加力調節器故障檢測在線測試系統設計

王一舒 ，陸小龍 ，黃玉波 ，張 濤

（1.四川大學錦城學院智能制造學院，成都611731；2.四川大學機械工程學院，成都610065）

0 引言

隨著“德國工業4.0”，“美國工業互聯網”和“中國制造2025”戰略中智能制造相關概念的提出，以及新型感知技術和自動檢測技術的應用，制造業正發生著巨大轉變，先進制造技術正在向信息化、自動化和智能化的方向發展[1]。航空發動機被譽為制造業的“皇冠”，是國家國防實力和科技水平的重要象征之一[2]。航空發動機在服役過程中需要經歷多次維修，這些維修工作是保證發動機服役質量的關鍵過程，事關整個飛行器的飛行安全[3]。航空發動機維修涉及到上萬個零部件，其業務流程非常復雜，技術狀態管理難度大，精度和質量要求嚴格，對工藝管理和生產管理都提出了更高的要求[4-6]。

傳統的人工管理和紙質履歷模式已經不能滿足航空發動機維修業務管理的需求。武三栓等[7]針對航空發動機維修業務過程的數字化管理問題，提出航空發動機維修數字化管理系統的應用架構；鐘詩勝等[8]考慮到航空發動機維修數據管理中服務通告狀態控制的復雜性，提出以主要件為中心的服務通告狀態控制模型；李聯輝等[9]為了解決面向全壽命周期的航空發動機技術狀態數字化管理問題，將裝配與維護、維修、大修結合起來，提出航空發動機裝配/維護/維修/大修支持系統整體框架。然而已有的研究主要集中在航空發動機維修業務過程的數字化管理系統研發方面，而對維修現場故檢環節零部件幾何參數在線測試及數據管理方面的研究報道較少。

噴口-加力調節器作為航空發動機加力控制系統重要的組成部件，直接影響發動機的推力控制。本文根據航空發動機加力調節器故障檢測維修工藝的要求，在現有測量方法的基礎上采用帶有通信端口的高精度氣動量儀、數顯比較儀和帶表卡規，基于計算機自動控制技術實現對加力調節器故障檢測中零部件（襯套和活門）的內徑與外徑參數在線測量、數據管理及分析和報表生成。

1 測試系統總體方案

1.1 測試方法

航空發動機噴口-加力調節器故障檢測工藝環節主要涉及不同型號、規格的軸孔類零件內、外徑的測量，如圖1所示。

圖1 產品內、外徑測量

目前，相關維修企業對這類零件內、外徑測量主要采用如下方法。

1.1.1 內徑測量

如圖1（a）所示，將電子塞規插入校準件進行校準；校準后，將與位置（1，2）配套的限位環裝入電子塞規后插入工件，讀取位置（1，2）處的測量值d12；然后將工件旋轉一定角度再讀取位置（1，2）處的另外1 個測量值拔出電子塞規，將（1，2）位置限位環取下，換上（3，4）位置限位環后按前述步驟取得位置（3，4）處的測量值d34和再拔出電子塞規，將（3，4）位置限位環取下，換上（5，6）位置限位環后按前述步驟取得（5，6）位置處的測量值d56和基于前面獲得的12 組數據，利用式（1）計算出零件內孔的橢圓度和錐度，并判斷其是否在規定的公差范圍內。

1.1.2 外徑測量

如圖1（b）所示，首先用標準件對帶表卡規進行校準；校準后，將帶表卡規卡在工件（1，2）位置讀取1個測量值D12，旋轉工件轉動一定角度，得到另1 個測量值重復以上步驟可分別得到工件（3，4）、（5，6）位置處的測量值基于前面獲得的12 組數據，利用式（2）計算出軸類零件的橢圓度和錐度，并判斷其是否在規定的公差范圍內。

1.2 系統總體方案

根據發動機噴口-加力調節器故障檢測維修工藝要求，該測試系統應具備：（1）準確測量零部件（襯套或活門）的內、外徑參數；（2）計算機自動讀取和保存測量數據，計算零件的橢圓度和錐度，以及組合件的間隙，并判斷合格與否；（3）系統軟件需采用模塊化設計，便于擴展。為此，提出如圖2所示的設計方案。

