童車測(cè)試系統(tǒng)中的模塊化設(shè)計(jì)

秦紫明，王志明，李耀東，馮盼盼

(1.上海質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海201114；2.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海200072)

0 引言

童車是指14歲以下兒童使用的自行車、電動(dòng)車、三輪車、學(xué)步車等。常用的HS編碼有950300100，歸屬在出口玩具類別里。在國(guó)內(nèi)，童車從業(yè)人數(shù)達(dá)數(shù)千，年產(chǎn)值近2億美元。由于國(guó)際上對(duì)兒童的保護(hù)越來(lái)越嚴(yán)，所以童車的安全檢測(cè)要求也越來(lái)越高。通過(guò)對(duì)出入境檢驗(yàn)檢疫系統(tǒng)內(nèi)檢測(cè)機(jī)構(gòu)及國(guó)外檢測(cè)機(jī)構(gòu)(如ITS，SGS，TUV，STR等)的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前在設(shè)備的構(gòu)建模式與檢測(cè)手段方面存在較多問(wèn)題，主要體現(xiàn)在:國(guó)內(nèi)外的童車檢測(cè)設(shè)備的綜合性弱，通用性差，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)變化的響應(yīng)性差；力加載與扭矩加載測(cè)試中對(duì)于加載過(guò)程參數(shù)如加載時(shí)間、加載速度、加載加速度等的過(guò)程參數(shù)很難控制。對(duì)于變形量的測(cè)量沒有很好的方法。為此，課題組在研讀童車國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)分析比較，發(fā)現(xiàn)共性和差異，重點(diǎn)對(duì)童車測(cè)試中的力與扭矩加載的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研發(fā)，這些技術(shù)包括童車檢測(cè)設(shè)備的綜合化、模塊化組合技術(shù)。

1 童車檢測(cè)設(shè)備的綜合化、模塊化組合技術(shù)概述

對(duì)于童車力檢測(cè)設(shè)備，以力加載為研究對(duì)象，在進(jìn)行物理性能檢測(cè)時(shí)，雖然加載的形式、加載力值的大小、加載的方向、加載的頻率等有所不同，但通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研讀，完成這些內(nèi)容檢測(cè)應(yīng)包括試件裝夾平臺(tái)、加載執(zhí)行器、力反饋系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，這種共性給系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化提供了依據(jù)。通過(guò)多年的研究，結(jié)合部分試驗(yàn)，擬采取的技術(shù)路線與試驗(yàn)方法如下:

1)先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于力加載的內(nèi)容進(jìn)行歸納與整理，形成一套標(biāo)準(zhǔn)要求的技術(shù)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)包括:加載力值的大小、加載的方向、加載的模式。對(duì)于童車試驗(yàn)方法很多，有關(guān)于力的加載部分除了加載力值大小不同之外，還有力加載方向?qū)τ诓煌脑囼?yàn)方法也不同。同時(shí)，加載的形式有單作用力加載與雙作用力加載。加載模式有同步加載與異步加載。作用力方式上有靜態(tài)加載與動(dòng)態(tài)加載(疲勞試驗(yàn))之分。而且該設(shè)備還要面對(duì)不同規(guī)格的童車的測(cè)試。

根據(jù)上述要求，多功能童車加載系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，按照多功能的設(shè)計(jì)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。在對(duì)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)役標(biāo)準(zhǔn)分析整合的基礎(chǔ)上得出，整個(gè)系統(tǒng)分為機(jī)械系統(tǒng)模塊與電氣控制模塊，機(jī)械系統(tǒng)模塊分為基座模塊、上下位置調(diào)整模塊、轉(zhuǎn)位模塊、加載模塊、夾具模塊。電氣控制模塊分為力傳感器信號(hào)采集模塊、位移傳感器信號(hào)采集模塊、電伺服加載控制模塊、氣伺服加載控制模塊、上下位置調(diào)整控制模塊。組成框架如圖1所示，線框圖如圖2所示。

各主要部分功能如下:基座與夾具模塊主要是裝夾被測(cè)試件，轉(zhuǎn)位模塊是實(shí)現(xiàn)不同角度的加載，上下調(diào)整模塊主要是實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格試件的測(cè)試，加載模塊包括氣動(dòng)伺服加載模塊與電伺服加載模塊，主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的加載。

圖1 多功能加載試驗(yàn)機(jī)組成框圖

圖2 多功能童車加載系統(tǒng)線框圖

2 機(jī)械模塊的設(shè)計(jì)

a)加載模塊的設(shè)計(jì)過(guò)程

1)加載力動(dòng)力源的確定

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的整理與分析，結(jié)合機(jī)電功能部件的運(yùn)動(dòng)性能，將作用力的加載動(dòng)力定為氣伺服缸與電伺服缸。氣伺服缸主要用來(lái)做疲勞試驗(yàn)，而電伺服缸主要用來(lái)進(jìn)行力值或扭矩值靜態(tài)加載。作用力的數(shù)量定義為2個(gè)，即對(duì)于氣缸:既能完成單缸的疲勞試驗(yàn)，又能完成雙缸的同步與異步疲勞試驗(yàn)。對(duì)于電伺服缸:既能完成單缸的靜態(tài)加載試驗(yàn)，又能完成雙缸的靜態(tài)加載試驗(yàn)。同時(shí)，通過(guò)電缸也能完成單缸疲勞、雙缸疲勞試驗(yàn)(一般不建議)。

