半球形玩具测试仪的设计与应用

李滢舟 徐晓光 陈俊彬 邓绍俊 尹丽娟 梁澄波

（1.深圳海关工业品检测技术中心 广东深圳 518000；2.深圳市检验检疫科学研究院）

1 前言

半球形玩具是指具有近似圆形、卵形或椭圆形开口的杯状、碗状或半蛋形玩具。如果半球形玩具设计不合理，容易盖住儿童口鼻，造成呼吸不畅甚至窒息的严重后果，这对4～24个月的儿童是致命的，一般36个月及以上年龄的儿童才有可能幸免于此种危险。在现实生活中就曾有幼儿睡眠时用半球形玩具捂住口鼻，导致窒息死亡的案例。目前，实验室在进行半球形玩具测试过程中经常发现半球形玩具缺少平面难以固定，且开孔的距离角度很难测算的问题，影响测试的准确性。本文针对这些问题研究设计了一套测试装置，通过三爪卡盘固定玩具，利用步进电机自动记录位移、圆形刻度盘计算角度，较好地解决了半球形玩具测试中存在的一系列问题。

2 测试标准要求

在玩具安全标准ASTM F963-17《Standard Consumer Safety Specification for Toy Safety》[1]、EN71-1《Safety of Toys Part 1:Mechanical and Physical Properties》[2]、GB 6675.2—2014《玩具安全 第 2 部分：机械与物理性能》[3]、 ISO 8124-1:2018《Safety of Toys Part 1:Safety Aspects Related to Mechanical and Physical Properties》[4]中对于半球形玩具的要求基本一致，即除不适用的玩具外，具有近似圆形、卵形或椭圆形开口的杯状、碗状或半蛋形的玩具，其开口内部的的长轴与短轴都为64～102 mm，容积小于177mL，深度大于13mm，并供36个月以下儿童使用的半球状玩具应至少符合以下要求中的一条：

（1）玩具至少有2个开孔，当沿着外围轮廓测量时，这些开孔与玩具开口平面边缘的垂直距离至少为13 mm。

如果开孔位于物品的底部，至少有2个起码分开13 mm的开孔，详见图1（a）；

如果开孔不是位于物品的底部，至少有2个分开至少 30°但不超过 150°的开孔，详见图 1（b）。

（2）杯子的开口端平面应在中央被分隔物隔断，该分隔物距离杯子的开口端平面最多为6 mm；分隔物隔断的例子为用一块肋板在开口端平面中央分隔，详见图 1（c）。

（3）有3个开孔，至少分开100°，沿着外围轮廓测量时与边缘的距离为6～13 mm。

（4）整个边缘为重复的齿状。相邻的齿峰的中心线的最大距离应为25 mm，且最小深度应为6 mm。齿状边缘图案的例子详见图1（d）。

上述开孔的定义为最小尺寸为2 mm的任何形状的孔洞，规定开孔的尺寸是为了防止形成真空，而不是用作呼吸孔。

图1 半球状玩具示例（单位：mm）

3 测试仪功能设计

半球形玩具测试仪为平台式外形，模块化结构，按功能模块可分为装夹及角度计算部分、定位及距离计算部分、控制部分，其模块框架图详见图2。

图2 半球形玩具测试仪模块框架图

装夹及角度计算部分主要是三爪卡盘和刻度盘组成，统称为固定架，半球形玩具缺少平面，利用三爪卡盘就能很好地将其固定且能够让半球形的圆心在卡盘中心点，卡盘底下的360°刻度盘通过旋转可以计算得出玩具上开孔的角度差。定位及距离计算部分主要是由定位钢针和连接步进电机的移动装置组成，统称为检测架，通过定位钢针分别对准不同的孔位并利用步进电机的移动距离来得出孔与孔之间的距离。控制部分主要通过可编程序控制器（PLC）来实现检测架整体运行的控制及记录测量数据[5]。

4 测试仪结构设计

4.1 测试仪硬件组成

半球形玩具测试仪立体结构详见图3，支撑整个测试仪的实验平台，其左右两侧分别为固定架和检测架。固定架包括设置于平台的三爪卡盘和带刻度的角度测量盘，两者通过可旋转滚轴活动连接，其结构详见图4；检测架包括设置于平台的水平支架以及垂直支架，垂直支架上设有可伸缩的支撑横杆，支撑横杆前端设有朝向向下的定位钢针，水平支架及垂直支架的一端均设置有驱动电机和驱动螺杆，可驱动定位钢针左右上下移动达到定位玩具开孔的目的；平台最右侧还设置有检测架的PLC控制箱。

4.2 测试仪操作步骤

4.2.1 进行玩具的安装

（1）圆形或近似圆形的玩具通过三爪卡盘固定在测试仪实验平台上。

（2）带刻度测量盘可以通过滚轴实现360°旋转。

4.2.2 定位投影

（1）定位钢针安装在可移动支架上，可前后调整位置。

（2）支撑横杆可以在垂直支架上通过螺杆上下移动。

（3）垂直支架可在水平支架上通过螺杆左右移动。

（4）定位钢针对准玩具上的开孔记录投影位置可进行测量计算。

图3 半球形测试仪立体结构示意图

图4 固定架上三爪卡盘装置结构示意图

4.2.3 多孔玩具

若是多孔玩具，则调整玩具位置，使其对准定位钢针，通过计算旋转角度计算开孔的角度。

5 结语

根据半球形玩具的标准测试要求而研制的半球形玩具测试仪的功能齐全、操作简单，贴合检测工作实际，通过三爪卡盘固定玩具，利用步进电机记录位移、圆形刻度盘计算角度，较好地解决了半球形玩具测试中存在的一系列问题[6]，提高了测试结果的准确性，测试效率和自动化水平也得到提升，该产品在玩具安全测试工作中具有广阔的应用前景。