王 慧

（1.河南工業(yè)職業(yè)技術學院機電自動化學院，河南 南陽 473000；2.華中科技大學，湖北 武漢 430074）

1 引言

波形機械彈簧片變形檢測，是當前機械測試領域較為重要的內(nèi)容，但是，我國相關技術以人工檢測為主，效率低，并且由于人工參與，控制誤差也較大[1-2]。彈簧片的波動形變形測量，直接影響機械型設備的實用壽命周期，且前者的變化幅度越大，后者的應用時間周期越短。以人工方法進行檢測，在微弱波形感知方面的能力較弱，所能承載的波動形變量極值條件也始終達不到理想數(shù)值水平。為解決此問題，引入單片機控制原理，在單片機模塊、反饋電路兩類設備元件的支持下，建立必要的關聯(lián)性分析模型，再通過確定波形連接點質(zhì)量參數(shù)的方式，計算彈簧片的真實形變失效差，實現(xiàn)單片機控制的波形機械彈簧片變形檢測技術優(yōu)化。

2 單片機結構及控制模型分析

單片機執(zhí)行結構包含單片機模塊、波形反饋電路兩部分，以有限元加載控制量作為約束條件，具體搭建方法如下。

2.1 單片機控制模塊邏輯設計

單片機模塊是單片機組織中的主要控制元件，由運算器、控制器、主要寄存器構成，主要包含單片機轉(zhuǎn)換器、OUTA 芯片、OUTB 芯片、VSS 引腳、AL 插口等多部分，如圖 1 所示。其中，單片機主機作為單片機模塊的核心搭建結構，能夠較好順應機械彈簧片的波形變化行為，可分別以波峰和波谷數(shù)值作為記錄節(jié)點，生產(chǎn)兩份數(shù)據(jù)記錄信息腳本，且可以借助既定傳輸信道，將這些信息反饋給OUTA 芯片和OUTB 芯片，進而建立與控制主機的物理連接。OUTA 芯片是機械彈簧片波峰數(shù)值存儲元件，可按照時間順序排列所有信息參量，在接收到單片機控制元件的調(diào)用指令后，篩選現(xiàn)有信息中的有價值數(shù)據(jù)，再經(jīng)由反饋信道傳輸回控制主機端[3]。OUTB 芯片是機械彈簧片波谷數(shù)值存儲元件，按照時間順序排列信息參量，同時接收單片機控制元件和OUTA 芯片的調(diào)用指令，但每次只能借助反饋信道輸出一個與相應波峰值匹配的波谷數(shù)據(jù)。VSS 引腳與單片機控制元件相連，是調(diào)用指令信息的唯一傳輸通道，與AL 插口保持相反的執(zhí)行作用原理，前者負責接收一切與機械彈簧片波形峰谷值相關的信息參量，后者則作為指令輸出通道，將所有未完全消耗的數(shù)據(jù)信息傳送至其它單片機元件之中。

圖1 單片機模塊結構圖Fig.1 Structure Diagram of Single Chip Microcomputer Module

2.2 波形反饋電路的設計

波形反饋電路能夠直接干擾單片機模塊的執(zhí)行連接狀態(tài)，是整個變形檢測過程中的唯一電子輸出元件，由反饋調(diào)節(jié)、單片機輸出、波形穩(wěn)流、形變控制四個分級電路組織共同組成。波形穩(wěn)流電路位于單片機波形反饋主電路中部，起到承上啟下的調(diào)節(jié)作用，在負載電阻R 電量變化作用的同時，聚集處于分流狀態(tài)的單片機電量，并傳輸至其它各級消耗電路之中。單片機輸出是波形反饋電路的主要調(diào)節(jié)作用結構，連接反饋調(diào)節(jié)單元與波形穩(wěn)流單元，其中不包含大功率的波形消耗元件，僅能在小范圍內(nèi)改變機械彈簧片所承載的形變電壓[4-5]。形變控制單元位于單片機波形反饋電路最底層，具備較強的電量整合能力，可存儲其它分級結構中未完全消耗的傳輸電壓或電流，從而影響機械彈簧片波形動量的實際變化情況，如圖2 所示。

圖2 單片機波形反饋電路圖Fig.2 Single Chip Microcomputer Waveform Feedback Circuit Diagram

2.3 形變加載控制量計算

形變加載控制是指單片機模塊對機械彈簧片波峰、波谷值的調(diào)節(jié)限制作用，能夠影響單片機波形反饋電路中的電量輸出運載情況，通常情況下，前者對于波動參量的調(diào)節(jié)效果由上行、下行兩部分共同組成，但無論哪一種形變控制行為對電路的反饋輸出調(diào)節(jié)作用效果均為正向促進[6]。單片機模塊對機械彈簧片波峰的調(diào)節(jié)限制作用，也叫形變加載控制量的上行作用條件，受到變形波寬度r1、形變曲率條件q1的共同影響。變形波寬度是指機械彈簧片兩個相鄰波峰之間的最大距離數(shù)值，不會無限制增大，但不收變形檢測時間的干擾影響。形變曲率條件是指機械彈簧片變形波的晃動頻度數(shù)值，由于整個變形檢測過程中電量始終保持多變性輸出狀態(tài)，故該項指標條件的數(shù)值表現(xiàn)形式可以不唯一。單片機模塊對機械彈簧片波谷的調(diào)節(jié)限制作用，也叫形變加載控制量的下行作用條件，受到彈簧片勁度系數(shù)k 及變形波深度l1的共同影響。彈簧片勁度系數(shù)是干擾機械波形產(chǎn)生形變的最主要條件，但該項數(shù)值屬于結構體的本質(zhì)化屬性，不受其它外界物理量的干擾影響。變形波深度是指單一形變區(qū)間內(nèi)，彈簧片波峰與波谷值之間的最大物理距離，與單片機結構的輸出控制效果保持相同的作用變化趨勢[7]。聯(lián)立上述物理量可將單片機結構的形變加載控制量計算結果表示為：

