室外健身器材综合测试系统开发

张 帆，王天杰

（唐山学院 机电工程系，唐山 063000）

0 引言

近年来，室外健身器材得到了迅速发展，有力地推动了全民健身运动[1,2]，产生了极大的社会效益。与此同时，公众对室外健身器材质量和安全性能的重视也日益提高。随着室外健身器材新国标的颁布，产品寿命和安全性能再次成为关注的重点，生产企业也将面临更为严格的要求。作为室外健身器材的生产大国，我国不仅需要先进的质量标准，更要有相应的检测设备和技术手段支持。因此，室外健身器材综合检测系统的研究具有重要现实意义。

本文设计、开发了一个室外健身器材综合检测系统，成功实现了疲劳性能测试、稳定性测试和冲击试验项目。该系统以PLC为下位机，实现数据采集和设备控制；以组态王为开发平台，实现上位机监控。针对疲劳性能测试耗时长的特点，充分考虑了测试系统的实时性和可靠性。应用激光位移传感器，实现了非接触式的冲击变形量测量，有效保证了测量精度。

1 工作原理

疲劳性能是室外健身器材在正常或模拟使用状态下所能达到的运动次数。不同类型器材应符合的疲劳试验次数不同，一般为1030万次[3]。因此，疲劳性能测试是一个十分耗时的检测项目。以单次连续运行不少于4小时，间隔1小时，工作频率约为1 Hz[3]计算，疲劳试验耗时为：

当N＝30万次时，T＝104.2小时。实际上，若要获得室外健身器材的最大疲劳试验次数，所需要的时间则可能会更长。为此，确保PLC开关量检测环节的实时性，实现测试系统能够长期、准确、有效地计数，是疲劳性能测试的关键。因此，信号的持续时间tON、开关响应时间tr、PLC扫描周期tc必须满足：

稳定性测试要在垂直于横梁或主支架方向施以规定的水平拉力，并保持一定时间，并以无任何方向的倾斜、翻倒或较明显的永久变形作为合格判定依据。为此，测试系统需要对水平拉力进行实时测量。当水平拉力到规定值，则启动PLC定时器，并保持拉力至定时结束。本文采用测力传感器和精密放大器将力变换为420mA的标准电流信号，并通过PLC模拟量输入模块实现实时数据采集。

冲击试验是针对太空漫步机的附加项目。试验以从规定高度自由下落的检验重锤冲击踏板正中心，测量转轴、摆杆和踏板的冲击变形量。其中转轴、摆杆的变形应不超过1/200，踏板的变形应不超过1/20[3]。本文采用激光位移传感器分别测量转轴、摆杆和踏板冲击前后的位移变化量Ddi，则冲击变形量可表示为：

其中Li为与转轴、摆杆和踏板相关的几何尺寸，di、di'分别为冲击前后的位移值。

2 下位机测量系统设计

疲劳测试试验，通过PLC的开关量输入实现疲劳计数。根据室外健身器材运动形式的不同，分为往复运动和回转运动两类情况。前者通过磁性开关完成信号检测，后者通过电感式接近开关实现信号检测，由PLC程序分别实现对检测信号的上升沿计数。通过实验测定，可知PLC扫描周期小于2.3 ms。而回转式器材的工作频率小于10 Hz，因此采用电感式接近开关可完全满足回转运动的实时计数要求。

图1 磁性开关布置图

对于往复运动式器材，磁性开关布置在与活动零部件运动垂直的方向。如图1所示，其中1为转轴，2为磁感应开关，3为摆杆，l为传感器与转轴的距离。摆杆的运动为简谐运动，则磁感应开关的导通时间tON满足联立方程：

因此，开关的导通时间为：

磁感应开关的响应时间tr≤2 ms，因此可认为 tON＞＞ tr。由 PLC 扫描周期tc＜ 2.3 ms，可知完全满足 tON＞2tc。

稳定性测试采用LCS-S3力传感器和RWPT01+放大器将力变换为420mA的电流信号，通过模拟量输入模块AD-041转换为数字量，实现对拉力的实时测量。其中力传感器精度为0.03%，放大器精度为0.1%。AD-041分辨率为1/6000，精度为0.8%[4]。拉力控制[5]曲线如图2所示，拉力从零线性增加到规定值FN。若取Dr＝t1/100，则线图上加载段的拉力变化量Dr＝1%FN。为此取t1＝3s，则可得拉力信号的采样间隔Dt＝30 ms。已知AD-041转换时间为2ms/点，PLC扫描周期tc＜ 2.3 ms，因此完全满足拉力数据实时采集的要求。保持时间t2＝30s，采用100ms的PLC定时器实现定时要求，则定时误差为：

