玩具自適應金屬絲撓曲試驗機的研制

徐曉春,周瑩

(浙江出入境檢驗檢疫局,浙江杭州311200)

0 引言

毛絨玩具是指用各種布絨經過構思設計、裁剪、縫紉、眼鼻裝訂、塞制填充各工藝制成的模仿各種動物,專供14歲以下兒童使用的玩具,具有樣式新穎、款式多、安全的特點。為了使得玩具看起來更逼真,許多毛絨玩具內藏金屬絲。為確保各種不同年齡兒童對玩具的安全使用,我國頒布了GB6675－2003?玩具生產安全強制性標準?,等同于ISO 8124標準,許多國家也都頒布了對毛絨玩具生產的安全標準。如歐洲有EN71標準、美國有ASTN F963標準、日本有ST2002標準等。

通過對多家玩具實驗室的調查,很多機構還是沿襲了以前一直采用的手動撓曲＋測力計的測試方法,不但力的控制困難,而且測試過程不可控,精度較差。揚州檢驗檢疫局研制的金屬絲撓曲試驗儀,雖然實現了撓曲試驗的自動化和過程監控,解決了人工操作影響試驗結果準確性的問題。但是在EN71－1標準8.13條款中明確要求“金屬絲在測試中應保持緊繃”,為了滿足金屬絲在保持繃緊情況下的測試要求,就必須在其上施加一個與其軸向方向相同的拉力,即金屬絲實際上是受到了一個由平行于其主軸方向向上的拉力(為了使其在測試時保持緊繃)和一個垂直于自身的推力組成的交變應力。所以在現有的金屬絲撓曲試驗機中未見有檢測手段保證。由材料力學的知識可知,在這樣的交變應力作用下,金屬絲的疲勞速度會比在僅受垂直部件主軸推力的作用下快得多,會使其在更短的周期內更易發生斷裂,從而形成銳尖等危險情況。針對上述結果,可以認為現有的金屬撓曲試驗機和標準的要求是有差異的,不能完全滿足EN71－1標準的要求。研制能自動適應彎曲過程中材料的彎曲變形,并且實時的監控檢測過程中力的變化,實現自適應控制,滿足EN71－1、ASTM F 963、ST 2002等標準要求的試驗設備,對含金屬絲的玩具的檢測具有現實的意義。

1 設計要求

根據上述標準要求,結合機械設計的具體情況,試驗機必須具備驅動環節、測力環節、角度控制環節、裝夾環節、自適應機構及控制單元。驅動環節主要是完成鋼絲繩的勻速運動,并且可以調速,滿足不同速度段的要求。測力環節在運行過程中實時監測力的大小,在力超出設定的范圍后,自動停機。角度控制環節主要完成測試過程中角度的控制。自適應裝夾環節主要完成在測試過程中的鋼絲繩的自動拉直。在此工況下進行測試,滿足測試標準要求。

控制器用于對整個測試過程的控制。

2 關鍵部件的機械設計

2.1 機械結構

根據上述要求,測試設備的總體方案圖如圖1所示。

圖1 測試設備的總體設計圖

試驗機的機械結構主要由驅動環節、自適應裝夾環節、測力環節與夾具等組成。驅動環節由松下伺服MDME400W作為驅動單元,通過連軸器與擺動軸的軸承座相連,由于回轉中心要與裝夾的中心一致,所以在設計過程中采用了一個轉接軸承座。在擺動桿上裝有測力裝置與自適應裝夾裝置。電機旋轉,通過連軸器帶動圓盤轉動,圓盤上的偏心裝置帶動裝有測力裝置與自適應裝置的擺桿擺動,從而帶動被測鋼絲繩的擺動。

2.2 關鍵零部件設計

a)測力環節的機械設計

測力環節主要包含玩具金屬絲的端部固定,力傳感器的安裝等。設計結構參見圖2所示。

測力環節由安裝板、快速夾具、金屬絲夾具、可調節螺釘、力傳感器等組成。

快速夾具、金屬絲夾具、可調節螺釘、力傳感器等均安裝在板上,快速夾具的頭部安裝有方形V形塊,傳感器一端固定在安裝板上,另外一端由可調節螺釘連接,可調節螺釘一端固定在傳感器上,另外一段固定著V形塊的另外一端。用調節螺釘調節,滿足不同的直徑的玩具金屬絲的裝夾要求。測力環節安裝在自適應裝夾環節上(圖2)。

