新型电动工具堵转力矩试验台的研制

2012-07-16施军晓陈戬恒金志颖吕群珍

质量安全与检验检测 2012年4期

施军晓陈戬恒金志颖吕群珍

(金华出入境检验检疫局浙江金华 321015)

1 前言

电动工具堵转试验是GB 3883.1-2008《手持式电动工具的安全第一部分：通用要求》［1］及其GB 3883.6-2007《手持式电动工具的安全第二部分：电钻和冲击电钻的专用要求》［2］、GB 3883.7-2005《手持式电动工具的安全第二部分：锤类工具的专用要求》［3］与 GB 13960.1-2008《可移式电动工具的安全第一部分：通用要求》［4］及其专用标准的重要安全试验，试验经归纳分为两个部分，第一部分包括电钻、冲击电钻、电锤等产品的静态堵转(脱扣)力矩试验，主要测试工具受到静态堵转时的力矩大小及堵转后工具是否能正常起动;第二部分为电动工具开关堵转试验，包括：①感应式电动工具不正常操作堵转试验，要求堵住运动零件，接通开关5 min(只需照看的工具)或30s(手操作的工具)，主要测试此类工具使用时发生的意外情况;②手持式电动工具极端过载堵转试验，要求工具不能在正常负载电流的160?条件下运行时，堵转工具15min或直到工具开路或出现火焰，主要测试工具堵转时的泄漏电流及堵转后的电气强度;③电动工具开关堵转次数试验，要求电动机堵转，操作开关50次或5次，每次“接通”时间不大于0.5 s，每次“断开”时间不小于10s，主要测试装在工具上的开关是否具备分断大电流能力。

2 方法

2.1 静态堵转力矩试验方法

静态堵转力矩试验方法主要分为三种：第一种为传统测试方法，即根据作用力与反作用力的原理进行测量，高军勇［5］研制出一种复合力臂式的堵转测量仪，减轻了试验时产生的冲击振动对测量精度的影响。第二种为根据传递力矩的轴会产生扭矩变形的原理进行测量，鲍荷琴［6］采用磁电相位差式力矩转速传感器(ZJ型)进行测量堵转力矩，但存在安装时对中性要求高和试验效率低的缺点。赵介军等人［7］采用位移传感器技术中的电子尺来直接测量力臂，利用PLC技术进行静态堵转力矩或脱扣力矩定量测试，提高了试验的安全性和准确性。对于100kw以上的电机，因设备限制不能实测堵转力矩，可用“计算法”［8］求得，即用测电阻法进行试验以求取堵转力矩，此为第三种方法。

2.2 开关堵转试验方法

无论是开关通断能力试验机［9］还是开关寿命试验台［10］都是依据开关的零部件试验标准进行设计开发的。作为整机试验方法，电动工具开关堵转试验一般测试方法为机械制动工具运转的同时人工操动工具开关，存在操作不安全、测试时间不准确、自动化程度低等缺点。

2.3 主要特点

本试验台的主要特点是采用电阻应变式静态扭矩传感器和混合式直线步进电机运动控制技术，把涉及电动工具最新国标要求的各种堵转试验集成一起，试验综合能力强，通用性好，攻克了电动工具静态堵转力矩传统试验不安全、欠准确的难点，同时解决了电动工具开关堵转试验过程中时间要求准确、试验种类多、安装难的问题。本试验台已取得发明专利［11］，专利号：200910096177.5。

3 总体设计

新型电动工具堵转力矩试验台实物见图1，主要由机架、多维装夹台、直线步进电机系统、执行机构、计算机等5大部分构成。总体结构示意如图2所示，各部件构成简述如下。

图1 新型电动工具堵转力矩试验台实物图

图2 新型电动工具堵转力矩试验台总体结构示意图

3.1 机架

采用方钢焊制而成，表面喷漆，四只脚装有四个高强度的尼龙轮子，方便移动，并可以固定在地面上;台面钢板采用发黑处理;机架脚座尺寸为780mm×480mm×540mm，台板尺寸为780mm×500mm×14mm。

