柱塞式限位开关参数测试系统的研制

陈硕，方晓乐，檀丛啸

(福州大学 机械工程及自动化学院, 福建 福州 350116)



柱塞式限位开关参数测试系统的研制

陈硕，方晓乐，檀丛啸

(福州大学 机械工程及自动化学院, 福建 福州 350116)

摘要：以虚拟仪器技术为核心，结合数据采集模块、伺服控制模块，设计了柱塞式限位开关参数测试系统，实现产品的接触电阻、荷重、位移的测试,并能根据测试结果自动判别产品合格与否。现场实验表明，该测试系统性能稳定，工作可靠，测试精度高。

关键词：限位开关；测试系统；虚拟仪器

0引言

限位开关，又称行程开关，是一种常用的主令电器，通常利用机械部件碰撞其触头来实现电路的通断，以达到相应的控制目的，广泛用于工业生产、航空航天和医疗器械等领域。

柱塞式限位开关主要检测的参数有：接触电阻(CA)、动作力(OF)、释放力(RF)、动作行程(OT)、释放行程(RT)、全行程(TT)等[1]。目前，生产商对限位开关参数的检验一般是通过手工测量，将待测验的限位开关用不同测试仪器测量。这种测量方式工序多、过程复杂，需要熟练的操作人员，主观因素影响大，并且效率低，不能满足大批量生产的产品合格检验要求。

虚拟仪器技术是计算机与测试技术相结合的产物[2]，已广泛应用于各种测试系统中，既节约成本，又使系统功能更加灵活。

本文介绍了一种基于虚拟仪器技术的柱塞式限位开关参数智能测试系统，该系统能对柱塞式限位开关出厂前的各项参数进行测试并进行筛选。操作人员只要将限位开关固定在专用夹具上，按下启动键,即可实现自动检测。通过计算机实时显示测试过程，具有较好的人机界面。该测试系统自动化程度高，重复性好，准确度高，可降低劳动强度，提高生产效率，提高产品检验的稳定性和可靠性。该成果可弥补国内限位开关产品自动化检测专用仪表的缺失，具有较高的应用价值。

1系统总体设计

本测量系统以两对触点的柱塞式限位开关为研究对象，通过对其机械结构、动作原理、特性参数的分析研究，提出了以伺服电机为机构动作原动力、以线性模组为传动机构，带动传感器触头动作的设计方案，测试装置如图1所示。本系统采用卧式安装，精密荷重传感器安装于线性模组滑块上，能实现左右移动。滑道左右分别安装行程限位开关S1和S2。测试时，将待测开关固定在专用夹具上，电机旋转带动滑块上荷重传感器以设定的速度向右移动，传感器触头按压被测开关并返回，同时完成数据采集、曲线绘制以及报表生成。

1—伺服电机；2—联轴器；3—左限位开关；4—荷重传感器；5—线性模组；6—右限位开关；7—被测开关图1　测试装置示意图

本系统主要由PC机、数据采集模块、测试单元模块、伺服电机运动控制模块和机械部分组成，系统结构如图2所示。

图2　系统结构框图

根据用户的需求，本系统满足以下技术指标：

1) 位移，精度±0.4mm，量程为：0～100mm；

2) 荷重，精度±0.2N，量程为：0～80N；

3) 接触电阻，精度±1mΩ，量程为：25～250mΩ。

4) 测试速度：0～100mm/min

2系统硬件设计

本系统需要采集6路模拟输入信号和12路数字输入信号，模拟输入信号包括位移(1路)、荷重(1路)、触点弹跳(2路)、接触电阻(2路)，数字输入信号由控制面板按键输入信号(9路)和监测信号(3路)组成。本系统所选用多功能数据采集卡，具有16路模拟量输入通道、100k/s采样速率，用户可通过编程对采样方式、采样范围和采样频率进行设置。另外该数据采集卡还有24路可编程DI/O通道，可用于控制面板按键信号和监测信号的采集。

2.1　位移测量

(1)

若采样频率fs取10kHz，则采样频率和信号最高频率比值N为：

(2)

式(2)表明fs取10kHz完全满足工程上对信号采样的要求。

系统发出的控制信号通过串口传给伺服驱动器，控制伺服电机动作。光电编码器输出信号反馈给伺服驱动器以控制转速，同时反馈到数据采集卡用于计算位移。由于编码器与丝杠通过联轴器同轴连接，电机带动丝杠每旋转一圈，丝杆左移或右移一个导程，编码器对应输出2500个脉冲。因此：

(3)

