施軍曉 陳戩恒 金志穎 呂群珍

(金華出入境檢驗檢疫局 浙江金華 321015)

1 前言

電動工具堵轉試驗是GB 3883.1-2008《手持式電動工具的安全第一部分：通用要求》［1］及其GB 3883.6-2007《手持式電動工具的安全 第二部分：電鉆和沖擊電鉆的專用要求》［2］、GB 3883.7-2005《手持式電動工具的安全第二部分：錘類工具的專用要求》［3］與 GB 13960.1-2008《可移式電動工具的安全 第一部分：通用要求》［4］及其專用標準的重要安全試驗，試驗經(jīng)歸納分為兩個部分，第一部分包括電鉆、沖擊電鉆、電錘等產(chǎn)品的靜態(tài)堵轉(脫扣)力矩試驗，主要測試工具受到靜態(tài)堵轉時的力矩大小及堵轉后工具是否能正常起動;第二部分為電動工具開關堵轉試驗，包括：①感應式電動工具不正常操作堵轉試驗，要求堵住運動零件，接通開關5 min(只需照看的工具)或30s(手操作的工具)，主要測試此類工具使用時發(fā)生的意外情況;②手持式電動工具極端過載堵轉試驗，要求工具不能在正常負載電流的160?條件下運行時，堵轉工具15min或直到工具開路或出現(xiàn)火焰，主要測試工具堵轉時的泄漏電流及堵轉后的電氣強度;③電動工具開關堵轉次數(shù)試驗，要求電動機堵轉，操作開關50次或5次，每次“接通”時間不大于0.5 s，每次“斷開”時間不小于10s，主要測試裝在工具上的開關是否具備分斷大電流能力。

2 方法

2.1 靜態(tài)堵轉力矩試驗方法

靜態(tài)堵轉力矩試驗方法主要分為三種：第一種為傳統(tǒng)測試方法，即根據(jù)作用力與反作用力的原理進行測量，高軍勇［5］研制出一種復合力臂式的堵轉測量儀，減輕了試驗時產(chǎn)生的沖擊振動對測量精度的影響。第二種為根據(jù)傳遞力矩的軸會產(chǎn)生扭矩變形的原理進行測量，鮑荷琴［6］采用磁電相位差式力矩轉速傳感器(ZJ型)進行測量堵轉力矩，但存在安裝時對中性要求高和試驗效率低的缺點。趙介軍等人［7］采用位移傳感器技術中的電子尺來直接測量力臂，利用PLC技術進行靜態(tài)堵轉力矩或脫扣力矩定量測試，提高了試驗的安全性和準確性。對于100kw以上的電機，因設備限制不能實測堵轉力矩，可用“計算法”［8］求得，即用測電阻法進行試驗以求取堵轉力矩，此為第三種方法。

2.2 開關堵轉試驗方法

無論是開關通斷能力試驗機［9］還是開關壽命試驗臺［10］都是依據(jù)開關的零部件試驗標準進行設計開發(fā)的。作為整機試驗方法，電動工具開關堵轉試驗一般測試方法為機械制動工具運轉的同時人工操動工具開關，存在操作不安全、測試時間不準確、自動化程度低等缺點。

2.3 主要特點

本試驗臺的主要特點是采用電阻應變式靜態(tài)扭矩傳感器和混合式直線步進電機運動控制技術，把涉及電動工具最新國標要求的各種堵轉試驗集成一起，試驗綜合能力強，通用性好，攻克了電動工具靜態(tài)堵轉力矩傳統(tǒng)試驗不安全、欠準確的難點，同時解決了電動工具開關堵轉試驗過程中時間要求準確、試驗種類多、安裝難的問題。本試驗臺已取得發(fā)明專利［11］，專利號：200910096177.5。

3 總體設計

新型電動工具堵轉力矩試驗臺實物見圖1，主要由機架、多維裝夾臺、直線步進電機系統(tǒng)、執(zhí)行機構、計算機等5大部分構成?？傮w結構示意如圖2所示，各部件構成簡述如下。

圖1 新型電動工具堵轉力矩試驗臺實物圖

圖2 新型電動工具堵轉力矩試驗臺總體結構示意圖

3.1 機架

采用方鋼焊制而成，表面噴漆，四只腳裝有四個高強度的尼龍輪子，方便移動，并可以固定在地面上;臺面鋼板采用發(fā)黑處理;機架腳座尺寸為780mm×480mm×540mm，臺板尺寸為780mm×500mm×14mm。

