可程式仿真開關(guān)性能趨勢試驗(yàn)儀研制方案

【摘要】 可程式仿真開關(guān)性能趨勢試驗(yàn)儀研制，包括：項(xiàng)目背景、國內(nèi)外同類研究現(xiàn)狀分析及存在的問題研究內(nèi)容及預(yù)期達(dá)到的最終目標(biāo)、總體結(jié)構(gòu)、硬件研究、軟件編輯。

【關(guān)鍵詞】 可程式;仿真;趨勢;結(jié)構(gòu);軟硬件

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2020.04.032

何 清

（遼寧省國家新型原材料基地建設(shè)工程中心，遼寧 沈陽 110032）

General Scheme of the Development of the Programmable Switch Performance Trend Tester

Abstract： The development of programmable simulation switch performance trend tester includes：project background，analysis of similar research status at home and abroad，research content of existing problems and expected final goal，overall structure，hardware research and software editing.

Key words： programmable;simulation;trend;structure;software and hardware

HE Qing

（The Engineering Center of National New Raw Material Base Construction of Liaoning Province，Shenyang 110032，China）

1 研制目的

開關(guān)是各種設(shè)備、儀器儀表、家居中必不可少的電器元件。無論何種開關(guān)，都存在使用壽命的問題，另外，在相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)中對開關(guān)壽命也有明確的要求，所以開關(guān)壽命試驗(yàn)是制造商和開關(guān)使用方以及產(chǎn)品質(zhì)量檢測方都需要進(jìn)行的一項(xiàng)試驗(yàn)，而開關(guān)壽命試驗(yàn)設(shè)備就成為了一個必備的檢測設(shè)備。

目前的國內(nèi)開關(guān)壽命測試儀采用的結(jié)構(gòu)主要有以下三種結(jié)構(gòu)形式：1凸輪-彈簧-滑塊形式;2偏心輪-連桿-滑塊形式;3絲杠往復(fù)形式，采用以上幾種結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)設(shè)備，在試驗(yàn)過程中都極易使樣品開關(guān)受到非正常應(yīng)力的影響，從而導(dǎo)致開關(guān)結(jié)構(gòu)受損、影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

另外，有消息證明，國外已開展用開關(guān)性能趨勢試驗(yàn)替代開關(guān)壽命試驗(yàn)的研究，所以開發(fā)、研制一款既能進(jìn)行開關(guān)壽命試驗(yàn)又能提供開關(guān)性能趨勢研究的試驗(yàn)設(shè)備就成為必要。

2 開關(guān)壽命試驗(yàn)設(shè)備的性能分析

2.1 目前我國開關(guān)壽命檢測儀采用的常見基本結(jié)構(gòu)

目前我國開關(guān)壽命檢測儀基本采用的結(jié)構(gòu)是：減速電動機(jī)，關(guān)節(jié)連接器、頂桿、凸輪等組成機(jī)械執(zhí)行部件模擬開關(guān)的實(shí)際使用過程來進(jìn)行檢測，主要有以下幾種結(jié)構(gòu)形式。

2.1.1 凸輪-彈簧-滑塊形式

這類開關(guān)壽命試驗(yàn)儀以電動機(jī)為動力源，采用凸輪-彈簧-滑塊傳動結(jié)構(gòu)形式，驅(qū)動按壓組件對開關(guān)進(jìn)行往復(fù)按壓操作，通過按壓桿上所加載的砝碼實(shí)現(xiàn)不同開關(guān)所需的按壓力。頂部的微調(diào)裝置可以調(diào)節(jié)相應(yīng)按壓行程。進(jìn)行相關(guān)壽命試驗(yàn)前，簡單設(shè)定操作頻率和總操作次數(shù)，通過計(jì)數(shù)器記錄開啟和閉合次數(shù)。

2.1.2 絲杠往復(fù)形式

這類開關(guān)壽命試驗(yàn)儀以伺服電動機(jī)為動力源，帶動導(dǎo)軸動作，使開關(guān)完成所需的結(jié)構(gòu)動作和行程及導(dǎo)通工序。采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。

2.1.3 偏心輪-連桿-滑塊形式

這類開關(guān)壽命試驗(yàn)儀以電動機(jī)為動力源，采用偏心輪-連桿-滑塊形式傳動結(jié)構(gòu)形式，驅(qū)動按壓組件對開關(guān)進(jìn)行往復(fù)按壓操作，滑塊往復(fù)與滑軌上，通過計(jì)數(shù)器記錄開啟和閉合次數(shù)。工作臺通過手動微調(diào)進(jìn)行位置調(diào)節(jié)。

