新型電動工具堵轉(zhuǎn)力矩試驗臺的研制

施軍曉 陳戩恒 金志穎 呂群珍

(金華出入境檢驗檢疫局 浙江金華 321015)

1 前言

電動工具堵轉(zhuǎn)試驗是GB 3883.1-2008《手持式電動工具的安全第一部分：通用要求》［1］及其GB 3883.6-2007《手持式電動工具的安全 第二部分：電鉆和沖擊電鉆的專用要求》［2］、GB 3883.7-2005《手持式電動工具的安全第二部分：錘類工具的專用要求》［3］與 GB 13960.1-2008《可移式電動工具的安全 第一部分：通用要求》［4］及其專用標(biāo)準(zhǔn)的重要安全試驗，試驗經(jīng)歸納分為兩個部分，第一部分包括電鉆、沖擊電鉆、電錘等產(chǎn)品的靜態(tài)堵轉(zhuǎn)(脫扣)力矩試驗，主要測試工具受到靜態(tài)堵轉(zhuǎn)時的力矩大小及堵轉(zhuǎn)后工具是否能正常起動;第二部分為電動工具開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗，包括：①感應(yīng)式電動工具不正常操作堵轉(zhuǎn)試驗，要求堵住運動零件，接通開關(guān)5 min(只需照看的工具)或30s(手操作的工具)，主要測試此類工具使用時發(fā)生的意外情況;②手持式電動工具極端過載堵轉(zhuǎn)試驗，要求工具不能在正常負(fù)載電流的160?條件下運行時，堵轉(zhuǎn)工具15min或直到工具開路或出現(xiàn)火焰，主要測試工具堵轉(zhuǎn)時的泄漏電流及堵轉(zhuǎn)后的電氣強(qiáng)度;③電動工具開關(guān)堵轉(zhuǎn)次數(shù)試驗，要求電動機(jī)堵轉(zhuǎn)，操作開關(guān)50次或5次，每次“接通”時間不大于0.5 s，每次“斷開”時間不小于10s，主要測試裝在工具上的開關(guān)是否具備分?jǐn)啻箅娏髂芰Α?/p>

2 方法

2.1 靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩試驗方法

靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩試驗方法主要分為三種：第一種為傳統(tǒng)測試方法，即根據(jù)作用力與反作用力的原理進(jìn)行測量，高軍勇［5］研制出一種復(fù)合力臂式的堵轉(zhuǎn)測量儀，減輕了試驗時產(chǎn)生的沖擊振動對測量精度的影響。第二種為根據(jù)傳遞力矩的軸會產(chǎn)生扭矩變形的原理進(jìn)行測量，鮑荷琴［6］采用磁電相位差式力矩轉(zhuǎn)速傳感器(ZJ型)進(jìn)行測量堵轉(zhuǎn)力矩，但存在安裝時對中性要求高和試驗效率低的缺點。趙介軍等人［7］采用位移傳感器技術(shù)中的電子尺來直接測量力臂，利用PLC技術(shù)進(jìn)行靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩或脫扣力矩定量測試，提高了試驗的安全性和準(zhǔn)確性。對于100kw以上的電機(jī)，因設(shè)備限制不能實測堵轉(zhuǎn)力矩，可用“計算法”［8］求得，即用測電阻法進(jìn)行試驗以求取堵轉(zhuǎn)力矩，此為第三種方法。

2.2 開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗方法

無論是開關(guān)通斷能力試驗機(jī)［9］還是開關(guān)壽命試驗臺［10］都是依據(jù)開關(guān)的零部件試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)的。作為整機(jī)試驗方法，電動工具開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗一般測試方法為機(jī)械制動工具運轉(zhuǎn)的同時人工操動工具開關(guān)，存在操作不安全、測試時間不準(zhǔn)確、自動化程度低等缺點。

