余欲為，譚 杰，白旺旺

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094）

鐵路列車制動系統(tǒng)具有較多氣動零部件，其可靠性關(guān)系行車安全，需嚴(yán)格地進(jìn)行試驗(yàn)檢驗(yàn)，制動零部件及系統(tǒng)的各個(gè)試驗(yàn)臺（后文簡稱試驗(yàn)臺）技術(shù)日益重要。

試驗(yàn)臺由被測件（測量）工裝、氣動系統(tǒng)、測控系統(tǒng)軟硬件和箱體組成。

測試準(zhǔn)確和易用高效是試驗(yàn)臺首要設(shè)計(jì)需求。試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)歷史反映了這個(gè)需求的漸進(jìn)細(xì)化、不斷精進(jìn)的歷程。工裝經(jīng)歷手動工裝到機(jī)動工裝；測試經(jīng)歷了機(jī)械表、數(shù)字表和計(jì)算機(jī)測試；試驗(yàn)方式經(jīng)過手動和自動試驗(yàn)；設(shè)計(jì)約束經(jīng)過從無到有。前述過程交織融合，逐漸迭代完善、細(xì)化和規(guī)范，最終達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。制動系統(tǒng)的各種試驗(yàn)中，利用共性開發(fā)可復(fù)用的設(shè)計(jì)，可提高設(shè)計(jì)、生產(chǎn)效率和可維護(hù)性。通用設(shè)計(jì)包括2個(gè)方面：（1）多種試驗(yàn)臺可共用的通用設(shè)計(jì)；（2）多種專用試驗(yàn)臺合成設(shè)計(jì)為綜合試驗(yàn)臺，提高設(shè)備使用效率。

1 通用軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺種類多，軟件開發(fā)消耗大量資源，后期維護(hù)管理更甚。而這些軟件代碼有70%以上可重復(fù)使用。如能通用化設(shè)計(jì)，事半功倍，亦增強(qiáng)代碼易用性和維護(hù)性。

1.1 設(shè)計(jì)需求

通用設(shè)計(jì)原則：設(shè)計(jì)邏輯直觀、簡單，利于理解和普及；盡可能地?cái)U(kuò)大通用設(shè)計(jì)范圍，減少特殊設(shè)計(jì)；具較少專業(yè)知識即可應(yīng)用。設(shè)計(jì)需求如圖1所示。

圖1 通用軟件需求分析圖

（1）試驗(yàn)臺狀態(tài)設(shè)計(jì)需求。顯示試驗(yàn)臺原理圖，圖上測控元素實(shí)時(shí)顯示且易交互。

（2）試驗(yàn)過程設(shè)計(jì)需求。試驗(yàn)步驟提示。

1.2 通用軟件需求分析和設(shè)計(jì)

通用設(shè)計(jì)簡單說就是處理普遍性和特殊性的關(guān)系。首先把設(shè)計(jì)需求在邏輯上區(qū)分為普遍的需求和特殊的需求?！霸囼?yàn)臺基本需求”框中，不同被測件測試過程不同，則其對應(yīng)的需求如試驗(yàn)報(bào)表、數(shù)據(jù)文件、試驗(yàn)臺構(gòu)成、試驗(yàn)過程等均為特殊的（淺綠色）需求。而軟件界面、人機(jī)交互操作等普遍的（深綠色）需求，可為通用設(shè)計(jì)。分析后發(fā)現(xiàn)，特殊需求較多，不能達(dá)到構(gòu)建易用通用軟件的目的。應(yīng)將特殊需求轉(zhuǎn)化為通用需求。

其次從程序設(shè)計(jì)角度分析。程序設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和過程（屬性和方法）設(shè)計(jì)。方法在編程時(shí)定義（后文簡稱前定義），而數(shù)據(jù)在編程和程序應(yīng)用時(shí)都可定義（后文簡稱后定義），即處理數(shù)據(jù)的需求可以轉(zhuǎn)化為通用設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 需求轉(zhuǎn)化為通用需求分析圖