3.2 电机工作台

该工作台可在水平面或垂直面旋转360°，旋转一定的角度与可倾斜装夹台配合使得驱动件与工具开关操作接触面的法向一致;同时，安装一个套在工作台上下台面槽缝上、可前后运动46mm的销子穿过驱动螺杆使步进电机前后直线运动。

3.3 立柱

直线步进电机工作台套在立柱上，电机可在水平面或垂直面旋转并锁定，工作台上下可移动450mm，在适当位置夹紧固定;同时，立柱底部与机架台面用丝杆连接，可前后纵向移动330mm并锁定;这些设计可方便地进行试验前工具夹装、调整好试验起始位置，方便不同结构、位置上的开关堵转试验。

3.4 直线步进电机系统

直线步进电机系统由硬件包括直线步进电机、控制器、驱动电源、RS485/RS232转接口与编程软件QUICKSTART 1组成。

3.5 执行机构

执行机构由驱动螺杆与开关操动件组成，钢材螺杆M10mm，具有较强的刚性，螺杆前头通过螺纹M5mm连接可拆卸的开关操动件。操动件应开关种类不同而不同，具有较强的适应性，如按钮式开关采用门字型设计。

3.6 工具

电动工具种类繁多，大小不一;开关因工具不同而不同，最常见的是按钮式开关。

3.7 可倾斜装夹台

放置在三维工作台上，其左侧一边与三维工作台铰接，底面中间采用小型千斤顶结构，适用时用手轮顶起台面，可逆时针倾斜60°，可使直线螺杆执行机构从开关操作面的法向直接驱动开关(无驱动力的分解)。工作台表面镀铬，尺寸 408mm ×324mm×25mm，台面纵向横向都开有间隔的T型槽，装夹被测工具。

3.8 三维工作台

三维工作台底部固定在机架台面上，尺寸410mm×325mm×21mm，基础高255mm，用手轮可横向移动100mm，纵向移动80mm，上下移动50mm，可在适当位置固定，有效避免工具夹装时产生附加力矩，满足不同被测工具的试验要求。

3.9 刚性联轴器

联轴器一侧与工具输出轴相连的夹头用孔¢10.5mm 与销¢10mm 联接，孔中心距 ¢22.3mm与¢28mm两种，另外一侧用键槽6mm×6mm×30mm与传感器相连。为了准确测出电动工具静态堵转力矩，避免在中间环节力矩损失，所以采用刚性联轴器，由钢制成。

3.10 传感器

JN338F型静态扭矩传感器通过法兰(¢100mm，孔3×¢6mm)安装在可横向80mm、上下移动120mm的L型支撑座上，并可固定在机架台面上，使工具夹装、调整试验位置等更方便、灵活。

此外，试验台还包括工作计算机，内插PCI接口的JN338C测量板卡，通过操作相关应用软件完成静态堵转力矩试验或开关堵转试验，达到柔性化控制的目的。

4 设计分析

4.1 技术分析

通过对开关堵转试验进行测量分析，开关总行程小于10mm，操作力小于80N，结合开关每次“接通”时间不大于0.5 s，每次“断开”时间不小于10 s的标准要求。我们选用可快速频繁往复运动的美国海顿(Haydon)HSI贯通轴式57000系列Size 23混合式直线步进电机，步长0.0508mm，采用双极性驱动方式，在脉冲频率为1000Hz即驱动速度50.8mm/s时的驱动力为89N。所以，该电机可以驱动开关操作，0.5s内能完成25.4mm的直线往复运动;通过直线螺杆执行机构驱动开关闭合、断开，在开关操作力、时间控制上能有效满足开关堵转试验的要求。与该电机配套的直线步进电机驱动器选用美国IMS公司生产的IM483I，该驱动器采用先进表面贴片和高性能的ASIC技术，体积小，细分数可达256，并自带基于windows编程软件和运动分析工具，具有2K的程序存储空间，通过RS485/RS232转接口与计算机PCI总线相连，由IP402驱动电源驱动，通过编程可实现灵活的运动。