3.2 電機工作臺

該工作臺可在水平面或垂直面旋轉360°，旋轉一定的角度與可傾斜裝夾臺配合使得驅動件與工具開關操作接觸面的法向一致;同時，安裝一個套在工作臺上下臺面槽縫上、可前后運動46mm的銷子穿過驅動螺桿使步進電機前后直線運動。

3.3 立柱

直線步進電機工作臺套在立柱上，電機可在水平面或垂直面旋轉并鎖定，工作臺上下可移動450mm，在適當位置夾緊固定;同時，立柱底部與機架臺面用絲桿連接，可前后縱向移動330mm并鎖定;這些設計可方便地進行試驗前工具夾裝、調整好試驗起始位置，方便不同結構、位置上的開關堵轉試驗。

3.4 直線步進電機系統(tǒng)

直線步進電機系統(tǒng)由硬件包括直線步進電機、控制器、驅動電源、RS485/RS232轉接口與編程軟件QUICKSTART 1組成。

3.5 執(zhí)行機構

執(zhí)行機構由驅動螺桿與開關操動件組成，鋼材螺桿M10mm，具有較強的剛性，螺桿前頭通過螺紋M5mm連接可拆卸的開關操動件。操動件應開關種類不同而不同，具有較強的適應性，如按鈕式開關采用門字型設計。

3.6 工具

電動工具種類繁多，大小不一;開關因工具不同而不同，最常見的是按鈕式開關。

3.7 可傾斜裝夾臺

放置在三維工作臺上，其左側一邊與三維工作臺鉸接，底面中間采用小型千斤頂結構，適用時用手輪頂起臺面，可逆時針傾斜60°，可使直線螺桿執(zhí)行機構從開關操作面的法向直接驅動開關(無驅動力的分解)。工作臺表面鍍鉻，尺寸 408mm ×324mm×25mm，臺面縱向橫向都開有間隔的T型槽，裝夾被測工具。

3.8 三維工作臺

三維工作臺底部固定在機架臺面上，尺寸410mm×325mm×21mm，基礎高255mm，用手輪可橫向移動100mm，縱向移動80mm，上下移動50mm，可在適當位置固定，有效避免工具夾裝時產(chǎn)生附加力矩，滿足不同被測工具的試驗要求。

3.9 剛性聯(lián)軸器

聯(lián)軸器一側與工具輸出軸相連的夾頭用孔￠10.5mm 與銷￠10mm 聯(lián)接，孔中心距 ￠22.3mm與￠28mm兩種，另外一側用鍵槽6mm×6mm×30mm與傳感器相連。為了準確測出電動工具靜態(tài)堵轉力矩，避免在中間環(huán)節(jié)力矩損失，所以采用剛性聯(lián)軸器，由鋼制成。

3.10 傳感器

JN338F型靜態(tài)扭矩傳感器通過法蘭(￠100mm，孔3×￠6mm)安裝在可橫向80mm、上下移動120mm的L型支撐座上，并可固定在機架臺面上，使工具夾裝、調整試驗位置等更方便、靈活。

此外，試驗臺還包括工作計算機，內(nèi)插PCI接口的JN338C測量板卡，通過操作相關應用軟件完成靜態(tài)堵轉力矩試驗或開關堵轉試驗，達到柔性化控制的目的。

4 設計分析

4.1 技術分析

通過對開關堵轉試驗進行測量分析，開關總行程小于10mm，操作力小于80N，結合開關每次“接通”時間不大于0.5 s，每次“斷開”時間不小于10 s的標準要求。我們選用可快速頻繁往復運動的美國海頓(Haydon)HSI貫通軸式57000系列Size 23混合式直線步進電機，步長0.0508mm，采用雙極性驅動方式，在脈沖頻率為1000Hz即驅動速度50.8mm/s時的驅動力為89N。所以，該電機可以驅動開關操作，0.5s內(nèi)能完成25.4mm的直線往復運動;通過直線螺桿執(zhí)行機構驅動開關閉合、斷開，在開關操作力、時間控制上能有效滿足開關堵轉試驗的要求。與該電機配套的直線步進電機驅動器選用美國IMS公司生產(chǎn)的IM483I，該驅動器采用先進表面貼片和高性能的ASIC技術，體積小，細分數(shù)可達256，并自帶基于windows編程軟件和運動分析工具，具有2K的程序存儲空間，通過RS485/RS232轉接口與計算機PCI總線相連，由IP402驅動電源驅動，通過編程可實現(xiàn)靈活的運動。

