彈簧發(fā)條力矩和疲勞自動測試的研究

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)條力矩和疲勞自動測試儀，介紹了硬件和軟件結(jié)構，設計了方便實用的儀器調(diào)試子程序。

關鍵詞：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)生的性能。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)相應的測試設備智能化、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。它由單征機控制，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)生機械性能參數(shù)包括：①力矩衰減率（%）SM；②疲勞壽命（次）；③大力矩M0.5；④小力矩Mn；⑤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：

Bm=(M0.5-Mn)/M0.5 (1)

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圈為一交），測得小力矩Mn'?？筛鶕?jù)下式計算出力矩衰減率Sm為：

Sm=(Mn-Mn')/Mn (2)

要求疲勞試驗速度每秒不大于2圈。

2 系統(tǒng)硬件設計

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)、步進電機及驅(qū)動器、彈簧測試座、測力傳感器及信號放大器、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)構和工作原理，設計了彈簧測試機構。電機軸轉(zhuǎn)動時，發(fā)條就跟著旋緊或放松。發(fā)條旋緊時，通過機械結(jié)構將扭力傳送到測力傳感器上，測力傳感器的應變電橋輸出相應電壓信號，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、A/D轉(zhuǎn)換，就可得到相應的力矩數(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)絡線。PA0～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，在表面貼應變片構成應變電橋，受力時變會有電壓信號輸出。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%/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)角控制精確方例，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征DS12887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

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，由主程序和若干個子程序構成。軟件框圖如圖2所示。

主程序主要進行各個控制口工作方式的設定，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芯片工作方式設定及初始化。完成初始化后，8位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。

操作鍵盤除復位鍵和0～0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)行相應的子程序，功能見表1。

表1 功能鍵表

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)應變電橋調(diào)零電位器，進行精調(diào)，并在軟件中設計調(diào)零子程序，可以隨時調(diào)整零點漂移。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)可變電位器來改變和大器放大倍數(shù)，使放大器輸出信號值Vout接近輸出信號設計值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，設計了一個調(diào)試子程序，并設置了調(diào)度密碼。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220/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，獲得用戶歡迎。由于步進電機步距角小，稍加改進后，可用于各種扭簧、蝸卷彈簧、彈性元件的扭轉(zhuǎn)角、扭轉(zhuǎn)力矩的測試。