日用陶瓷器數(shù)控抗沖擊強度測試儀的研制

袁文瓚 ，張海煊 ，潘玉安 ，向明 ，萬云萍 ，吳瑜

(1.國家陶瓷檢測重點實驗室，景德鎮(zhèn) 333000；2.深圳市計量質(zhì)量檢測研究院，深圳 510080；3.景德鎮(zhèn)陶瓷學院，景德鎮(zhèn) 333000；4.景德鎮(zhèn)市陶瓷檢測評估中心，景德鎮(zhèn) 333000)

1 前言

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機械化供餐，蒸洗消毒設(shè)備的廣泛應(yīng)用，人們對陶瓷制品的抗沖擊強度和耐磕碰性提出了更高的要求。現(xiàn)代化生活也對日用陶瓷器產(chǎn)品性能提出了越來越高的要求，抗沖擊強度和耐磕碰性能目前已成為國內(nèi)外檢測陶瓷制品是否符合要求的重要指標之一。日用陶瓷器的抗沖擊強度和耐磕碰性，不僅取決于材料的性能、坯和釉的結(jié)合狀態(tài)，而且與設(shè)計結(jié)構(gòu)和制造過程有著密切的關(guān)系。

陶瓷器的抗沖擊強度和耐磕碰性一般通過抗沖擊試驗機測試獲得。現(xiàn)有的陶瓷抗沖擊試驗機主要針對陶瓷材料設(shè)計制造，對于日用陶瓷器的檢測也是人工控制的機械化裝置，測量誤差較大，難以滿足檢測方法的技術(shù)要求。為此，本文針對歐美和南美對我國出口日用陶瓷要求測試抗沖擊強度的現(xiàn)狀，組織相關(guān)人員進行技術(shù)認證與攻關(guān)。該項成果的推廣應(yīng)用將推動我國陶瓷產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對于杜絕劣質(zhì)產(chǎn)品流向市場，提高產(chǎn)品質(zhì)量，完善產(chǎn)品質(zhì)量控制體系，破除國外技術(shù)壁壘和促進外貿(mào)發(fā)展都具有重要的意義。

2 抗沖擊性測試相關(guān)標準

歐美和南美對我國出口日用陶瓷要求測試抗沖擊性的相關(guān)標準包括：美國ASTM C368陶瓷餐具抗沖擊性標準試驗方法，厄瓜多爾NTE INEN 1800～1801陶瓷餐具抗沖擊性和耐磕碰性測量方法。這些試驗方法要求采用的設(shè)備都是擺錘式?jīng)_擊試驗裝置，測量的沖擊能量值可以從0.014 J逐步增加到2 J以上。該方法提供的沖擊測試儀器包括以下核心部件：

(1)一個特定尺寸的鋼錘頭，它的洛氏硬度為C55；

(2)支撐錘頭沖擊用的V形懸架；

(3)保證錘頭可以從特定高度釋放的裝置，以得到與操作者無關(guān)的可重復(fù)性結(jié)果；

(4)可以將測試樣本固定在某一位置的堅硬金屬材質(zhì)夾具。

3 抗沖擊測試儀的研制

3.1 抗沖擊測試儀的用途

抗沖擊測試儀的主要用來測試日用陶瓷器餐具、茶具等方面的抗沖擊性。適用于扁平器皿、空心器皿的中心、空心器皿的邊緣的沖擊性測試，以及扁平器皿邊緣的抗沖擊脆裂性的測試。樣品表面可以是施釉或者無釉的。

3.2 抗沖擊測試儀的原理

采用微電腦全自動程序控制測量，每次擺錘沖擊自動計算并顯示、存儲沖擊的能量，還可通過控制面板調(diào)用和設(shè)置測試過程全部沖擊能量及參數(shù)。

3.3 抗沖擊測試儀的主要技術(shù)參數(shù)

(1)樣品尺寸：可測試樣品的直徑或長度不超過300 mm(12吋)、高度不超過250 mm(10吋)的陶瓷器；

(2) 最大沖擊能量：≥2.45 J；

(3)測試精度：精確到0.0042 J；

(4) 擺錘最大擺角：120 °；

(5) 沖擊位置：1)器皿邊緣、底部和中心位置；2)杯、壺口沿和把手；

(6) 測試儀外形尺寸(長×寬×高)：750 mm×750 mm×1400 mm。

3.4 抗沖擊測試儀的構(gòu)造

抗沖擊測試儀主要由機架、橫梁、立柱、擺錘組成，其中，立柱垂直固定在機架兩側(cè)，橫梁套接在立柱上；橫梁上設(shè)置有上下調(diào)節(jié)手柄，以及與擺錘相連接的自動抬舉擺錘裝置；機架底座上設(shè)置有夾具裝置；電動機內(nèi)設(shè)置有單片機，通過控制柜內(nèi)的Atmega 16a單片機控制儀器進行撞擊試驗。抗沖擊測試儀的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

