槳葉折疊裝置試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?jiān)?李紅衛(wèi),武太文

摘要 該試驗(yàn)臺(tái)主要用于飛機(jī)槳葉折疊裝置的綜合性能檢測(cè)。試驗(yàn)臺(tái)由測(cè)試系統(tǒng)和控制系統(tǒng)二大部分組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)槳葉折疊裝置在工作狀態(tài)下的流量，液體壓力，運(yùn)行時(shí)間，旋轉(zhuǎn)角度，輸出力矩等參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量。測(cè)試數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析處理，并可保存及打印結(jié)果。試驗(yàn)臺(tái)采用可編程控制器（PLC）控制方式，觸摸屏式人機(jī)界面，控制軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的組態(tài)軟件開發(fā)。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)按要求達(dá)到高精度，實(shí)時(shí)化，智能化和安全可靠。

關(guān)鍵詞 飛機(jī)槳葉折疊裝置；自動(dòng)測(cè)量；PLC；測(cè)試系統(tǒng)

中圖分類號(hào)TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào) 1674-6708（2011）43-0162-03

Design of the Aircraft Propeller Fold Mechanism Stand Test System

ZHANG YuanZhi，LI HongWei，WU TaiWen

Sichuan University, School of Manufacturing Science and Engineering, Chengdu 610065

Abstract The test stand is mainly used for comprehensive performance testing of aircraft propeller fold mechanism.It by testing system and control system composed of two . Can realize Parameters automatically measurement of aircraft propeller fold mechanism under operation flow, such as hydraulic stress, operation time, rotation Angle, the output torque. The test data by computer automatic analysis processing, can save and print results.The test stand by using the programmable controller (PLC) control mode, human-machine interface with touch screen , control software was developed by configuration software of modular structure design. The test system according to the requirement achieve real-time,high precision,intelligent,safe and reliable.

Keywords Aircraft propeller fold mechanism ;Automatic measurement ;PLC;Test system.

0 引言

應(yīng)某航空液壓機(jī)械廠要求設(shè)計(jì)一臺(tái)對(duì)其生產(chǎn)的槳葉折疊裝置各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)。此航空裝置是由直旋作動(dòng)器組件和組合閥組件組成的液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)是一種將傳統(tǒng)液壓作動(dòng)筒的直線運(yùn)動(dòng)通過精密螺旋運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓作動(dòng)器。其運(yùn)動(dòng)時(shí)間短，具有自鎖功能，在作動(dòng)器到極限位置時(shí)還能發(fā)出到位信號(hào)。作動(dòng)器運(yùn)行方向和速度由組合閥組件控制。

可編程控制器（PLC）是在傳統(tǒng)的順序控制器的基礎(chǔ)上引入了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)而形成的一代新型工業(yè)控制裝置，目的是用來取代繼電器，執(zhí)行邏輯、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)等順序控制功能，建立柔性的程控系統(tǒng)。PLC具有通用性強(qiáng)、 使用方便、適應(yīng)面廣、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)及編程簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[1]。因此試驗(yàn)臺(tái)采用PLC作為控制系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，驅(qū)動(dòng)輸出以及與計(jì)算機(jī)通訊。

1測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和思路

由PLC控制的槳葉折疊裝置綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)時(shí)要求對(duì)被測(cè)試件的功能，技術(shù)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目和性能參數(shù)等進(jìn)行分析，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，可靠性，維修性和智能化等指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。遵循工作可靠，技術(shù)先進(jìn)，操作智能化的研制原則，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)使試驗(yàn)臺(tái)滿足廠方的技術(shù)要求[2]。

1.1試驗(yàn)臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)的測(cè)試功能主要有：

1）在各種工作狀態(tài)下的壓力，流量監(jiān)測(cè)及在該條件下的泄漏實(shí)驗(yàn)；

2）磨合實(shí)驗(yàn)及自鎖特性檢查；

3）運(yùn)行角度，時(shí)間及輸出力矩測(cè)試；

試驗(yàn)臺(tái)包括液壓油路測(cè)試系統(tǒng)及其他測(cè)試系統(tǒng)（見圖1）。

對(duì)液壓部分的測(cè)試包括壓力測(cè)試和流量測(cè)試。壓力測(cè)試主要是對(duì)槳葉折疊裝置工作壓力范圍的測(cè)試以及進(jìn)行各項(xiàng)磨合實(shí)驗(yàn)。流量測(cè)試包括工作條件下內(nèi)泄漏量及外泄漏量檢測(cè)等測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