2.3 主要特點

本試驗臺的主要特點是采用電阻應(yīng)變式靜態(tài)扭矩傳感器和混合式直線步進(jìn)電機(jī)運動控制技術(shù)，把涉及電動工具最新國標(biāo)要求的各種堵轉(zhuǎn)試驗集成一起，試驗綜合能力強(qiáng)，通用性好，攻克了電動工具靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩傳統(tǒng)試驗不安全、欠準(zhǔn)確的難點，同時解決了電動工具開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗過程中時間要求準(zhǔn)確、試驗種類多、安裝難的問題。本試驗臺已取得發(fā)明專利［11］，專利號：200910096177.5。

3 總體設(shè)計

新型電動工具堵轉(zhuǎn)力矩試驗臺實物見圖1，主要由機(jī)架、多維裝夾臺、直線步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、計算機(jī)等5大部分構(gòu)成。總體結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，各部件構(gòu)成簡述如下。

圖1 新型電動工具堵轉(zhuǎn)力矩試驗臺實物圖

圖2 新型電動工具堵轉(zhuǎn)力矩試驗臺總體結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 機(jī)架

采用方鋼焊制而成，表面噴漆，四只腳裝有四個高強(qiáng)度的尼龍輪子，方便移動，并可以固定在地面上;臺面鋼板采用發(fā)黑處理;機(jī)架腳座尺寸為780mm×480mm×540mm，臺板尺寸為780mm×500mm×14mm。

3.2 電機(jī)工作臺

該工作臺可在水平面或垂直面旋轉(zhuǎn)360°，旋轉(zhuǎn)一定的角度與可傾斜裝夾臺配合使得驅(qū)動件與工具開關(guān)操作接觸面的法向一致;同時，安裝一個套在工作臺上下臺面槽縫上、可前后運動46mm的銷子穿過驅(qū)動螺桿使步進(jìn)電機(jī)前后直線運動。

3.3 立柱

直線步進(jìn)電機(jī)工作臺套在立柱上，電機(jī)可在水平面或垂直面旋轉(zhuǎn)并鎖定，工作臺上下可移動450mm，在適當(dāng)位置夾緊固定;同時，立柱底部與機(jī)架臺面用絲桿連接，可前后縱向移動330mm并鎖定;這些設(shè)計可方便地進(jìn)行試驗前工具夾裝、調(diào)整好試驗起始位置，方便不同結(jié)構(gòu)、位置上的開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗。

3.4 直線步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)

直線步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)由硬件包括直線步進(jìn)電機(jī)、控制器、驅(qū)動電源、RS485/RS232轉(zhuǎn)接口與編程軟件QUICKSTART 1組成。

3.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由驅(qū)動螺桿與開關(guān)操動件組成，鋼材螺桿M10mm，具有較強(qiáng)的剛性，螺桿前頭通過螺紋M5mm連接可拆卸的開關(guān)操動件。操動件應(yīng)開關(guān)種類不同而不同，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，如按鈕式開關(guān)采用門字型設(shè)計。

3.6 工具

電動工具種類繁多，大小不一;開關(guān)因工具不同而不同，最常見的是按鈕式開關(guān)。

3.7 可傾斜裝夾臺

放置在三維工作臺上，其左側(cè)一邊與三維工作臺鉸接，底面中間采用小型千斤頂結(jié)構(gòu)，適用時用手輪頂起臺面，可逆時針傾斜60°，可使直線螺桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)從開關(guān)操作面的法向直接驅(qū)動開關(guān)(無驅(qū)動力的分解)。工作臺表面鍍鉻，尺寸 408mm ×324mm×25mm，臺面縱向橫向都開有間隔的T型槽，裝夾被測工具。

3.8 三維工作臺

三維工作臺底部固定在機(jī)架臺面上，尺寸410mm×325mm×21mm，基礎(chǔ)高255mm，用手輪可橫向移動100mm，縱向移動80mm，上下移動50mm，可在適當(dāng)位置固定，有效避免工具夾裝時產(chǎn)生附加力矩，滿足不同被測工具的試驗要求。

3.9 剛性聯(lián)軸器

聯(lián)軸器一側(cè)與工具輸出軸相連的夾頭用孔￠10.5mm 與銷￠10mm 聯(lián)接，孔中心距 ￠22.3mm與￠28mm兩種，另外一側(cè)用鍵槽6mm×6mm×30mm與傳感器相連。為了準(zhǔn)確測出電動工具靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩，避免在中間環(huán)節(jié)力矩?fù)p失，所以采用剛性聯(lián)軸器，由鋼制成。

