文珊珊，林名潤(rùn)，閆大鵬，白彥偉，劉秀芳

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

隨著我國(guó)數(shù)控機(jī)床技術(shù)的迅猛發(fā)展，其維護(hù)和修理工作也日益繁重。為了提高數(shù)控機(jī)床中期檢查和維修的效率，快速、準(zhǔn)確地對(duì)數(shù)控機(jī)床發(fā)生的故障進(jìn)行定位，本文提出了一種基于ATE平臺(tái)的多組合（控制臺(tái)組合、執(zhí)行組合、配電箱組合）集成自動(dòng)測(cè)試和診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)。針對(duì)ATE平臺(tái)提供的硬件資源不能滿足多組合集成測(cè)試對(duì)硬件資源的需求這一問題，提出了硬件資源外部復(fù)用和內(nèi)部復(fù)用，并通過軟件的方式對(duì)ATE平臺(tái)硬件資源進(jìn)行擴(kuò)展。

1 ATE平臺(tái)簡(jiǎn)介

ATE（Automatic Test Equipment）自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，是為各種設(shè)備提供通用測(cè)試資源的測(cè)試平臺(tái)。接口有：硬件測(cè)試接口，以ICA（接口連接組件）的硬件形式呈現(xiàn)，包括交直流供電、指令信號(hào)、A/D、D/A、電壓電阻測(cè)量、波形采集、高速數(shù)字I/O、計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)、任意波輸出、繼電器控制信號(hào)、射頻信號(hào)測(cè)試分析等；軟件測(cè)試接口，以VITE（虛擬儀器測(cè)試環(huán)境）編程語言的形式呈現(xiàn)，包括程序人機(jī)交互方式、硬件資源的使用方式、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式等。

2 多組合集成自動(dòng)測(cè)試和診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)試需求

多組合集成自動(dòng)測(cè)試和診斷系統(tǒng)主要包括下述功能：對(duì)數(shù)控機(jī)床上的控制臺(tái)組合、執(zhí)行組合、配電箱組合分時(shí)進(jìn)行全自動(dòng)化電氣檢測(cè)，并且根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)故障部位進(jìn)行初步的判別，記錄測(cè)試過程中的測(cè)試結(jié)果。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)由被測(cè)產(chǎn)品、測(cè)試專用電纜、專用適配器、ATE自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)及TPS程序集組成，總體架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)中被測(cè)產(chǎn)品分別為控制臺(tái)組合、執(zhí)行組合、配電箱組合，每個(gè)組合對(duì)應(yīng)一套專用測(cè)試電纜，用于被測(cè)產(chǎn)品與專用適配器的電氣連接。專用適配器負(fù)責(zé)整合ATE平臺(tái)上的硬件資源，將ATE自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)的硬件資源引出至專用適配器。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

在硬件電路搭建的基礎(chǔ)上，通過軟件平臺(tái)的TPS程序?qū)﹄娐分械挠布x器資源進(jìn)行控制，形成各組合完整的測(cè)試流程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各組合測(cè)試的自動(dòng)化。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

2.3.1 硬件資源

ATE通用測(cè)試平臺(tái)提供較為豐富的硬件資源，但仍然無法直接滿足3個(gè)組合的測(cè)試硬件需求，如表1所示。系統(tǒng)主要通過硬件資源內(nèi)部復(fù)用和外部復(fù)用2種方式對(duì)ATE平臺(tái)的硬件資源進(jìn)行擴(kuò)展。

表1 ATE平臺(tái)提供硬件資源

2.3.2 內(nèi)部復(fù)用

將ATE通用測(cè)試平臺(tái)的Slot13和Slot14采樣通道模塊各用一塊信號(hào)轉(zhuǎn)接板擴(kuò)展成64通道，即將一路采樣通道轉(zhuǎn)兩路采樣通道，兩路采樣通道分時(shí)使用。如圖2所示，J1為信號(hào)的輸入端，接Slot13資源，J2和J3為資源引出端，分別接控制臺(tái)組合和配電箱組合。同理，Slot25電源模塊也可擴(kuò)展為4通道。

圖2 信號(hào)轉(zhuǎn)接板

為防止配電箱和控制臺(tái)組合測(cè)試受J2或J3上的短接線影響，采樣通道內(nèi)部復(fù)用需要滿足一定的條件。將插座上的接線劃分為兩種集合，即S_D（短接線集合）和S_P（單根線集合），插座上的所有接線可被S_D集合和S_P集合完整表示。設(shè)J2上的接線模型表示為S1_D1，S1_D2，…，S1_Dn，S1_P；J3的接線模型表示為S2_D1，S2_D2，…，S2_Dn，S2_P；則需滿足：①若任意S1_Dx∩S2_Dy結(jié)果不為空，取兩個(gè)集合中較大的集合（假設(shè)為S1_Dx），則需滿足（S1_Dx-S2_Dy）∩S2_P為空集，且（S1_Dx-S2_Dy）∩任意S2_Di為空集；②若任意S1_Dx∩S2_Dy結(jié)果為空，將兩者的S_D集合分別合并得S1_D和S2_D，則需滿足S1_P∩S2_D為空集，且S2_P∩S1_D為空。