式中：y—機械彈簧片波峰數(shù)值的波動行為權限；y′—與y 相關的補充說明條件；I—機械彈簧片波谷數(shù)值的波動行為權限；I′—與I 相關的補充說明條件。

3 波形機械彈簧片的變形檢測方法

在單片機結構及相關數(shù)值控制模型的支持下，按照波形連接點質(zhì)量參數(shù)計算、彈簧片形變失效差確定、機械檢測誤差設置的處理流程，實現(xiàn)基于單片機控制波形機械彈簧片變形檢測方法的順利應用。

3.1 波形連接點的質(zhì)量參數(shù)

波形連接點特指與機械彈簧片作用原點變形原理相同的單片機節(jié)點組織，受到核心檢測主機的控制調(diào)度，在單位時間內(nèi)，屬于波形連接點范疇內(nèi)的所有物理節(jié)點均保持相同的變形運動趨勢。若不考慮因機械彈簧片拉伸過度而造成的變形檢測誤差問題，波形連接點質(zhì)量則成為影響單片機最終控制效果的唯一物理參數(shù)指標[8]。所謂波形連接點質(zhì)量參數(shù)也叫單片機節(jié)點組織變形受控質(zhì)量參數(shù)，受到機械彈簧片變形波動量、單位控制時長、參與連接點個數(shù)三項物理量的直接作用影響。機械彈簧片變形波動量常表示為β，是單片機控制影響下，對變形檢測結果造成直接影響的物理干擾量，與其它系數(shù)指標不同的是，該項參數(shù)不受除彈簧片介質(zhì)屬性外其它限制條件的作用，是一項相對獨立的數(shù)據(jù)參數(shù)條件。單位控制時長常表示為，不隨單片機控制時間的延長而出現(xiàn)明顯的增減行為，在整個機械彈簧片變形檢測處理的過程中，該項物理量是穩(wěn)定性最強的數(shù)值化指標條件。參與連接點個數(shù)會隨機械彈簧片形變量的增加而不斷增大，直至與單片機的波形影響控制作用完全相等，但最大邊界數(shù)值始終不會超過數(shù)值χ˙。在參與連接點個數(shù)等于最大作用數(shù)值的前提下，聯(lián)立式（1），可將機械彈簧片的波形連接點質(zhì)量參數(shù)計算結果表示為：

式中：d—機械彈簧片波形變動組織在單片機控制結構中所占的調(diào)節(jié)比例系數(shù)；p′—變形檢測的平均作用權限參量；R—冪次項檢測處理指標。

3.2 彈簧片的形變失效差

彈簧片形變失效是相對于波形連接點質(zhì)量參數(shù)而存在的過程性變量，因初始條件、終止條件之間存在明顯的極化誤差，故該項物理量在大多數(shù)計算過程中只以失效差的形式存在。從單片機控制實效性的角度來看，彈簧片形變失效差的作用形式與模型化適量參數(shù)類似，都是從初始波形方向指向終止波形方向，且在整個形變過程中失效法則的作用標度始終不發(fā)生改變[9-10]。基本的彈簧片形變失效差分為斷裂式、聚合式兩種類型。其中，斷裂式彈簧片形變失效差能根據(jù)波形連接點質(zhì)量參數(shù)計算結果，影響檢測波峰值的最遠所及邊界值，從而約束機械檢測誤差的最大數(shù)值分度，如圖3 所示。

圖3 斷裂形變失效Fig.3 Failure of Fracture Deformation

聚合式彈簧片形變失效差能根據(jù)波形連接點質(zhì)量參數(shù)計算結果，影響檢測波谷值的最遠所及邊界值，從而約束機械檢測誤差的最小數(shù)值分度，如圖4 所示。