2)伺服氣缸與電伺服缸的規(guī)格確定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的加載力值的大小及一般童車的變形量的大小，確定最大的行程。氣伺服缸的行程確定為300mm，缸徑為63mm。按5kg/cm3計(jì)算的話，最大出力為1 550N。滿足童車加載要求。電伺服缸的行程確定為500mm，選擇1.0kW的伺服電機(jī)配上1∶10的減速器，最大出力達(dá)2 500N。

3)加載力動(dòng)力源安裝形式的確定

模塊化的設(shè)計(jì)是該項(xiàng)目的重要特色。在動(dòng)力源的安裝方面，采用統(tǒng)一的如圖3所示的half結(jié)構(gòu)技術(shù)，將加載頭安裝在half固定夾結(jié)構(gòu)的安裝盒上。該接口可根據(jù)需要進(jìn)行安裝在試驗(yàn)機(jī)上，或根據(jù)要求，將其拆卸安放在設(shè)備架上。

圖3 加載模塊的形式及安裝方法

b)轉(zhuǎn)位模塊的設(shè)計(jì)

加載頭安裝在標(biāo)準(zhǔn)的接口上，根據(jù)試驗(yàn)的要求，可以自由拆裝。加載方向的改變是通過(guò)加載頭安裝的橫梁的旋轉(zhuǎn)來(lái)解決，結(jié)構(gòu)如圖4所示。該裝置由蝸輪蝸桿減速器、聯(lián)軸器、旋轉(zhuǎn)橫梁、上下鎖緊裝置、轉(zhuǎn)位鎖緊裝置等組成。要對(duì)施力方向進(jìn)行改變，必須對(duì)橫梁進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度通過(guò)安放在加載頭上的角位移測(cè)量?jī)x來(lái)完成。將鎖緊螺釘松開，然后旋轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿手輪，蝸輪出軸通過(guò)連軸器帶動(dòng)中間橫梁旋轉(zhuǎn)，完成轉(zhuǎn)位工作。轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置，鎖緊螺釘鎖定，施力方向就確定了。

圖4 多功能加載試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)位模塊

c)上下位置調(diào)整模塊

為了滿足多規(guī)格的測(cè)試對(duì)象的需要，在設(shè)計(jì)中采用剩下位置調(diào)整的模塊。上下位置調(diào)整模塊主要由帶蝸輪蝸桿的電機(jī)、鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、立柱兩側(cè)的絲杠螺母機(jī)構(gòu)等組成(參見圖3)。在工作時(shí)，根據(jù)被測(cè)試件的規(guī)格，啟動(dòng)升降按鈕，待蝸輪蝸桿電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)帶動(dòng)立柱兩側(cè)的絲杠，使得帶有加載模塊的中間橫梁實(shí)現(xiàn)上下位置的調(diào)整，到達(dá)規(guī)定位置，停止電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，由于蝸輪蝸桿具有自鎖性功能，使得停止的位置能保持。鏈傳動(dòng)裝置主要實(shí)現(xiàn)立柱兩側(cè)的絲杠螺母副同步動(dòng)作。

d)基座夾具模塊

為了滿足不同規(guī)格，不同形狀的童車加載時(shí)裝夾的要求，在底板的選擇上采用具有T型槽的鑄鐵平板。采用平板壓塊機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的裝夾。具體結(jié)構(gòu)參見圖3。

3 電器模塊的設(shè)計(jì)

對(duì)電控部分采用模塊化設(shè)計(jì)。整個(gè)電控部分成幾個(gè)功能模塊組成。如主模塊，氣動(dòng)伺服模塊、電伺服模塊、信號(hào)采集模塊、常規(guī)控制單元等模塊。模塊數(shù)可根據(jù)需要增加。如采用設(shè)備中需用伺服電機(jī)，就有伺服電機(jī)模塊與之對(duì)應(yīng)。這幾個(gè)模塊有著不同的功能分工，采用主從結(jié)構(gòu)，如在這幾個(gè)模塊中設(shè)定一個(gè)為主模塊，結(jié)構(gòu)與PC機(jī)主板類似。與PC機(jī)和其余模塊相連，它主要用于實(shí)現(xiàn)與其余模塊和PC機(jī)的通信。其余模塊為從模塊，插接在主模塊上，如氣動(dòng)伺服模塊實(shí)現(xiàn)傳感器值的輸入與伺服閥控制信號(hào)的輸出，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)插槽與主模塊相連。常規(guī)控制單元中的開關(guān)量I/O模塊實(shí)現(xiàn)開關(guān)量信號(hào)的輸入與輸出，如電磁閥信號(hào)的輸入與輸出，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)插槽與主模塊相連等。這種結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)容易，可根據(jù)控制的要求任意組合或擴(kuò)展，維護(hù)、修改非常方便。