3.5 抗沖擊測試儀多樣化夾具的研制

圖1 抗沖擊測試儀的結(jié)構(gòu)圖

夾具裝置包括左右底板和擋板。擋板垂直固定在左右底板上，左右底板和擋板上設(shè)置有壓緊裝置，左右底板底部設(shè)置有對開機構(gòu)。壓緊裝置由設(shè)置在左右底板上的立臂和設(shè)置在擋板頂部的懸臂與緊壓部件構(gòu)成。立臂和懸臂上均勻分布有與緊壓部件相連接的安裝孔，緊壓部件優(yōu)選壓簧或者帶橡膠冒的螺桿。左右底板表面設(shè)置有滑槽，擋板可在滑槽內(nèi)縱向移動。擋板為三角柱體，左右底板上的擋板組合成V形。對開機構(gòu)包括雙向螺旋絲桿、光桿、聯(lián)接塊，雙向螺旋絲桿和光桿平行固定在機架底座上，左右底板通過聯(lián)接塊固定在雙向螺旋絲桿和光桿上，雙向螺旋絲桿一端設(shè)置有旋轉(zhuǎn)手輪。與雙向螺旋絲桿相連的聯(lián)接塊內(nèi)設(shè)置有帶螺紋銅套，與光桿相連接的聯(lián)接塊內(nèi)設(shè)置有直線軸承。

3.6 高度(沖擊能量)定位的控制

設(shè)計一種自動抬舉擺錘的裝置來實現(xiàn)高度 (沖擊能量)的定位控制。包括機架、控制柜、電動機、電磁離合器、編碼器、軸、擺錘。控制柜、電動機、電磁離合器、編碼器固定在機架上，控制柜連接電動機和電磁離合器，電動機與電磁離合器相連接；電磁離合器、編碼器與軸相連接，軸下方設(shè)有連接擺錘的擺桿。電動機通過電磁離合器與軸相連接。控制柜內(nèi)設(shè)置有單片機，編碼器與單片機相連接。

電動機通過電磁離合器吸合帶動軸轉(zhuǎn)動，軸帶動擺桿抬起；電磁離合器復(fù)位，軸和電動機分離，擺桿自由擺下。

3.7 數(shù)顯自動控制

設(shè)計采用單片機全自動控制，工作過程分兩大步，第一步為自動運行 (擺錘按默認的速度和遞增角度撞擊)和設(shè)置運行(擺錘按用戶設(shè)定的速度和遞增角度撞擊)，其工作原理為：第一步通過Atmega 16a單片機輸出脈沖給步進電機，并通過控制信號使離合器吸合，使步進電機帶動擺錘轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)定好的角度，再使離合器釋放，擺錘做單擺運動并撞擊固定好的陶瓷樣品。撞擊反彈后，編碼器判斷方向，等待一段時間(大約1.5～2 s)后，離合器再次吸合，單片機輸出脈沖給步進電機，這樣做有角度增量的循環(huán)撞擊運動。第二步為校正狀態(tài)，其工作過程為：Atmega 16a通過控制信號使離合器吸合，并輸出脈沖給步進電機，并使步進電機帶動擺錘轉(zhuǎn)到預(yù)設(shè)定好的角度(90°)，暫停1 s，再使離合器釋放。同時，擺錘開始做單擺運動，直至液晶界面顯示“校正完成”。設(shè)備控制圖如圖2所示。

圖2 設(shè)備控制圖

4 結(jié)語

本文采用單片機控制儀器自動進行撞擊試驗，夾具底板對開裝置和擺錘上下調(diào)節(jié)裝置，配合多樣化的夾具，可適用于測試各種形狀、大小的日用陶瓷器皿，使抗沖擊檢測產(chǎn)品的種類和測量精度大幅地提高。該儀器裝置機構(gòu)簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定、測量精度高，已獲得5項國家發(fā)明專利，在陶瓷抗沖擊檢測領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

[1]Standard Test Method for Impact Resistance of Ceramic Tableware[S].ASTM C368-88(2006).

[2]Ceramic.Dishware.Determination the Impact and Chip Resistance[S].NTE INEN 1800-1801：2006.

[3]袁芳麗,梁柏清.衛(wèi)生潔具耐急冷急熱性能檢測裝置的研制[J].佛山陶瓷,2013,23(6)：13-15.

[4]汪用瑜,沈建春.陶瓷烤花爐單片機程序溫度控制系統(tǒng)的研究[J].陶瓷研究,2002,2：30-32.