图2 拉力控制曲线

冲击试验需要检测转轴、摆杆和踏板的变形，对于转轴和摆杆，其尺寸范围为100-1000mm，即Li[100, 1000]，因此，取di＝ 1/200，由式（3）可得冲击前后允许的位移变化量为Ddi＝Lidi[0.5,5]mm。踏板的尺寸为260-300 mm，取di＝1/20，则冲击前后允许的位移变化量Ddi小于15mm。可见，转轴允许的位移变化量最小。若取传感器分辨率不超过转轴允许的位移变化量的1%，可得：

因此，采用LM10激光位移传感器测量冲击前后的位移。激光测头为LM10-80-2，测量范围80±20mm，分辨率4mm。该测头与4-20mA 模拟量输出的控制器连接，由PLC模拟量输入模块AD-041实现AD转换。

3 上位机软件设计

疲劳测试软件流程如图3所示。首先，判断是否为新检测，若为新检测，则清零相应的PLC数据存储区，设定循环测试次数，并启动设备。然后，程序进入疲劳测试监控循环，主要完成当前测试累计运动次数、连续运动时间、健身器材工作频率、剩余时间的更新显示。否则，继续上一次检测，跳过数据清零与循环测试次数设定，直接启动设备，然后，程序进入疲劳测试监控循环。监控循环的刷新速率为100ms。上位机通过Host Link通讯协议，获取PLC采集的疲劳测试实时数据，并以变量的形式在组态王程序中引用。疲劳测试的监控循环，在主界面程序中实现。新检测的判别至设备启动部分则既可由欢迎界面程序完成，又可由主界面程序实现。

图3 疲劳测试软件流程图

图4 室外健身器材检测系统欢迎界面

为计算疲劳测试的工作频率，构造一个长度为10的队列[6]Q，每隔10s将一个累计测试次数当前值n放入Q中，队列Q中数据个数为k，则工作频率f可表示为：

剩余时间tL可由工作频率估算得到：

式中ng为设定的疲劳测试次数，ni为当前累计测试次数。

稳定性测试程序流程如图5所示，主要是配合PLC，完成零点校正、量程校正，给定力FN设定及相应整数目标值DN的计算，被测力数值的实时计算和显示。被测力的计算是将AD转换获得的整型数据变换为实数形式：

其中F为被测力实数数值，A为量程。D0、DFS、D分别为零点、满量程和力为F时所对应的整数。给定力FN对应的整数目标值DN为：

图5 稳定性测试程序流程图

稳定性测试，也在主界面程序中实现，显示刷新速率为100ms。此外，在主界面上有开始新检测、继续测试和退出按钮，其中，开始新检测、继续测试按钮与欢迎界面中的相应按钮功能相同，只是为了方便操作。主界面上的冲击检测按钮用于切换到冲击试验界面，如图6所示。显示报告按钮用于测试结果的格式输出。

图6 室外健身器材检测系统主界面

冲击试验监控界面可分为3个功能区，最左上角为原始参数录入区，即输入与转轴、摆杆和踏板相关的几何尺寸L1、L2和L3。右边为冲击试验操作区，该区可分为3部分，上边显示位移当前值，下边左、右两部分分别为冲击试验前后的位移值，在冲击前和冲击后标签下，各有一个开始检测按钮，分别实现冲击试验前后的转轴、摆杆和踏板的位移测量。界面的左下部用于检测结果的显示，其中显示值的分母按照标准进行了规范化，可直观的反映冲击变形量是否超差。

4 结论

1）设计开发了基于PLC的室外健身器材综合检测系统，实现了疲劳测试、稳定性测试和冲击试验项目。

图7 冲击试验监控界面

2）检测系统符合新国标要求，有效解决了检测的实时性和可靠性问题，实现了冲击变形的非接触测量，可用于室外健身器材的质量评价。

[1] 谢林海, 彭小澍.我国全民健身活动现状及发展对策[J].体育与科学, 2005, 26(6).

[2] 李蓉蓉.城市社区居民体育锻炼, 组织与消费状况的研究-以北京市为研究个案[J].体育与科学, 2011, 32(5).

[3] GB19272-2011.室外健身器材的安全通用要求[S].北京:中国标准出版社, 2011.

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

[5] 张帆, 张镭.金属带轧机控制系统开发[J].制造业自动化, 2009, 31(7).

[6] 严蔚敏, 吴伟民.数据结构[M].北京: 清华大学出版社,2002.