淺談一種玩具推拉力智能測(cè)試自適應(yīng)加載裝置

王偉，謝壯榮，陳斯炮，楊建英

（廣東省汕頭市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所，廣東 汕頭 515000）

玩具產(chǎn)品檢測(cè)過程中，推、拉力測(cè)試是一個(gè)非常重要的一個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，不同的檢測(cè)項(xiàng)目有不同的施力要求，如GB 6675.2-2014 標(biāo)準(zhǔn)《玩具安全第2 部分：機(jī)械與物理性能》中的一般拉力測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)要求是在5s 內(nèi)均勻施加（70±2）N 的力并保持10s。由于制造玩具的材料千差萬別，施力部位施力后發(fā)生的變形差異極大，測(cè)試的難點(diǎn)在于如何能夠在5s 內(nèi)均勻加力并保持10s、如何控制施力的精度在±2N。

目前，實(shí)驗(yàn)室基本上是靠人力操作推拉力計(jì)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)加力過程不均勻、保持過程很難保持力值的穩(wěn)定性、復(fù)現(xiàn)性差等缺點(diǎn)。有些實(shí)驗(yàn)室即使采用電腦控制拉力機(jī)，但也只能對(duì)不同硬軟程度的材質(zhì)專門設(shè)置不同的固定參數(shù)來實(shí)現(xiàn)施力，對(duì)于硬的材質(zhì)（施力后變形量?。?，把拉力機(jī)的橫梁移動(dòng)速度設(shè)置成慢速，對(duì)于軟的材質(zhì)（施力后變形量大），把拉力機(jī)的橫梁移動(dòng)速度設(shè)置成快速，借此來實(shí)現(xiàn)5s 以內(nèi)施力到70N 的目的，每次使用前，需憑經(jīng)驗(yàn)先評(píng)估材質(zhì)的硬軟程度并調(diào)用不同的速度參數(shù)，用起來非常麻煩，且對(duì)施力過程中存在的部件非線性變形，由于橫梁移動(dòng)速度固定無法及時(shí)調(diào)速度，難以達(dá)到施力均勻的測(cè)試要求，缺點(diǎn)明顯。

為了解決這些問題，我們創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了彈簧施力傳遞機(jī)構(gòu)，研發(fā)了一種玩具推拉力智能測(cè)試自適應(yīng)加載裝置（以下簡(jiǎn)稱加載裝置），加載裝置由一種閉環(huán)控制算法軟件及硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成。閉環(huán)控制算法軟件采用PLC 可編程控制器進(jìn)行編程，根據(jù)實(shí)際力值反饋?zhàn)詣?dòng)計(jì)算下一步需要施加的力來控制硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)；硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)構(gòu)成由高速拉力機(jī)、彈簧施力傳遞機(jī)構(gòu)、力值傳感器、工作平臺(tái)等部件構(gòu)成，彈簧施力傳遞機(jī)構(gòu)上面安裝力值傳感器。高速拉力機(jī)根據(jù)控制軟件指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，通過彈簧施力傳遞機(jī)構(gòu)將力施加在玩具上面，力值傳感器將實(shí)際產(chǎn)生的力值反饋給控制軟件，該加載裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)（如5s 內(nèi)）對(duì)不同材質(zhì)（從很軟到很硬的材質(zhì)）的玩具進(jìn)行自適應(yīng)均勻加力。

1 硬件設(shè)計(jì)

