室外健身器材綜合測試系統開發

張 帆，王天杰

（唐山學院 機電工程系，唐山 063000）

0 引言

近年來，室外健身器材得到了迅速發展，有力地推動了全民健身運動[1,2]，產生了極大的社會效益。與此同時，公眾對室外健身器材質量和安全性能的重視也日益提高。隨著室外健身器材新國標的頒布，產品壽命和安全性能再次成為關注的重點，生產企業也將面臨更為嚴格的要求。作為室外健身器材的生產大國，我國不僅需要先進的質量標準，更要有相應的檢測設備和技術手段支持。因此，室外健身器材綜合檢測系統的研究具有重要現實意義。

本文設計、開發了一個室外健身器材綜合檢測系統，成功實現了疲勞性能測試、穩定性測試和沖擊試驗項目。該系統以PLC為下位機，實現數據采集和設備控制；以組態王為開發平臺，實現上位機監控。針對疲勞性能測試耗時長的特點，充分考慮了測試系統的實時性和可靠性。應用激光位移傳感器，實現了非接觸式的沖擊變形量測量，有效保證了測量精度。

1 工作原理

疲勞性能是室外健身器材在正常或模擬使用狀態下所能達到的運動次數。不同類型器材應符合的疲勞試驗次數不同，一般為1030萬次[3]。因此，疲勞性能測試是一個十分耗時的檢測項目。以單次連續運行不少于4小時，間隔1小時，工作頻率約為1 Hz[3]計算，疲勞試驗耗時為：

當N＝30萬次時，T＝104.2小時。實際上，若要獲得室外健身器材的最大疲勞試驗次數，所需要的時間則可能會更長。為此，確保PLC開關量檢測環節的實時性，實現測試系統能夠長期、準確、有效地計數，是疲勞性能測試的關鍵。因此，信號的持續時間tON、開關響應時間tr、PLC掃描周期tc必須滿足：

穩定性測試要在垂直于橫梁或主支架方向施以規定的水平拉力，并保持一定時間，并以無任何方向的傾斜、翻倒或較明顯的永久變形作為合格判定依據。為此，測試系統需要對水平拉力進行實時測量。當水平拉力到規定值，則啟動PLC定時器，并保持拉力至定時結束。本文采用測力傳感器和精密放大器將力變換為420mA的標準電流信號，并通過PLC模擬量輸入模塊實現實時數據采集。

沖擊試驗是針對太空漫步機的附加項目。試驗以從規定高度自由下落的檢驗重錘沖擊踏板正中心，測量轉軸、擺桿和踏板的沖擊變形量。其中轉軸、擺桿的變形應不超過1/200，踏板的變形應不超過1/20[3]。本文采用激光位移傳感器分別測量轉軸、擺桿和踏板沖擊前后的位移變化量Ddi，則沖擊變形量可表示為：

其中Li為與轉軸、擺桿和踏板相關的幾何尺寸，di、di'分別為沖擊前后的位移值。

2 下位機測量系統設計

疲勞測試試驗，通過PLC的開關量輸入實現疲勞計數。根據室外健身器材運動形式的不同，分為往復運動和回轉運動兩類情況。前者通過磁性開關完成信號檢測，后者通過電感式接近開關實現信號檢測，由PLC程序分別實現對檢測信號的上升沿計數。通過實驗測定，可知PLC掃描周期小于2.3 ms。而回轉式器材的工作頻率小于10 Hz，因此采用電感式接近開關可完全滿足回轉運動的實時計數要求。

圖1 磁性開關布置圖

對于往復運動式器材，磁性開關布置在與活動零部件運動垂直的方向。如圖1所示，其中1為轉軸，2為磁感應開關，3為擺桿，l為傳感器與轉軸的距離。擺桿的運動為簡諧運動，則磁感應開關的導通時間tON滿足聯立方程：

因此，開關的導通時間為：

磁感應開關的響應時間tr≤2 ms，因此可認為 tON＞＞ tr。由 PLC 掃描周期tc＜ 2.3 ms，可知完全滿足 tON＞2tc。

穩定性測試采用LCS-S3力傳感器和RWPT01+放大器將力變換為420mA的電流信號，通過模擬量輸入模塊AD-041轉換為數字量，實現對拉力的實時測量。其中力傳感器精度為0.03%，放大器精度為0.1%。AD-041分辨率為1/6000，精度為0.8%[4]。拉力控制[5]曲線如圖2所示，拉力從零線性增加到規定值FN。若取Dr＝t1/100，則線圖上加載段的拉力變化量Dr＝1%FN。為此取t1＝3s，則可得拉力信號的采樣間隔Dt＝30 ms。已知AD-041轉換時間為2ms/點，PLC掃描周期tc＜ 2.3 ms，因此完全滿足拉力數據實時采集的要求。保持時間t2＝30s，采用100ms的PLC定時器實現定時要求，則定時誤差為：

