基于國際標準的伺服衣架擺動試驗機的研制

文/商建霄 田志朋 吳永英 吳濤

（1.邢臺出入境檢驗檢疫局 邢臺054500；2.天津東方威爾科技有限公司 天津 300000；3.天津工業大學 天津 300000）

基于國際標準的伺服衣架擺動試驗機的研制

文/商建霄1田志朋1吳永英2吳濤3

（1.邢臺出入境檢驗檢疫局 邢臺054500；2.天津東方威爾科技有限公司 天津 300000；3.天津工業大學 天津 300000）

我國是世界自行車大國，配備衣架生產數量每年至少5 000萬個以上，自行車衣架作為自行車承載配件，在自行車安全方面有著舉足輕重的作用，衣架動態擺動試驗是用于自行車衣架橫向動負荷的檢測設備。最新研制的計算機伺服控制的衣架擺動試驗機，是第一臺符合國際標準的高科技衣架檢測設備，它保證了自行車衣架安全。

衣架，標準，試驗機，自行車

1 引言

1. 1 項目研究的意義

衣架（又稱貨架、行李架或書包架）作為自行車、電動自行車上廣泛使用的部件，應用由來已久，各國家和地區也都有規范其設計和生產的標準，如 ISO 11243（1994年制定）［1］，歐盟 EN 14872（2006年制定）［2］，JISD9453（1961年制定，多次修訂，目前為 2010 版本）［3］，中國 GB 22790（2008年制定［4］，等同 ISO 11243：1994）。我國是世界自行車大國，配備衣架數量每年至少5 000萬個以上，相應也有非常大的檢測需求。

目前，國內有比較成熟的衣架檢測設備銷售，但普遍精度較差，并且無法任意調節擺動角度和擺動頻率，每次試驗時都要重新安裝調整，檢測效率低下。由于現有檢測設備精度較差，不能完全滿足國內外相關檢測標準要求，檢測結果有較大差議。另外，衣架種類和型式多種多樣，有前置式、后置式、車架一體式、可調節式等，尺寸千差萬別，給試驗裝夾帶來了麻煩，也增加了準確測試的難度。

因此，要研制一臺集精確測試、裝夾方便、通用性強、功能強大于一體的綜合試驗機，與其他機械設計不同，沒有典型設計資料可以參考，可以說是一項技術創新，或是一種技術集成創新。

1.2 各國家和地區相關標準

根據中國、ISO、日本、歐盟標準，所有衣架強度要求和測試方法相同，只是試驗次數有差異。對測試順序，動負荷試驗一般需要在新的樣品上測試，EN 14872中還規定可以按照疲勞試驗靜強度試驗的順序，在同一個樣品上進行試驗。

1.3 市場現有衣架和強度試驗機情況

衣架經常是被作為自行車附件，因此，很多企業甚至檢測機構對衣架的質量不太重視。對衣架的靜強度試驗，大部分企業和機構都是制作簡單的模具，利用砝碼加載進行荷重試驗，通過百分表測量位移。

對衣架動負荷試驗，市場有成熟的檢測設備銷售。很多企業利用車架擺動試驗機上安裝輔助車架，在輔助車架上裝上試件進行擺動測試，由于車架擺動原理也是偏心機構運動，所以能滿足衣架垂直擺動試驗要求。另外，也有部分企業生產單獨的衣架擺動試驗機，典型的如昆山市創新科技檢測儀器有限公司生產的 CX-8189B自行車行李架垂直力疲勞試驗，該機采用偏心機構實現正弦的上下擺動，用伺服電機調節擺動頻率；對衣架橫向動負荷試驗，典型的如天津自行車研究所生產的JS115衣架動態擺動試驗機，該機采用氣缸進行推拉搖擺。昆山市創新科技檢測儀器有限公司生產的CX-8185自行車行李架水平搖擺試驗機與其原理基本類似。

以上的衣架動態疲勞試驗機，需要兩次裝夾才能完成動負荷試驗，效率不高；橫向動負荷試驗時不是正弦運動，不完全符合標準。相比較的是，泊頭市西亞重工設備廠生產的衣架動態負荷性能試驗機，適用于行李架垂直（動負荷）試驗、側向（動負荷）試驗，只要一次裝夾就可實現，衣架座面高度可調，座面角度可調；該機垂直擺動為正弦曲線，但側向搖擺運動曲線不詳。