再次，個(gè)性化程序如果能夠轉(zhuǎn)換為個(gè)性數(shù)據(jù)和普遍方法，則設(shè)計(jì)可以通用化。例如，一類需求如果能夠轉(zhuǎn)化為少數(shù)方法或統(tǒng)型為幾個(gè)模板，其相應(yīng)特殊數(shù)據(jù)配置處理，此特殊需求即可轉(zhuǎn)化為“后定義”，即通用設(shè)計(jì)。比如，需求中的試驗(yàn)報(bào)告的顯示和打印符合上述條件，先把試驗(yàn)報(bào)告歸納為幾種通用模版，具體文本內(nèi)容（數(shù)據(jù)）采用“后定義”，即解決了其通用編程問題。

第四，需求如果可以適度地抽取出共性“零部件”，且能以此“零部件”再建不同的“整機(jī)”。不同的試驗(yàn)臺構(gòu)成不同，應(yīng)為個(gè)性設(shè)計(jì)。但其組成的零部件又是相同的，例如電磁閥、傳感器等，故零部件可以是幾種共性設(shè)計(jì)，試驗(yàn)臺則轉(zhuǎn)化為對幾種共性零部件的數(shù)量和構(gòu)造的定義等，即轉(zhuǎn)化為可后定義的通用編程問題。封裝屬性和方法構(gòu)造類的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)，可滿足此需求。如圖1右上紫色部分所示。

最后，試驗(yàn)流程設(shè)計(jì)需求的通用化。原則上說，不同的試驗(yàn)臺或被測件的試驗(yàn)流程不同，故試驗(yàn)流程程序應(yīng)為個(gè)性設(shè)計(jì)，一般需要在編程時(shí)完成。應(yīng)用程序集成語言編譯器或解釋器則可后定義。設(shè)計(jì)需求中含有控制程序“透明化”即試驗(yàn)流程的步驟指示和說明需求，解釋器邊解釋邊執(zhí)行的工作原理滿足此需求，如圖1右下紅色部分所示。與其他方案的比較結(jié)果，應(yīng)用程序內(nèi)嵌解釋器較好滿足了試驗(yàn)流程通用化設(shè)計(jì)的全部需求。不同的試驗(yàn)過程可以表達(dá)為不同的數(shù)據(jù)（例如文件）。

概括而言，數(shù)據(jù)可“后定義”。前述個(gè)性需求轉(zhuǎn)化為通用需求就是把方法轉(zhuǎn)為屬性的過程。解釋器設(shè)計(jì)，也是方法到屬性的轉(zhuǎn)化。經(jīng)過這樣的設(shè)計(jì)，用戶僅需承擔(dān)試驗(yàn)流程程序設(shè)計(jì)工作，使用戶工作量最小。

1.3 應(yīng)用分析

應(yīng)用程序的操作系統(tǒng)：Windows。選擇微軟的VC開發(fā)應(yīng)用程序，選擇Windows需要解決的技術(shù)問題。

（1）Windows是多任務(wù)操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度分配CPU等資源，應(yīng)用程序不能獨(dú)占，由此造成應(yīng)用程序響應(yīng)時(shí)間有毫秒級延遲。

（2）Windows的1 s定時(shí)誤差約3%，可采用硬件定時(shí)提高精度。

（3）自開發(fā)并口AD卡，Windows95之后版本需開發(fā)驅(qū)動。

1.4 解釋語言、解釋器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

解釋器是通用設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。滿足試驗(yàn)流程控制的通用化設(shè)計(jì)需求是解釋器設(shè)計(jì)初衷，聚焦需求。

1.4.1 解釋語言和解釋器設(shè)計(jì)

解釋語言和解釋器設(shè)計(jì)密不可分。其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)需解決幾類問題。

針對試驗(yàn)臺需求設(shè)計(jì)簡化的類似C語言的解釋語言［1］。解釋語言運(yùn)行效率低，簡化設(shè)計(jì)，僅滿足試驗(yàn)流程控制即可。采用C語言解決了前期解釋語言設(shè)計(jì)中的問題。

