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2022年07月26日

微机在玩具金属丝挠曲性试验机中的应用

金属丝挠曲性试验机是玩具安全测试中常用的重要测试仪器之一。由于玩具安全检验时可能选择不同国家的标准,所以试验的程序也不一样。金属丝挠曲性试验最关键的试验要求为:弯曲的角度控制和弯曲力的检测。过去采用人工手动操作,很难保证试验过程的准确与一致。采用微机自动控制,可以按照不同标准方法调用预先编制的相应试验程序进行试验,极大地方便了使用者进行测试操作。本试验机采用M68HC08单片机进行适时控制,可自动完成金属丝的挠曲性试验程序,动态地检测金属丝弯曲力,具有完善的报警显示功能,且体积小、噪声低、效率高,为玩具的安全测试提供了保证。

2 系统设计

2.1 系统简介

金属丝挠曲性试验机主要由电动执行机构、试样夹具、检测控制电路和报警显示部分组成。

如图1所示,由力矩传感器对金属丝的弯曲力进行检测,经放大后的信号直接送M68HC08的A/D输入口。键盘电路用来选择试验程序和设定各试验参数。数码显示板用以显示试验程序的代号和试验过程中的参数记录。本机输出为控制电机正反运转的两路电平信号。

2.2 系统硬件设计

M68HC08是MOTOROLA公司1999年推出的新一代八位单片计算机系列产品,其中JL3具有12路8位A/D转换接口,其内部总线速度可达8MHz,内有4KBit闪速存储器及128Bit RAM,且自带960Bit监控与自检程序。

2.2.1 键盘输入电路

键盘输入电路如图2所示,PA口作为键盘输入,设置为输入工作方式,按键SB1~SB6分别连接于PA0~PA5。按键SB1~SB6主要完成系统功能设定和试验机的运行及停止。

2.2.2 数码显示电路

PB口的8条数据线PB0~PB7分别与LED半导体发光数码管的a,b,c,d,e,f,g,dp字段相连接,PD口的PD4至PD7分别通过电阻R10至R13与VT1至VT4的基极相连。这样,通过PB口送出显示代码 ,由PD口送出扫描位选信号,轮流点亮LED1至LED4四位半导体数码管,主抛光轮要用以显示系统功能参数设置,并显示运行中弯曲次数和金属丝弯曲力检测的实际数值。

2.2.3 光电隔离输出驱动电路

PD口的PD2、PD3数据线通过电阻驱动光电耦合器件GO1和GO2。该两只光电耦合器件内部复合了可控硅电路,可直接驱动交流继电器J1、J2。

2.2.4 电机主回路电路

电机主回路电路如图3所示,当J1吸合时,电机正转,金属丝被弯曲至一边,当J2吸合时,电机反转,金属丝被反向弯曲至另一边。J1、J2通过常闭触点J1-3、J2-3回路进行互锁保护。

在电机正反向切换中,主程序设置了0.2秒的停还有9.5亿转时间。当J1、J2均未吸合时,常闭触点J1-2、J2-2使电机电枢绕组直接短路,电机工作于能耗制动方式,可以在小于0.2秒的时间内迅速停止运转,避免了电机因惯性而停转时间太长的现象。

2.2.5 直流电机变速控制

本机采用的直流侍服电机M是系统的输出执行部件,其运行转速由辅助电源电压V1或V2控制在两种转速上,辅助电源电压V1、V2由PD口的PD1高电平或低电平控制。

2.2.6 弯曲角度检测控制

电机经多级齿轮减速后,带动摆杆在120 范围内作弧形周期摆动。两只霍尔磁敏传感器分别安装于摆动弧度的起始和终止位置,可对摆动杆进行位置检测。霍尔传感器的信号由PA口的PA6、PA7输入。

2.2.7 金属丝弯曲力检测放大电路

如图4所示,Ra与Rb是粘贴在拉力探头变形金属板上的应变电阻片。当金属板受到一个方向的力时,Ra阻值将会增加,Rb则减少。反之,当受到另一个方向的力时,则Ra减少,Rb增加。调节W1可以使F2输出电压在满量程时为+5V。调节W2使F2输出电压在拉力探头无拉力作用时,输出+2.5V电压。

2.3 系统软件设计

本试验机的软件采用模块化结构,分为主程序、键盘中断程序、数码管扫描显示程序 、A/D转换中断程序、定时中断程序。软件如图5所示。结构主程序首先进行初始化,设定所有I/O口的工作方式,定义六个功能键。每个按键功能金鲳鱼均由键盘中断程序执行,各键功能见表1。

按运行键后,PD2、PD3交替输出高电平信号,电机周期性正反运转。其周期由定时中断程序执行。同时,A/D转换程序对传感器放大电路的信号V0进行模数转换。当电压V0等于2.5V时,可视为传感器无拉力负荷。

因此,实际测量的拉力F为:

F=K.|V0-2.5|

式中,K为对拉力的比例常数。

根据标准要求,金属丝的弯曲力若大于设定值F0,试验机应自动停机。在程序中,当调用A/D转换程序后,将A/D转换结果与预置的F0进发布《中国工业绿色发展报告(2017)》行雷管比较,当F-F0<0时,程序转入停机报警。

3 控制效果及总结

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采用微机对金属丝弯曲试验机进行控制,可以使金属丝弯曲测试结果更加符合标准的要求,使检测结果准确一致,并在一定程度上降低了检测工作的劳动强度。过去人工手动进行金属丝弯曲试验时,无法在试验过程中监视金属丝的根据数据统计弯曲力,现在采用弯曲试验机可以弥补这一不足,同时弯曲试验的周期也得到了保证。该试验机在玩具安全检测中具有广阔的应用前景。

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