其它測(cè)試系：槳葉折疊裝置在額定工作條件下從一個(gè)極限位置運(yùn)動(dòng)到另一極限位置時(shí)的轉(zhuǎn)角，運(yùn)行時(shí)間以及輸出力矩。測(cè)量時(shí)，角度編碼器安裝在槳葉折疊裝置的輸出端，力傳感器安裝在槳葉折疊裝置輸出端與負(fù)載的連桿上，通過角度與力可間接測(cè)量輸出力矩。時(shí)間測(cè)量通過PLC的10MS高精度計(jì)時(shí)器直接測(cè)量。所有測(cè)量結(jié)果均在人機(jī)界面上數(shù)字顯示。

1.2實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組成

實(shí)驗(yàn)臺(tái)由液壓系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)，及操作臺(tái)3大部分組成。液壓系統(tǒng)由液壓油箱，工作電機(jī)，油泵及液壓閥總站組成。它的功能是驅(qū)動(dòng)槳葉折疊裝置及提供負(fù)載。 電氣系統(tǒng)由電控柜，PLC，人機(jī)界面（觸摸屏），工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，數(shù)字顯示表組成。它的功能是實(shí)現(xiàn)智能化，集成化控制以及數(shù)據(jù)采集、分析、處理和顯示功能。操作臺(tái)由工作臺(tái)及一些工裝，夾具等組成。被測(cè)產(chǎn)品安裝在操作臺(tái)上進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)。

2 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)

2.1控制系統(tǒng)

在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，工控機(jī)和PLC構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的主要部分。槳葉折疊裝置的測(cè)試全程由計(jì)算機(jī)監(jiān)控。工控機(jī)完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。觸摸屏主要用來進(jìn)行人機(jī)界面操作，狀態(tài)監(jiān)測(cè)及結(jié)果顯示。壓力，流量，角度，輸出力等模擬量由各傳感器采集，并通過PLC的高精度A/D模塊傳送至PLC。同時(shí)為各模擬量配備了顯示儀表，PLC通過RS-485與顯示儀表通信，通過儀表顯示數(shù)據(jù)可以更直觀的反應(yīng)被測(cè)參數(shù)。PLC通過RS-232與工控機(jī)通信。各個(gè)液壓油路的電磁閥開關(guān)，流量壓力閥的調(diào)節(jié)通過PLC實(shí)現(xiàn)邏輯控制與互鎖功能，使整個(gè)操作系統(tǒng)簡(jiǎn)單，安全，可靠（見圖2）。

測(cè)控系統(tǒng)軟件采用HMI組態(tài)軟件來實(shí)現(xiàn)，主要包括人機(jī)界面，參數(shù)設(shè)定，試驗(yàn)項(xiàng)目選擇，試驗(yàn)狀態(tài)監(jiān)控，試驗(yàn)曲線繪制，試驗(yàn)結(jié)果保存及打印等功能。

2.2測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

PLC控制元件選用日本歐姆龍公司的CS系列產(chǎn)品。CS系列模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有良好的電磁兼容性，工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性和擴(kuò)展性[3]。中央處理單元選用CS1G-CPU44H，電源單元選用PA204S，數(shù)字輸出模塊為OC211，數(shù)字輸入模塊為ID211,模擬量輸出模塊為DA041，模擬量輸入模塊選用AD081。高速計(jì)數(shù)模塊選用CT021。其中，OC211為繼電器輸出控制各個(gè)電磁換向閥，控制液壓油路流向。ID211接收按鈕、過濾器等開關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)停止及安全報(bào)警等作用。DA041輸出0-10V電壓信號(hào)，通過集成放大器驅(qū)動(dòng)比例壓力閥調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)壓力。AD081接收各傳感器信號(hào)，用于數(shù)據(jù)采集及實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。CT021用于高速旋轉(zhuǎn)時(shí)采集角度數(shù)據(jù)。

人機(jī)界面是系統(tǒng)和用戶之間進(jìn)行交互和信息交換的媒介，它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用廣州致遠(yuǎn)公司的HMI平板電腦，其具有人性化的操作界面和穩(wěn)定可靠的性能和良好的編程環(huán)境，能夠滿足測(cè)試系統(tǒng)的要求。人機(jī)界面主要是跟PLC進(jìn)行交互并對(duì)其進(jìn)行發(fā)送控制指令，并從PLC讀取數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)顯示存儲(chǔ)并生成時(shí)間數(shù)據(jù)圖形曲線。

2.3測(cè)控軟件

軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化編程模式，便于程序功能增減和調(diào)試，主要包括程序初始化，主程序和子程序三個(gè)部分。系統(tǒng)上電后，PLC采用循環(huán)掃描方式。首先是系統(tǒng)初始化，主要包括對(duì)定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，變量以及模擬量模塊的初始化；接著進(jìn)行系統(tǒng)自檢，故障報(bào)警判斷。然后根據(jù)選擇的實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)按程序邏輯判斷調(diào)用相應(yīng)的子程序，按步驟進(jìn)行試驗(yàn)?？刂屏鞒虉D（見圖3）所示。