電阻應(yīng)變式傳感器是一種應(yīng)用廣泛的傳感器，由彈性敏感元件、電阻應(yīng)變計(jì)、補(bǔ)償電阻和外殼組成，彈性敏感元件受到所測(cè)量的力而產(chǎn)生變形，并使附著其上的電阻應(yīng)變計(jì)一起變形，電阻應(yīng)變計(jì)再將變形轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，從而可以測(cè)量力、壓力、扭矩、位移、加速度和溫度等多種物理量。一般的拉力機(jī)是采用電阻應(yīng)變式傳感器作為力值傳感器，通過移動(dòng)橫梁串接力值傳感器，控制系統(tǒng)控制移動(dòng)橫梁的位移，將力加施在測(cè)試目標(biāo)上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的加載測(cè)試。由于應(yīng)用在拉力機(jī)這一類型的力值傳感器的彈性模量一般較大，即材料剛度大,即在一定應(yīng)力作用下,其發(fā)生彈性變形小，那么對(duì)拉力機(jī)的橫梁移動(dòng)控制精度的要求就非常高，甚至為了達(dá)到控制精度，僅能采用螺距小的驅(qū)動(dòng)螺桿來降低移動(dòng)速度以達(dá)到提高控制精度目的，這對(duì)于拉力機(jī)在玩具測(cè)試的應(yīng)用就受到很大的限制。

為了解決此問題，我們創(chuàng)新性設(shè)計(jì)一種彈簧施力傳遞機(jī)構(gòu)來滿足采用很硬材質(zhì)制成的玩具的拉力測(cè)試，結(jié)合高移動(dòng)速度拉力機(jī)（移動(dòng)速度可達(dá)3000mm/min）來滿足用很軟材質(zhì)制成的玩具的拉力測(cè)試，完美實(shí)現(xiàn)拉力機(jī)在玩具測(cè)試中的拉壓試驗(yàn)應(yīng)用。

彈簧施力傳遞機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)見圖1。移動(dòng)橫梁安裝兩個(gè)直線軸承，直線軸承安裝兩根導(dǎo)柱可以上下自由活動(dòng)，導(dǎo)柱用上下兩根連桿連接固定形成一個(gè)口字形的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，導(dǎo)柱的上方及下方，上連桿、下連桿與直線軸承之間的導(dǎo)柱上安裝有4 根施力彈簧，下連桿與力值傳感器連接，通過快速接頭串接適宜的夾具對(duì)玩具進(jìn)行施力。當(dāng)橫梁移動(dòng)時(shí)，通過施力彈簧作用于與移動(dòng)相同方向的連桿上，通過口字形結(jié)構(gòu)帶動(dòng)力值傳感器的移動(dòng)，此結(jié)構(gòu)解決了對(duì)于用很硬材質(zhì)制成的玩具的施力精度問題，拉力機(jī)的橫梁施力精度移動(dòng)控制范圍變成是彈簧施力傳遞機(jī)構(gòu)上的彈簧變形量，不再極限于傳感器、玩具等的變形量，完美解決問題。

圖1

2 控制軟件設(shè)計(jì)

控制算法軟件采用PLC 可編程控制器進(jìn)行編程，核心點(diǎn)是根據(jù)實(shí)際力值反饋?zhàn)詣?dòng)計(jì)算每下一步需要施加的力（即拉力機(jī)的移動(dòng)橫梁速度）來控制硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，整體閉環(huán)設(shè)計(jì)?？梢詫?shí)現(xiàn)四種模式的加載：恒速拉力測(cè)試、恒速壓力測(cè)試、恒力拉力測(cè)試、恒力壓力測(cè)試（其中恒速拉力、壓力測(cè)試模式只需將彈簧施力傳遞機(jī)構(gòu)鎖止使其不再上下移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)恒速加載功能）。運(yùn)行參數(shù)分為基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置、測(cè)試參數(shù)設(shè)置。礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置包括：計(jì)量校準(zhǔn)（位移、速度、力值、零點(diǎn)等設(shè)定）、加載參數(shù)設(shè)定（恒速速度、恒力速度、恒力分段時(shí)間、過沖保護(hù)等等基本參數(shù)設(shè)定）。測(cè)試參數(shù)設(shè)置主要是根據(jù)實(shí)際的測(cè)試需求設(shè)置加載力值、加載時(shí)間、斷點(diǎn)停機(jī)模式及判斷等等設(shè)置。程序界面示例如圖2。