解釋語言的關(guān)鍵字為英漢雙語設(shè)計(jì)，接近自然語言，例如：開關(guān)電磁閥函數(shù)名為“打開”，回避專業(yè)詞匯，把計(jì)算機(jī)專業(yè)知識從試驗(yàn)流程程序中剝離出去，降低技術(shù)門檻。

接口設(shè)計(jì)策略。軟件的模型設(shè)計(jì)和接口設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的重要項(xiàng)點(diǎn)。解釋程序與VC程序需要數(shù)據(jù)交互，故變量、數(shù)組、字符串等設(shè)計(jì)與VC程序兼容，采用共用數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)策略。

詞法分析中的查表法效率低，盡可能采用程序法，減少查表。采用變量分區(qū)等減小表長，單條語句運(yùn)行時(shí)間達(dá)毫秒級，滿足試驗(yàn)臺需求?？刂婆_語法錯(cuò)誤提示。數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換由解釋器自動轉(zhuǎn)換。

1.4.2 調(diào)試功能——解釋器需要的附加功能

調(diào)試為解釋程序的查錯(cuò)、糾錯(cuò)，無查錯(cuò)糾錯(cuò)功能的語言難以應(yīng)用。調(diào)試要求在運(yùn)行的解釋程序任意位置可暫停，保持解釋程序當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)不變，并且解釋器可按要求運(yùn)行或檢查狀態(tài)，以判斷程序運(yùn)行是否正常。并行程序運(yùn)行機(jī)制滿足此需求，采用多線程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)調(diào)試器調(diào)度功能。

查錯(cuò)的關(guān)鍵，指出錯(cuò)誤語句位置。開發(fā)步進(jìn)功能以定位程序錯(cuò)誤。調(diào)試器單步執(zhí)行程序每一語句，執(zhí)行完成后在下一即將執(zhí)行語句處停止，了解程序當(dāng)前狀態(tài)，并按要求繼續(xù)下一步。程序是否有問題、如何解決由操作人員確定，這是調(diào)試器的基本功能。

1.4.3 交互功能

與用戶交互設(shè)計(jì)關(guān)系到易用性。分為編程、調(diào)試和運(yùn)行交互（試驗(yàn)進(jìn)程指示器）。

（1）應(yīng)用程序中集成了VC提供的編輯器，用于編程交互。

（2）要改正錯(cuò)誤，還要高效。調(diào)試交互設(shè)計(jì)用于提高調(diào)試效率，實(shí)時(shí)指示程序運(yùn)行位置。采用在編輯器中高亮顯示將執(zhí)行語句置于指示程序運(yùn)行位置。

（3）自動化試驗(yàn)需要試驗(yàn)進(jìn)程指示器，利于操作者判斷自動試驗(yàn)流程運(yùn)行位置，并根據(jù)需要行動，去掉調(diào)試步進(jìn)功能的暫停。一般的程序進(jìn)程指示僅標(biāo)識一段程序的概述，而直接對源程序標(biāo)識，有利于了解編程意圖和程序進(jìn)程。解釋程序運(yùn)行效率低，進(jìn)程指示器效率更低，故設(shè)計(jì)全速運(yùn)行和指示器運(yùn)行2種運(yùn)行模式。

1.5 其他程序設(shè)計(jì)

VC程序提供了強(qiáng)大高效的通用應(yīng)用程序資源，可以用來專用設(shè)計(jì)。

1.5.1 軟件虛擬試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

依據(jù)試驗(yàn)臺工作原理設(shè)計(jì)交互界面直觀易用，升級為通用設(shè)計(jì)稍有難度。由前述試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為通用的零部件設(shè)計(jì)，試驗(yàn)臺的特殊信息配置轉(zhuǎn)為以應(yīng)用程序繪制試驗(yàn)臺原理圖（類似繪圖程序）配置數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)通用設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)分為通用零部件設(shè)計(jì)和零部件在交互界面上的繪制設(shè)計(jì)，例如放置、刪除和連接元件。

1.5.2 報(bào)表及試驗(yàn)過程顯示界面設(shè)計(jì)