式中，R为分辨率，S为导程，系统理论位移最小分辨率0.002mm。

2.2　荷重测量

柱塞式限位开关荷重测量是本系统最基本的测试项目之一。本系统采用压阻式拉压传感器，量程0～100N，精度0.1%。测试原理图如图3所示。

图3　荷重测量原理图

传感器加载后，其输出信号通过屏蔽电缆输入前置放大器，放大后的信号一路送入数据采集卡进行荷重采集，一路送入比较器完成荷重保护。为提高荷重测试的精度和抗干扰能力，本系统采取如下措施：1) 选用具有较强共模抑制能力的放大器且将其置于距传感器较近处，减小导线引入的干扰；2) 在采集卡接线端子处使用去耦滤波电路，减少信号在送入采集卡前的干扰；3) 传感器激励电源使用采集卡自带的稳压电源，以减少测量误差；4) 选用高阻抗比较器芯片，尽可能避免信号分流造成的信号衰减。另外，当传感器产生零点漂移时，可以通过放大器进行调节。

荷重保护主要是为了防止传感器过载给传感器本身带来的损坏，当荷重传感器过载时，自动停止测试，待过载消除后，系统才能恢复正常运行。为确保荷重保护的实时性，将比较器输出的结果直接输入伺服驱动器的急停信号输入端，一旦检测到急停信号，立即无条件停止伺服电机。参考电压使用可控精密稳压源芯片TL431，确保荷重保护的可靠性。

2.3　触点弹跳测量

触点弹跳是指动静触点的闭合接触动作从初始接触到接触静止之间的整个过程[1]。根据国家微动开关通用规范，触点弹跳测试原理如图4所示。为提高触点弹跳检测的精度，本系统使用高精度稳压源，并在电路中使用大容量电容减小频繁启闭对电路造成的冲击，另外使用精密高阻值电阻减少电路对触点弹跳测量的干扰。

图4　触点弹跳测量原理图

2.4　接触电阻测量

限位开关触点的接触电阻一般是mΩ姆级别，接触电阻的测量方法有多种[4],本系统对开关触点采用的是四线制凯尔文测试方法，其原理图如图5所示。

图5　四线制测接触电阻原理图

由恒流源提供恒定的电流(本系统设计为100mA)给限位开关触点，从开关触点处直接引线将触点电压送入高精度低噪声放大器，最后送入数据采集卡。限位开关触点电阻一般很小(200mW以内)，直接测量的电压仅为毫伏级,放大器输入阻抗为高阻抗，故通过触点的电流基本为恒流源输出的电流，使得放大器两端的电压即为待测电阻两端的电压，从而消除了导线对测试结果的影响。

3系统软件设计

本系统测试软件采用模块化的设计方法，可提高设计效率[5]，也便于系统的扩展，各个模块之间只需要通过少量的接口进行通讯，从而降低开发难度[6]。本系统主要划分成6个模块，系统软件功能模块如图6所示。

图6　系统软件功能模块

数据采集主要完成数据采集卡的配置、数据还原、数据滤波和数据存取。采集卡的配置包括采样方式、起始通道、通道总数、增益设置、输入量程、采样速率、接地方式、触发控制等。数据还原主要是还原位移、荷重值，测试单元模块对信号进行调理后，输入计算机为0～5V电压信号。需要将该电压信号转化为相对应的测量值，其中难点在于位移信号的转化，采集的位移信号数据量大且全是脉冲信号。需要根据数据采集卡DI/O输入的信号先判断方向后再进行计算。数据滤波主要采用4阶切比雪夫和3阶巴特沃斯低通滤波，滤除中高频的干扰信号；最后将采集处理后的数据存入TDMS二进制记录文件，以便高速存取。

参数配置模块主要是配置系统测试有关的参数，用户通过如图7所示的参数输入界面，输入待测开关的型号，设置测试速度、最大行程、荷重测定范围、参数范围。其中，参数范围是让用户输入待测参数的上下极限值，以便系统自动判断待测开关是否合格，而启用/禁用开关的作用是该参数由用户决定是否参与待测开关的判断与显示。最后将这些配置的参数写入配置数据中，用户可根据需要将这些配置数据保存于指定的文件中，以便日后调用。

图7　参数输入界面

PC机与伺服驱动器之间的通讯是基于Modbus协议，由于该总线协议支持RS-232串行接口，只需在上位机设置波特率、传输模式、COM口，伺服驱动器中设置相应的通讯模式，即可完成两者的通讯。

本系统菜单管理使用事件结构完成菜单栏的配置，主要包括主菜单和子菜单，主菜单包括配置文件、测试模式、调零、退出程序。子菜单包括配置文件、保存配置文件、自动测试、打印、退出测试。