設k1代表機械彈簧片波形的斷裂式形變條件，k2代表機械彈簧片波形的聚合式形變條件，聯(lián)立式（2），可將彈簧片形變失效差計算量表示為：

式中：f′—彈簧片所承載的斷裂形變檢測系數(shù)；φ—彈簧片所承載的聚合形變檢測系數(shù)—必要檢測向量的補充說明條件。

圖4 聚合式形變失效Fig.4 Polymer Deformation Failure

3.3 機械檢測誤差

機械檢測誤差是指在不干擾單片機控制效果的情況下，彈簧片結構所能承受的最大波形偏差量影響結果。在既定檢測時長內(nèi)，該項物理量同時作用于機械彈簧片的變形波峰與波谷值，但只作用于兩類物理量的外在表現(xiàn)行為，不從根本上產(chǎn)生任何不利于彈簧片拉伸或收縮的作用效果。若以機械彈簧片的自然長度作為初始長度考量條件，機械檢測誤差的實際數(shù)量值則受到單片機控力分量、彈簧片波形作用曲度的直接影響[11]。單片機控力分量由水平、豎直兩個物理方向共同組成，通常情況下，F(xiàn)1（水平分力）對機械彈簧片相鄰波形起到延伸擴張的作用影響，F(xiàn)2（豎直分力）對機械彈簧片波形峰谷值間距起到延伸擴張的作用影響。彈簧片波形作用曲度常表示為ρ˙，不受其它物理量的干擾影響，但會隨機械彈簧片檢測波形的變化而出現(xiàn)一定幅度的增大或較小。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（3），可將機械檢測誤差的數(shù)值計算結果表示為：

至此，完成所有數(shù)值處理及前期搭建準備，在確保單片機處于良好輸出控制狀態(tài)的情況下，實現(xiàn)新型波形機械彈簧片變形檢測方法的應用與設計。

4 技術應用與檢測

為突出基于單片機控制波形機械彈簧片變形檢測方法與傳統(tǒng)Bootloader 檢測手段間的實用差異性，設計如下對比實驗。以彈性形變良好的機械彈簧片作為實驗對象，分別以搭載新型變形檢測方法、傳統(tǒng)Bootloader 檢測手段的實驗主機作為實驗組、對照組記錄元件，閉合所有器材設備，研究既定實驗時間內(nèi)，相關波形檢測指標的變化情況。

4.1 實用檢測環(huán)境

為方便實驗組、對照組檢測行為的同時實施，機械彈簧片的物理體積相對較大，且整個實驗裝置包含多個獨立的彈簧片設備，各個組織結構間也不具有明顯的干擾影響作用。

圖5 機械彈簧片F(xiàn)ig.5 Mechanical Spring Plate

圖6 檢測記錄環(huán)境Fig.6 Test Record Environment

4.2 微弱波形感知范圍

微弱波形感知數(shù)值對延長機械型設備的實用壽命周期起到反向促進作用，通常情況下，前者的數(shù)值結果越大，后者的使用時間越短，反之則越長。下圖反應了既定實驗周期內(nèi)，實驗組、對照組微弱波形感知數(shù)值的具體變化情況，如圖7 所示。

圖7 微弱波形感知范圍對比圖Fig.7 Comparison of Weak Waveform Sensing Range

由圖7 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組、對照組微弱波形感知均出現(xiàn)一定幅度的下降趨勢，從最大值角度來看，實驗組的0.47μm 低于對照組的0.61μm，從最小值角度來看，實驗組的0.41μm 依然低于對照組的0.57μm。綜上可知，基于單片機控制波形機械彈簧片變形檢測方法更能抑制微弱波形感知范圍的上升趨勢，有益于延長機械型設備的實用壽命周期。

4.3 波動形變量最大承受值

波動形變量承受值也能影響機械型設備的實用壽命周期，且二者間的作用效果保持為正向延長，即波動形變量承受值越大，機械型設備的實用壽命周期也就越長。下圖為實驗組、對照組波動形變量承受值在60min 實驗時間內(nèi)的具體對比變化情況。分析表1可知，實驗前期實驗組波動形變量承受值基本保持穩(wěn)定，第30min 開始，連續(xù)出現(xiàn)兩次極值上升趨勢，最大值達到9.77μm，區(qū)間性極值狀態(tài)結束后，又開始逐漸下降。

表1 實驗組波動形變量承受值Tab.1 Tolerance Value of Wave Shape Variable in Experimental Group

表2 對照組波動形變量承受值Tab.2 Tolerance Value of Wave Shaped Variable in Control Group

分析表2 可知，實驗前期對照組波動形變量承受值一直不斷上升，直至達到最大值4.78μm，但依然遠低于實驗組極值9.77μm，第25min 出現(xiàn)一次明顯的下降行為后，又開始逐漸上升，直至達到4.60μm 開始出現(xiàn)一個相對穩(wěn)定的變化狀態(tài)。綜上可知，基于單片機控制波形機械彈簧片變形檢測方法可有效促進波動形變量承受值的提升，充分延長機械型設備的實用壽命周期。

5 結語

在單片機控制原理的支持下，波形機械彈簧片變形檢測方法改善了傳統(tǒng)Bootloader 檢測手段波動形變范圍不精準的問題，增設單片機模塊與反饋電路，通過計算加載控制量的方式，確定波形連接點的質(zhì)量參數(shù)及彈簧片的形變失效差指標，再按照檢測誤差標準，細化各項數(shù)值參量的具體應用邊限范圍。實驗檢測結果表明，在微弱波形感知數(shù)值范圍出現(xiàn)縮小的同時，波動形變量承受值開始快速增大，從根本上改善了機械型設備實用壽命周期不達標的問題，可將其應用于實際。