潘慶國(guó)， 周章勇， 彭雪娟， 章 寧

(國(guó)營(yíng)蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007)

飛機(jī)駕駛桿是飛機(jī)上用來(lái)傳遞操縱指令[1]、驅(qū)動(dòng)舵面[2]運(yùn)動(dòng)的多個(gè)裝置總和，其上配置有多個(gè)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、軍械系統(tǒng)、剎車(chē)系統(tǒng)和飛行姿態(tài)調(diào)整的扳機(jī)/按鈕，用于飛行控制和武器控制。駕駛員通過(guò)操縱飛機(jī)的駕駛桿來(lái)發(fā)送操縱指令，傳感器[3-4]將指令以各種電信號(hào)的形式傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)飛行狀態(tài)[5]控制，因此駕駛桿是飛機(jī)的飛行控制系統(tǒng)和武器控制系統(tǒng)的重要組成部分之一，它的工作性能是否良好正常，直接影響著飛機(jī)的飛行安全和戰(zhàn)斗力。駕駛桿外形如圖1所示。

圖1 飛機(jī)駕駛桿模型圖

在某型駕駛桿定期維修時(shí)須更換各類(lèi)扳機(jī)/按鈕以及與其交聯(lián)的線束、航空插頭，由于維修工作量大、交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，易產(chǎn)生各類(lèi)修理問(wèn)題，因此對(duì)其進(jìn)行性能檢測(cè)就顯得尤為重要。

在維修中，針對(duì)駕駛桿力的原位[6-7]和離位[8-9]檢測(cè)，已有研究闡述了基于虛擬儀器技術(shù)的駕駛桿力測(cè)試方法，可使用專(zhuān)用測(cè)試設(shè)備和工裝來(lái)保證維修的可靠性。但還沒(méi)有針對(duì)該型駕駛桿各類(lèi)扳機(jī)/按鈕以及交聯(lián)線束、插頭的專(zhuān)用檢測(cè)設(shè)備[10-12]，僅靠人工對(duì)線路的導(dǎo)通性進(jìn)行檢查，無(wú)法對(duì)各類(lèi)操縱扳機(jī)/按鈕的性能進(jìn)行檢查。尤其是光標(biāo)控制按鈕，需要對(duì)其測(cè)試不同施力情況下的壓電轉(zhuǎn)換性能、零位輸出特性等，現(xiàn)有手段無(wú)法滿足測(cè)試需要。一種針對(duì)飛機(jī)駕駛桿線束的綜合測(cè)試設(shè)備[13]可滿足線束的導(dǎo)通性手動(dòng)定性測(cè)量，但其測(cè)試效率不高，且無(wú)法定量精密測(cè)量各扳機(jī)/按鈕的接觸電阻和光標(biāo)控制開(kāi)關(guān)的性能，而開(kāi)關(guān)的性能直接關(guān)系到駕駛桿的操縱靈敏度。

為此，針對(duì)目前飛機(jī)駕駛桿維修現(xiàn)狀與不足，迫切需要研究飛機(jī)駕駛桿的自動(dòng)化測(cè)試方法，設(shè)計(jì)基于虛擬儀器技術(shù)的飛機(jī)駕駛桿檢測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)其組成、功能、關(guān)鍵性設(shè)計(jì)以及軟件編制等內(nèi)容進(jìn)行研究論述，以滿足飛機(jī)駕駛桿的自動(dòng)檢測(cè)需要，保障飛行安全和部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力。

1 系統(tǒng)功能分析

飛機(jī)駕駛桿檢測(cè)系統(tǒng)須具有較高的自動(dòng)化檢測(cè)能力，以滿足對(duì)被測(cè)駕駛桿力學(xué)和電學(xué)測(cè)試的需求。采用四線法測(cè)試接觸電阻，優(yōu)化電阻連續(xù)測(cè)試和采集判斷算法，滿足對(duì)各開(kāi)關(guān)接觸電阻不穩(wěn)定故障的捕獲能力。系統(tǒng)具備對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄、統(tǒng)計(jì)和分析的功能，兼具完善的自檢自校準(zhǔn)功能和安全防護(hù)能力，主要功能如下。