資源內(nèi)部通道復(fù)用除了需要滿足以上所述的接線模型外，還需要注意各短接線接口的電氣特性。在控制臺(tái)組合與配電箱組合都連接到測(cè)試適配箱進(jìn)行測(cè)試的情況下，J2插頭上接線的電氣特性與J3插頭上接線的電氣特性需相同，以確保在測(cè)試過程中不會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成損壞。

2.3.3 外部復(fù)用

本測(cè)試系統(tǒng)中執(zhí)行組合的測(cè)試接線與控制臺(tái)組合、配電箱組合有較大不同，我們選擇執(zhí)行組合使用切換的方式復(fù)用采樣通道。

電路中切換方式通常有兩種：一種是使用模擬芯片進(jìn)行切換控制，另一種是使用繼電器進(jìn)行切換控制。根據(jù)實(shí)際情況，采樣通道需要64路切換，每路有兩個(gè)狀態(tài)，選擇16個(gè)四刀雙擲的繼電器，初始狀態(tài)時(shí)繼電器開關(guān)將Slot13的引腳與J1的引腳導(dǎo)通，此時(shí)，控制臺(tái)組合和配電箱組合可以使用Slot13的32個(gè)采樣通道；當(dāng)繼電器閉合時(shí)，繼電器開關(guān)將Slot13的引腳與執(zhí)行組合引出的測(cè)試接口導(dǎo)通，此時(shí)，執(zhí)行組合可以使用Slot13的32個(gè)采樣通道。由于資源的外部復(fù)用對(duì)復(fù)用接線進(jìn)行了完全的隔離，不需要考慮復(fù)用接線的電氣特性和接線模型，具有更高的利用率。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中各組合對(duì)應(yīng)一套TPS程序，通過調(diào)用硬件的底層驅(qū)動(dòng)操作ATE平臺(tái)上的硬件資源，完成組合各測(cè)試點(diǎn)的自動(dòng)測(cè)試和診斷功能。組合對(duì)應(yīng)的TPS程序的基本流程如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

表2 自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)測(cè)試結(jié)果抽樣分析

3 系統(tǒng)性能分析

3.1 可靠性分析

在經(jīng)過數(shù)百次實(shí)驗(yàn)后，對(duì)多組合集成自動(dòng)測(cè)試及診斷系統(tǒng)測(cè)量的部分電阻值和電壓值進(jìn)行采樣和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2所示。電阻和電壓的自動(dòng)測(cè)量阻值穩(wěn)定，誤差均不超過1%.

除了電路和結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)在控制流程軟件方面，也做了相應(yīng)的保障工作，包括：測(cè)試前對(duì)所有資源進(jìn)行儀器復(fù)位，防止未復(fù)位的儀器給產(chǎn)品不恰當(dāng)?shù)募?lì)資源；每個(gè)組合對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)試識(shí)別電阻，以確保運(yùn)行的測(cè)試控制程序與被測(cè)組合的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2 高效性分析

由于系統(tǒng)將大部分手工測(cè)試轉(zhuǎn)換為自動(dòng)測(cè)試，極大地提高了測(cè)試的效率，同時(shí)，降低了人工測(cè)試可能引入的誤操作概率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，執(zhí)行組合測(cè)試可在15 min以內(nèi)完成（手動(dòng)測(cè)試需要30 min），配電箱組合測(cè)試可在5 min內(nèi)完成（手動(dòng)測(cè)試需要10 min），控制臺(tái)組合可在10 min內(nèi)完成（手動(dòng)測(cè)試需要25 min）。3個(gè)組合測(cè)試的總體時(shí)間可嚴(yán)格控制在40 min以內(nèi)，相對(duì)于手動(dòng)測(cè)試具有絕對(duì)的高效性和測(cè)試結(jié)果正確性。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于ATE平臺(tái)的多組合集成自動(dòng)測(cè)試和診斷系統(tǒng)，充分利用ATE平臺(tái)提供的硬件資源，結(jié)合TPS軟件控制儀器的方式，將外部測(cè)試電路與內(nèi)部測(cè)試資源有序整合，并建立故障診斷數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了控制臺(tái)組合、執(zhí)行組合以及配電箱組合集成的自動(dòng)測(cè)試和故障診斷。自動(dòng)測(cè)試和診斷系統(tǒng)極大地提高了數(shù)控機(jī)床中期檢查和維修的效率，進(jìn)一步提升了數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，為數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的錯(cuò)誤診斷及檢測(cè)提供了有力的技術(shù)支持。

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