報(bào)表及試驗(yàn)過程顯示界面設(shè)計(jì)合并，即報(bào)表也用于顯示表、圖及組合3種方式。

1.5.3 配置界面

為兩維數(shù)組錄入設(shè)計(jì)，應(yīng)用較多。采用宏匯編語言設(shè)計(jì)，代碼少、效率高。

1.6 應(yīng)用驗(yàn)證

在多種生產(chǎn)性試驗(yàn)臺運(yùn)用十年，穩(wěn)定可靠，疲勞試驗(yàn)良好，有進(jìn)一步的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 測控系統(tǒng)硬件通用設(shè)計(jì)

2.1 概述

測控硬件設(shè)計(jì)分為3部分：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)測控接口和調(diào)理器。測控元件為選型設(shè)計(jì)。測控為開關(guān)量、頻率量和模擬量的輸入輸出共6種，模塊化接口通用設(shè)計(jì)只考慮6種量及增減方式。調(diào)理器設(shè)計(jì)需要與傳感器、執(zhí)行器接口技術(shù)參數(shù)匹配，僅對常用的及參數(shù)相近的做通用化設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)單片機(jī)精簡型、并口復(fù)雜型和PLC耐久型3種系統(tǒng)以滿足全部試驗(yàn)臺需求。

2.2 設(shè)計(jì)需求

大多零部件即專用試驗(yàn)臺需求測控參數(shù)少、速度低，可選精簡系統(tǒng)。其具有自開發(fā)性價(jià)比高；要針對需求靈活適應(yīng)變化；使用維護(hù)成本低；與上位機(jī)串口連接簡單、方便、安全等優(yōu)勢。系統(tǒng)類測試或通用（綜合）試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)需求，測控參數(shù)多、精度高和速度高，宜采用并口復(fù)雜系統(tǒng)。其應(yīng)用場景少，自開發(fā)性價(jià)比稍低。

2.3 串行測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 硬件設(shè)計(jì)

采用C8051F020單片機(jī)（其上資源全部應(yīng)用）組成測控系統(tǒng)。其RS232可點(diǎn)對點(diǎn)通訊，RS485可連接多個(gè)系統(tǒng)以組成網(wǎng)絡(luò)。RS232傳輸速度低，為應(yīng)用瓶頸。測試精度、采樣速度、定時(shí)精度設(shè)計(jì)是重點(diǎn)，特別是測試精度。此系統(tǒng)可滿足一般制動系統(tǒng)測控速度和定時(shí)（毫秒級）需求。

2.3.2 軟件設(shè)計(jì)

速度、效率是軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

（1）中斷程序設(shè)計(jì)

按需要、重要性快速響應(yīng)是中斷程序系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制，其優(yōu)點(diǎn)是高效，占用資源少。此設(shè)計(jì)以中斷程序滿足設(shè)計(jì)需求，構(gòu)建合適的中斷優(yōu)先級，以達(dá)高性能。

（2）定時(shí)程序設(shè)計(jì)

Windows不能精確定時(shí)。用晶振做時(shí)鐘源，單片機(jī)定時(shí)精度達(dá)微秒級，滿足需求。

（3）連續(xù)高速、多通道A/D程序設(shè)計(jì)

常規(guī)的A/D程序流程為設(shè)置通道、采樣保持器充電、啟動A/D轉(zhuǎn)換、等待A/D轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換完成讀取結(jié)果。2個(gè)等待加上程序運(yùn)行時(shí)間大約占20μs，導(dǎo)致軟件工作效率低。采用中斷和并行操作等優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3.3 測試系統(tǒng)精度和抗干擾設(shè)計(jì)

測量系統(tǒng)由傳感器、信號調(diào)理器、多路開關(guān)、采樣保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。權(quán)衡各部分技術(shù)現(xiàn)狀及測試需求，進(jìn)行妥善設(shè)計(jì)，測試精度達(dá)萬分級。