3.10 傳感器

JN338F型靜態(tài)扭矩傳感器通過法蘭(￠100mm，孔3×￠6mm)安裝在可橫向80mm、上下移動120mm的L型支撐座上，并可固定在機(jī)架臺面上，使工具夾裝、調(diào)整試驗位置等更方便、靈活。

此外，試驗臺還包括工作計算機(jī)，內(nèi)插PCI接口的JN338C測量板卡，通過操作相關(guān)應(yīng)用軟件完成靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩試驗或開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗，達(dá)到柔性化控制的目的。

4 設(shè)計分析

4.1 技術(shù)分析

通過對開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗進(jìn)行測量分析，開關(guān)總行程小于10mm，操作力小于80N，結(jié)合開關(guān)每次“接通”時間不大于0.5 s，每次“斷開”時間不小于10 s的標(biāo)準(zhǔn)要求。我們選用可快速頻繁往復(fù)運動的美國海頓(Haydon)HSI貫通軸式57000系列Size 23混合式直線步進(jìn)電機(jī)，步長0.0508mm，采用雙極性驅(qū)動方式，在脈沖頻率為1000Hz即驅(qū)動速度50.8mm/s時的驅(qū)動力為89N。所以，該電機(jī)可以驅(qū)動開關(guān)操作，0.5s內(nèi)能完成25.4mm的直線往復(fù)運動;通過直線螺桿執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動開關(guān)閉合、斷開，在開關(guān)操作力、時間控制上能有效滿足開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗的要求。與該電機(jī)配套的直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器選用美國IMS公司生產(chǎn)的IM483I，該驅(qū)動器采用先進(jìn)表面貼片和高性能的ASIC技術(shù)，體積小，細(xì)分?jǐn)?shù)可達(dá)256，并自帶基于windows編程軟件和運動分析工具，具有2K的程序存儲空間，通過RS485/RS232轉(zhuǎn)接口與計算機(jī)PCI總線相連，由IP402驅(qū)動電源驅(qū)動，通過編程可實現(xiàn)靈活的運動。

根據(jù)對靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩試驗進(jìn)行測量分析，(沖擊)電鉆的靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩一般在1-10Nm之間。而電錘由于脫扣機(jī)構(gòu)存在使得靜態(tài)堵轉(zhuǎn)脫扣力矩高達(dá)70Nm。為提高測量準(zhǔn)確度與延長傳感器使用壽命，筆者選用扭矩測量范圍為0-100 Nm的 JN338 F型靜態(tài)扭矩傳感器。該傳感器的檢測手段為應(yīng)變電測技術(shù)，適合于非旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)扭矩的測量，準(zhǔn)確度0.1-0.5%F·S，可承受 150% 過載;信號檢出、處理均用數(shù)字技術(shù)，可方便地通過JN338C轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量板卡與計算機(jī)PCI總線接口，由基于windows的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量軟件實時測量堵轉(zhuǎn)力矩。

4.2 堵轉(zhuǎn)試驗分析

按 GB 3883.6-2007 和GB 3883.7-2005 對堵轉(zhuǎn)試驗的要求是測量靜態(tài)堵轉(zhuǎn)(脫扣)力矩的平均值，但沒有明確堵轉(zhuǎn)多久、前后做幾次的平均值。而推薦性的標(biāo)準(zhǔn) GB/T 5580-2007《電鉆》［12］要求是堵轉(zhuǎn) 3s，GB/T 7443-2007《電錘》［13］要求測試脫扣力矩值共3次。因此綜合以上幾個標(biāo)準(zhǔn)的要求，且根據(jù)我們以往測試經(jīng)驗(以工具堵轉(zhuǎn)時或后未燒毀，方便開展下一步的開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗及所測數(shù)據(jù)較穩(wěn)定為前提)暫定每次堵轉(zhuǎn)時間約為2s，先后做3次，1次得到1個平均值，共3個，最后的靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩值是測得的3個平均值中的最大值。

