彈簧發(fā)條力矩和疲勞自動(dòng)測(cè)試的研究

摘要：根據(jù)彈簧發(fā)條力矩和疲勞試驗(yàn)方法，研制了基于單片機(jī)的彈簧發(fā)條力矩和疲勞自動(dòng)測(cè)試儀，介紹了硬件和軟件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了方便實(shí)用的儀器調(diào)試子程序。

關(guān)鍵詞：彈簧發(fā)條 力矩和疲勞測(cè)試 單片機(jī)

機(jī)械式定時(shí)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(shí)控制中。定時(shí)器的質(zhì)量及定時(shí)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(shí)器生產(chǎn)廠家對(duì)每一批次的彈簧發(fā)條都要進(jìn)行抽樣檢測(cè)。測(cè)試內(nèi)容主要包括扭矩測(cè)試與疲勞測(cè)試。目前國(guó)內(nèi)相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備智能化、自動(dòng)化程度不高，力矩和疲勞試驗(yàn)需分開進(jìn)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(yàn)儀。它由單征機(jī)控制，智能化、自動(dòng)化程度高，只要把待測(cè)彈簧裝上測(cè)試臺(tái)，就能自動(dòng)進(jìn)行力矩與疲勞試驗(yàn)，并打印出試驗(yàn)結(jié)果。

1 發(fā)條的機(jī)械性能參數(shù)及試驗(yàn)方法

1.1 發(fā)條的機(jī)械性能參數(shù)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，發(fā)生機(jī)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(dòng)率BM。

1.2 檢驗(yàn)方法

彈簧發(fā)條要上緊放松來回5次后再進(jìn)行力矩測(cè)試。發(fā)條完全上緊后退回0.5圈時(shí)，輸出的力矩為大力矩M0.5；繼續(xù)退回Ng(工作圈數(shù))圈時(shí)，輸出的力矩為小力矩Mn。根據(jù)大小力矩計(jì)算出力矩變動(dòng)率Bm為：

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

發(fā)條疲勞1000次后（疲勞試驗(yàn)以上緊后退回0.5圈作為起點(diǎn)，上緊放松Ng-0.5圈為一交），測(cè)得小力矩Mn'。可根據(jù)下式計(jì)算出力矩衰減率Sm為：

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

要求疲勞試驗(yàn)速度每秒不大于2圈。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)彈簧機(jī)械性能參數(shù)及試驗(yàn)方法，我們研制了智能型彈簧發(fā)條力矩和疲勞試驗(yàn)儀。它由8031單片機(jī)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、彈簧測(cè)試座、測(cè)力傳感器及信號(hào)放大器、面板式打印機(jī)、電源等部分組成，如圖1所示。

2.1 彈簧測(cè)試座

根據(jù)機(jī)械式定時(shí)器的結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)了彈簧測(cè)試機(jī)構(gòu)。電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)條就跟著旋緊或放松。發(fā)條旋緊時(shí)，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)將扭力傳送到測(cè)力傳感器上，測(cè)力傳感器的應(yīng)變電橋輸出相應(yīng)電壓信號(hào)，輸出信號(hào)與它受的力即發(fā)條扭矩成正比。此信號(hào)經(jīng)過放大、A/D轉(zhuǎn)換，就可得到相應(yīng)的力矩?cái)?shù)值。

2.2 單片機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)由微處理器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、擴(kuò)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(jī)，配置64K片外程序存儲(chǔ)器和32K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8155芯片作擴(kuò)展I/O口，其中B口為打印機(jī)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(jī)聯(lián)絡(luò)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(hào)從PA0輸出到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，控制步進(jìn)電機(jī)速度；PA1輸出高低電平，控制步進(jìn)電機(jī)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(cè)試完成及需要時(shí)切斷電機(jī)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(hào)處理系統(tǒng)

信號(hào)處理系統(tǒng)由測(cè)力傳感器、信號(hào)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器組成。測(cè)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(shí)變會(huì)有電壓信號(hào)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(diǎn)溫漂為0.030%/10℃，是較理想的測(cè)力傳感器。