因此，本課題組在充分調研的基礎上認為，開發一臺滿足各種型號規格的衣架產品、滿足所有強度測試項目、符合各主要國家和地區標準的綜合試驗機，在國際上尚無先例，屬一種創新。其一次裝夾就完成所有項目的檢測性能，也符合標準所要求在一個樣品上完成所有強度測試的原則，效率高，通用性好，必定會受到檢測機構和相關企業的歡迎。

2 設計主導思想——性能確定

經過對衣架生產廠家調研以及召開設計研討會等前期準備工作，確定自行車衣架綜合試驗機應具有以下功能：

2.1 應能滿足各主要國家和地區的標準

為了滿足各企業出口不同國家或地區的需要，增強設備的通用性，降低設備成本，本機應能滿足 ISO 11243：1994/GB 22790-2008、EN 14872：2006、JIS D9453：2007 衣架標準要求。

2.2 應能適合所有類型產品

衣架和座椅的類型非常多，為了增強設備適應性，本機應能滿足所有類型的衣架，主要有：

1. 各種前衣架；

2. 各種后衣架；

3. 車架式衣架（衣架直接焊接在車架上）。

2.3 先進的控制方式

本機要完成的動作方式多，并且施力精度要求高，響應速度快，因此，本機應采用計算機閉環方式伺服電機自動控制，角度信號反饋給電腦后，電腦自動控制執行裝置進行角度的調節。

3 完成方案

3.1 試件安裝部分

1. 提供一個長安裝板，針對不同樣品使用不同的夾具，來安裝試件；

2. 安裝板上方固定一個鋁合金立柱，立柱頂部設計前伸板，模擬車架后軸在鋁合金型材中滑動，前伸板上安裝衣架曲付，用于固定各種尺寸的單獨式衣架或安裝到衣架上的試件；

3. 對前衣架，將適配模擬前叉豎管安裝在立柱前伸板上，再將試件固定在其上；

4. 車架式衣架，用夾持座固定住車架的五通，車架后軸安裝在可調立柱上，再將試件固定在搖擺架上，如圖1所示。

4 主要技術參數的確定

1. 目前自行車前后軸的距離（前軸到中軸距離 FR值+中軸到后軸距離 RC 值）基本在1 100 mm，RC 值≤450 mm；電動車 RC 值≤700 mm。依此，安裝板長度不小于 1 300，有效安裝尺寸為 700 mm，以滿足各種RC 值車架（本機采用固定中軸和后軸方式安裝車架試件）的安裝需要。

2. 側向搖擺傾斜角度應能滿足0°～25°無極擺動的角度條件，搖擺頻率滿足 0～2 Hz無極調速。

3. 在安裝板兩邊各設計一組限位裝置，并且其上下左右均可方便的調節，當搖擺到極限弧度時，能立即發現并停機報警，以滿足橫向剛性試驗的要求。

4. 反復疲勞的荷重值，歐盟標準荷重值為50～100 N［2］，日本標準為150～220 N［3］，因此，本機疲勞荷重值必須滿足 40-250 N。荷重方式為推向，試驗頻率 1 Hz。

圖1 衣架安裝示意圖

5 部件劃分與總體布局設計

綜合上述關于綜合試驗機的功能、設計方案及主要技術參數等問題的初步設想，確定本機的部件如下：

5.1 機架部件

機架本體分成上下兩部分，上部分為開放式擺動架結構，頂端用于試驗裝置，擺架立柱側面設置一鋁板，用于安裝反復疲勞用裝置。下部分為箱體結構，箱頂用于懸吊安裝搖擺和擺動裝置，箱頂中間開槽，給試件安裝板的擺動和搖擺留出空間。

5.2 試件安裝部件

本機主要是用于檢測衣架，因此，本機首先要將試件進行快速準確和牢固的安裝。本機在設計上將所有試件都固定在一塊長的安裝板上；為了減少夾具數量，增加通用性，本機力求適應各種規格尺寸的試件安裝。