2.2 目前開關(guān)壽命試驗(yàn)儀存在的問題

凸輪-彈簧-滑塊形式存在的主要問題問題是：故障率高、操作繁瑣、功能單一。

偏心輪-連桿-滑塊形式存在的主要問題問題是：驅(qū)動結(jié)構(gòu)復(fù)雜可靠性能低。

絲杠往復(fù)形式存在的主要問題問題是：需要電動機(jī)以較快的頻率執(zhí)行連續(xù)幾萬至十幾萬次的正-反轉(zhuǎn)操作，產(chǎn)品的可靠性低、故障率高。

以上幾種機(jī)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)簡單，不能對檢測過程的檢測參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，運(yùn)行過程和運(yùn)行行程需要檢測員人工觀察、判斷、調(diào)整，增加了對檢測結(jié)果的測量不確定度，另外，由于運(yùn)行部件作用在被測部件上的力是剛性的，極易使被測樣品產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷，從而導(dǎo)致檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。

目前國內(nèi)生產(chǎn)的開關(guān)壽命檢測設(shè)備基本都處于以上幾種形式的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，無程式化、無仿真功能、無法開展開關(guān)性能趨勢方面的研究，產(chǎn)品落后，不能滿足社會發(fā)展的需求。

3 預(yù)期目標(biāo)及研究內(nèi)容

3.1 預(yù)期目標(biāo)

新試驗(yàn)儀的性能要符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)要求，適用范圍廣、能滿足多種常見結(jié)構(gòu)開關(guān)的檢測要求，可編程、有良好的人機(jī)界面，機(jī)械手具有仿真功能，試驗(yàn)過程的各種試驗(yàn)參數(shù)實(shí)時顯示并記錄，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，使我國對開關(guān)的檢測，方法更合理、檢測數(shù)據(jù)更精確。

3.2 整體結(jié)構(gòu)

采用PC機(jī)與嵌入式單片機(jī)、直線模塊組成智能型設(shè)備，軟硬件相互結(jié)合，使檢測頭達(dá)到機(jī)械手的功能，智能判斷檢測過程和檢測終點(diǎn)的檢測有效性，引入施加力和負(fù)載電流的控制達(dá)到趨勢性研究，通過良好的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)可程式化、仿真功能。

3.3 研究內(nèi)容

1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的研究：研究各種開關(guān)使用狀態(tài)，設(shè)計(jì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括：驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)、運(yùn)行模塊設(shè)計(jì)、機(jī)械手和加緊模塊設(shè)計(jì)，優(yōu)選出合理、高效，適于開關(guān)檢測的執(zhí)行結(jié)構(gòu)。

2）控制機(jī)構(gòu)的研究：主要包括：數(shù)據(jù)采集、傳感器選定、自動控制過程設(shè)計(jì)、顯示、人機(jī)界面等硬件結(jié)構(gòu)方面的研究。優(yōu)選出先進(jìn)的、適于開關(guān)檢測的控制機(jī)構(gòu)。

3）軟件編輯：開發(fā)編制滿足需求的軟件系統(tǒng)，達(dá)到可程式、仿真、適于性能趨勢試驗(yàn)的目的。

4 技術(shù)參數(shù)

最大行程：100 mm;

試驗(yàn)次數(shù)：0-60 次/min;

最大速度：100 mm/秒;

最大計(jì)數(shù)：99999。

5 總體方案

5.1 項(xiàng)目研究的依據(jù)

可程式仿真開關(guān)性能趨勢試驗(yàn)儀必須符合：GB 15092.1-2010《器具開關(guān) 第1部分：通用要求》、GB 16915.1-2014《家用和類似用途固定式電氣裝置的開關(guān) 第1部分：通用要求》、GB/T 15854-2008《食物攪碎器》、GB 3883.1《手持式電動工具的安全第一部分：通用要求》，GB 2099.1-1996/IEC 884-1《家用和類似用途插頭插座的第一部分：通用要求》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5.2 適用范圍

試驗(yàn)儀適用的主要產(chǎn)品有（按操作方法分類）：倒扳開關(guān)、蹺板開關(guān)（常見的墻壁開關(guān)）、按鈕開關(guān)（如，門鈴開關(guān)）、撥動開關(guān)、旋鈕開關(guān)。