放大器采用ADI的儀表放大器AD620，因?yàn)樗哂懈吖材Ｒ种啤⒏咻斎胱杩?、低噪聲、低線性誤差、低失調(diào)漂移的性能，外圍電路簡(jiǎn)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(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用五相永磁式步進(jìn)電機(jī)及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器，步距角為0.36°，最大靜力矩為600kg·mm，起動(dòng)頻率為2kHz。步進(jìn)電機(jī)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(yàn)的需要。

2.5 輸出設(shè)備

8段數(shù)碼顯示器分成兩個(gè)4位分別顯示大小力矩，測(cè)試結(jié)果由MP-A型面板式漢字微型打印機(jī)輸出。系統(tǒng)用了一片實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯征DS12887記錄測(cè)試日期及時(shí)間，并在測(cè)試報(bào)告單上打印出來。

3 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件采用單片機(jī)高級(jí)語言C51編寫，因?yàn)镃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(yùn)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(gè)子程序構(gòu)成。軟件框圖如圖2所示。

主程序主要進(jìn)行各個(gè)控制口工作方式的設(shè)定，包括8155擴(kuò)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(shè)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(zhǎng)音，表示準(zhǔn)備就序，掃描鍵盤，等待命令的輸入。

操作鍵盤除復(fù)位鍵和0～0數(shù)字鍵外，還有打印、測(cè)量、圈數(shù)、次數(shù)、暫停、旋緊、退回、置零、疲勞9個(gè)功能鍵，按下每個(gè)功能鍵就執(zhí)行相應(yīng)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(jìn)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(jìn)行精調(diào)，并在軟件中設(shè)計(jì)調(diào)零子程序，可以隨時(shí)調(diào)整零點(diǎn)漂移。開機(jī)后，按下置零鍵，調(diào)零子程序進(jìn)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(hào)，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(hào)值Vout接近輸出信號(hào)設(shè)計(jì)值Voe。由于這個(gè)方法很難調(diào)精確，我們通過軟件進(jìn)行細(xì)調(diào)，即在給定輸入信號(hào)時(shí)，讀入放大器輸出信號(hào)值Vout，將Voe與Vout之比K作為調(diào)整系數(shù)。測(cè)試時(shí)，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(gè)常數(shù)同程序一起固化在EPROM中，K就不可更改。由于每臺(tái)儀器放大器的K值都可能不同，因此系統(tǒng)用了一片DS12887實(shí)時(shí)時(shí)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(shí)修改。同時(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)調(diào)試子程序，并設(shè)置了調(diào)度密碼。系統(tǒng)開機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，輸入密碼后就進(jìn)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(huì)丟失，還可以經(jīng)常調(diào)整，提高了儀器的測(cè)量精度。結(jié)合調(diào)試子程序，利用非易失靜態(tài)RAM存儲(chǔ)要經(jīng)常修改的參數(shù)，可隨時(shí)對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)整，方便靈活。特別是在維修維護(hù)中，可現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)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(jìn)入調(diào)試子程序，計(jì)算K值并存入DS12887的RAM中，然后可用不同的砝碼來校驗(yàn)其精度，結(jié)果表明誤差符合要求。儀器達(dá)到的主要指標(biāo)為：最大試驗(yàn)扭矩100Kg·mm，最小讀數(shù)0.1kg·mm，相對(duì)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(cè)彈簧裝上測(cè)試臺(tái)，設(shè)定工作圈數(shù)和疲勞次數(shù)，按下測(cè)量鍵或疲勞鍵，它就按照彈簧發(fā)條測(cè)試規(guī)則，自動(dòng)進(jìn)行力矩與疲勞試驗(yàn)，并打印出試驗(yàn)結(jié)果。儀器使用方便，測(cè)量精度高，獲得用戶歡迎。由于步進(jìn)電機(jī)步距角小，稍加改進(jìn)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(cè)試。