（1）硬件

設(shè)計(jì)獨(dú)立模擬電源、數(shù)字和模擬系統(tǒng)一點(diǎn)接地、大電流系統(tǒng)電氣隔離和優(yōu)化模擬系統(tǒng)布局布線等措施，降低干擾影響。

（2）濾波

根據(jù)測試需求權(quán)衡軟硬件濾波利弊適度設(shè)計(jì)。硬件設(shè)無源低通濾波器，依測試需求頻響設(shè)置頻率點(diǎn)。軟件設(shè)計(jì)工頻濾波。

2.4 并行測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

串口測控系統(tǒng)無法滿足測控量較多、采樣頻率較高的需求，需采用并口方案。設(shè)計(jì)ISA接口AD板卡，其問題是生產(chǎn)、應(yīng)用和調(diào)試維護(hù)需要較強(qiáng)專業(yè)技能，疏忽會導(dǎo)致PC機(jī)損壞，維護(hù)性差。設(shè)計(jì)原理與單片機(jī)系統(tǒng)類同，區(qū)別在于PC機(jī)接口部分。

3 機(jī)械及氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按功能可將試驗(yàn)臺氣動系統(tǒng)分為供風(fēng)、調(diào)整、負(fù)載3種子系統(tǒng)。原則上氣動元件選型設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)流量（有效流通面積）要求即可。但有時(shí)這樣忽略了氣動系統(tǒng)的諸多特性，導(dǎo)致無法滿足測試需求，應(yīng)細(xì)化設(shè)計(jì)需求。例如動態(tài)試驗(yàn)測試時(shí)，要求傳感器測點(diǎn)設(shè)計(jì)位置盡可能接近動態(tài)變化點(diǎn)。

調(diào)整子系統(tǒng)需求有較多隱含要求，需要仔細(xì)考量，區(qū)分壓力控制、流量控制2種調(diào)節(jié)參數(shù)方式。壓力控制分為升壓和降壓控制，有的需要單調(diào)壓力升降，有的控制壓力變化速度等，須根據(jù)測試需求設(shè)計(jì)。

3.1 綜合試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

綜合試驗(yàn)臺是運(yùn)營用戶日常維護(hù)的較好選擇。氣動原理設(shè)計(jì)，要滿足全部被測件測試需求，且要求方案盡可能簡潔。

工程設(shè)計(jì)時(shí)需注意氣路具體實(shí)現(xiàn)及其對測試需求的影響，在專用試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)中，氣動系統(tǒng)相對簡單，對測試的影響較小。在綜合試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)中，氣動系統(tǒng)復(fù)雜、影響因素多，對測試精度影響較大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致測試失真。同時(shí)因?yàn)闅饴窂?fù)用部分較多，容易顧此失彼。動態(tài)測量時(shí)，采用定壓定容充排，測量時(shí)間、測量流量，測點(diǎn)位置、彎頭、快插、工裝等均影響較大。最后還需兼顧安裝和維護(hù)性。分步迭代改進(jìn)設(shè)計(jì)，接近需求，為較好策略。

3.2 集成化設(shè)計(jì)

以踏面、夾鉗和制動缸試驗(yàn)臺氣動系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)為例。采用整體集成板式、橡膠圈密封設(shè)計(jì)，占用空間小和拆卸換件便捷，可整體浸入水中快速查漏。如圖3所示。

圖3 集成氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

3.3 模塊化設(shè)計(jì)

氣動系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)處于起步階段，對前期設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺分析，設(shè)計(jì)幾種方案，其中可級聯(lián)閥板方案進(jìn)展較快，閥板可以級聯(lián)以滿足復(fù)雜的各種需求，已完成百萬次疲勞驗(yàn)證。模塊化設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

圖4 模塊化設(shè)計(jì)方案

3.4 工裝設(shè)計(jì)

工裝按功能分為安裝工裝和安裝測試工裝。易用高效為工裝設(shè)計(jì)首要，體現(xiàn)“以用戶需求為中心”的設(shè)計(jì)理念。在試驗(yàn)臺試驗(yàn)流程自動化后，拆卸被測件是使用者的主要工作，彰顯工裝易用高效的重要性。

