按鈕開關接觸可靠性研究及檢測設備的實現

曲炳鋒

（泰科電子科技（蘇州工業園區）有限公司，江蘇蘇州215026）

0 引言

按鈕開關作為一種典型的控制回路主令電器，在各種設備上得到了廣泛的應用，其觸點的接觸可靠性直接關系到設備是否能可靠運行及停止，因而是產品質量控制的重要指標，也是產品設計的一項重要參數。在實際研發過程中，不僅要測試普通室溫環境下的觸點接觸可靠性，還要測試產品在各種特殊使用場合下（如沙塵環境）的接觸可靠性。通過合理分析，找到影響可靠性的主要原因，并基于此設計一臺準確、智能的檢測設備，有助于提高按鈕開關的整體品質和控制水平。

1 按鈕開關接觸可靠性失效因素分析及檢測標準

目前，關于低壓斷路器、接觸器及繼電器的可靠性及檢測設備已有較多的研究及參考標準，相關測試方法和檢測標準對按鈕開關可靠性研究有借鑒意義，特別是可靠性的統計指標和統計方法，通常假定其接觸電阻失效分布呈指數分布。相關標準一般均以失效率的高低作為可靠性指標，失效率是指產品工作到t時刻后單位時間內失效的概率，其衡量指標符合按鈕開關作為一種控制類電器的應用特征。根據GB/T 14048.17—2008《低壓開關設備和控制設備第5-4部分：控制電路電器和開關元件小容量觸頭的性能評定方法特殊試驗》，失效率計算方法為0＜λ＜λc，其中λ為恒定失效率真值，λc為置信水平c下的失效率評定值（上限）。對于按鈕開關觸點的失效率λc的要求，可設定不小于10-6。

通常按鈕開關按照結構可分為三個部分——觸頭塊、操動頭及卡裝部件，根據其主體結構部件及其功能，利用故障樹的分析方法，可以分析出主要的失效模式、失效結果及失效原因，總的分析框架圖如圖1所示。在檢測設備實現過程中可以將這些失效分析集成進計算機的檢測過程，并統計各個模式的失效比例，從而實現有針對性的產品設計和制程的優化。

接觸可靠性的基本試驗方法根據GB/T 14048.17—2008的基本要求，如圖2所示。設備設置了兩組16通道（觸點）進行檢測，兩組通道應用同一設定電源信號，由于設定好的電流1 mA或5 mA是穩定的，那么通過實際測量觸頭兩端的電壓降，可以間接得到每次觸頭閉合的接觸電阻，與設定好的接觸電阻范圍進行比較，超出范圍即為失效。

2 檢測設備的硬件實現

按鈕開關接觸可靠性檢測設備的硬件主要包括工控機、控制和采集板塊、信號調制電路、輔助觸點測試電源、電磁閥控制電源及操動氣缸、樣品安裝定位夾具等機械部分。設備的整體結構組成框圖如圖3所示。數據采集卡采用NI公司的PCI6023E型號，可同時實現對觸點狀態的檢測及對氣缸和操動部件位置的檢測，保證了系統的兼容性和較高的性價比。同時，與外圍電路的連接采用NI公司的SCB-68屏蔽式I/O接線盒，可將I/O信號連往配有68針連接端口的插入式數據采集（DAQ）設備，結合屏蔽式電纜，SCB-68可提供堅固且噪音極低的信號終端。

設備的電源包括兩部分，第一部分為電源入口提供一個主負荷開關，分別連接到控制部分和工控機IPC電源，其中控制回路根據電磁閥的需要進行調制，同時控制回路將會被IPC監控，當諸如急停按鈕動作等緊急情況發生時，IPC將立即檢測到該情況，并觸發控制回路中串聯的接觸器切斷控制回路；第二部分為單獨為輔助觸點測試電路供電的調整電源，其通過高精密可調電阻來調制需要的17 V/5 mA以及5V/1 mA的測試信號。

圖1 操作失效模式故障樹

圖2 試驗設備功能圖

圖3 設備整體結構框圖

輔助觸點測試電源及信號調制電路：通過三端穩壓模塊7815及7805產生輸出電壓，利用R33和R34兩個精密可調電阻調整管腳2端電位，得到精確的輸出電壓。通過IPC輸出控制端的選擇信號控制K1和K2進行兩組檢測信號的選擇，再將信號反饋回DAQ端檢測實際輸出電壓。利用精密可調電阻及二極管進行限流和穩壓，從而得到需要的17 V/5 mA以及5 V/1 mA的測試信號。