4.3 程序設(shè)計

4.3.1 堵轉(zhuǎn)力矩軟件

與JN338 F型靜態(tài)扭矩傳感器相配套的JN338C轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量板卡與計算機(jī)PCI總線接口相連接，由基于windows的電機(jī)特性測試軟件即堵轉(zhuǎn)力矩軟件實時測量并顯示動態(tài)過程的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩曲線。依據(jù)該軟件設(shè)計的采樣原理，一個采樣間隔內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)為該間隔內(nèi)的算術(shù)平均值，同時對前后采樣隔間的平均值作比較動態(tài)顯示這段時間(橫坐標(biāo)表示時間)內(nèi)最大的平均值。依據(jù)傳感器校準(zhǔn)數(shù)據(jù)設(shè)置各種軟件參數(shù)，設(shè)置采樣間隔為2.0ms，如圖3所示，3次試驗測得的堵轉(zhuǎn)力矩最大的平均值為12.17Nm。

圖3 堵轉(zhuǎn)力矩軟件示意圖

4.3.2 運動控制軟件

直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器IM483I自帶運動控制分析工具和基于windows編程軟件。該工具可以對運動距離和運動時間(開關(guān)總行程和堵轉(zhuǎn)時間)等進(jìn)行分析，設(shè)置電機(jī)起動步進(jìn)速度和最大步進(jìn)速度、加減速度、步數(shù)等參數(shù)，從而設(shè)置有效的直線步進(jìn)電機(jī)參數(shù)，如圖4、圖5。

圖4 運動控制分析工具圖

圖5 直線步進(jìn)電機(jī)參數(shù)設(shè)置

4.3.3 試驗程序

根據(jù)對運動參數(shù)的分析，編制了靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩“2秒3次.QST”試驗程序，如圖6所示。此外還分別編制了開關(guān)堵轉(zhuǎn)“5次.QST”試驗程序、開關(guān)堵轉(zhuǎn)“50次.QST”試驗程序，手持式電動工具極端過載堵轉(zhuǎn)15min試驗程序，感應(yīng)式電動工具不正常堵轉(zhuǎn)30s試驗程序，感應(yīng)式電動工具不正常堵轉(zhuǎn)5min試驗程序等。以上程序，可以根據(jù)試驗需要分別調(diào)用。

圖6 靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩“2秒3次.QST”試驗程序

4.4 工作原理

對于靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩試驗，用剛性聯(lián)軸器一端與靜態(tài)傳感器相連，另外一端與工具輸出軸相連，夾緊工具，調(diào)整好試驗位置，設(shè)置堵轉(zhuǎn)試驗軟件的采樣間隔、測量范圍及其他參數(shù)(如報警值即通過標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的計算方法得出的力矩值)，執(zhí)行運動控制堵轉(zhuǎn)試驗程序，JN338 F型靜態(tài)力矩傳感器把采樣數(shù)據(jù)即力矩信號通過PCI總線傳給JN338C測量板卡，計算機(jī)實時采樣間隔內(nèi)的力矩平均值，經(jīng)過規(guī)定的堵轉(zhuǎn)時間和堵轉(zhuǎn)次數(shù)形成鋸齒形的采樣波形，并在計算機(jī)屏幕上實時顯示出這段測量時段內(nèi)的最大平均值，通過比較該最大值與報警值，判斷試驗合格與否。對于開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗，只需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)適用性的要求調(diào)用相應(yīng)的運動控制試驗程序，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的描述來判定工具合格與否即可。

4.5 達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)

堵轉(zhuǎn)力矩測量范圍：1-100Nm

堵轉(zhuǎn)力矩準(zhǔn)確度：≤0.5級

時間精度：0.001s

單循環(huán)次數(shù)：0-255次

工作電壓：AC 220-240V/50-60Hz

5 技術(shù)關(guān)鍵與創(chuàng)新點

(1)設(shè)計了一套運動控制系統(tǒng)：IM483I控制器，配以IP402驅(qū)動電源，通過執(zhí)行基于windows平臺的用戶自編程序驅(qū)動HMI 57000系列size23步長0.0508mm混合式直線步進(jìn)電機(jī)，利用步進(jìn)電機(jī)固有的保持力，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確控制開關(guān)閉合時間即堵轉(zhuǎn)時間、斷開時間，自動化程度高。