試驗(yàn)臺(tái)人機(jī)界面設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)部分：第一，實(shí)驗(yàn)選擇及參數(shù)設(shè)定部分，在測(cè)試前將各個(gè)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)參數(shù)在人機(jī)界面上提前設(shè)定，以備實(shí)驗(yàn)；第二，測(cè)試部分（見圖4）：進(jìn)行槳葉折疊裝置實(shí)驗(yàn)。包括電機(jī)，電磁閥，開關(guān)控制按鈕，調(diào)節(jié)壓力旋鈕，各傳感器傳回的數(shù)據(jù)，壓力溫度流量等數(shù)值顯示；第三，測(cè)試數(shù)據(jù)保存，按照規(guī)定時(shí)間間隔將測(cè)試數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中（見圖5）。

2.4電液比例控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電液控制技術(shù)集合了電控與液壓的交叉技術(shù)優(yōu)勢(shì)，指令及信號(hào)處理單元和檢測(cè)反饋單元采用電子器件，功率轉(zhuǎn)換放大單元和執(zhí)行部件采用液壓元件。電液比例控制系統(tǒng)利用電信號(hào)便于遠(yuǎn)距離控制以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)檢測(cè)與控制，可明顯簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程序控制[4]。試驗(yàn)臺(tái)采用的電液控制系統(tǒng)組成原理如圖所示。DA模塊按照程序設(shè)定輸出電壓信號(hào)給比例放大器，比例放大器經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出電流信號(hào)給比例壓力溢流閥，比例壓力溢流閥根據(jù)輸入電流信號(hào)按比例控制液壓系統(tǒng)壓力（見圖6）。比例放大器根據(jù)安裝在比例壓力溢流閥上的位移傳感器反饋的位置信號(hào)對(duì)輸出電流進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

3測(cè)試系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)

雖然可編程控制器本身具有很高的可靠性，但是由于系統(tǒng)工作在惡劣的電磁環(huán)境中，常常會(huì)受到許多電磁干擾，從而可能造成輸入給PLC的開關(guān)量信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤，模擬量信號(hào)出現(xiàn)較大偏差，PLC輸出控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有按要求動(dòng)作，這些都可能使控制過程出錯(cuò)。因此要使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作并達(dá)到預(yù)期功能，必須保證其具有良好的抗干擾性能[5]。該系統(tǒng)從軟硬件兩方面采取措施提高系統(tǒng)可靠性。

3.1軟件抗干擾措施

在程序設(shè)計(jì)時(shí)增加數(shù)字濾波程序，增強(qiáng)輸入信號(hào)的可靠性。開關(guān)量的輸入采取多次讀入的方法，經(jīng)幾次讀入比較無誤后在確認(rèn)。開關(guān)量輸出時(shí)，對(duì)輸出量進(jìn)行回讀，比較無誤后再輸出。對(duì)于按鈕開關(guān)及電磁閥，采用軟件延時(shí)來避免因機(jī)械振動(dòng)造成的信號(hào)誤差。

3.2硬件抗干擾措施

3.2.1屏蔽隔離

首先將PLC裝入一預(yù)制的金屬箱中，并使PLC安裝位置遠(yuǎn)離電控柜，有效消除電磁場(chǎng)的干擾。PLC所用傳輸線一律采用屏蔽信號(hào)電纜，以降低由動(dòng)力線產(chǎn)生的電磁干擾。嚴(yán)格區(qū)分信號(hào)電源與控制電源，控制信號(hào)線纜與動(dòng)力線纜分開放置在不同的線槽中，以減少電磁干擾。屏蔽信號(hào)電纜的屏蔽層一端接地。將繼電器介入PLC回路，用于驅(qū)動(dòng)電磁閥線圈，繼電器線圈和觸點(diǎn)僅有機(jī)械上的聯(lián)系而沒有直接的電的聯(lián)系，可以有效的提高PLC抗干擾的能力。

3.2.2接地

正確的接地方式可以在很大程度上抑制外部干擾。對(duì)PLC內(nèi)部電路，包括CPU和其他接口共接數(shù)字地；對(duì)PLC外部電路包括D/A,A/D模塊等共接模擬地。

4結(jié)論

本文將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)核心引入液壓測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)航空液壓件測(cè)試方法進(jìn)行了研究。實(shí)現(xiàn)了單一試驗(yàn)臺(tái)上完成多種液壓測(cè)試的功能。試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)試功能設(shè)計(jì)，基于PLC自動(dòng)控制及計(jì)算機(jī)HMI組態(tài)軟件平臺(tái)開發(fā)測(cè)試軟件，實(shí)現(xiàn)了航空液壓件的自動(dòng)測(cè)試和測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，滿足技術(shù)要求。

文中介紹的測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)在某航空液壓機(jī)械廠得到了很好的實(shí)際應(yīng)用，取得了理想的效果。

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