根據(jù)對靜態(tài)堵轉力矩試驗進行測量分析，(沖擊)電鉆的靜態(tài)堵轉力矩一般在1-10Nm之間。而電錘由于脫扣機構存在使得靜態(tài)堵轉脫扣力矩高達70Nm。為提高測量準確度與延長傳感器使用壽命，筆者選用扭矩測量范圍為0-100 Nm的 JN338 F型靜態(tài)扭矩傳感器。該傳感器的檢測手段為應變電測技術，適合于非旋轉系統(tǒng)扭矩的測量，準確度0.1-0.5%F·S，可承受 150% 過載;信號檢出、處理均用數(shù)字技術，可方便地通過JN338C轉矩轉速測量板卡與計算機PCI總線接口，由基于windows的轉矩轉速測量軟件實時測量堵轉力矩。

4.2 堵轉試驗分析

按 GB 3883.6-2007 和GB 3883.7-2005 對堵轉試驗的要求是測量靜態(tài)堵轉(脫扣)力矩的平均值，但沒有明確堵轉多久、前后做幾次的平均值。而推薦性的標準 GB/T 5580-2007《電鉆》［12］要求是堵轉 3s，GB/T 7443-2007《電錘》［13］要求測試脫扣力矩值共3次。因此綜合以上幾個標準的要求，且根據(jù)我們以往測試經(jīng)驗(以工具堵轉時或后未燒毀，方便開展下一步的開關堵轉試驗及所測數(shù)據(jù)較穩(wěn)定為前提)暫定每次堵轉時間約為2s，先后做3次，1次得到1個平均值，共3個，最后的靜態(tài)堵轉力矩值是測得的3個平均值中的最大值。

4.3 程序設計

4.3.1 堵轉力矩軟件

與JN338 F型靜態(tài)扭矩傳感器相配套的JN338C轉矩轉速測量板卡與計算機PCI總線接口相連接，由基于windows的電機特性測試軟件即堵轉力矩軟件實時測量并顯示動態(tài)過程的堵轉轉矩曲線。依據(jù)該軟件設計的采樣原理，一個采樣間隔內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)為該間隔內(nèi)的算術平均值，同時對前后采樣隔間的平均值作比較動態(tài)顯示這段時間(橫坐標表示時間)內(nèi)最大的平均值。依據(jù)傳感器校準數(shù)據(jù)設置各種軟件參數(shù)，設置采樣間隔為2.0ms，如圖3所示，3次試驗測得的堵轉力矩最大的平均值為12.17Nm。

圖3 堵轉力矩軟件示意圖

4.3.2 運動控制軟件

直線步進電機驅動器IM483I自帶運動控制分析工具和基于windows編程軟件。該工具可以對運動距離和運動時間(開關總行程和堵轉時間)等進行分析，設置電機起動步進速度和最大步進速度、加減速度、步數(shù)等參數(shù)，從而設置有效的直線步進電機參數(shù)，如圖4、圖5。

圖4 運動控制分析工具圖

圖5 直線步進電機參數(shù)設置

4.3.3 試驗程序

根據(jù)對運動參數(shù)的分析，編制了靜態(tài)堵轉力矩“2秒3次.QST”試驗程序，如圖6所示。此外還分別編制了開關堵轉“5次.QST”試驗程序、開關堵轉“50次.QST”試驗程序，手持式電動工具極端過載堵轉15min試驗程序，感應式電動工具不正常堵轉30s試驗程序，感應式電動工具不正常堵轉5min試驗程序等。以上程序，可以根據(jù)試驗需要分別調用。

圖6 靜態(tài)堵轉力矩“2秒3次.QST”試驗程序

4.4 工作原理

對于靜態(tài)堵轉力矩試驗，用剛性聯(lián)軸器一端與靜態(tài)傳感器相連，另外一端與工具輸出軸相連，夾緊工具，調整好試驗位置，設置堵轉試驗軟件的采樣間隔、測量范圍及其他參數(shù)(如報警值即通過標準中所規(guī)定的計算方法得出的力矩值)，執(zhí)行運動控制堵轉試驗程序，JN338 F型靜態(tài)力矩傳感器把采樣數(shù)據(jù)即力矩信號通過PCI總線傳給JN338C測量板卡，計算機實時采樣間隔內(nèi)的力矩平均值，經(jīng)過規(guī)定的堵轉時間和堵轉次數(shù)形成鋸齒形的采樣波形，并在計算機屏幕上實時顯示出這段測量時段內(nèi)的最大平均值，通過比較該最大值與報警值，判斷試驗合格與否。對于開關堵轉試驗，只需根據(jù)標準適用性的要求調用相應的運動控制試驗程序，依據(jù)標準的描述來判定工具合格與否即可。