根據(jù)童車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求與測(cè)試的方法，系統(tǒng)配置了二路氣伺服模塊與二路電伺服模塊。在設(shè)計(jì)中有傳感器信號(hào)采集模塊(包括力傳感器信號(hào)采集與位移傳感器信號(hào)采集)，電伺服驅(qū)動(dòng)模塊、氣伺服驅(qū)動(dòng)模塊等。本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了4路傳感器信號(hào)采集模塊與4路位移傳感器采集模塊。有4路電伺服驅(qū)動(dòng)加載模塊與4路氣伺服加載模塊。根據(jù)需要可進(jìn)行單加載模塊工作，也可實(shí)現(xiàn)多加載頭協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)的硬件框架圖如圖5所示。

圖5 多功能加載試驗(yàn)機(jī)硬件框架圖

對(duì)于軟件系統(tǒng)，也實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)。軟件中分為控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、圖形現(xiàn)實(shí)模塊等。對(duì)于軟件，對(duì)測(cè)試通道，傳感器的量值，使用的加載部件等均進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)設(shè)置來(lái)確定軟件中哪些模塊需要屏蔽，哪些模塊需要執(zhí)行。

系統(tǒng)的軟件包括控制軟件設(shè)計(jì)與上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)。控制軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳送等模塊，上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)的擬合、數(shù)據(jù)的處理、圖形的顯示等模塊。疲勞測(cè)試的控制軟件中數(shù)據(jù)的采集有三菱FX系列PLC中的主機(jī)模塊與A/D、D/A模塊完成，精確加載試驗(yàn)中數(shù)據(jù)采集由運(yùn)動(dòng)控制卡完成。控制形式主要為PID控制，在伺服系統(tǒng)控制的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)所控制的系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，根據(jù)PID的控制規(guī)則，然后建立PID控制器，對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行控制，最終快速地達(dá)到設(shè)定值，上位機(jī)軟件的開發(fā)平臺(tái)為Visual Basic6.0，控制系統(tǒng)主要完成三種模式的控制:定速度加載、定載荷加載與定位移加載。并在界面上實(shí)現(xiàn)理論數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)現(xiàn)示與圖形曲線的顯示。軟件的功能采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將三種控制方式分成三個(gè)模塊，在實(shí)驗(yàn)中，可以任意兩種模塊組合使用。控制靈活方便。電伺服控制模塊的軟件的控制流程如圖6所示。

圖6 控制軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)

按照上述的模塊化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)一年的努力，制造了多功能模塊化測(cè)試樣機(jī)，樣機(jī)實(shí)物如圖7所示。

測(cè)試對(duì)象為自行車車把。對(duì)車把按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行同向加載450N，保持1min數(shù)據(jù)。試驗(yàn)共進(jìn)行了10次，10次的試驗(yàn)界面如圖8所示。測(cè)試數(shù)據(jù)參見表1。

圖7 模塊化試驗(yàn)樣機(jī)

圖8 測(cè)試軟件界面圖

本文只列舉了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過(guò)程是針對(duì)不同的加載角度，不同的加載對(duì)象，不同的加載模式進(jìn)行的。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，基于模塊化技術(shù)的童車多功能試驗(yàn)機(jī)能很好地滿足不同加載對(duì)象、不同的加載模式的測(cè)試要求。設(shè)備具有良好的性能和較好的重復(fù)精度。

表1

5 結(jié)論

根據(jù)童車力與力矩的加載的特點(diǎn)，將相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的加載內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)一整合，提出了基于模塊化的多功能加載試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)思想。并進(jìn)行了設(shè)計(jì)與制造。在對(duì)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行論述的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)敘述了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與加載頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)；根據(jù)控制的要求與模式，提出了電氣的模塊化的設(shè)計(jì)思想并應(yīng)用于實(shí)踐。最后對(duì)基于模塊化的童車多功能加載試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)能很好的進(jìn)行多種功能的加載，控制精度較高，加載穩(wěn)定，很好地滿足了測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的童車的加載要求。為童車的精確檢測(cè)打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］張晶，張文元，張耀春.多功能實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研究［J］.工業(yè)結(jié)構(gòu)，2004，34(3):40-43.

［2］陳琦，何煦，韓冰.機(jī)載光電平臺(tái)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)精密工程，2008，16(12):2441-2446.

［3］王振華，陳立國(guó)，孫立寧.集成式6自由度微動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)［J］.光學(xué)精密工程，2007，15(9):2391-1397.

［4］萬(wàn)立榮，曾慶良.液壓馬達(dá)加載測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)床與液壓，2003(6):270-298.