童车测试系统中的模块化设计

秦紫明，王志明，李耀东，冯盼盼

(1.上海质量监督检验技术研究院，上海201114；2.上海大学 机电工程与自动化学院，上海200072)

0 引言

童车是指14岁以下儿童使用的自行车、电动车、三轮车、学步车等。常用的HS编码有950300100，归属在出口玩具类别里。在国内，童车从业人数达数千，年产值近2亿美元。由于国际上对儿童的保护越来越严，所以童车的安全检测要求也越来越高。通过对出入境检验检疫系统内检测机构及国外检测机构(如ITS，SGS，TUV，STR等)的调研，发现目前在设备的构建模式与检测手段方面存在较多问题，主要体现在:国内外的童车检测设备的综合性弱，通用性差，对标准变化的响应性差；力加载与扭矩加载测试中对于加载过程参数如加载时间、加载速度、加载加速度等的过程参数很难控制。对于变形量的测量没有很好的方法。为此，课题组在研读童车国内外相关标准的基础上，通过分析比较，发现共性和差异，重点对童车测试中的力与扭矩加载的关键技术进行重点研发，这些技术包括童车检测设备的综合化、模块化组合技术。

1 童车检测设备的综合化、模块化组合技术概述

对于童车力检测设备，以力加载为研究对象，在进行物理性能检测时，虽然加载的形式、加载力值的大小、加载的方向、加载的频率等有所不同，但通过对国内外相关标准的研读，完成这些内容检测应包括试件装夹平台、加载执行器、力反馈系统、控制系统等，这种共性给系统的硬件设计标准化提供了依据。通过多年的研究，结合部分试验，拟采取的技术路线与试验方法如下:

1)先对标准中关于力加载的内容进行归纳与整理，形成一套标准要求的技术数据。这些数据包括:加载力值的大小、加载的方向、加载的模式。对于童车试验方法很多，有关于力的加载部分除了加载力值大小不同之外，还有力加载方向对于不同的试验方法也不同。同时，加载的形式有单作用力加载与双作用力加载。加载模式有同步加载与异步加载。作用力方式上有静态加载与动态加载(疲劳试验)之分。而且该设备还要面对不同规格的童车的测试。

根据上述要求，多功能童车加载系统采用模块化的设计思想，按照多功能的设计原则进行设计。在对国内外现役标准分析整合的基础上得出，整个系统分为机械系统模块与电气控制模块，机械系统模块分为基座模块、上下位置调整模块、转位模块、加载模块、夹具模块。电气控制模块分为力传感器信号采集模块、位移传感器信号采集模块、电伺服加载控制模块、气伺服加载控制模块、上下位置调整控制模块。组成框架如图1所示，线框图如图2所示。

各主要部分功能如下:基座与夹具模块主要是装夹被测试件，转位模块是实现不同角度的加载，上下调整模块主要是实现不同规格试件的测试，加载模块包括气动伺服加载模块与电伺服加载模块，主要是实现对试件的加载。

图1 多功能加载试验机组成框图

图2 多功能童车加载系统线框图

2 机械模块的设计

a)加载模块的设计过程

1)加载力动力源的确定

通过对标准的整理与分析，结合机电功能部件的运动性能，将作用力的加载动力定为气伺服缸与电伺服缸。气伺服缸主要用来做疲劳试验，而电伺服缸主要用来进行力值或扭矩值静态加载。作用力的数量定义为2个，即对于气缸:既能完成单缸的疲劳试验，又能完成双缸的同步与异步疲劳试验。对于电伺服缸:既能完成单缸的静态加载试验，又能完成双缸的静态加载试验。同时，通过电缸也能完成单缸疲劳、双缸疲劳试验(一般不建议)。

2)伺服气缸与电伺服缸的规格确定

根据标准规定的加载力值的大小及一般童车的变形量的大小，确定最大的行程。气伺服缸的行程确定为300mm，缸径为63mm。按5kg/cm3计算的话，最大出力为1 550N。满足童车加载要求。电伺服缸的行程确定为500mm，选择1.0kW的伺服电机配上1∶10的减速器，最大出力达2 500N。

3)加载力动力源安装形式的确定

模块化的设计是该项目的重要特色。在动力源的安装方面，采用统一的如图3所示的half结构技术，将加载头安装在half固定夹结构的安装盒上。该接口可根据需要进行安装在试验机上，或根据要求，将其拆卸安放在设备架上。

图3 加载模块的形式及安装方法

b)转位模块的设计

加载头安装在标准的接口上，根据试验的要求，可以自由拆装。加载方向的改变是通过加载头安装的横梁的旋转来解决，结构如图4所示。该装置由蜗轮蜗杆减速器、联轴器、旋转横梁、上下锁紧装置、转位锁紧装置等组成。要对施力方向进行改变，必须对横梁进行旋转，旋转角度通过安放在加载头上的角位移测量仪来完成。将锁紧螺钉松开，然后旋转蜗轮蜗杆手轮，蜗轮出轴通过连轴器带动中间横梁旋转，完成转位工作。转到相应的位置，锁紧螺钉锁定，施力方向就确定了。