圖2 測力環節機械結構

b)自適應裝夾環節

在撓曲試驗項目中,按照EN71－1中關于滿足金屬絲在保持繃緊情況下的測試要求。即在測試過程中夾具不能對金屬絲夾死,能根據金屬絲的變形狀況進行自動的調整,自動適應變化的長度。

要實現測試過程中金屬絲在保持繃緊。就必須在其上施加一個與其軸向方向相同的拉力,即金屬絲實際上是受到了一個由平行于其主軸方向向上的拉力(為了使其在測試時保持緊繃)和一個垂直于自身的推力(使其由直立位置向一邊彎曲60°,然后向相反方向彎曲120°并做循環)組成的交變應力。在結構上來說,夾持部分采用一種彈性的元器件－彈簧機構,該機構能根據被測試件的變形進行自動的調整[1](圖3)。

圖3 自適應裝夾環節

在該機構中由手動夾具、裝夾V型塊,直線軸承、拉簧等組成,主要是在試驗過程中始終有一個力向上拉,能自動地適應在撓曲過程中因塑性變形而產生的長度的伸長。

3 電氣系統

在與金屬撓曲試驗相關的標準 EN71－1,ASTM F963,ISO8124,GB6675中,均要求測試的力值的大小,這樣能控制加載在試件上的力值,同時也是不同的含金屬絲玩具能進行比較。標準規定:“力值最大是“70 N±2 N”,如果力值未達到70 N±2 N而金屬絲已經彎曲到60°,則反向施力”[2]。這要求在進行測試過程中至少具有兩個傳感器,一個為角度傳感器,另外一個為力傳感器。當力傳感器達到規定力值而角度傳感器未檢測到規定角度時,就可以進行判別,當力值<70 N±2 N,角度值到達60°時,就可以進行疲勞試驗,同時實時的監測力值的與角度的大小[1,4]。角度的控制采用2個限位傳感器控制系統的框圖如圖4。系統采用松下公司的C38AT PLC,實現對上述流程的控制。控制系統的硬件如圖5所示。

圖4 自適應控制原理圖

圖5 控制系統的硬件

除了計算機硬件之外,主要是軟件流程,所以編制軟件相當重要。軟件的編制遵循松下PLC的軟件編寫方式,采用RS232與觸摸屏進行通信。軟件主要的流程圖如圖6所示。

圖6 軟件流程圖

4 實驗

實驗采用的樣品為長毛猴手臂的金屬絲,測試設備采用研發完成的設備,測試實驗是對測試的過程中的角度進行控制,對測試過程中的力值進行監控。被測試件與測試設備參見圖7,圖8。測試結果參見表1。滿足 EN71－1、ASTM F 963、ST 2002 等標準的要求,測試結果表明,試驗機完全滿足設計要求,對含金屬絲的玩具的自動檢測具有重大而現實的意義。

圖7 被測試件

圖8 金屬絲撓曲試驗機

表1 測試結果

續表1

結果表明,測試過程中設備能對力值實施實時的監控,能及時判斷被測試件的失效。同時,從實驗數據看出,角度的誤差控制在0.6°以內,滿足標準規定的誤差控制在1°之內的要求。

5 結語

運用機械設計的理論與手段,研制了一種新型的金屬絲撓曲試驗機,能自動適應彎曲過程中材料的彎曲變形,并且實時的監控檢測過程中力的變化,實現自適應控制,

[1]成大先.?機械設計手冊?[M].北京:化學工業出版社,2010.

[2]陳永浦.?電子工程師手冊?[M].北京:科學出版社,2011.

[3]EN 71－1998 8.13歐州玩具安全標準(金屬絲的撓曲性)[S].2003.

[4]王琪黃玲.微機在玩具金屬絲撓曲性試驗機中的應用[J].微機電系統,2003,23.