莊曙東，金軍，言軍，劉健

（1、河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022;2、海頓直線電機(jī)（常州）有限公司，江蘇常州 213022）

毋庸置疑，中國現(xiàn)在是制造業(yè)大國，但絕對不是強(qiáng)國，其中一個主要原因是產(chǎn)品的品質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上歐美日等國，究其因，我國的生產(chǎn)企業(yè)大多以理論和經(jīng)驗作為設(shè)計和檢驗產(chǎn)品是否合格的標(biāo)準(zhǔn)，只要零件符合設(shè)計要求就是合格零件了，合格的零件按照相應(yīng)的工藝裝配起來就是合格的產(chǎn)品了，這些在理論上是可行的。但實際上理論可行，不一定事實就是如此，因此歐美日等企業(yè)除了上述正確的步驟外，還不斷對產(chǎn)品做壽命測試，通常壽命測試的方式有多種，如根據(jù)經(jīng)驗，挑出短壽部件，對短壽部件進(jìn)行壽命測試，從而推算出整個設(shè)備的壽命;苛刻設(shè)備使用條件（如測試時加大受力值），測試設(shè)備的壽命等;但無論在何種方式下，通常是在多次測試下尋找產(chǎn)品的生命曲線，多次檢驗實際檢測結(jié)果是否和理論相符合。

本文就是根據(jù)國外企業(yè)的要求，對國內(nèi)某企業(yè)出口的門把手壽命是否能達(dá)到10萬次使用壽命而開發(fā)的壽命測試設(shè)備，壽命測試設(shè)備是把門把手固定后，通過傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，模擬鎖具的使用狀況，測試鎖具的耐久性、靈活度和牢固度;在測試過程中，壽命測試設(shè)備能不斷記錄相關(guān)測試數(shù)據(jù)，為下一步門把手的改進(jìn)提供定量的數(shù)據(jù)。整套設(shè)備從門扶手工作原理分析開始，分整體框架、動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電氣控制機(jī)構(gòu)、夾具機(jī)構(gòu)等內(nèi)容進(jìn)行研制。

1 壽命測試設(shè)備工作原理分析

一般地，門把手的工作原理很簡單，無論開關(guān)門，都是人的手對把手施加一個旋轉(zhuǎn)力，通過一個帶彈簧的壓桿結(jié)構(gòu)，使鎖舌縮進(jìn)，開門或關(guān)門，然后松開把手，鎖舌又彈出復(fù)位。無論何種門把手，都是鎖舌、彈簧、壓桿或其他傳動機(jī)構(gòu)的組合，這些機(jī)構(gòu)在被用來開關(guān)門一定時間和次數(shù)后，會逐漸喪失正常的開閉功能，比如彈簧老化、壓桿斷裂不動作、齒輪磨損等，因此其有一定的使用壽命。

為了測試這一壽命，通過測試人員數(shù)10萬次不斷重復(fù)開關(guān)門的動作來判斷鎖具的好壞，不現(xiàn)實，也不可靠:做這種重復(fù)一致的測試工作十分枯燥且浪費(fèi)人力。而且測試效率極低，測試周期長，測試壽命10萬次的一個門把手需要的時間可能就要幾周時間，測試幾個，需要的時間可能要以年來計算。因此需要研制全自動的壽命測試設(shè)備來進(jìn)行測試。

根據(jù)門把手的工作原理，壽命測試設(shè)備應(yīng)滿足一些條件和要求:

1）門把手的定位和夾緊，而且應(yīng)易于拆卸。

2）模擬人手，實現(xiàn)門扶手的旋轉(zhuǎn)動作及鎖舌的伸縮動作。

3）正確計數(shù)，同時可隨時使設(shè)備停止工作，查看發(fā)生的狀況，而且保證計數(shù)不清零。

4）門扶手測試出現(xiàn)故障時，能及時停止及報警。

5）整個設(shè)備應(yīng)符合機(jī)電設(shè)備經(jīng)濟(jì)、高效、安全的原則。

根據(jù)以上原則和要求，確定門把手壽命測試設(shè)備工作原理為:由設(shè)備的夾具體夾緊測試的門把手，由電磁閥控制的可調(diào)式擺動氣缸模擬人手來實現(xiàn)門扶手的旋轉(zhuǎn)，迷你氣缸帶動鎖舌的進(jìn)出，正確計數(shù)的工作由低速電動機(jī)、接近開關(guān)、帶孔的鐵片及計數(shù)裝置來實現(xiàn)，即將接近開關(guān)固定于鐵片前，電動機(jī)帶動鐵片旋轉(zhuǎn)，當(dāng)接近開關(guān)處于鐵片開孔處就反饋一信號給計數(shù)裝置實現(xiàn)一次計數(shù)。

2 壽命測試設(shè)備的整體設(shè)計

根據(jù)門把手壽命測試設(shè)備工作原理，壽命測試裝置基本上包含整體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制與計數(shù)部件以及夾具組件等部分。

整體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部件包括:整體框架、工作臺、控制箱、玻璃罩。整體框架主要用于固定包括工作臺、控制箱、玻璃罩等等分支機(jī)構(gòu)的支架，是整個設(shè)備的基礎(chǔ)。工作臺主要用于固定鎖體夾具，鎖舌擠壓機(jī)構(gòu)、門扶手旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)?？刂葡溆糜诠潭姎饪刂圃熬€路的合理布置。玻璃罩主要用于減少工作臺上執(zhí)行機(jī)構(gòu)灰塵的堆積以及減少工作時的噪聲。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:迷你氣缸及其固定裝置、擺動氣缸及其固定裝置、電磁閥、氣壓泵。固定裝置主要用于固定氣缸，迷你氣缸和擺動氣缸則構(gòu)成了整個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動部件。電磁閥用于配合電路實現(xiàn)氣缸的整個動作。氣壓泵則是成了整個執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力來源。

控制與計數(shù)部件包括:電源裝置、空氣開關(guān)、繼電器、接近開關(guān)、線槽、接線排、計數(shù)器。電源裝置是將220V交流轉(zhuǎn)化成低壓直流;空氣開關(guān)完成對電路的通斷以及設(shè)備短路.嚴(yán)重過載及欠壓等進(jìn)行保護(hù);繼電器與接近開關(guān)相配合實現(xiàn)電路的通斷控制電磁閥完成機(jī)構(gòu)的動作;接近開關(guān)與計數(shù)器配合實現(xiàn)門把手動作次數(shù)的記錄;線槽用來將電源線、數(shù)據(jù)線等線材規(guī)范的整理;接線端子排使得接線美觀，維護(hù)方便。

夾具組件包括夾具體、定位機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)等，其設(shè)計要考慮滿足多種門把手測試的要求。

3 壽命測試設(shè)備機(jī)械部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部件的設(shè)計

整體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部件包括:整體框架、工作臺、控制箱、玻璃罩。

整體框架是整個設(shè)備的基礎(chǔ)，承載著機(jī)構(gòu)所有的載荷，關(guān)系著整個設(shè)備的壽命。但由于本設(shè)備承載較小，考慮到經(jīng)濟(jì)實用的原則，整體框架選用了30mm×30mm鋁型方管材，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，聯(lián)接采用市場成熟的標(biāo)準(zhǔn)件來實現(xiàn)。

工作臺需固定夾具組件、氣缸等部件，但承載不是很大，考慮到加工方便美觀，設(shè)備靈巧實用及防銹等諸多因素，工作臺采用外形尺寸為300×400×10，牌號為LY12的鋁板。

考慮到設(shè)備的演示效果，整體框架外部固定U型槽條，其內(nèi)插入無色透明有機(jī)玻璃板材作為外罩。

3.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是完成門扶手整個動作的重要部件，在整個工作過程起到了模擬鎖具在實際使用過程中的動作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:擺動氣缸及其固定裝置、迷你氣缸及其固定裝置、電磁閥、氣壓泵。

