輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制的研究

韓立秋 鄭鈞

（天津市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)技術(shù)研究院自行車研究中心 天津 300110）

1 引言

輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)滿足自行車行業(yè)對(duì)自行車輪輞強(qiáng)度的檢測(cè)要求，以及中華人民共和國(guó)輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輪輞強(qiáng)度檢測(cè)的相關(guān)規(guī)定。其結(jié)構(gòu)新穎，外形美觀，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，并且應(yīng)用傳感器技術(shù)，使其控制精度更高，測(cè)量結(jié)果通過(guò)顯示屏直接顯示，直觀且更準(zhǔn)確。整個(gè)輪輞強(qiáng)度的測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單方便，此設(shè)備適用于一般自行車輪輞的強(qiáng)度測(cè)試。

2 自行車檢測(cè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和控制發(fā)展趨勢(shì)及概況

由于先進(jìn)技術(shù)的缺乏，以及新型材料的品樣不齊，我國(guó)早期的自行車檢測(cè)設(shè)備均有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作繁瑣、測(cè)量結(jié)果精度不高的缺點(diǎn)。隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和機(jī)械制造工藝水平的飛速發(fā)展，新型材料在檢測(cè)設(shè)備中得到應(yīng)用。新型自行車檢測(cè)設(shè)備外形美觀、結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間小，自動(dòng)化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠。

3 輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成與控制

輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。其工作原理是：在計(jì)算機(jī)程序控制的條件下，采用電動(dòng)推桿傳動(dòng)方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的相應(yīng)動(dòng)作；同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，位置檢測(cè)裝置隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定精度達(dá)到設(shè)定位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)輪輞施加靜負(fù)荷并且在2 min 后卸去荷重，系統(tǒng)控制位移傳感器對(duì)結(jié)果進(jìn)行測(cè)量并記錄。

輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)包括鋁型材結(jié)構(gòu)機(jī)身、執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)推桿、傳感器技術(shù)、直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、快速壓緊機(jī)構(gòu)及輪輞安放機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)。

3.1 鋁型材結(jié)構(gòu)機(jī)身

輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的機(jī)身采用鋁型材結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），較之傳統(tǒng)鑄鐵機(jī)身或者由鋼鐵連接或焊接組成的機(jī)身，具有結(jié)構(gòu)美觀、質(zhì)量（重量）輕、用料少、裝卡方便的特點(diǎn)。鋁型材之間通過(guò)腳板、三角連接塊等用螺釘進(jìn)行緊固連接，拆裝較為簡(jiǎn)單，且結(jié)構(gòu)牢固。鋁型材表面具有凹槽，通過(guò)帶螺紋的滑塊用螺釘與其他零部件連接。其特點(diǎn)是，與其他零部件更易連接，調(diào)整范圍大，連接位置可調(diào)整。鋁型材型式多樣可供選擇，其表面做氧化處理，耐腐蝕能力強(qiáng)，易保養(yǎng)。

圖1 鋁型材

3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)推桿

電動(dòng)推桿是一種新型的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，一種主要由電機(jī)、推桿和控制裝置等機(jī)構(gòu)組成的新型的直線執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制。電動(dòng)推桿具有如下優(yōu)點(diǎn)：

3.2.1 能耗低：由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省去了中間的能量轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，整機(jī)效率高，從而降低了能耗。

3.2.2 成本低，體積小：省去了油泵、油箱、空壓機(jī)以及許多復(fù)雜的管路和其他輔助設(shè)施。

3.2.3 故障率低，無(wú)油液污染：由于避免采用油液或氣體傳動(dòng)，無(wú)漏油漏氣等故障現(xiàn)象，使污染問(wèn)題得到了根本解決。

3.2.4 安裝維護(hù)簡(jiǎn)單方便：只需簡(jiǎn)單地將電動(dòng)推桿安裝在支架上，接通電源，即可使用。正常使用時(shí)可長(zhǎng)期免維護(hù)。