圖2 拉力控制曲線

沖擊試驗需要檢測轉軸、擺桿和踏板的變形，對于轉軸和擺桿，其尺寸范圍為100-1000mm，即Li[100, 1000]，因此，取di＝ 1/200，由式（3）可得沖擊前后允許的位移變化量為Ddi＝Lidi[0.5,5]mm。踏板的尺寸為260-300 mm，取di＝1/20，則沖擊前后允許的位移變化量Ddi小于15mm。可見，轉軸允許的位移變化量最小。若取傳感器分辨率不超過轉軸允許的位移變化量的1%，可得：

因此，采用LM10激光位移傳感器測量沖擊前后的位移。激光測頭為LM10-80-2，測量范圍80±20mm，分辨率4mm。該測頭與4-20mA 模擬量輸出的控制器連接，由PLC模擬量輸入模塊AD-041實現AD轉換。

3 上位機軟件設計

疲勞測試軟件流程如圖3所示。首先，判斷是否為新檢測，若為新檢測，則清零相應的PLC數據存儲區，設定循環測試次數，并啟動設備。然后，程序進入疲勞測試監控循環，主要完成當前測試累計運動次數、連續運動時間、健身器材工作頻率、剩余時間的更新顯示。否則，繼續上一次檢測，跳過數據清零與循環測試次數設定，直接啟動設備，然后，程序進入疲勞測試監控循環。監控循環的刷新速率為100ms。上位機通過Host Link通訊協議，獲取PLC采集的疲勞測試實時數據，并以變量的形式在組態王程序中引用。疲勞測試的監控循環，在主界面程序中實現。新檢測的判別至設備啟動部分則既可由歡迎界面程序完成，又可由主界面程序實現。

圖3 疲勞測試軟件流程圖

圖4 室外健身器材檢測系統歡迎界面

為計算疲勞測試的工作頻率，構造一個長度為10的隊列[6]Q，每隔10s將一個累計測試次數當前值n放入Q中，隊列Q中數據個數為k，則工作頻率f可表示為：

剩余時間tL可由工作頻率估算得到：

式中ng為設定的疲勞測試次數，ni為當前累計測試次數。

穩定性測試程序流程如圖5所示，主要是配合PLC，完成零點校正、量程校正，給定力FN設定及相應整數目標值DN的計算，被測力數值的實時計算和顯示。被測力的計算是將AD轉換獲得的整型數據變換為實數形式：

其中F為被測力實數數值，A為量程。D0、DFS、D分別為零點、滿量程和力為F時所對應的整數。給定力FN對應的整數目標值DN為：

圖5 穩定性測試程序流程圖

穩定性測試，也在主界面程序中實現，顯示刷新速率為100ms。此外，在主界面上有開始新檢測、繼續測試和退出按鈕，其中，開始新檢測、繼續測試按鈕與歡迎界面中的相應按鈕功能相同，只是為了方便操作。主界面上的沖擊檢測按鈕用于切換到沖擊試驗界面，如圖6所示。顯示報告按鈕用于測試結果的格式輸出。

圖6 室外健身器材檢測系統主界面

沖擊試驗監控界面可分為3個功能區，最左上角為原始參數錄入區，即輸入與轉軸、擺桿和踏板相關的幾何尺寸L1、L2和L3。右邊為沖擊試驗操作區，該區可分為3部分，上邊顯示位移當前值，下邊左、右兩部分分別為沖擊試驗前后的位移值，在沖擊前和沖擊后標簽下，各有一個開始檢測按鈕，分別實現沖擊試驗前后的轉軸、擺桿和踏板的位移測量。界面的左下部用于檢測結果的顯示，其中顯示值的分母按照標準進行了規范化，可直觀的反映沖擊變形量是否超差。

4 結論

1）設計開發了基于PLC的室外健身器材綜合檢測系統，實現了疲勞測試、穩定性測試和沖擊試驗項目。

圖7 沖擊試驗監控界面

2）檢測系統符合新國標要求，有效解決了檢測的實時性和可靠性問題，實現了沖擊變形的非接觸測量，可用于室外健身器材的質量評價。

[1] 謝林海, 彭小澍.我國全民健身活動現狀及發展對策[J].體育與科學, 2005, 26(6).

[2] 李蓉蓉.城市社區居民體育鍛煉, 組織與消費狀況的研究-以北京市為研究個案[J].體育與科學, 2011, 32(5).

[3] GB19272-2011.室外健身器材的安全通用要求[S].北京:中國標準出版社, 2011.

[4] Omron, CPM1A-AD041 Operating Manual[M], Omron Corporation, 2004.

[5] 張帆, 張鐳.金屬帶軋機控制系統開發[J].制造業自動化, 2009, 31(7).

[6] 嚴蔚敏, 吳偉民.數據結構[M].北京: 清華大學出版社,2002.