彈簧發(fā)條力矩和疲勞自動測試的研究

1、    彈簧發(fā)條力矩和疲勞自動測試的研究        蔣惠忠 時間:2009年03月09日     字 體: 大 中 小        關(guān)鍵詞:<"cblue" " target='_blank'>子程序<"cblue" " target='_blank&

2、#39;>步進電機<"cblue" " target='_blank'>工作方式<"cblue" " target='_blank'>系統(tǒng)軟件<"cblue" " target='_blank'>A/D            摘? 要: 根據(jù)彈簧發(fā)條力矩和疲勞試驗方法， 研制了基于單片機的彈簧發(fā)條力

3、矩和疲勞自動測試儀,介紹了硬件和軟件結(jié)構(gòu),設(shè)計了方便實用的儀器調(diào)試<"cblue" " title="子程序">子程序。關(guān)鍵詞: 彈簧發(fā)條 力矩和疲勞測試 單片機?機械式定時器因成本低、操作方便而大量應(yīng)用于電扇、微波爐等電器的定時控制中。定時器的質(zhì)量及定時精度主要取決于所用的彈簧發(fā)條的性能。彈簧發(fā)條生產(chǎn)廠家及定時器生產(chǎn)廠家對每一批次的彈簧發(fā)條都要進行抽樣檢測。測試內(nèi)容主要包括扭矩測試與疲勞測試。目前國內(nèi)相應(yīng)的測試設(shè)備智能化、自動化程度不高,力矩和疲勞試驗需分開進行,需要兩套設(shè)備,為此我們研制了智能型彈簧發(fā)條力矩和疲勞試驗儀。它由單片

4、機控制,智能化、自動化程度高,只要把待測彈簧裝上測試臺,就能自動進行力矩與疲勞試驗,并打印出試驗結(jié)果。1 發(fā)條的機械性能參數(shù)及試驗方法1.1 發(fā)條的機械性能參數(shù)根據(jù)國家標準規(guī)定,發(fā)條機械性能參數(shù)包括:力矩衰減率(%)SM;疲勞壽命(次);大力矩M0.5;小力矩Mn;力矩變動率BM。1.2 檢驗方法彈簧發(fā)條要上緊放松來回5次后再進行力矩測試。發(fā)條完全上緊后退回0.5圈時,輸出的力矩為大力矩M0.5;繼續(xù)退回Ng(工作圈數(shù))圈時,輸出的力矩為小力矩Mn。根據(jù)大小力矩計算出力矩變動率Bm為:發(fā)條疲勞1000次后(疲勞試驗以上緊后退回0.5圈作為起點,上緊放松Ng-0.5圈為一次),測得小力矩Mn?？?/p>

5、根據(jù)下式計算出力矩衰減率Sm為:要求疲勞試驗速度每秒不大于2圈。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計根據(jù)彈簧機械性能參數(shù)及試驗方法，我們研制了智能型彈簧發(fā)條力矩和疲勞試驗儀。它由8031單片機系統(tǒng)、<"cblue" " title="步進電機">步進電機及驅(qū)動器、彈簧測試座、測力傳感器及信號<"innerlink" " title="放大器">放大器、面板式打印機、電源等部分組成,如圖1所示。?2.1 彈簧測試座根據(jù)機械式定時器的結(jié)構(gòu)和工作原理,設(shè)計了彈簧測試機構(gòu)。電機軸轉(zhuǎn)動時,發(fā)條就跟著旋

6、緊或放松。發(fā)條旋緊時,通過機械結(jié)構(gòu)將扭力傳送到測力傳感器上,測力傳感器的應(yīng)變電橋輸出相應(yīng)電壓信號,輸出信號與它受的力即發(fā)條扭矩成正比。此信號經(jīng)過放大、<"cblue" " title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換,就可得到相應(yīng)的力矩數(shù)值。2.2 單片機系統(tǒng)系統(tǒng)由微處理器、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、擴展I/O口、鍵盤、數(shù)碼顯示器等構(gòu)成。微處理器采用8031單片機,配置64K片外程序存儲器和32K數(shù)據(jù)存儲器,8155芯片作擴展I/O口,其中B口為打印機數(shù)據(jù)口,A口為輸出口,C口為輸入口。PC0(Busy)、PA7(STB)為打印機聯(lián)絡(luò)線。PA0

7、PA4為帶光隔的輸出口。由軟件產(chǎn)生的可變頻CP脈沖信號從PA0輸出到步進電機驅(qū)動器,控制步進電機速度;PA1輸出高低電平,控制步進電機轉(zhuǎn)向;PA2控制蜂鳴器,發(fā)出不同聲音提示及告警;PA3控制繼電器,在測試完成及需要時切斷電機電源。系統(tǒng)采用了通用的可編程鍵盤顯示接口器件8279芯片來完成20鍵鍵盤輸入和8位數(shù)碼顯示控制兩種功能。2.3 信號處理系統(tǒng)信號處理系統(tǒng)由測力傳感器、信號放大器、A/D轉(zhuǎn)換器組成。測力傳感器采用稱重傳感器。它采用鋁合金材質(zhì)的彈性材料,在表面貼應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)變電橋,受力時就會有電壓信號輸出。傳感器的量程是3kg,工作電壓為5V,綜合誤差為0.025%,零點溫漂為0.030%/