3.4.1 被測件的快速安裝工裝

常規(guī)氣動工裝設(shè)計(jì)（軟管+螺紋連接）較簡單，但使用時(shí)工作量大。氣缸夾緊式橡膠圈密封工裝，雖然設(shè)計(jì)工作量大，但使用簡單高效。設(shè)計(jì)主要針對被測件外形、著力點(diǎn)、密封力、密封圈等因素綜合考量。

歷經(jīng)單一被測件試驗(yàn)臺、全系列試驗(yàn)臺、再到綜合試驗(yàn)臺較長過程，研制出裝夾全部氣動零部件工裝。在氣動部件綜合試驗(yàn)臺安裝工裝設(shè)計(jì)中，全部被測件安裝用3個(gè)工裝，設(shè)計(jì)及改進(jìn)歷時(shí)多年。對于多種被測件，使用轉(zhuǎn)換板做中間過渡。如圖5所示，圖中左側(cè)水平和垂直2種工裝結(jié)構(gòu)相同，是為滿足試驗(yàn)測試與運(yùn)用時(shí)安裝方向一致。

圖5 氣動部件工裝設(shè)計(jì)產(chǎn)品圖

此試驗(yàn)臺的設(shè)備使用效率較高。不足之處是得平衡多設(shè)計(jì)的需求，難以專精顧及個(gè)體需求。

3.4.2 測量工裝和安裝測量工裝

測量工裝固定在試驗(yàn)臺上高效易用，因裝在被測件上，換件時(shí)需裝卸測量工裝。這是由于存在以下幾個(gè)問題：

（1）會帶來間接測量導(dǎo)致測量精度降低的問題。

（2）測量工裝功能涉及幾何因素的測量，需提高工裝加工精度，以達(dá)到量具設(shè)計(jì)的需求。

（3）測量精度還與其他因素有關(guān)。在夾鉗試驗(yàn)臺制動力測量中，工裝安裝方式等較多因素影響其力的測量。

（4）被測件影響因素。

可見工裝設(shè)計(jì)需求因高效高精多因素需求而變得復(fù)雜。例：制動缸活塞伸長量的測量工裝設(shè)計(jì)。

從測試需求來說應(yīng)直接測量活塞相對氣缸的位移，但是設(shè)計(jì)難度大，而且更換時(shí)需重新拆裝和定位，嚴(yán)重影響效率和測試精度。故采用間接測試法，即測量制動缸連接試驗(yàn)臺構(gòu)件的相對位移。優(yōu)點(diǎn)：易用高效；缺點(diǎn)：引入間接測量誤差，同時(shí)還引入了安裝間隙帶來的誤差。另外制動缸充風(fēng)產(chǎn)生的噸級制動缸力造成框架彈性變形也引入測量誤差。制動缸安裝銷的配合間隙設(shè)計(jì)適度，以解決安裝間隙小、測量精度高，且不易安裝的問題；為減小彈性變形引起測量誤差，設(shè)計(jì)了高結(jié)構(gòu)剛度的框架，計(jì)算框架總變形0.16 mm。安裝工裝框架受力變形計(jì)算如圖6所示。

圖6 制動缸試驗(yàn)臺框架變形計(jì)算

4 試驗(yàn)臺測試精度和試驗(yàn)研究

一般認(rèn)為測試精度與傳感器精度、測量系統(tǒng)精度有關(guān)。實(shí)踐證明影響試驗(yàn)臺測試精度因素較多，且隨測試需求的不同，影響因素、方式、大小各不同，研究這些影響因素是提高試驗(yàn)臺測試精度的前提。需要綜合考量解決各影響因素，以提高測試精度。

4.1 傳感器選擇對測試精度的影響

根據(jù)測試需求選擇傳感器。例如常規(guī)的精度、量程選型。但不限于此，例如動態(tài)測量時(shí)傳感器需要相應(yīng)的頻率響應(yīng)特性。壓差測量中，需較高的靈敏度、分辨率。