圖1 整體框架結(jié)構(gòu)示意圖

模擬人手，按壓旋轉(zhuǎn)門扶手的動作過程由擺動氣缸來實現(xiàn)，擺動氣缸是利用壓縮空氣驅(qū)動輸出軸在一定角度范圍內(nèi)作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的氣動執(zhí)行元件?？梢酝瓿晌矬w的轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)、分類、夾緊、閥門的開閉等動作。使用擺動氣缸，通過調(diào)壓閥可以調(diào)整傳動桿對門扶手的壓力，通過擺動氣缸的任意角度調(diào)整可以改變鎖體轉(zhuǎn)動角度或轉(zhuǎn)動方向。選用SMC的CDRBU2WU15-180SEL自由安裝型擺動氣缸。由于受力不大，固定擺動氣缸裝置采用L形結(jié)構(gòu)的支座，材料選擇LY12。

擺動氣缸與門扶手連接孔之間由一傳動桿連接，傳動桿與擺動氣缸之間通過微型聯(lián)軸器連接，微型聯(lián)軸器選用夾緊剛性型聯(lián)軸器KM7B-25-12-10。

傳動桿由于是本設(shè)備最易磨損的零件，材料選用40Cr，40Cr價格適中，加工容易，經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚硪院罂色@得很好的韌性、塑性和耐磨性。

鎖舌伸縮由彈性系數(shù)不大的彈簧來實現(xiàn)，鎖舌伸縮的壽命測試主要測試彈簧的壽命，即彈簧在鎖舌伸縮行程內(nèi)往復(fù)10萬次后，能否仍然保持彈性，因此壽命測試設(shè)備中實現(xiàn)這一過程所承受的力就是彈力及微小的摩擦力，可選擇型號為MA-U-25×40-LB的迷你氣缸來實現(xiàn)動作，其固定裝置所承受的載荷也不是很大，也應(yīng)具有一定的剛度和抗振性，也采用L形結(jié)構(gòu)的支座，材料選擇Q345。

3.3 夾具組件的設(shè)計

夾具組件主要實現(xiàn)測試門把手的固定，考慮門把手具有多種規(guī)格尺寸，因此夾具組件應(yīng)具有通用性，以滿足多類型門把手的測試要求，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 夾具示意圖

4 壽命測試設(shè)備控制與計數(shù)部件的設(shè)計

根據(jù)設(shè)備工作原理，控制系統(tǒng)能實現(xiàn)門扶手測試頻率控制，能連續(xù)模擬各種鎖具的使用過程，能顯示記錄門扶手執(zhí)行次數(shù)，當(dāng)門扶手損壞時能自動停止測試。

4.1 電源及開關(guān)的選擇

電源的選擇主要考慮電源輸出的穩(wěn)定性、安全性及其使用壽命，可選擇規(guī)格24V-4A-100W的開關(guān)電源。

開關(guān)選擇型號為DZ47-63 C16空氣開關(guān)，能完成接通和分?jǐn)嚯娐?，對電路或電氣設(shè)備發(fā)生的短路、嚴(yán)重過載及欠電壓等進(jìn)行保護(hù)，其額定電流為16A。

4.2 動作順序的控制

動作順序的控制主要有繼電器、電磁閥、接近開關(guān)等元件來實現(xiàn)。

繼電器是一種實現(xiàn)控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路）之間的互動關(guān)系的電控制器件，其實質(zhì)是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動開關(guān)”。一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。在本設(shè)備中選用的繼電器型號為:HH54P，MY2NJ。

電磁閥是用電磁效應(yīng)進(jìn)行控制，與繼電器配合，可以在工業(yè)控制系統(tǒng)中實現(xiàn)調(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他參數(shù)的控制。在本設(shè)備中選用型號為4V110-06的電磁閥，其各參數(shù)，工作壓力0.12MPa～0.8MPa，最大耐壓力 1.2MPa，最高動作頻率 4次/s，電壓 DC12/DC24/AC24/AC110/AC220/AC380，工作溫度-5℃ ～60℃。