圖2 （程序界面示例）

下面以加載時(shí)間5s 內(nèi)，拉力（70±2）N，保持時(shí)間10s 為例（GB 6675.2-2014 中的一般拉力測(cè)試）來介紹程序的運(yùn)行邏輯：首先，對(duì)測(cè)試需求進(jìn)行必要參數(shù)設(shè)置（設(shè)置加載時(shí)間5s、加載力值70N、保持時(shí)間10s、采樣間隔時(shí)間0.01s 等），程序首先根據(jù)加載時(shí)間、采樣間隔時(shí)間參數(shù)計(jì)算出測(cè)試過程中需要的加載步數(shù)，進(jìn)而根據(jù)所需的加載力值計(jì)算出每一步預(yù)期需達(dá)到的力值，然后根據(jù)初始速度進(jìn)行第一步進(jìn)加載，通過力值傳感器反饋的實(shí)際力值大小自動(dòng)計(jì)算并調(diào)整每下一步需要施加的力，發(fā)出指令控制硬件執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，每一步加載期間同時(shí)需進(jìn)行斷裂判斷、試驗(yàn)失敗、試驗(yàn)成功、輸出測(cè)試結(jié)果等動(dòng)作。

程序控制邏輯圖見圖3。

圖3 程序邏輯圖

對(duì)于其他測(cè)試模式，僅需改變拉力機(jī)移動(dòng)橫梁的運(yùn)動(dòng)方向及控制參數(shù)、控制邏輯即可完成。

3 成效

玩具推拉力智能測(cè)試自適應(yīng)加載裝置，其設(shè)計(jì)思維模式是模擬檢驗(yàn)員的施力操作過程的施力調(diào)整模式（在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)施力，施力過程中如果施力太大就放慢加施速度，施力太小就加快加施速度，整個(gè)施力過程人為動(dòng)態(tài)控制），但其控制精度、穩(wěn)定性、復(fù)現(xiàn)性遠(yuǎn)非人工可以比擬的，比如，上例中的采樣時(shí)間間隔設(shè)置為0.01s，即在測(cè)試過程中每隔0.01s進(jìn)行一次執(zhí)行及判斷，一次完整的測(cè)試（假定無斷裂及失敗情況、加載時(shí)間5s的條件下）最多有499 次加載速度調(diào)整，這對(duì)于人工操作是不可能完成的。

經(jīng)過實(shí)機(jī)驗(yàn)證，實(shí)際制作出來的整機(jī)的響應(yīng)速度小于5ms，拉力機(jī)的橫梁移動(dòng)速度可以設(shè)置到3000mm/min，此移動(dòng)速度可滿足5s 內(nèi)被拉伸、伸長(zhǎng)長(zhǎng)度高達(dá)25cm 的軟質(zhì)玩具；采樣時(shí)間間隔最小可以設(shè)置到0.005s，力值的控制精度優(yōu)于0.5N，一舉解決了玩具實(shí)驗(yàn)室的推拉力測(cè)試的施力不穩(wěn)定、測(cè)試復(fù)現(xiàn)性差的痛點(diǎn)。在實(shí)際使用中，對(duì)不同材質(zhì)（從很軟（如硅膠材質(zhì)）到很硬（如金屬材質(zhì)）的材質(zhì)）的玩具均能自適應(yīng)均勻加力，力值保持期間能平穩(wěn)保持施力，同時(shí)可輸出測(cè)試過程的力值曲線，使整個(gè)測(cè)試過程一目了然，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確完成推、拉力測(cè)試，相同的測(cè)試部位的測(cè)試復(fù)現(xiàn)性非常好。

根據(jù)該設(shè)計(jì)原理進(jìn)行科技查新，未見有此類型設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)報(bào)道，并據(jù)此申請(qǐng)并獲得使用新型專利（一種玩具推拉力智能測(cè)試自適應(yīng)加載裝置專利號(hào)：ZL 2022 2 1869757.0）。