微動(dòng)開關(guān)行程和力自動(dòng)測量方法研究

劉堯峰 宋 斌 趙長青

（成都天奧測控技術(shù)有限公司，四川成都611731）

0 引言

微動(dòng)開關(guān)是具有速動(dòng)機(jī)構(gòu)及微小觸電間隙的精密機(jī)械電氣開關(guān)[1]。微動(dòng)開關(guān)出廠需測量部分指標(biāo)，如行程（預(yù)行程、超行程）、力（操作力、釋放力）等，同時(shí)還需要實(shí)時(shí)記錄力和行程之間的關(guān)系。

傳統(tǒng)的人工測量方法可以測量這幾項(xiàng)指標(biāo)，但都是分項(xiàng)測量，如采用千分尺進(jìn)行測量，測量精度和重復(fù)性差，且不能測量力和行程的關(guān)系。

目前常用的自動(dòng)化測量主要為接觸式測量，如采用直線光柵尺來測量開關(guān)的行程[2]，配合力傳感器測量力，但力傳感器在測量過程中的變形會(huì)產(chǎn)生位移，而該位移無法精確計(jì)算，故采用直線光柵尺的距離作為開關(guān)的行程有一定的誤差。

基于以上原因，提出了一種自動(dòng)測量力和行程的方法：采用激光測距傳感器測量行程，采用力傳感器測量力。該方法效率高、重復(fù)精度高，可廣泛應(yīng)用于類似開關(guān)的測量。

1 原理設(shè)計(jì)

微動(dòng)開關(guān)安裝在力傳感器安裝板右端，激光測距傳感器安裝在安裝板左端（圖1），當(dāng)力傳感器下降時(shí)，微動(dòng)開關(guān)的觸點(diǎn)接觸安裝板，開關(guān)跟隨力傳感器下降，由于微動(dòng)開關(guān)彈簧對(duì)力傳感器的反作用力，傳感器作用區(qū)域?qū)澢冃?，產(chǎn)生微小的位移ΔX，微動(dòng)開關(guān)總的行程是力傳感器的平移距離X與ΔX之和，也即激光測量的距離（圖2）。

圖1 結(jié)構(gòu)正視示意圖

圖2 行程測量示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖3所示，測力和行程結(jié)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)裝置、力傳感器、激光測距傳感器組成；驅(qū)動(dòng)裝置負(fù)責(zé)力傳感器的驅(qū)動(dòng)，力傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)裝置上，微動(dòng)開關(guān)安裝在定制的工裝上；激光測距傳感器安裝在機(jī)座上。

圖3 測力和行程結(jié)構(gòu)圖

測試流程：驅(qū)動(dòng)裝置向微動(dòng)開關(guān)方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)力傳感器剛接觸到開關(guān)時(shí)，傳感器產(chǎn)生微小形變所輸出的電壓信號(hào)作為激光測距傳感器的測試基準(zhǔn)（初始位置）。驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)傳感器繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)達(dá)到微動(dòng)開關(guān)的預(yù)行程（開關(guān)觸點(diǎn)剛好接觸）時(shí)，示波器采集到觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)將該信號(hào)發(fā)送給激光傳感器作為預(yù)行程測量值；當(dāng)驅(qū)動(dòng)裝置達(dá)到激光傳感器設(shè)定的全行程值時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置停止運(yùn)動(dòng)。

3 行程、力測量理論分析

3.1 行程測量分析

激光在測量時(shí)產(chǎn)生光斑，當(dāng)被測物體與光斑垂直時(shí)，被測物體的實(shí)際尺寸即為L（圖4）；當(dāng)被測物體與光斑不垂直時(shí)，激光在被測物上會(huì)產(chǎn)生位移分量，使得激光測量出的數(shù)值與實(shí)際距離有偏差，需進(jìn)行誤差分析。

圖4 激光測量分析圖

設(shè)傳感器的變形角度為θ，激光光斑的大小為d×b（長邊×短邊），光斑在投影面上的形狀為橢圓形，則長邊大小為d1=d/cos θ，因光斑大小引起的距離誤差為ΔL=（d1sin θ）/2=（dtan θ）/2。

首先計(jì)算傳感器的末端位移y，再計(jì)算激光光斑大小引起的誤差ΔL，計(jì)算如下：

式中，y為傳感器的末端位移；F為開關(guān)的作用力；L為力作用點(diǎn)距離；E為力傳感器彈性模量；I為力傳感器慣性矩。

取微動(dòng)開關(guān)作用力F=10 N，L=130 mm，E=6.9×10-4N/mm2，I=8 748 mm4，計(jì)算得y=0.012 mm。

則誤差ΔL=0.35×9.23×10-5/2=1.6×10-5mm，光斑大小引起的距離誤差忽略不計(jì)。

從理論上分析激光傳感器測量的距離即為微動(dòng)開關(guān)的動(dòng)作行程。為滿足要求，選取傳感器的行程為20 mm，精度為0.005 mm。

3.2 力測量分析

開關(guān)力的大小采用力傳感器測量，傳感器接觸開關(guān)時(shí)產(chǎn)生微弱形變并輸出毫伏級(jí)電壓信號(hào)。為滿足要求，選取力傳感器范圍為50 N，精度為0.01%FS，選用6位半高精度數(shù)字萬用表實(shí)現(xiàn)對(duì)該信號(hào)的高精度測量，測量精度達(dá)0.001 5%。則力的綜合測量精度為：

因此，從理論上分析，力傳感器及6位半高精度數(shù)字萬用表可用于微動(dòng)開關(guān)力的測量。

4 測試結(jié)果

經(jīng)過實(shí)際測試，得到行程和力的曲線如圖5所示。

圖5 力—位移曲線圖

5 結(jié)語

通過激光測距和力傳感器組合測量微動(dòng)開關(guān)的行程和力，避免了人工測量的誤差，同時(shí)采用激光測距儀直接測量行程，避免了中間的測量環(huán)節(jié)，測量精度高，重復(fù)性好，該方法也可實(shí)時(shí)顯示力和位移的關(guān)系，滿足實(shí)際測試需求。

[1]微動(dòng)開關(guān)通用規(guī)范：GJB 809A—1997[S].

[2]劉仁義，代明德，劉俊，等.微動(dòng)開關(guān)壓力行程數(shù)字化綜合測量儀：200810068934.3[P].2008-10-09.