① 具備駕駛桿各類(lèi)扳機(jī)/按鈕的絕緣性能和抗電性能的檢測(cè)和自動(dòng)判斷能力，并可將測(cè)試結(jié)果與被測(cè)對(duì)象的設(shè)計(jì)指標(biāo)比較，給出測(cè)試結(jié)論。

② 對(duì)光標(biāo)控制按鈕可按規(guī)定施加測(cè)試力，并對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行采集，完成零位信號(hào)和輸出信號(hào)線性度測(cè)試。

③ 對(duì)光標(biāo)控制按鈕力測(cè)試范圍為0～15 N，誤差≤0.1 N。

④ 絕緣電阻測(cè)試電壓：直流50 V、500 V；測(cè)試精度：±1%rdg。

⑤ 接觸電阻測(cè)試：不大于0.3 Ω；測(cè)試精度：±0.0035%。

⑥ 系統(tǒng)自檢功能，能對(duì)整個(gè)設(shè)備的測(cè)試儀器資源和測(cè)試通道進(jìn)行自檢，給出自檢通過(guò)或不通過(guò)的結(jié)論。

⑦ 測(cè)試時(shí)間不超過(guò)15 min。

2 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

自動(dòng)測(cè)試硬件平臺(tái)主要由機(jī)柜、工控機(jī)、程控電源、三用表、絕緣抗電測(cè)試儀、高壓矩陣開(kāi)關(guān)模塊、接口適配面板、駕駛桿夾持和施力裝置、測(cè)試電纜、配套附件等組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 自動(dòng)測(cè)試硬件平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

程控可調(diào)電源主要實(shí)現(xiàn)直流工作電壓0～27 V可調(diào)功能。

三用表使用四線法，消除測(cè)試回路的阻抗影響，實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)接觸電阻的高精度測(cè)試。

絕緣抗電測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)對(duì)線路絕緣和抗電性能的測(cè)試。

矩陣開(kāi)關(guān)模塊需要實(shí)現(xiàn)測(cè)試資源的切換和被測(cè)線路的切換，由于測(cè)試項(xiàng)目包括500 V(有效值)的抗電擊穿試驗(yàn)，因此信號(hào)切換模塊要求具有不低于625 V的抗電性能。

主要測(cè)試線路切換原理如圖3所示。每一個(gè)線路交叉黑點(diǎn)代表一個(gè)切換繼電器。

矩陣開(kāi)關(guān)模塊為6個(gè)高壓矩陣開(kāi)關(guān)模塊組合的八線四線混合型的矩陣開(kāi)關(guān)，通過(guò)R1～R8對(duì)測(cè)試源進(jìn)行選擇，通過(guò)C1～C64(本測(cè)試需要使用56點(diǎn)，其余點(diǎn)作為可擴(kuò)展預(yù)留余量)對(duì)被測(cè)線路進(jìn)行選擇。

圖3 測(cè)試線路原理圖

由于測(cè)試項(xiàng)目中有部分測(cè)試點(diǎn)(16點(diǎn))有測(cè)試接觸電阻的需求，按四線制測(cè)試要求，共設(shè)計(jì)了32路的測(cè)試點(diǎn)為八線式，保證測(cè)試資源可滿足全部測(cè)試需求。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

3.1 駕駛桿夾持和施力裝置設(shè)計(jì)

駕駛桿夾持和施力裝置應(yīng)可滿足對(duì)駕駛桿的可靠固定和夾持，并將駕駛桿上的光標(biāo)控制按鈕定位于施力裝置的中心點(diǎn)，可按技術(shù)要求對(duì)光標(biāo)控制按鈕進(jìn)行4個(gè)方向上的推/拉力測(cè)試，主要技術(shù)要求如下。