状态监测模块包括位移监测、荷重监测、限位监测、断电监测。状态监测系统实时地监测测试系统的各种状态，一旦发生异常，软件或指示灯会出现相应的报警。

数据显示模块主要包括动作-位移曲线、触点弹跳-位移曲线、接触电阻-位移曲线、关键点、关键点不合格报警(以红色标记)、测试报表(含测试结果的自动判断)等。另外，该模块能快速地放大单张曲线以及翻页查看各个参数的测试结果。数据显示压力测试界面如图8所示。

图8　压力测试界面

4实际运行结果

经过对系统中传感器等硬件的校准与标定，以及对系统软件的大量仿真与测试后，该系统现已在某开关制造厂的生产线上成功运行，取得了良好的效果，如图9所示。

图9　测试系统实物图

图10为某常闭触点快动柱塞式限位开关的荷重-位移(曲线1、曲线2)和触点弹跳-位移曲线(曲线3、曲线4)。荷重-位移的行走路径为O-C-B-E-D-A-O,触点弹跳-位移的路径为O-H-G-F-J-I-O。 图中A、B为待测开关促动件翻转处，荷重曲线上C、D的值分别为OF和RF。

图10　常闭触点动作曲线

表1是SP:1NO/1NC型(快动、一对常开触点/一对常闭触点)产品连续测试25次测试结果统计。部分测量参数的计算和定义如下：

1) 相对误差：

(4)

式中：S——样本标准差；

Avrg——样本平均值；

C——标准误差估计系数。在正态分布情况下，误差绝对值超过2.576S的概率仅占1%，误差超过3S的仅为0.27%，故标准误差估计值C取3。

2) 绝对误差：

Ea=Avrg×Er

(5)

从表1可以看出，本系统位移精度Ea(T)：

Ea(T)=Max(OT1,RT1,OT2,RT2,TT)=

0.0210mm<0.04mm

(6)

荷重精度：

(7)

接触电阻精度：

Ea(CA)=0.6963mΩ<1mΩ

(8)

根据以上计算，本系统各参数测试精度均满足用户技术指标要求。

3)Cg为短期检具位指数[7]，是评估一台测试仪器测量的可重复性，定义为：

(9)

式中：T——设定公差。

一般可接受的标准为Cg≥1.33。由表1可以看出，本系统所有测量参数的Cg均满足标准。

4)CgK为短期的检测设备能力指数[7]，是评估一个测试仪器的测量能力是否和被测产品相匹配的方法，一般可接受的标准为CgK≥1.33，若CgK太小，则该仪器不能用于这个产品性能测量。

(10)

表1中的所有测量参数的CgK均满足标准，说明本系统可以用于相关产品的参数性能测试。

表1　测试结果统计

续表1

位指数Cg1.68791.57131.97551.97552.52982.10827.151028.7216能力指数CgK1.51911.76782.22242.22241.89742.37171.430239.8534

5结论

介绍了柱塞式限位开关参数测试系统，现场试运行表明，该系统能较好地完成限位开关主要参数的测量，满足各项参数测试要求，测量准确度较高，可重复性较好，在限位开关品质检验方面具有实际意义和应用前景。

参考文献:

[1] 国防科学技术工业委员会. GJB809A-97．中华人民共和国国家运用标准——微动开关通用规范[M]. 北京：中国标准出版社，1997.

[2] 张文广，杜春臣，司利增. 基于LabVIEW 的汽车ABS 测试系统设计 [J]. 机械制造与自动化,2012,41(5):133-134，139.

[3] 陈树学，刘萱. LabVIEW宝典[M]. 北京：电子工业出版社，2011.

[4] 李奎，李志刚，陆俭国．接触电阻新型测量方法的研究[J]. 电气开关．1997(6):26-28.

[5] 刘斌，王忠．面向对象程序设计[M]. 北京：清华大学出版社．2003.

[6] 杨芙清．面向对象程序设计[M]. 上海：上海科学技术文献出版社．1992.

[7] 吴岳添, 陆国征. 检具随机误差的验收评定方法[M]. 工具技术, 1999, 33( 11).

Design of Plunger Limit Switch Parameter Testing System Based on Virtual Instrument Technology

CHEN Shuo ，FANG Xiao-le ，TAN Cong-xiao

(School of Mechanical Engineering and Automation, Fuzhou University，Fuzhou 350116，China)

Abstract:This paper introduces a plunger limit switch parameter testing system with servo control module and data acquisition module, based on Virtual Instrument Technology. This system is enabled to test the contacting resistance, force and displacement. And the qualification of products is automatically judged according to the measured results. Field experiment shows that the parameter testing system has a stable and reliable performance with high precision.

Keywords:limit switch; testing system; virtual instrument

中图分类号：TH86;TP206+.1

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)02-0215-05

作者简介：陈硕(1964-)，男，福建人，教授，博士，主要研究方向：交流电机调速控制、测试技术、机电一体化。

收稿日期：2014-10-30 2014-10-14