圖2 測試系統總體方案

該測試系統主要由內徑測量模塊、外徑測量模塊和計算機控制模塊3部分組成。

（1）內徑測量模塊。為了避免在測量過程中塞規劃傷待測零件，采用德國Mahr 公司生產的832 Di?mensionair氣動量儀。其具有固定分辨力和穩定氣動系統確保氣動量儀在維修車間惡劣環境中保持性能穩定。系統內已設定了正確的放大比，僅需1 個校正標準即可置零。測量范圍和分辨力適合各種氣動測頭，包括2、3、4和6個噴射孔的氣動塞規，氣動接觸式測頭或筆形測頭。同時帶有RS232 串口通信接口用于連接數據采集器、電腦或打印機，以便進行統計過程控制。

（2）外徑測量模塊。對于加力調節器故障檢測工藝環節中零件外徑測量采用德國Mahr公司生產的帶表卡規840FH 和Extramess2000 電感式數顯比較儀組合完成。帶表卡規840FH主要用于對軸、螺栓及絲桿等圓柱形工件的檢測；采用非接觸式的定位方式，最大程度減小了測量面的磨損；內置彈簧提供恒定的測量力，以消除人為因素的影響。Extramess 2000 電感式數顯比較儀測量分辨率為0.005 mm，示值誤差為1 um。同時，該比較儀帶有USB、OPTO RS232C 和Digimatic 3 種通信接口，可以利用Mahr 公司提供的MarConnect軟件對比較儀進行遠程控制。

（3）計算機控制模塊：采用圖形化編程語言Lab?VIEW 2014完成測試系統上位機控制程序設計，借助NI公司提供的LabVIEW 數據庫工具包和報告生成工具包完成上位機程序中數據庫模塊和報表生成模塊設計。利用SQL語言與數據庫服務器進行數據交換。

2 測控系統設計

2.1 硬件部分

測控系統主要由工業控制計算機IPC，832 氣動量儀、氣動塞規、帶表卡規845FH、Extramess 2000 電感式數顯比較儀、USB腳踏開關以及與之配套的校準塊組成。832 氣動量儀、帶表卡規845FH、Extramess 2000 電感數顯比較儀和USB 腳踏開關構成下位機，負責加力調節器故障檢測工藝環節中零件內、外徑測量。USB 腳踏開關用于告知計算機本次測量是否完成，類似“確定”鍵，將測量人員雙手解放出來，有助于提高測量效率。上位機與832 氣動量儀、Extramess 2000電感數顯比較儀通過RS232串口進行數據交換。上位機主要負責完成人機交互任務，如待測零件參數設置、狀態監控，數據顯示，數據管理以及報表生成。

2.2 軟件部分

根據加力調節器故障檢測在線測試系統項目要求，項目組提出系統軟件總體設計方案，如圖3 所示。程序采用圖形化編程語言LabVIEW 2014 開發，主要包括3部分：通信模塊、測試控制模塊和數據處理模塊。

圖3 控制系統軟件總體設計方案

加力調節器故障檢測在線測試系統通過通信模塊分別與832 氣動量儀和Extramess 2000 電感數顯比較儀進行數據交換，實時讀取氣動塞規和帶表卡規的測量值。用戶可以預先將所有待測零件的信息（如：令號、附件號、機型、零件號、測量參數、測量工藝要求等信息）錄入測試系統，保存在數據庫中。

系統按照測試流程（如圖4 所示）完成加力調節器故障檢測中零部件內、外徑測試。首先用戶需在程序界面中新建測試組或選擇已有測試組；啟動測量后，系統將按照零件信息對測試組所有待測零件進行自動排序；系統從測試組第1 個待測零件開始讀取其測量參數判斷是內徑測量還是外徑測量，提示用戶選擇相應量具，依次完成該零件所有測量位置內徑或外徑測量，并自動計算出對應的橢圓度和錐度；然后對測量組中第2 個零件進行測量，按照前述步驟依次完成測量組中所有零件參數的測量，并將數據存入數據庫。在整個測量過程中，用戶以USB腳踏開關作為輸入設備，告之系統是否記錄當前測量值，是否進入下一步。當測試組中所有零件測量結束后，用戶可以在“測試數據管理”界面從數據庫中調取當前測試結果和歷史測量數據，并生成報表。

圖4 測量軟件操作流程

3 通信模塊程序設計

在現代控制系統中，由工業控制計算機與二次儀表構成的分布式控制系統獲得了廣泛應用。上位機與下位機的通信是該類控制系統的難點。而在加力調節器故障檢測在線測試系統中氣動量儀832、Ex?tramess 2000電感數顯比較儀以及腳踏開關與上位機IPC 間通過串口采用不同的通信協議進行數據通信。在測試過程中需要實時讀取氣動量儀、電感數顯比較儀的測量值。腳踏開關的信號能否保證下位機與上位機間的可靠通信是該測試系統的關鍵。上位機同時訪問串口讀寫程序，容易發生邏輯沖突與競爭，出現丟數現象，降低系統的穩定性。