接近開關(guān)是利用位移傳感器對接近物體的敏感特性達(dá)到控制開關(guān)通或斷的目的，當(dāng)有物體移向接近開關(guān)，并接近到一定距離時，位移傳感器才有“感知”，開關(guān)才會動作。在設(shè)備中，由于所測對象為金屬，選用型號為LJ12A3-4-Z/AX的電感式接近開關(guān)。

動作順序控制電路示意圖如圖3所示。

圖3 動作順序的控制電路示意圖

4.3 計數(shù)的控制

計數(shù)的控制由接近開關(guān)與計數(shù)器等元件配合實現(xiàn)。即接近開關(guān)通過固定裝置固定在迷你氣缸實現(xiàn)鎖舌伸縮的動作處，當(dāng)迷你氣缸使鎖舌縮到最大處，迷你氣缸桿端的壓塊使接近開關(guān)輸出閉合信號，此時計數(shù)器接到信號，記錄一次門把手動作。迷你氣缸退回，鎖舌伸出，由于鎖舌小于壓塊尺寸，接近開關(guān)不能檢測到信號，故此時接近開關(guān)不能輸出閉合信號，計數(shù)器不能計數(shù)，下次計數(shù)要到迷你氣缸再次使鎖舌縮到最大處時，從而實現(xiàn)門把手動作的精確計數(shù)。

接近開關(guān)選用Autonics型號為PR12-4DN的三線制接近開關(guān)。其檢測距離為4mm，工作電壓為:10—30V DC，輸出類型:三線制 NPN（NO）常開。

計數(shù)器選用型號為JDM11-6H的電子計數(shù)器，該計數(shù)器具有帶停電記憶功能，當(dāng)電源恢復(fù)時，可以不丟失地繼續(xù)進(jìn)行計數(shù)，帶面板復(fù)位功能等特點(diǎn)，其計數(shù)器工作電壓為AC/DC:12—24V。

4.4 門扶手鎖體損壞的報警控制

門扶手在壽命測試中發(fā)生損壞、使門扶手正常動作所需力突然減小，絕大部分發(fā)生在鎖體內(nèi)部彈簧斷裂上，所以門扶手鎖體損壞的報警控制可依此設(shè)計，即通過與彈簧相連接的導(dǎo)線（檢測前使彈簧與鎖體絕緣），帶動繼電器，關(guān)閉工作電源，即可使裝置停止工作，同時繼電器打開蜂鳴器電源，發(fā)出報警信號，此時計數(shù)器中顯示門扶手損壞時已進(jìn)行的壽命測試的次數(shù)。其控制電路示意圖如圖4所示。

圖4 測試裝置停機(jī)報警電路

5 結(jié)語

根據(jù)以上壽命測試設(shè)備的整體設(shè)計、機(jī)械部件結(jié)構(gòu)設(shè)計及控制與計數(shù)部件的設(shè)計，壽命測試設(shè)備整體設(shè)計示意圖如圖5所示。

圖5 壽命測試設(shè)備的整體設(shè)計示意圖

經(jīng)機(jī)械部件的安裝，控制電路的調(diào)試，并通過實際樣機(jī)運(yùn)行表明，所研制的裝置能夠可靠的進(jìn)行門扶手壽命測試，并具有成本低、測試速度快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，測試中損壞部件與實際生活中相符。目前該設(shè)備樣機(jī)已投入某廠的門把手壽命的測試工作，同時該樣機(jī)也得到其國外客戶的認(rèn)可，圖6所示為樣機(jī)測試后損壞的鎖體，圖7所示為測試前與測試10萬次后門把手內(nèi)彈簧金相組織圖。多次測試實驗結(jié)果也表明，門把手中最易損壞部件為彈簧，而門把手內(nèi)的齒輪及其他部件損壞情況遠(yuǎn)好于彈簧。

圖6 測試后鎖體

圖7 測試前與測試10萬次后門把手內(nèi)彈簧金相組織圖

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