(2)設(shè)計了一套可相互配合、相對運動靈活的工作臺，通過可傾斜式的三維工裝臺、縱向位置可調(diào)的傳感器支撐座、多方位可調(diào)的直線步進(jìn)電機(jī)支撐機(jī)構(gòu)，準(zhǔn)確調(diào)整試驗初始位置，滿足不同開關(guān)類型和操作位置的開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗需要。

(3)通過JN338 F型靜態(tài)扭矩傳感器直接測出靜態(tài)堵轉(zhuǎn)力矩，避免先測力再計算出力矩而產(chǎn)生的測量誤差，并通過PCI接口的JN338C測量板卡、由基于windows平臺的堵轉(zhuǎn)測試軟件實時顯示采樣間隔的力矩平均值并記錄下前后每次堵轉(zhuǎn)比較測得的最大力矩平均值，符合標(biāo)準(zhǔn)試驗要求。

(4)該試驗臺一機(jī)多能，不僅能夠完成電動工具靜態(tài)堵轉(zhuǎn)(脫扣)力矩試驗，而且能夠完成電動工具開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗，包括電動工具開關(guān)堵轉(zhuǎn)次數(shù)試驗、手持式電動工具極端過載堵轉(zhuǎn)試驗以及感應(yīng)式電動工具不正常堵轉(zhuǎn)試驗等。

6 小結(jié)

電動工具堵轉(zhuǎn)試驗是電動工具的重要安全試驗，能消除質(zhì)量安全隱患，減少貿(mào)易糾紛;因此在檢測機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)廠家具有較好的推廣價值，無論是企業(yè)生產(chǎn)收入還是檢測收入，都具有較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

該試驗臺依據(jù)電動工具產(chǎn)品最新安全標(biāo)準(zhǔn)研制，一機(jī)多能，檢測準(zhǔn)確，操作安全;適合電鉆、沖擊電鉆、電錘靜態(tài)堵轉(zhuǎn)(脫扣)力矩試驗，基本滿足電動工具開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗的需要;但因角向磨光機(jī)開關(guān)要實現(xiàn)二維運動，所以該試驗臺目前暫未能滿足角磨的開關(guān)堵轉(zhuǎn)試驗，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的前端部分必須進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計。

［1］GB 3883.1-2008手持式電動工具的安全 第一部分：通用要求［S］.

［2］GB 3883.6-2007手持式電動工具的安全 第二部分：電鉆和沖擊電鉆的專用要求［S］.

［3］GB 3883.7-2005手持式電動工具的安全 第二部分：錘類工具的專用要求［S］.

［4］GB 13960.1-2008可移式電動工具的安全第一部分：通用要求［S］.

［5］高軍勇.旋轉(zhuǎn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩的測量方法及復(fù)合力臂裝置［J］.中小型電機(jī)，1995，22(1)：34-35.

［6］鮑荷琴.單相漏磁制動電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩試驗［J］.微電機(jī)，1993，26(4)：44-45.

［7］趙介軍，吳志清，周杰，等.RTS-電動工具堵轉(zhuǎn)力矩自動測試系統(tǒng)的研制［J］.http：//www.chinaptp.com/techmarket/nsta/detail/402892ec23be5bef0123bed4252013f8.html.

［8］才家剛.電機(jī)試驗技術(shù)及設(shè)備手冊［M］.第一版.機(jī)械工業(yè)出版社，2004，5：385-387.

［9］張瑋昌.開關(guān)通斷能力試驗機(jī)［J］.電動工具.1997(4)：19-20.

［10］張凱徐艷葳.汽車開關(guān)壽命試驗臺［J］.常熟理工學(xué)院學(xué)報，2007，21(8)：66-70.

［11］施軍曉，金志穎，陳戩恒，呂群珍，等.電動工具堵轉(zhuǎn)力矩試驗臺：中國，200910096177.5［P］.2009-07-22.

［12］GB/T 5580-2007 電鉆［S］.

［13］GB/T 7443-2007 電錘［S］.