5.3 擺動部件

伺服電機帶動絲杠機構旋轉，推動擺架，實現安裝板的左右擺動。頻率和角度調節采用計算機控制伺服電機實現。

5.4 搖擺部件

伺服電機帶動曲柄擺桿機構旋轉產生搖擺動作，通過伺服電機完成搖擺頻率調節，通過改變擺動角度。在試件的搖擺的兩側邊各設置一組限位裝置，以測量試件的擺動范圍是否超過設定限位。本機采用伺服電機來控制擺動角度，保證實驗的精度和方便調節。

5.5 反復疲勞部件

采用伺服電機實現反復負荷疲勞，電腦控制伺服電機調節精確頻率和調節精確擺動角度，實現自動控制的要求。

5.6 總體布局

本機中加載部件安裝擺動架上，左右可移動調節，擺動架兩立柱側面滑槽上安裝一塊鋁板，用于支撐反復疲勞部件。側向搖擺部件懸吊在箱頂鋼板上，垂直擺動部件安裝在搖擺部件的支撐梁上。兩組光電開關限位裝置吸附在箱頂上，用于橫向剛性試驗測試和試件損壞時位移超限自動停機和報警。

本機采用計算機自動控制，采集卡等安裝在電腦內，主要電氣部件安置在機器箱體的側面安裝板上，節約空間。如圖2所示。

圖2 總裝圖

6 部件設計

6.1 機架部件

擺動架用于安裝反復疲勞裝置。

用兩根鋁型材做立柱，頂部用鋼板固定在兩根立柱上，鋼板上開槽，以左右調整和固定安裝在上面的垂直加載裝置；擺動架架上部安裝在 T 型槽底板，可前后移動，以調節試驗載荷前后位置。

6.2 試件安裝部件

本部分的主要功能是將衣架模擬使用狀態牢固可靠地安裝到試驗機的安裝板上。因此，針對各種常用衣架的規格型號制作不同的夾具。

6.3 擺動部件

擺動部件的動力源為伺服電機，伺服電機通過絲杠，產生安裝板的左右擺動，由于衣架+配重擺動慣性大，為了穩定性起見，將另一邊通過軸承安裝在側向搖擺中心梁上加裝負載的安裝根據衣架和配重重量，在衣架左右對稱安裝負載，為了降低成本，本機采用組合式砝碼，優化設計，以最少的砝碼進行組合，實現所有常用級別的衣架負載。衣架負載安裝時，采用上下兩個夾片，下夾片插入上夾片固定螺栓中，夾住衣架座面，砝碼用螺紋孔直接在上夾片桿上。

6.4 搖擺部件

本部件懸掛在鋼架上。用兩個框型架固定在箱頂，軸承座固定在框型架上，擺架上方焊接短軸的制作搖擺的中心軸，方管下方引申連接一平衡塊；伺服電機帶動絲杠帶動絲杠母進行擺動動作。為了消除試件搖擺時慣性的影響，使運轉平穩，本機在對稱于中心軸的下方設置配重搖擺部件提供了側向動態試驗的動作，將垂直擺動部件安裝在搖擺中心梁（方管）上，這樣中心梁帶動擺動部件的安裝板，完成試件搖擺試驗。為了防止垂直擺動試驗時搖擺部件的搖晃，本機在搖擺中心軸上安裝指針，在框形架上安裝角度刻度盤，中心軸旋轉時，可直觀看出搖擺的角度。

6.5 擺角度

搖擺機構實質上是由伺服電機控制，伺服電機是由計算機精確控制，所以可以利用計算機設定角度，就能精確控制擺動的角度。

6.6 反復疲勞部件

本部件通過運動控制器，信號傳感、調理、采集、信息處理后，計算機發出執行指令進行相關操作。

6.7 執行裝置

本部件的外部執行裝置（計算機內部執行裝置如顯示、打印功能屬計算機本身功能，不再敘述）主要完成伺服電機的調整，如圖3所示。

7 總裝配圖設計

前面已對部件的劃分、各部件的功能、部件的安裝位置、部件的裝配關系作了規定，并設計了總體布局圖。在進行各部件設計時，又繪制了各部件的裝配圖。在上述各項設計的基礎上，即可進行綜合試驗機總裝配圖的設計。