4.5 達到的主要技術指標

堵轉力矩測量范圍：1-100Nm

堵轉力矩準確度：≤0.5級

時間精度：0.001s

單循環(huán)次數(shù)：0-255次

工作電壓：AC 220-240V/50-60Hz

5 技術關鍵與創(chuàng)新點

(1)設計了一套運動控制系統(tǒng)：IM483I控制器，配以IP402驅動電源，通過執(zhí)行基于windows平臺的用戶自編程序驅動HMI 57000系列size23步長0.0508mm混合式直線步進電機，利用步進電機固有的保持力，由執(zhí)行機構準確控制開關閉合時間即堵轉時間、斷開時間，自動化程度高。

(2)設計了一套可相互配合、相對運動靈活的工作臺，通過可傾斜式的三維工裝臺、縱向位置可調的傳感器支撐座、多方位可調的直線步進電機支撐機構，準確調整試驗初始位置，滿足不同開關類型和操作位置的開關堵轉試驗需要。

(3)通過JN338 F型靜態(tài)扭矩傳感器直接測出靜態(tài)堵轉力矩，避免先測力再計算出力矩而產(chǎn)生的測量誤差，并通過PCI接口的JN338C測量板卡、由基于windows平臺的堵轉測試軟件實時顯示采樣間隔的力矩平均值并記錄下前后每次堵轉比較測得的最大力矩平均值，符合標準試驗要求。

(4)該試驗臺一機多能，不僅能夠完成電動工具靜態(tài)堵轉(脫扣)力矩試驗，而且能夠完成電動工具開關堵轉試驗，包括電動工具開關堵轉次數(shù)試驗、手持式電動工具極端過載堵轉試驗以及感應式電動工具不正常堵轉試驗等。

6 小結

電動工具堵轉試驗是電動工具的重要安全試驗，能消除質量安全隱患，減少貿(mào)易糾紛;因此在檢測機構、生產(chǎn)廠家具有較好的推廣價值，無論是企業(yè)生產(chǎn)收入還是檢測收入，都具有較好的社會經(jīng)濟效益。

該試驗臺依據(jù)電動工具產(chǎn)品最新安全標準研制，一機多能，檢測準確，操作安全;適合電鉆、沖擊電鉆、電錘靜態(tài)堵轉(脫扣)力矩試驗，基本滿足電動工具開關堵轉試驗的需要;但因角向磨光機開關要實現(xiàn)二維運動，所以該試驗臺目前暫未能滿足角磨的開關堵轉試驗，執(zhí)行機構的前端部分必須進一步優(yōu)化設計。

［1］GB 3883.1-2008手持式電動工具的安全 第一部分：通用要求［S］.

［2］GB 3883.6-2007手持式電動工具的安全 第二部分：電鉆和沖擊電鉆的專用要求［S］.

［3］GB 3883.7-2005手持式電動工具的安全 第二部分：錘類工具的專用要求［S］.

［4］GB 13960.1-2008可移式電動工具的安全第一部分：通用要求［S］.

［5］高軍勇.旋轉電機堵轉轉矩的測量方法及復合力臂裝置［J］.中小型電機，1995，22(1)：34-35.

［6］鮑荷琴.單相漏磁制動電機的堵轉轉矩試驗［J］.微電機，1993，26(4)：44-45.

［7］趙介軍，吳志清，周杰，等.RTS-電動工具堵轉力矩自動測試系統(tǒng)的研制［J］.http：//www.chinaptp.com/techmarket/nsta/detail/402892ec23be5bef0123bed4252013f8.html.

［8］才家剛.電機試驗技術及設備手冊［M］.第一版.機械工業(yè)出版社，2004，5：385-387.

［9］張瑋昌.開關通斷能力試驗機［J］.電動工具.1997(4)：19-20.

［10］張凱徐艷葳.汽車開關壽命試驗臺［J］.常熟理工學院學報，2007，21(8)：66-70.

［11］施軍曉，金志穎，陳戩恒，呂群珍，等.電動工具堵轉力矩試驗臺：中國，200910096177.5［P］.2009-07-22.

［12］GB/T 5580-2007 電鉆［S］.

［13］GB/T 7443-2007 電錘［S］.