基于PLC总线控制的微动行程开关的动作特性的检测研究

摘要：微动开关作为精密控制元件，其动作特性直接影响设备可靠性，尤其在航天、工业自动化等领域对动态响应精度要求极高。本文针对微动开关动作特性检测需求，设计了一种基于高精度传感器与实时数据采集系统的检测平台，旨在实现从触发至最大行程过程中压力-位移参数的同步动态监测。该平台集成高灵敏度压力传感器与光栅位移传感器，通过多通道同步采集模块实时捕获微动开关接触力、弹性形变及位移变化曲线；采用自适应滤波算法消除机械振动噪声，结合动态标定技术提升测量精度（压力分辨率达0.01N，位移精度±2μm）。实验数据表明，平台可实时采集微动开关的动作力、动作行程、全行程力、全行程，并通过人机交互界面动态显示力-位移相位关系曲线与特征参数。此外，通过可视化人机界面实现数据实时显示，通过算法自动提取特征参数，为微动开关性能评估、工艺优化及失效分析提供高效工具。研究成果对提升高可靠性场景下微动开关的质量控制水平具有显著工程价值。

关键词：PLC总线；微动行程开关；传感器；算法；

引言

在航天工程这一融合尖端科技与极限挑战的领域，每一个元器件的可靠性都关乎任务成败乃至人类生命安全。微动行程开关作为精密的机电控制元件，虽体积微小，却在航天器的动作执行、状态反馈与安全保护中扮演着不可替代的角色。从运载火箭的级间分离、卫星展开机构的锁定检测，到载人飞船舱门的密封验证，微动开关以其毫牛级触发力、微米级重复精度及极端环境耐受能力，成为航天系统“神经末梢”的核心传感节点。然而，航天任务对微动开关的性能提出了近乎苛刻的要求：在火箭发射时承受超过100g的剧烈振动，在深空探测中耐受-180°C至+300°C的极端温变，以及在真空环境下抵御材料冷焊与宇宙射线辐照。传统商用微动开关因材料老化、触点粘连及抗干扰能力不足等问题，难以满足航天器长寿命、高可靠性的需求。与此同时，随着微小卫星、可重复使用火箭及在轨服务技术的快速发展，微动开关的轻量化、智能化与冗余设计需求愈发迫切，亟待通过材料创新、结构优化与智能监测等手段实现技术突破。本文聚焦如何高效地、精确地、实时地采集微动行程开关的动作力及其动作行程，全行程力及其全行程的参数，从而严格地筛选出合格的微动行程开关，确保它在实际的应用的过程中安全、有效的完成每一次航天任务。设计的检测平台如下图1所示。

微动行程开关检测平台的整体设计方案

工装夹具：将微动开关固定在测量夹具上，并转动一旁的锁紧开关锁紧它，将它的开关触点引出线束，固定在一旁的带有绝缘功能的端子上，再在端子上引出线束到PLC的输入点位上，便于微动开关接通或者断开时检测，及时记录对应的数据。

移动平台：微动开关装在工装夹具上，夹具装在移动平台上，移动平台装在伺服模组上，模组连接光栅尺，当伺服运动时，带着微动开关接触到左侧压力传感器，读取压力，同时读取光栅尺的位移值。

受力平台：受力平台是一个支撑架，在上面装上压力传感器，传感器的线束连接到PLC控制器，通信协议采用EtherCAT总线协议。

2.检测平台的硬件系统

2.1 PLC系统选择

PLC控制器采用欧姆龙公司生产的NX1P2-1040DT，它的处理器具有高速处理能力，能够快速执行复杂的控制程序，适用于高精度和高速度的自动化任务，尤其是它支持高速工业以太网通信，即EtherCAT总线通信，实现设备间的实时数据交换和同步控制，它还采用先进的电路设计和材料，确保在恶劣工业环境中稳定运行，运行扫描周期大约在5ms。I/O模块采用NX-ID5342，它具有高速响应能力，ON/OFF响应时间最短可达100 ns，适用于需要高速同步控制的应用场景，能够实现高精度控制。编码器采用NX-EC0212，它精度高、相应速度快，该编码器能够实现高精度的位移和速度测量，响应速度快，适用于需要高精度控制的工业自动化场景。压力传感器配置带EtherCAT总线功能的传感器，光栅尺与NX-EC0212相连，这样，PLC进行压力和位移数据采集时，由于与他们的通信周期短，采集数据非常及时，几乎不存在滞后，对平台实时采集压力数据和位移数据提供了扎实的基础，也是后期数据的准确性的关键所在。

2.2触摸屏选择

触摸屏选用昆仑通态的TPC107071Gi，他是一套以先进的Cortex-A8 CPU为核心（主频600MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏。该产品设计采用了10.2英寸高亮度TFT液晶显示屏（分辨率1024*600），四线电阻式触摸屏（分辨率4096*4096）。同时还预装了MCGS嵌入式组态软件，具备强大的图像显示和数据处理功能，能将压力传感器的读值和光栅尺的读值实时显示在屏上，还能生成运行曲线，便于观察和分析。