① 外部輸入電壓：220 V，50 Hz；

② 推/拉力范圍：0～15 N；

③ 推/拉力誤差：±1%；

④ 推/拉力最小可調(diào)值：0.1 N；

⑤ 整機(jī)功率：不超過(guò)1 kW；

⑥ 使用環(huán)境溫度：-10～50 ℃。

駕駛桿夾持和施力裝置組成包括電機(jī)水平支架、電機(jī)豎直支架、電機(jī)正交轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)、承載平臺(tái)、工作平臺(tái)、直線電機(jī)組件、推拉力測(cè)試U型夾具、手柄固定和調(diào)整機(jī)構(gòu)、微調(diào)轉(zhuǎn)臺(tái)等部分。原理如圖4所示。

按照駕駛桿的特殊形狀，經(jīng)過(guò)測(cè)繪制作出的駕駛桿固定和調(diào)整機(jī)構(gòu)，可使待測(cè)試的光標(biāo)控制按鈕平行于直線電機(jī)軌道面，以便U型夾具作用于按鈕而不產(chǎn)生偏差。駕駛桿調(diào)整機(jī)構(gòu)置于一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)也可鎖死的轉(zhuǎn)臺(tái)上，可以微調(diào)光標(biāo)控制開(kāi)關(guān)平面與電機(jī)軌道夾角，以保持兩者平行。

圖4 夾持和施力裝置

測(cè)試時(shí)，采用直線電機(jī)推力控制模式，將測(cè)試需要產(chǎn)生的力，按直線電機(jī)推力與電流的關(guān)系公式同時(shí)疊加上系統(tǒng)因子換算成相應(yīng)電流，計(jì)算公式為

F=10I-X

(1)

式中，F(xiàn)為測(cè)試需要產(chǎn)生的力；I為電機(jī)電流；X為損耗因子，根據(jù)直線電機(jī)軸向與水平夾角和滑塊重量測(cè)得。電機(jī)工作時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)實(shí)時(shí)推拉力反饋情況，可即刻調(diào)整電機(jī)控制電流，持續(xù)產(chǎn)生設(shè)定的力。將U型測(cè)試夾具安裝固定在滑塊上，夾具間距略大于光標(biāo)控制開(kāi)關(guān)直徑。通過(guò)U型滑塊作用于光標(biāo)控制按鈕兩邊，利用電機(jī)正反轉(zhuǎn)，可使規(guī)定的力按設(shè)定的值作用于開(kāi)關(guān)上。施力方向?yàn)橹本€電機(jī)直線移動(dòng)方向，通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)正交轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)，可帶動(dòng)直線電機(jī)及U型夾具以光標(biāo)開(kāi)關(guān)中軸線為軸心進(jìn)行0°～180°旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光標(biāo)開(kāi)關(guān)各個(gè)方向上力的施加。

與普通步進(jìn)電機(jī)加力傳感器組成的力學(xué)測(cè)試機(jī)構(gòu)相比，本設(shè)計(jì)的力學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、定位精度高、靈敏度高、隨動(dòng)性好，且由于摩擦損耗低，所以工作可靠性高、壽命長(zhǎng)。

3.2 高壓矩陣開(kāi)關(guān)模塊的設(shè)計(jì)

高壓矩陣開(kāi)關(guān)模塊在本系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)各類(lèi)測(cè)試資源和駕駛桿被測(cè)通道之間的程控互聯(lián)，由于需要進(jìn)行絕緣和耐壓測(cè)試，該模塊需要耐500 V以上高壓。由于目前耐500 V以上高壓的繼電器及相應(yīng)成品板卡較少，故本研究中需要自行設(shè)計(jì)。

高壓矩陣開(kāi)關(guān)模塊采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口，與上位機(jī)采用RS232串口通信，模塊之間采用并行數(shù)據(jù)傳輸和擴(kuò)展通路數(shù)，單個(gè)模塊的設(shè)計(jì)通路為4×16路。模塊電源采用外部輸入，主要包括+5 V和+12 V兩路。

電路設(shè)計(jì)方面主要包括3個(gè)部分，如圖5所示，第1部分是外圍接口電路，采用了驅(qū)動(dòng)器對(duì)信號(hào)進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)換，同時(shí)包括狀態(tài)顯示電路，用于指示處理電路部分產(chǎn)生的狀態(tài)信號(hào)；第2部分為通信和處理電路，采用了兩片可編程邏輯器件EPM7128器件，內(nèi)部包括了與上位機(jī)通信的串口電路、繼電器開(kāi)關(guān)譯碼信號(hào)產(chǎn)生電路以及狀態(tài)輸出信號(hào)對(duì)比監(jiān)控模塊；第3部分為繼電器陣列模塊，是模塊的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