3.1 生產者/消費者模式

生產者/消費者問題是線程模型中的經典問題：生產者和消費者在同一時間段內共用一存儲空間，生產者向空間里生產數據，而消費者取走數據。該模式從主/從設計模式發展而來，將生產和消費數據速度不同的任務分開處理，大幅提高了不同速率的多個循環之間數據共享能力，解決了程序循環周期長、執行效率低等問題，且具有系統響應快、執行效率高等優點。尤其是對于多任務處理和實時性、連續性要求嚴格的程序設計，生產者/消費者設計模式更是不錯的選擇[12]。

3.2 通信程序設計

氣動量儀832 Dimensionair 通過RS-232 端口與上位機間進行數據通信，其內置的通信協議為X-ON/X-OFF 協議（通信速率匹配協議）。該協議是1 種非同步串列連接的計算機和其他設備之間的數據流控制協議，用于數據傳輸速率大于等于1200 b/s 時進行速率匹配。其方法是控制發送方的發送速率以匹配雙方的速率。 Extramess 2000 電感數顯比較儀通過Opto RS232C端口與上位機間進行數據交換。USB腳踏開關之間通過USB串口總線，利用其自帶的驅動程序與上位機進行數據通信。上位機同時訪問串口讀寫程序，容易發生邏輯沖突與競爭，出現丟數現象，降低系統的穩定性。

本文采用生產者-消費者模式來解決加力調節器故障檢測在線測試系統中上位機與下位機間的數據通信問題。Extramess 2000電感數顯比較儀與上位機間的通信程序模塊如圖5所示。

圖5 基于生產者消費者模式串口通信程序

運用生成者/消費者程序設計模式，使生產者循環完成向電感數顯比較儀通信端口寫入“？CR”指令，讀取電感數顯比較儀的測量值，消費者循環對從隊列中獲取的數據進行處理并顯示。將電感數顯比較儀測量數據讀取與顯示分配給2 個并行循環來完成，這樣可以依次連續讀取數顯比較儀的測量結果，大幅提高信號采集與處理的效率。氣動量儀832 與上位機間的通信程序設計與電感數顯比較儀類似，不再贅述。

4 調試與試驗

基于前文設計方案，項目組完成了加力調節器故障檢測在線測試系統樣機試制。采用圖形化編程語言LabVIEW 2014 完成系統軟件設計，如圖6 所示；選用 Mahr 氣動量儀 832 Di?mensionair、Extramess 2000電感數顯比較儀、帶表卡規、腳踏開關以及計算機完成了系統樣機設計，如圖7所示。

圖6 加力調節器故障檢測在線測試系統軟件界面

圖7 加力調節器故障檢測在線測試系統樣機

經過現場測試，根據用戶反饋意見對系統軟件反復修改，加力調節器故障檢測在線測式系統能夠順利實現零件幾何參數批量測試和測量數據自動讀取、保存、報表生成等功能。現場試驗表明：該加力調節器故障檢測在線測試系統運行可靠、穩定，極大地提高了加力調節器故障檢測效率和零部件測量數據管理水平。此外，在加力調節器故障檢測在線測試系統中，氣動量儀和氣動測頭用于孔類零件內徑測量，電感數顯比較儀和帶表卡規840FH 用于軸類零件外徑測量，確保了本系統的測試精度滿足加力調節器故障檢測工藝的要求。

5 結束語

本文基于LabVIEW 軟件平臺，采用高精度氣動量儀 832 Dimensionair、Extramess 2000 電感數顯比較儀和帶表卡規研制了1 臺用于航空發動機加力調節器故障檢測修理中產品零部件內、外徑等參數在線測量的測試系統。將軟件設計中的生產者/消費者模式應用到氣動量儀、數顯比較儀、腳踏開關與工控機間的通信程序設計中，顯著提高了測量數據讀取穩定性和數據處理效率。系統自投入使用以來，運行穩定可靠，能夠滿足企業生產的需要，同時也為類似應用提供借鑒。為進一步降低人員的勞動強度，今后將增加計算機與操作者的交互提示、機器部件的3 維圖像顯示等功能。