3.2.5 保護(hù)功能完善：電動(dòng)推桿內(nèi)部的過(guò)載保護(hù)裝置經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，使整機(jī)外部無(wú)多余附件，且調(diào)整方便、安全可靠。當(dāng)電動(dòng)推桿運(yùn)行到設(shè)定距離或過(guò)載時(shí)，能自動(dòng)切斷電源，不至于引起機(jī)件損壞或造成其他事故。

電動(dòng)推桿可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)QB 1802—1993 的荷重規(guī)定而選取一定推力值，其推力值為0～4 000 N，空載運(yùn)行速度為4 mm/s～35 mm/s。電動(dòng)推桿以24 V/12 V 直流永磁電機(jī)為動(dòng)力源，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

3.3 傳感器技術(shù)

輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用力值傳感器和位移傳感器，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程控制，通過(guò)力值傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)部件輪輞進(jìn)行準(zhǔn)確施力，通過(guò)位移傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確測(cè)量，較之百分表其測(cè)量結(jié)果精度更高。

3.4 直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

由于測(cè)量過(guò)程需要對(duì)部件垂直施力，所測(cè)部件運(yùn)動(dòng)軌跡也要與所施力的方向在同一直線上，故輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)采用直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)采用直線軸承與導(dǎo)桿組合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向。直線軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在外圈之內(nèi)裝有保持器，保持器裝有多個(gè)鋼球，并做無(wú)限循環(huán)運(yùn)動(dòng)。直線軸承具備以下優(yōu)點(diǎn)：

3.4.1 由于流動(dòng)接觸可使啟動(dòng)摩擦力及動(dòng)摩擦阻力為極小。

3.4.2 兩側(cè)附加油封的軸承還適用于灰塵較多或異物容易侵入的場(chǎng)所。

3.4.3 互換性好，安裝使用方便省時(shí)，并使機(jī)械結(jié)構(gòu)具有新穎、小型、量輕的特點(diǎn)。

3.4.4 長(zhǎng)期保持精度不變，機(jī)械使用壽命更長(zhǎng)。

圖2 直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

3.5 快速壓緊機(jī)構(gòu)及輪輞安放機(jī)構(gòu)

快速壓緊機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖3）采用快速壓緊手把與支撐臺(tái)連接，輪輞置于輪輞安放機(jī)構(gòu)之上，通過(guò)壓緊手把將輪輞壓緊。輪輞安放機(jī)構(gòu)適用于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的一般自行車的輪輞寬度要求。

圖3 快速壓緊機(jī)構(gòu)

3.6 控制系統(tǒng)

輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制試驗(yàn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工業(yè)控制機(jī)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。工業(yè)控制機(jī)硬件包括計(jì)算機(jī)、過(guò)程輸入輸出接口、人機(jī)接口、外部存儲(chǔ)器等。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件跟應(yīng)用軟件。計(jì)算機(jī)通過(guò)測(cè)量元件、變送單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器送來(lái)的數(shù)字信號(hào)，直接反饋到輸入端與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)要求按偏差進(jìn)行運(yùn)算，所得到數(shù)字量輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，使被控變量穩(wěn)定在設(shè)定值上。由于計(jì)算機(jī)直接承擔(dān)控制任務(wù)，所以要求其實(shí)時(shí)性要好、可靠性要高、適應(yīng)性要強(qiáng)。計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

圖4 計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)

4 結(jié)論

輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的研制應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)，遵循現(xiàn)代自行車檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)，采用鋁型材機(jī)身，使其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、外形美觀新穎、安裝拆放簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固等優(yōu)點(diǎn)。輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的測(cè)量結(jié)果與記錄。力與位移通過(guò)傳感器技術(shù)的應(yīng)用使試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，測(cè)量過(guò)程更易實(shí)現(xiàn)。輪輞強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)的研發(fā)與應(yīng)用使自行車輪輞在強(qiáng)度檢測(cè)的操作、測(cè)量方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，是對(duì)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的充分保證。