圖5 高壓矩陣模塊結(jié)構(gòu)框圖

高壓繼電器擬選用Pickering公司生產(chǎn)的119型高壓繼電器，該繼電器采用12 V電壓控制，具有1000 V/1 A的開(kāi)關(guān)切換能力，開(kāi)關(guān)壽命高達(dá)109次，絕緣強(qiáng)度高達(dá)1010Ω，即使500個(gè)繼電器并聯(lián)也可保證20 MΩ的系統(tǒng)絕緣強(qiáng)度。

4 軟件開(kāi)發(fā)

駕駛桿檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)試軟件(以下簡(jiǎn)稱(chēng)測(cè)試軟件)用于檢測(cè)駕駛桿上各類(lèi)扳機(jī)/按鈕的力學(xué)和電氣特性，軟件使用LabWindows/CVI 2015進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有交互式自動(dòng)測(cè)試和手動(dòng)測(cè)試的功能，具備人機(jī)界面友好、圖形化的測(cè)試界面、測(cè)試速度快的優(yōu)點(diǎn)，并能將測(cè)試結(jié)果以Excel表格的形式保存和調(diào)閱。軟件平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)分為硬件自檢模塊、自動(dòng)測(cè)試模塊、手動(dòng)測(cè)試模塊、測(cè)試記錄管理模塊、啟動(dòng)登陸和自檢模塊，功能框架如圖6所示。

圖6 測(cè)試軟件功能框架圖

4.1 自檢模塊

自檢模塊完成檢測(cè)系統(tǒng)中的絕緣抗電儀、數(shù)字多用表、程控直流電源、矩陣開(kāi)關(guān)模塊和駕駛桿施力裝置等功能的自動(dòng)檢測(cè)。利用測(cè)試電纜連接檢測(cè)系統(tǒng)和自檢電路，測(cè)試軟件自檢模塊根據(jù)測(cè)試邏輯，控制矩陣開(kāi)關(guān)模塊自動(dòng)切換，將系統(tǒng)的測(cè)試資源連接到自檢電路的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量源上，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量源進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的比對(duì)，判定各測(cè)試資源、矩陣模塊通路的完好性，最終輸出自檢結(jié)論。

4.2 自動(dòng)測(cè)試模塊

自動(dòng)測(cè)試模塊完成駕駛桿各類(lèi)扳機(jī)/按鈕的絕緣性能、抗電性能、壓電轉(zhuǎn)換性能、接觸電阻、零位電阻等性能的測(cè)試要求，輸出測(cè)試結(jié)論。同時(shí)在測(cè)試前還應(yīng)將飛機(jī)信息、產(chǎn)品信息、操作者信息等數(shù)據(jù)正確錄入在測(cè)試界面的產(chǎn)品信息區(qū)，以便將測(cè)試數(shù)據(jù)正確傳入測(cè)試數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析。

4.3 手動(dòng)測(cè)試模塊

手動(dòng)測(cè)試模塊用于用戶針對(duì)某一測(cè)試項(xiàng)目的重復(fù)性測(cè)試，便于駕駛桿的故障排除定位和不穩(wěn)定故障的復(fù)現(xiàn)。由于抗電測(cè)試存在對(duì)駕駛桿電氣性能造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)，所以手動(dòng)測(cè)試模塊中未將抗電性能測(cè)試納入。

4.4 測(cè)試數(shù)據(jù)管理模塊

測(cè)試數(shù)據(jù)管理模塊可以完成測(cè)試數(shù)據(jù)顯示與存儲(chǔ)、測(cè)試數(shù)據(jù)分析、測(cè)試故障統(tǒng)計(jì)和健康預(yù)測(cè)等功能。