图4 多功能加载试验机转位模块

c)上下位置调整模块

为了满足多规格的测试对象的需要，在设计中采用剩下位置调整的模块。上下位置调整模块主要由带蜗轮蜗杆的电机、链传动机构、立柱两侧的丝杠螺母机构等组成(参见图3)。在工作时，根据被测试件的规格，启动升降按钮，待蜗轮蜗杆电机通过链传动机构同时带动立柱两侧的丝杠，使得带有加载模块的中间横梁实现上下位置的调整，到达规定位置，停止电机的转动，由于蜗轮蜗杆具有自锁性功能，使得停止的位置能保持。链传动装置主要实现立柱两侧的丝杠螺母副同步动作。

d)基座夹具模块

为了满足不同规格，不同形状的童车加载时装夹的要求，在底板的选择上采用具有T型槽的铸铁平板。采用平板压块机构，实现对试件的装夹。具体结构参见图3。

3 电器模块的设计

对电控部分采用模块化设计。整个电控部分成几个功能模块组成。如主模块，气动伺服模块、电伺服模块、信号采集模块、常规控制单元等模块。模块数可根据需要增加。如采用设备中需用伺服电机，就有伺服电机模块与之对应。这几个模块有着不同的功能分工，采用主从结构，如在这几个模块中设定一个为主模块，结构与PC机主板类似。与PC机和其余模块相连，它主要用于实现与其余模块和PC机的通信。其余模块为从模块，插接在主模块上，如气动伺服模块实现传感器值的输入与伺服阀控制信号的输出，通过标准插槽与主模块相连。常规控制单元中的开关量I/O模块实现开关量信号的输入与输出，如电磁阀信号的输入与输出，通过标准插槽与主模块相连等。这种结构，设计容易，可根据控制的要求任意组合或扩展，维护、修改非常方便。

根据童车相关标准的要求与测试的方法，系统配置了二路气伺服模块与二路电伺服模块。在设计中有传感器信号采集模块(包括力传感器信号采集与位移传感器信号采集)，电伺服驱动模块、气伺服驱动模块等。本系统中设计了4路传感器信号采集模块与4路位移传感器采集模块。有4路电伺服驱动加载模块与4路气伺服加载模块。根据需要可进行单加载模块工作，也可实现多加载头协调工作。系统的硬件框架图如图5所示。

图5 多功能加载试验机硬件框架图

对于软件系统，也实现了模块化设计。软件中分为控制模块、数据采集模块、图形现实模块等。对于软件，对测试通道，传感器的量值，使用的加载部件等均进行设置，通过设置来确定软件中哪些模块需要屏蔽，哪些模块需要执行。

系统的软件包括控制软件设计与上位机软件设计。控制软件设计包括数据采集、数据处理、数据传送等模块，上位机软件设计包括数据的拟合、数据的处理、图形的显示等模块。疲劳测试的控制软件中数据的采集有三菱FX系列PLC中的主机模块与A/D、D/A模块完成，精确加载试验中数据采集由运动控制卡完成。控制形式主要为PID控制，在伺服系统控制的过程中，通过对所控制的系统进行分析，得出系统的传递函数，根据PID的控制规则，然后建立PID控制器，对传递函数进行控制，最终快速地达到设定值，上位机软件的开发平台为Visual Basic6.0，控制系统主要完成三种模式的控制:定速度加载、定载荷加载与定位移加载。并在界面上实现理论数据与实时数据的实时现示与图形曲线的显示。软件的功能采用模块化的设计思想，将三种控制方式分成三个模块，在实验中，可以任意两种模块组合使用。控制灵活方便。电伺服控制模块的软件的控制流程如图6所示。

图6 控制软件流程图

4 实验

按照上述的模块化设计，经过一年的努力，制造了多功能模块化测试样机，样机实物如图7所示。

测试对象为自行车车把。对车把按标准进行同向加载450N，保持1min数据。试验共进行了10次，10次的试验界面如图8所示。测试数据参见表1。

图7 模块化试验样机

图8 测试软件界面图

本文只列举了一项实验，实际的实验过程是针对不同的加载角度，不同的加载对象，不同的加载模式进行的。从实验的结果可以看出，基于模块化技术的童车多功能试验机能很好地满足不同加载对象、不同的加载模式的测试要求。设备具有良好的性能和较好的重复精度。

表1

5 结论

根据童车力与力矩的加载的特点，将相关标准中的加载内容进行统一整合，提出了基于模块化的多功能加载试验机的设计思想。并进行了设计与制造。在对总体结构进行论述的基础上，重点叙述了翻转机构设计与加载头系统设计；根据控制的要求与模式，提出了电气的模块化的设计思想并应用于实践。最后对基于模块化的童车多功能加载试验机进行实验验证。实验表明该系统能很好的进行多种功能的加载，控制精度较高，加载稳定，很好地满足了测试标准的童车的加载要求。为童车的精确检测打下扎实的基础。

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