根据对静态堵转力矩试验进行测量分析，(冲击)电钻的静态堵转力矩一般在1-10Nm之间。而电锤由于脱扣机构存在使得静态堵转脱扣力矩高达70Nm。为提高测量准确度与延长传感器使用寿命，笔者选用扭矩测量范围为0-100 Nm的 JN338 F型静态扭矩传感器。该传感器的检测手段为应变电测技术，适合于非旋转系统扭矩的测量，准确度0.1-0.5%F·S，可承受 150% 过载;信号检出、处理均用数字技术，可方便地通过JN338C转矩转速测量板卡与计算机PCI总线接口，由基于windows的转矩转速测量软件实时测量堵转力矩。

4.2 堵转试验分析

按 GB 3883.6-2007 和GB 3883.7-2005 对堵转试验的要求是测量静态堵转(脱扣)力矩的平均值，但没有明确堵转多久、前后做几次的平均值。而推荐性的标准 GB/T 5580-2007《电钻》［12］要求是堵转 3s，GB/T 7443-2007《电锤》［13］要求测试脱扣力矩值共3次。因此综合以上几个标准的要求，且根据我们以往测试经验(以工具堵转时或后未烧毁，方便开展下一步的开关堵转试验及所测数据较稳定为前提)暂定每次堵转时间约为2s，先后做3次，1次得到1个平均值，共3个，最后的静态堵转力矩值是测得的3个平均值中的最大值。

4.3 程序设计

4.3.1 堵转力矩软件

与JN338 F型静态扭矩传感器相配套的JN338C转矩转速测量板卡与计算机PCI总线接口相连接，由基于windows的电机特性测试软件即堵转力矩软件实时测量并显示动态过程的堵转转矩曲线。依据该软件设计的采样原理，一个采样间隔内的采样数据为该间隔内的算术平均值，同时对前后采样隔间的平均值作比较动态显示这段时间(横坐标表示时间)内最大的平均值。依据传感器校准数据设置各种软件参数，设置采样间隔为2.0ms，如图3所示，3次试验测得的堵转力矩最大的平均值为12.17Nm。

图3 堵转力矩软件示意图

4.3.2 运动控制软件

直线步进电机驱动器IM483I自带运动控制分析工具和基于windows编程软件。该工具可以对运动距离和运动时间(开关总行程和堵转时间)等进行分析，设置电机起动步进速度和最大步进速度、加减速度、步数等参数，从而设置有效的直线步进电机参数，如图4、图5。

图4 运动控制分析工具图

图5 直线步进电机参数设置

4.3.3 试验程序

根据对运动参数的分析，编制了静态堵转力矩“2秒3次.QST”试验程序，如图6所示。此外还分别编制了开关堵转“5次.QST”试验程序、开关堵转“50次.QST”试验程序，手持式电动工具极端过载堵转15min试验程序，感应式电动工具不正常堵转30s试验程序，感应式电动工具不正常堵转5min试验程序等。以上程序，可以根据试验需要分别调用。

图6 静态堵转力矩“2秒3次.QST”试验程序

4.4 工作原理

对于静态堵转力矩试验，用刚性联轴器一端与静态传感器相连，另外一端与工具输出轴相连，夹紧工具，调整好试验位置，设置堵转试验软件的采样间隔、测量范围及其他参数(如报警值即通过标准中所规定的计算方法得出的力矩值)，执行运动控制堵转试验程序，JN338 F型静态力矩传感器把采样数据即力矩信号通过PCI总线传给JN338C测量板卡，计算机实时采样间隔内的力矩平均值，经过规定的堵转时间和堵转次数形成锯齿形的采样波形，并在计算机屏幕上实时显示出这段测量时段内的最大平均值，通过比较该最大值与报警值，判断试验合格与否。对于开关堵转试验，只需根据标准适用性的要求调用相应的运动控制试验程序，依据标准的描述来判定工具合格与否即可。