4.5 用戶登錄和自檢模塊

用戶登錄和自檢模塊可以完成用戶注冊(cè)和登錄管理、用戶權(quán)限管理、儀器配置、各測(cè)試儀器初始化信息返回值的讀取和判斷等功能。

4.6 測(cè)試流程

軟件測(cè)試流程如圖7所示。

圖7 軟件測(cè)試流程圖

5 功能驗(yàn)證

目前已基于該測(cè)試系統(tǒng)，成功對(duì)某型飛機(jī)駕駛桿進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)如圖8所示。

5.1 自動(dòng)測(cè)試

測(cè)試過(guò)程中的測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試結(jié)果將會(huì)在界面中“測(cè)試結(jié)果顯示”表格中顯示，如圖9所示。

圖8 測(cè)試應(yīng)用圖

圖9 自動(dòng)測(cè)試界面

軟件按照測(cè)試邏輯，分步驟進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)前進(jìn)行的測(cè)試項(xiàng)目?jī)?nèi)容和理論指標(biāo)分別在“測(cè)試項(xiàng)目”和“理論值范圍”列中顯示，測(cè)試結(jié)果在“實(shí)際測(cè)試值”列中顯示，軟件自動(dòng)根據(jù)實(shí)測(cè)值與理論值范圍比較的結(jié)果，給出當(dāng)前步驟測(cè)試是否合格的結(jié)論，顯示在“結(jié)果判定”列中。若某測(cè)試項(xiàng)目不合格，該行對(duì)應(yīng)結(jié)果將顯示“不合格”并標(biāo)記為紅色。

測(cè)試過(guò)程中的一些提示性信息，顯示在表格下方“測(cè)試過(guò)程信息”文本框中。本項(xiàng)測(cè)試全部結(jié)束后，該文本框中還將顯示該項(xiàng)測(cè)試中故障的總數(shù)，便于用戶快速了解測(cè)試結(jié)果。

5.2 手動(dòng)測(cè)試

手動(dòng)測(cè)試界面按照測(cè)試項(xiàng)目?jī)?nèi)容分為絕緣電阻、接觸電阻、光標(biāo)控制按鈕壓電轉(zhuǎn)換性能、光標(biāo)控制按鈕電阻特性測(cè)試等部分，如圖10所示。用戶可通過(guò)單擊各面板名稱(chēng)前的單選按鈕，單次選擇其中的一項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試。當(dāng)某項(xiàng)測(cè)試被選中時(shí)，該項(xiàng)測(cè)試相關(guān)的面板控件將被激活，可以使用其余面板的控件將被屏蔽，以避免用戶誤操作帶來(lái)的可能風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 手動(dòng)測(cè)試界面

5.3 測(cè)試記錄管理

本模塊可實(shí)現(xiàn)測(cè)試記錄的管理、查閱和比對(duì)等功能，如圖11所示。

圖11 測(cè)試記錄管理界面

5.4 系統(tǒng)自檢

系統(tǒng)自檢的相應(yīng)信息顯示在面板左側(cè)的采集表中，軟件根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)自行判斷相應(yīng)儀器是否工作正常，若測(cè)試不合格，將直接在面板右側(cè)的記錄表中列出具體故障儀器，如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)自檢面板

5.5 驗(yàn)證結(jié)論

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的飛機(jī)駕駛桿自動(dòng)測(cè)試方法切實(shí)可行，基于該方法設(shè)計(jì)的駕駛桿檢測(cè)系統(tǒng)可滿足某型飛機(jī)駕駛桿的快速測(cè)試需求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為資源核心，研制了飛機(jī)駕駛桿檢測(cè)系統(tǒng)硬件，設(shè)計(jì)了駕駛桿電學(xué)測(cè)試硬件平臺(tái)、矩陣開(kāi)關(guān)模塊以及夾持和施力裝置，其測(cè)試資源靈活豐富，便于擴(kuò)展升級(jí)；測(cè)試軟件具有模板化、可視化以及人機(jī)交互友好等特點(diǎn)，通用性強(qiáng)。經(jīng)過(guò)對(duì)某型飛機(jī)駕駛桿測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證，結(jié)果表明本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)駕駛桿的快速測(cè)試和故障診斷，其效率高，可靠性和經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，有效解決了飛機(jī)駕駛桿維修難題。