2.3伺服系统选择

伺服控制器系统选用的松下A6B系列网络型伺服，支持EtherCAT网络通信协议控制，其性能优越，易于使用。A6B系列为了实现高速、高精度动作，设定了响应频率为3200Hz，通信速度100Mbps的驱动器，最大转速6500r/min的电机阵容。为检测平台采集数据提供稳定、可靠的保证。

3.检测平台的软件系统

检测平台的软件系统设计如下图所示，左边为系统初始化程序，右边为流程图，初始化时，将检测平台的各个执行单元至于某种状态，便于设备运行检测做好准备，右边的流程图为工艺检测路径。

4.数据的采集和处理

4.1 数据来源

PLC与压力传感器采用EtherCAT总线通信，通信周期在5ms左右，当检测平台带动微动开关检测压力时，把平台的移动速度设定在0.02mm/s，这样可以忽略因通信延迟导致数据采集不及时带来的误差，因为5ms平台移动的位移只有0.0001mm。NX-EC0212提供数字化输出信号，与PLC控制系统无缝连接，简化了系统集成和数据处理，PLC控制器能实时采集读取当前的位移值。

4.2 数据采集

动作行程和差动行程是根据微动开关的触点开关状态来定义的，记录的数据也是在开关动作的时候记录， 当检测平台带动微动开关探测到零点时，清零压力传感器和光栅尺，设为零点。移动平台继续正向移动，直到PLC输入模块检测到微动开关触点信号时停止运动，此时记录压力传感器和光栅尺的值分别为动作力和动作行程，记录完成后检测平台反向运动，当控制器的输入模块检测到微动开关信号时记录当前的压力值和位移值，作为计数差动行程的数据。

全行程的数据记录很有研究，以前的研究是严格按照全行程的定义来记录的，即微动开关运动到行程不变，力突变时为全行程，此时的力叫全行程力、位移叫全行程。采用的算法是：在测试全行程的过程中，实时用PLC后一个扫描周期记录的压力值减去前一个扫描周期记录的压力值，位移随力实时记录，存储在相应的数组里，随着PLC扫描周期的不断推进，检测平台的前进，得到的差值越多，当计算的差值大于某个特征值时，这个特征值是根据反复观察、分析得出的经验值，默认为到达了全行程位置，前一个扫描周期的值就是全行程力，对应的位移为全行程位移。实验表明，这样实时通过算法、按照定义来获取的全行程力和全行程位移存在弊端，当微动开关存在下图特性时，即微动开关在测试过程中检测到2个波峰甚至多个波峰时，算法会在第一个波峰就停下检测平台，得出全行程力和位移，而实际的情况是还没有到达全行程的位置，得出了错误的数据，开关在测试过程中有2个波峰的如下图4。

为了解决上面的问题，设想了一个解决办法，那就是设定一个微动开关在全行程测试过程中的一个受力范围，比如85N-140N是当前这款微动开关在全行程测试过程中受力值范围，大于140N就停止运动平台，不要再往前运动，避免受力过大损坏微动开关，在全行程测试过程中，每一个扫描周期记录一次力和位移并存储在不同的数组中，直到超出压力范围就停止记录，停下来之后再分析数据，与之前的研究办法不同的是：以前是在检测过程中一边检测数据，一边分析数据，现在是检测完成之后再分析数据。算法也有所改进。在计算全行程力时，必须是连续两次后一次扫描周期检测到的力值减去前一次扫描周期检测到的力值都大于一个特征值，才能算是力进行了突变，这样避免了微动开关有多个波峰带来的影响，满足以上两个条件的第一次采集到的力值就是全行程力，它同时采集到的位移就是全行程。

4.3数据稳定性分析

在不同运动速度下，同一批产品，做了大量的测试，得出了大量的数据，计算了数据的平均值、标准差，做出了正态分布函数曲线，得到了又瘦又高的曲线，说明产品的重复性测试稳定，测试平台可靠，算法有效。

结论

在本研究中，通过对微动开关测试的大量数据进行分析，并将其带入正态分布函数进行计算，得到了一个“又高又瘦”的正态分布曲线。这一结果表明，测试数据的标准差 σ＼sigmaσ 较小，数据高度集中在均值附近，波动性较低。这种现象不仅反映了微动开关在测试平台上的性能一致性较高，同时也验证了测试平台的稳定性和计算方法的可靠性。综上所述，本研究不仅为微动开关的性能评估提供了可靠的数据支持，同时也为测试平台的设计和优化提供了理论依据。未来研究可以在此基础上进一步探索不同测试条件下的数据分布特征，以进一步提升测试精度和产品性能的稳定性。

参考文献

[1] 赵虎成， 沈彬. 一种振动环境下微动开关响应性能测试系统及方法中国发明专利，2024年10月14日。

[2] 秦红磊， 李晓白， 纪云剑， 王伟斌 ​​微动开关自动测试系统设计测试技术学报2015年4月27日。