5.3 檢測儀原理結(jié)構(gòu)方框圖

5.4 技術(shù)路線

1）隨著計(jì)算機(jī)和自動控制的飛速發(fā)展，工業(yè)用導(dǎo)軌、步進(jìn)電動機(jī)在自動控制中大量應(yīng)用，其應(yīng)用技術(shù)也有了很大的提高，并向單元化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，使其易維修、易替換、使用壽命高、故障率降低。其中尤其以直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠產(chǎn)品為重中之重。其特點(diǎn)：

①高速化：以φ40 mm、導(dǎo)程40 mm的規(guī)格來說，轉(zhuǎn)速高達(dá)5000 r/min，直線速度可達(dá)200 m/min，直線加速度可達(dá)2 g;

②高精度：目前能實(shí)現(xiàn)1 μm以內(nèi)的重復(fù)定位精度;

③智能化及復(fù)合化：以多層次、多方面的選擇及應(yīng)對機(jī)床智能化和復(fù)合化方面的需求;

④環(huán)?；詽櫴交壘哂泄?jié)約油脂，降低污染效能。

通過對步進(jìn)電動機(jī)、直線導(dǎo)軌、滾珠絲杠產(chǎn)品的應(yīng)用研究，滿足可程式仿真開關(guān)性能趨勢試驗(yàn)儀的技術(shù)參數(shù)，優(yōu)選出合理的、高效的、適于開關(guān)檢測任務(wù)的結(jié)構(gòu)。

2）隨著單片機(jī)、計(jì)算機(jī)在工業(yè)方面的應(yīng)用，檢測壓力傳感器、計(jì)算能力、驅(qū)動控制、人機(jī)界面均有飛速的發(fā)展，研究重點(diǎn)是優(yōu)選單片機(jī)或計(jì)算機(jī)的應(yīng)用控制以及數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)打印。

3）數(shù)據(jù)通信擬采用數(shù)據(jù)總線、Modbus通信協(xié)議作為主要通信手段，以減少通信干擾，避免產(chǎn)生檢測誤差。

4）通過對機(jī)械手結(jié)構(gòu)的研究，使儀器能夠滿足儀器檢測不同形式開關(guān)的要求。

5）通過對夾緊裝置的研究，使試驗(yàn)儀能夠滿足儀器檢測不同形式開關(guān)的要求。

6）軟件開發(fā)研究

①檢測過程可程式仿真的實(shí)現(xiàn)

通過良好的人機(jī)界面，機(jī)械手的運(yùn)行可程式化，通過編程的方式控制機(jī)械手的運(yùn)行曲線。通過壓力傳感器檢測壓力，仿真人的開關(guān)動作。

為保證在檢測過程中，機(jī)械手不對被檢樣品造成機(jī)械性損傷，機(jī)械手的運(yùn)行速度采用變速形式，通過對人手在開關(guān)過程運(yùn)動的研究，確定機(jī)械手的運(yùn)行變速狀態(tài)，達(dá)到仿真的目的。同時，保證與標(biāo)準(zhǔn)要求相一致，在檢測段為勻速運(yùn)動，開始段采用加速運(yùn)行、結(jié)束段采用降速運(yùn)行。這樣可以保證不對樣品造成機(jī)械性損傷，同時提高測試儀的使用壽命、提高檢測的可信度。

②軟件實(shí)現(xiàn)的功能

左右定位、左右點(diǎn)動運(yùn)行、勻速速度設(shè)定、加減速度設(shè)定。樣品信息輸入（計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)）、信息存儲（計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)）。檢測開始、檢測結(jié)束、過程停止、報(bào)警。電流檢測、壓力檢測、過程檢測。次數(shù)記錄、檢測結(jié)果打?。ㄓ?jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)）。

7）試驗(yàn)負(fù)載

試驗(yàn)負(fù)載采用阻性負(fù)載，電流調(diào)整范圍分別適用額定電流為6A、10A、16A的開關(guān)。

6 小結(jié)

本文通過對已驗(yàn)收的可程式仿真開關(guān)性能趨勢試驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)過程的全面剖析和總結(jié)，闡明了設(shè)計(jì)理念，為大家提供一個設(shè)計(jì)思路，供在同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)時參考。

【參考文獻(xiàn)】

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[2]??? 家用和類似用途固定式電氣裝置的開關(guān) 第1部分：通用要求：GB 16915.1-2014[S].

[3]??? 吳益飛，李勝，蔡驊.基于MSP430單片機(jī)的云臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006（20）：90-93.

【作者簡介】

何清（1961-），男，高級工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品檢測實(shí)驗(yàn)方法。