。同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中，可更改加力參數(shù)和加力動(dòng)作曲線，達(dá)到快速調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)的目的。

控制器具有顯示、調(diào)整、設(shè)置、查詢(xún)等功能。并配有壓力傳感器，可隨時(shí)記錄加力大小，當(dāng)出現(xiàn)被測(cè)試對(duì)象發(fā)生異常裂變時(shí)，提示并記錄當(dāng)時(shí)參數(shù)，減少人員的參與，使得測(cè)試試驗(yàn)更具科學(xué)性。試驗(yàn)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在控制器內(nèi)，可以調(diào)出提供查詢(xún)。

（2）仿生模糊加載方案：由于要實(shí)現(xiàn)人體登機(jī)過(guò)程的踩踏加載過(guò)程，對(duì)控制系統(tǒng)和加載執(zhí)行機(jī)構(gòu)加力過(guò)程的參數(shù)要求比較苛刻，不能采用普通的直接通斷式加載方式。關(guān)鍵試驗(yàn)特征必須抓住，比如：當(dāng)加載進(jìn)行初期，艙門(mén)變形系數(shù)比較硬，而當(dāng)試驗(yàn)次數(shù)的增加，艙門(mén)彈性系數(shù)（剛性）將隨著變化減弱，那么究竟變化到多少，事前根本無(wú)法預(yù)測(cè)。那么根據(jù)試驗(yàn)要求，就得有模糊分析判斷功能，能夠在試驗(yàn)中采取分析參數(shù)變化系數(shù)，再進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?。再就是仿照人體下踏動(dòng)作的力加載。人體下踏加力動(dòng)作是一個(gè)比較動(dòng)態(tài)的非線性加力過(guò)程，加速度特性在變化，要求控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性和跟隨性，既不能延時(shí)太慢，又不能有過(guò)大的超調(diào)，必須盡可能的仿真下踏加力曲線。

為了能夠更好地完成課題要求的控制過(guò)程。我們?cè)O(shè)計(jì)上采取了全閉環(huán)多重采樣與自動(dòng)參數(shù)跟隨系統(tǒng)。這主要依靠軟件算法上實(shí)現(xiàn)。建立控制算法模型，完成仿生加力過(guò)程。在加力結(jié)構(gòu)上采用過(guò)渡彈簧軟連接緩沖。彈簧設(shè)計(jì)采用系數(shù)為20mm/T?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)需要選取合適彈性系數(shù)配置。

（3）電氣控制部分：

a.使用嵌入式微型MCU+CPLD為主控單元，配接擴(kuò)展4G FLAS

H用于存儲(chǔ)試驗(yàn)階段的各種采樣參數(shù)。在后續(xù)需要時(shí)，可以調(diào)出試驗(yàn)數(shù)據(jù)供使用。

b.人機(jī)交互界面采用8寸彩色LCD觸摸屏，完成顯示和各種控制按鍵交互。具有各種超限報(bào)警提示功能，具有試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線描繪功能。

c.采用12位8路MCU內(nèi)帶高速A/D轉(zhuǎn)換器，完成加載力、行程、超限、等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的模擬量調(diào)理、轉(zhuǎn)換、采集功能?？傮w模擬量精度等級(jí)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為0.2級(jí)，使用標(biāo)準(zhǔn)為1級(jí)。

d.外部I/O信號(hào)全光隔離，使得系統(tǒng)抗干擾能力滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容性要求。

e.軟件采用Keil-C語(yǔ)言編制，采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于調(diào)試修改和未來(lái)擴(kuò)展。算法模型是實(shí)現(xiàn)仿生加載試驗(yàn)的關(guān)鍵，總體思路是記憶分析上次加載曲線的實(shí)際時(shí)間——速度過(guò)程，與要求的曲線進(jìn)行分析比較，計(jì)算出給定與實(shí)際結(jié)果差量值，在下次加載過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整逼近。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨調(diào)整，逐次逼近，在實(shí)際應(yīng)用中收到很好的效果。

f.控制器留有開(kāi)關(guān)量輸入_輸出接口，提供給擴(kuò)展功能使用。便于在后續(xù)功能調(diào)整中，直接擴(kuò)展功能。在正常的試驗(yàn)中，LCD顯示器顯示瞬態(tài)壓力、階段次數(shù)、形變尺寸、剛性系數(shù)等參數(shù)和加壓動(dòng)態(tài)曲線圖，描繪本次加壓后被測(cè)試物件和最初設(shè)定的距離之間的相對(duì)變形提示，這個(gè)參數(shù)對(duì)于及時(shí)提醒技術(shù)人員查看試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常有用。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)開(kāi)始到當(dāng)前的變形距離曲線觀察分析。

（4）加載力執(zhí)行部分：執(zhí)行器采用電磁結(jié)構(gòu)，使用電磁力電動(dòng)推桿，由控制器輸出PWM調(diào)制功率放大后驅(qū)動(dòng)電磁推桿。最大推力5000N，最大帶載速度25mm/S，最大行程50mm。電磁推桿是一種新興的機(jī)電一體化作動(dòng)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格便宜、維護(hù)方便、體積輕巧的優(yōu)點(diǎn)。在這樣的場(chǎng)合，是我們第一次嘗試性應(yīng)用。根據(jù)參數(shù)推算和實(shí)際應(yīng)用，效果很好。無(wú)故障運(yùn)行達(dá)到22萬(wàn)次。

（5）試驗(yàn)臺(tái)采用龍門(mén)架結(jié)構(gòu)，使用高強(qiáng)度變形系數(shù)小的材料，在龍門(mén)架與試驗(yàn)件之間，依次安裝電動(dòng)推桿、壓力傳感器、受力緩沖元件、極限開(kāi)關(guān)、線性位移傳感器等。

4 結(jié)束語(yǔ)

這是一次很成功的試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)制作過(guò)程。為使用方解決了試驗(yàn)困難，得到了非常寶貴的一手試驗(yàn)參數(shù)資料。并且為使用方在類(lèi)似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品壽命試驗(yàn)中提供了很好的借鑒經(jīng)驗(yàn)。

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