應重點關注下列問題：

1. 部件的安裝位置是否合理，是否滿足測試標準要求；

2. 各部件的裝配關系是否合理，是否有不便裝配，甚至不能裝配，或只能裝而不能拆的設計；

圖3 執行裝置系統圖

3. 維修是否方便；

4. 各部件有裝配關系的尺寸鏈是否正確，是否有相互干涉的現象；

5. 機器的操作是否有足夠的活動空間，是否符合人體工學；

6. 機器的外形是否美觀。

8 電氣控制系統設計

機器的電氣控制系統是為完成機器的各項運動服務的，本機的機械運動主要有：

1. 伺服電機的轉動，帶動施載絲桿的左右運動；

2. 絲杠帶動絲桿母運動，產生搖擺擺動。

此外，還有一項電氣控制功能：試件損壞報警，停機。

8.1 主電路

本機的電氣控制系統就是根據上述的各項機械運動要求而設計的，主電路見圖4。220 V 電源通過總電源開關 QS（規格 20A），接觸器 KM1，連接搖擺伺服電機和伺服電機控制器。

圖4 主電路圖

8.2 運動控制

工業計算機通過運動控制器控制發送脈沖給伺服驅動器，伺服驅動器精確控制伺服電機轉動角度，伺服電機鏈接絲杠，絲杠帶動絲杠母，絲杠母帶動擺動架進行擺動。

8.3 試件損壞停機報警電氣控制

R5 為試件損壞報警光電繼電器，當光電感觸到試件損壞時，繼電器R5 動作，蜂鳴器報警。

8.4 計數控制電氣圖

橫向搖擺動作時，當擺動架擺動一次，接近開關產生一個脈沖信號，通過光藕隔斷，轉化成計算機可識別的信號。

9 驗證

該試驗機經過2家檢測機構以及3家生產企業試用，實際運行性能穩定、操作方便，各項參數及功能均可滿足相關檢測標準要求，得到一致認可。

10 研制中的難點、解決的技術手段與創新點

由于本機在很多方面都屬創新設計，沒有經驗可以借鑒，因此在研制過程中也出現很多困難，為此，課題小組集思廣益，深入鉆研，解決難點，使本機的功能更加完善，技術更加先進，安裝更加方便，具體如下：

1. 支片式衣架，不同廠商的設計，前伸安裝角度都不一樣，為了避免每種都制作一種夾具，小組設計了一種傾斜角度可任意調節的專用夾具。

2. 衣架容量級別多樣，按常規設計，每種規格對應一件砝碼，這樣，砝碼的數量會很多。本機采用優化設計，將常用荷重用砝碼組合來實現，降低了成本，提高了效率。

3. 現有此類檢測設備采用氣缸驅動，精度較差，一般為±3°，我們采用伺服電機控制精度可以達到±0.001°，遠遠高于現在的設備，而且氣缸控制只能擺動一個角度，而我們可以在0°～25°任意計算機設定，頻率也可以利用計算機精確控制和設定擺動頻率，使我們的設備能夠精確符合標準的要求。

本機主要創新點在于：

1. 一臺設備完成衣架疲勞擺動測試項目，能夠精確的調整擺動的角度并且在0°～25°任意用計算機設定，精度在±0.0001°；

2. 符合目前所有各主要國家和地區的標準，通用性好；

3. 適合所有衣架類型產品；

4. 一次裝夾即完成測試；

5. 由于采用伺服電機控制，在計算機上可任意精確設定擺動頻率值。

經河北省科學技術情報研究院查新確認，本課題研制的伺服控制全自動自行車衣架擺動試驗機，可穩定實現“正弦波振動”，準確控制擺動角度及擺動頻率；衣架擺動試驗機擺動角度及擺動頻率可隨時通過軟件進行修改并自動控制。以上技術特點，在國內外文獻中未見相同報道。

綜合上述，本機設計先進、操作簡單、運行可靠、技術水平處于國際領先行列，極具在自行車業界推廣之價值。

［1］ 國際標準化組織.ISO 11243-1994自行車衣架 ［S］. Switzerland：IHS，1994.

［2］ 歐洲標準委員會.EN14872-2006自行車部件衣架［S］.Brussels：CEN，2005.

［3］ 日本規格協會.JIS D9453-2010自行車貨架及支架 ［S］. //Japan：JISC，2010.

［4］ 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB22790-2008.《自行車衣架》［S］//中國國家標準化管理委員會：北京：中國標準出版社，2009.