需要說明的是，由于DAQ采集卡需要將采集的模擬電壓信號轉換到需要的范圍進行計算，故將觸點兩端的電壓降進行分壓后通過電壓跟隨電路進行隔離，確保采集信號的準確。電壓跟隨電路與DAQ采集卡之間利用56 Ω電阻將電流調節到NI采集卡允許的范圍內，檢測電壓調整電路通過16組相同的電路完成。

最后，關于按鈕檢測動作的操動部分，需要說明的是，操動采用氣缸進行，并在氣缸推桿前端安裝模擬實際操作的彈性材料，按鈕按下后保持的時間足以覆蓋設備的采樣及數據處理的時間。控制信號通過電磁閥驅動氣缸動作，通過調壓閥的調整和節流閥的調整，使氣缸的操動力及操作速度符合GB 14048.5—2008《低壓開關設備和控制設備第5-1部分：控制電路電器和開關件機電式控制電路電器》中8.3.2對試驗條件的規定。

3 檢測設備的軟件結構

按鈕開關接觸可靠性檢測設備的軟件由LabVIEW實現。LabVIEW作為近年來流行的儀器開發平臺軟件，能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源碼級的設備驅動程序、多種多樣的分析和表達功能支持，為用戶快捷地構筑自己實際所需要的儀器系統創造基礎條件。

設備軟件程序流程圖如圖4所示，通過導入設置文件，設定基本觸點接觸壓降參考數值范圍及軟件的數據存儲方式。

設備的人機界面（前面板）分為參數設置區域和數據顯示區域。參數設置區域根據用戶需求對基本參數進行設置，包括預設次數、操作頻率、檢測電壓、失效等級和試驗開始/暫停按鈕。數據顯示區域可以直觀地顯示已設定參數和測試結果，測試結果簡單顯示了16個測試通道當前的測試次數及失效測試，點擊對應通道可以打開新的窗口，詳細顯示該通道的失效細節、每次失效的類別，如觸點未閉合、觸點未分斷、氣缸未動作等及對應的觸頭壓降值，同時可以顯示該通道各個失效類別的比例情況。通過數據查看功能可以更加準確地了解失效發生的情況及概率，該查看功能可以在試驗運行過程中進行操作，也可以在暫停當前試驗的情況下操作。

關于采集控制卡的讀寫功能，在LabVIEW環境下應用需要專門的驅動程序對其進行識別和訪問。由于應用中的讀寫要求為立即性，當調用數字I/O函數后立即更新或讀取數據為某一路或端口的狀態。使用高級DIO.VI子程序可以更高效地執行數字I/O的讀寫工作，DIO Port Read.VI和DIO Port Write.VI允許使用通道屏蔽技術更新某一端口中數個DI/O通道而無需更新整個端口，根據高級VI提供的錯誤信息可以同步開發相關錯誤處理程序。為了在傳輸數據時不占用計算機資源，應用緩沖DIO.VI程序，實現大量數據傳輸的非同步中斷驅動式傳輸。

為了檢測試驗設備的準確性，分別在第2、3、5通道設置了三種不同的失效狀況，通過表1中的測試結果，可以看出設備能夠準確地捕捉到對應的失效狀況并進行記錄。

圖4 檢測設備的軟件流程圖

表1 檢測結果統計

4 結語

按鈕開關作為控制電路中最常見、最重要的低壓電器之一，其接觸可靠性是評價產品性能和反映產品質量的重要參數。近年來，國內對電磁接觸器、繼電器的接觸可靠性及其檢測設備的研究已經比較成熟，對按鈕開關的接觸可靠性具有一定的通用性和指導作用。但是按鈕開關具體的失效模式、測試方法和設備設計還是具有一定的獨特性，本文系統介紹了其主要的失效模式及基于LabVIEW系統的可靠性智能控制檢測設備，有助于提高對按鈕開關接觸可靠性的認識。該檢測設備在實際產品設計中取得了很好的使用效果，對相關產品的開發設計及質量控制有一定參考價值。

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