4.2 試驗(yàn)臺對測試精度影響因素

4.2.1 直接測量影響因素

直接測量分為靜態(tài)測量和動態(tài)測量。

（1）靜態(tài)測量誤差

靜態(tài)測量較易達(dá)到較高測試精度，在高精度測量時(shí)需要審慎設(shè)計(jì)。試驗(yàn)證明，在不充排風(fēng)，保持氣路和環(huán)境狀態(tài)不變時(shí)，氣壓需要幾分鐘達(dá)到“真值”。例如，對一個(gè)G1/4的不銹鋼管，24 V諾冠直動式電磁閥，從0 kPa充風(fēng)至1050 kPa，200 ml管路容積，單片機(jī)測量系統(tǒng)。氣體壓力穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果為3 min可達(dá)0.1 kPa準(zhǔn)確度。

從試驗(yàn)效率而言，只要滿足測試需求精度即可，提高測試效率也很關(guān)鍵。

（2）動態(tài)測量誤差

動態(tài)氣動系統(tǒng)，如流量測量，其與氣動系統(tǒng)的阻力相關(guān)，有效流通面積、管道彎頭、管道長度都會影響氣流和測量精度。且對有些測試需求影響較大。

4.2.2 間接測量的影響因素

制動氣動系統(tǒng)試驗(yàn)有很多用壓力測量代替其他參數(shù)測量的情況。在閥類開關(guān)動作時(shí)間測量時(shí)，常用壓力測量的壓力升降點(diǎn)約定為閥開關(guān)動作時(shí)間。此時(shí)影響測量結(jié)果的因素較多，壓力傳感器與閥的遠(yuǎn)近、經(jīng)過的彎頭和管長、測量氣路容積、傳感器分辨率、采樣時(shí)間等，均有毫秒級的影響。壓力測量代替流量測量類似。其他如前3.4.2所述。

4.2.3 其他影響因素概述

傳感器安裝位置影響；氣動系統(tǒng)的特性對測試的影響；工裝對測試的影響；機(jī)械特性影響；靜態(tài)、動態(tài)、滯回；環(huán)境影響；溫度對氣體壓力影響；電磁干擾影響；試驗(yàn)方法的影響，例如流量需在穩(wěn)定流動狀態(tài)下測量；控制參數(shù)對測量精度的影響，控制方式影響，如在機(jī)械閥的動作測量中，除與4.2.2因素相關(guān)外，還要求壓力單調(diào)升降；被測件特性的影響。上述影響在實(shí)際問題中有時(shí)相關(guān)聯(lián)，需權(quán)衡利弊綜合考慮解決。

影響測量精度因素諸多，如何尋找影響精度的源頭，減小其影響。方法為制定定性或定量試驗(yàn)方案、試驗(yàn)觀察并分析數(shù)據(jù)、與理論原理模型匹配、猜測判斷評估和改善驗(yàn)證等。重復(fù)前述過程，盡可能且適度迭代循環(huán)。工程是多目標(biāo)的適度尋優(yōu)，減小不確定性，達(dá)到可以接受的程度，即認(rèn)為達(dá)到確定性。

4.3 試驗(yàn)研究評估改善測試精度

目前公認(rèn)的測試精度評價(jià)辦法是，由有傳感器標(biāo)定資質(zhì)機(jī)構(gòu)對傳感器物理量測量系統(tǒng)的靜態(tài)標(biāo)定，顯然由前述分析可知，這并非對測量需求的直接標(biāo)定。對動態(tài)和間接的測量，標(biāo)定可能不能精確評價(jià)，應(yīng)尋求接近測量需求的方式進(jìn)行標(biāo)定。

尋找測量精度低的原因比較困難，關(guān)鍵在確定影響因素和分析方法。理清各相關(guān)因素，隨研究深入，理論結(jié)合試驗(yàn)分析并改善，逐次降低各因素的影響。

實(shí)踐中運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析法和趨勢線分析法（后簡稱統(tǒng)計(jì)趨勢線分析）取得較好效果。統(tǒng)計(jì)法需要大樣本試驗(yàn)數(shù)據(jù)，增加成本，但降低不確定性，減少方向性錯(cuò)誤，為定量化創(chuàng)造了條件。