8、10,是較理想的測力傳感器。放大器采用ADI的儀表放大器AD620,因為它具有高共模抑制、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移的性能,外圍電路簡單,一般只要接一只外接電阻,改變電阻Rg的阻值,就可改變放大器增益。2.4 步進電機及驅(qū)動器驅(qū)動系統(tǒng)采用五相永磁式步進電機及相應(yīng)驅(qū)動器， 步距角為0.36°,最大靜力矩為600kg·mm,起動頻率為2kHz。步進電機的正反轉(zhuǎn)控制、轉(zhuǎn)角控制精確方便,且有較大的定位力矩,非常適合于彈簧力矩試驗的需要。2.5 輸出設(shè)備8段數(shù)碼顯示器分成兩個4位分別顯示大小力矩,測試結(jié)果由MP-A型面板式漢字微型打印機輸出。系統(tǒng)用了一片實時時鐘芯片D

9、S12887記錄測試日期及時間,并在測試報告單上打印出來。3 系統(tǒng)軟件<"cblue" " title="系統(tǒng)軟件">系統(tǒng)軟件采用單片機高級語言C51編寫,因為C語言編寫的程序可讀性、可移植性好,有很好的硬件控制能力和運算能力,編程效率高。系統(tǒng)軟件是模塊式結(jié)構(gòu),由主程序和若干個子程序構(gòu)成。軟件框圖如圖2所示。?主程序主要進行各個控制口<"cblue" " title="工作方式">工作方式的設(shè)定,包括8155擴展A口、B口、C口工作方式， 可編程鍵盤顯示接口器件8279芯

10、片工作方式設(shè)定及初始化。完成初始化后,8位<"innerlink" " title="LED">LED顯示器的第一位顯示P,并發(fā)出一聲長音,表示準備就序,掃描鍵盤,等待命令的輸入。操作鍵盤除復(fù)位鍵和09數(shù)字鍵外,還有打印、測量、圈數(shù)、次數(shù)、暫停、旋緊、退回、置零、疲勞9個功能鍵,按下每個功能鍵就執(zhí)行相應(yīng)的子程序,功能見表1。?另外,有一段滿量程調(diào)整子程序,其原理和功能在下節(jié)介紹。4 儀器調(diào)試我們采用了硬件和軟件相結(jié)合的方法進行調(diào)零和滿量程調(diào)整。調(diào)零方法:先調(diào)應(yīng)變電橋調(diào)零電位器,進行粗調(diào),并在軟件中設(shè)計調(diào)零子程序,可以隨時調(diào)整零點漂移

11、。開機后,按下置零鍵,調(diào)零子程序進行零值校正。滿量程調(diào)整方法:硬件粗調(diào),也就是給定輸入信號,調(diào)節(jié)可變電位器來改變放大器放大倍數(shù),使放大器輸出信號值Vout接近輸出信號設(shè)計值Voe。由于這個方法很難調(diào)精確,我們通過軟件進行細調(diào),即在給定輸入信號時,讀入放大器輸出信號值Vout,將Voe與Vout之比K作為調(diào)整系數(shù)。測試時,將讀出的數(shù)值乘以K來調(diào)整,這樣就能精確調(diào)整滿量程。但是,如果將K作為一個常數(shù)同程序一起固化在EPROM中,K就不可更改。由于每臺儀器放大器的K值都可能不同,因此系統(tǒng)用了一片DS12887實時時鐘芯片,它帶有114字節(jié)非易失靜態(tài)RAM,將K值存在此RAM中,可以隨時修改。同時,設(shè)

12、計了一個調(diào)試子程序,并設(shè)置了調(diào)試密碼。系統(tǒng)開機處于待機狀態(tài),輸入密碼后就進入調(diào)試子程序,讀入Vout并求出K,存入DS12887的RAM中,按下復(fù)位鍵退出。這樣一來,滿量程調(diào)整就非常方便。另外,將調(diào)零初值也存入DS12887的RAM中,斷電后不會丟失,還可以經(jīng)常調(diào)整,提高了儀器的測量精度。結(jié)合調(diào)試子程序,利用非易失靜態(tài)RAM存儲要經(jīng)常修改的參數(shù),可隨時對儀器進行調(diào)整,方便靈活。特別是在維修維護中,可現(xiàn)場調(diào)試,不必修改程序,提高了元器件和傳感器的可代換性。根據(jù)以上原理,儀器采用外掛砝碼來進行滿量程調(diào)整。外掛一定質(zhì)量砝碼,調(diào)節(jié)放大倍數(shù),使顯示數(shù)值大致等于砝碼重量乘以力臂的值,再進入調(diào)試子程序,計算K值并存入DS12887的RAM中,然后可用不同的砝碼來校驗其精度。結(jié)果表明誤差符合要求。儀器達到的主要指標為:最大試驗扭矩100Kg.mm,最小讀數(shù)0.1kg.mm,相對誤差在滿量程20%100%范圍內(nèi)為1%。電源為220V/AC/50Hz。本儀器已在彈簧廠投入使用。只要把待測彈簧裝上測試臺,設(shè)定工作圈數(shù)和疲勞次數(shù),按下測量鍵或疲勞鍵,它就按照彈簧發(fā)條測試規(guī)則,自動進行力矩與疲勞試驗,并打印出試驗結(jié)果。儀器使用方便,測量精度高,獲得