4.3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)趨勢分析

在制動缸A值試驗(yàn)時(shí)，測試結(jié)果相差較大，與理論模型分析不符。經(jīng)過大量試驗(yàn)，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)趨勢分析揭示了試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律。

控制彈性擋塊位置的制動缸A值試驗(yàn)數(shù)據(jù)的2645次試驗(yàn)散點(diǎn)圖如圖7所示。結(jié)合試驗(yàn)觀察和散點(diǎn)分布，可以看出從上到下有3組散點(diǎn)群，最上面的散點(diǎn)群偶爾出現(xiàn)，其時(shí)有機(jī)械卡滯引發(fā)的“咔嗒”聲，為不正常測試值的卡滯群。中間的點(diǎn)群為正常測量的大值群。下面為小值群。分析推測變化規(guī)律如下：

圖7 控制彈性擋塊位置試驗(yàn)散點(diǎn)圖

（1）卡滯群為調(diào)節(jié)螺母引起越級卡滯。

（2）正常A值測試數(shù)據(jù)大小值交替出現(xiàn)，其散點(diǎn)群中心距離0.4 mm。大、小值平均帶寬（散點(diǎn)群高度）約0.2 mm，即測試誤差。

（3）點(diǎn)群中心線斜率約為1；即彈性擋塊位置變化0.1 mm，制動緩解差值變化0.1 mm。

（4）在頂杠的不同位置A值呈小幅周期變化，變化周期約為0.4 mm。

（5）卡滯出現(xiàn)在大、小值的變化接合處。

3個(gè)點(diǎn)群的數(shù)據(jù)在10.2～11.7 mm范圍之間，即1.5 mm的帶寬之內(nèi)。大、小值點(diǎn)群10.2～11 mm，0.8 mm帶寬。小值點(diǎn)群10.2～10.6 mm，0.4 mm帶寬?？梢钥闯觯瑴y小值時(shí)，測試精度提高4倍。

4.3.2 一致性——測試準(zhǔn)確的必要條件

彈性擋塊位置不動時(shí)的制動缸A值487次試驗(yàn)，如圖8所示。分析結(jié)論：

圖8 不控制彈性擋塊位置試驗(yàn)散點(diǎn)圖

（1）試驗(yàn)值分為大小2個(gè)點(diǎn)群。

（2）因彈性擋塊位置不動，位置測量值不同，且點(diǎn)群近似正態(tài)分布。推斷其變化為測試系統(tǒng)的位置測量誤差為0.06 mm，分辨率為0.01 mm。試驗(yàn)數(shù)據(jù)具較好的一致性。

（3）其小值一致性較好，為7.78～7.88 mm，誤差約為0.1 mm。

在同一試驗(yàn)臺上測同一被測件時(shí)，其多次測試結(jié)果一致性在0.2。此時(shí)也存在誤差，這個(gè)誤差為確定性誤差。運(yùn)用此數(shù)據(jù)處理法，試驗(yàn)臺試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性良好。

測試系統(tǒng)的彈性擋塊位置測量誤差為0.06 mm，雖位置控制器精度更高，但控制根據(jù)測量結(jié)果，誤差為測量誤差與控制誤差之和。提高測量精度可以作為再提高試驗(yàn)臺精度的切入點(diǎn)。

如此構(gòu)成理論分析、改善方法設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證迭代進(jìn)化過程。

5 結(jié)論與展望

（1）通用試驗(yàn)臺軟件設(shè)計(jì)具可行性；通用試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)技術(shù)有發(fā)展空間。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)趨勢分析法降低了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，提高了研究的確定性，圖形趨勢分析凸顯出試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，是較好的探索型研究工具。宜在自動化測試基礎(chǔ)上運(yùn)用。

（3）自動化測試可進(jìn)一步探索，進(jìn)而達(dá)到自動化檢驗(yàn)、自動化生產(chǎn)。