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        高精度鞋類減震試驗機的研制

        2021-12-31 00:52:52韓健健胡勇杰高軍
        輕工標(biāo)準與質(zhì)量 2021年6期

        韓健健 胡勇杰 高軍

        (1.廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院,廣東廣州 510670;2.東莞市恒宇儀器有限公司,廣東東莞 523000)

        我國是全球最大的產(chǎn)鞋國和鞋類出口國,減震系統(tǒng)是鞋類尤其是運動鞋中最重要的核心部分,運動時,人體會不停的承受很大重力,腳落地時,還會產(chǎn)生相當(dāng)大的沖擊力[1]。如果穿著的鞋沒有良好的減震系統(tǒng)來緩沖這種沖擊,人的雙腳將會感到疲憊不堪,無法保持速度和耐力。更為嚴重的是,高頻率和高強度的沖擊,會對大腦造成震蕩,對健康造成損害[2,3]。具備減震功能的鞋類可以防止運動傷害,尤其是防止脛骨痛、骨折及關(guān)節(jié)痛,減輕疲倦感,即相對的提高運動表現(xiàn),迅速恢復(fù)體力,不易造成雙腳酸痛。因此,減震性能是鞋類提高穿著舒適性,以及防止運動傷害非常重要的安全性能。

        但是,目前市場上鞋類的減震性能質(zhì)量參差不齊,究其原因,主要有以下三個方面:一是不少中小鞋企為了擴大銷售業(yè)績,將減震性能作為噱頭吸引消費者的注意,生產(chǎn)的鞋類未經(jīng)質(zhì)量把關(guān)就投入市場;二是大型鞋企和研發(fā)機構(gòu)受限于現(xiàn)有減震檢測設(shè)備的功能,難以研發(fā)出符合減震性能要求的鞋類產(chǎn)品;三是檢測機構(gòu)缺少有效的檢測設(shè)備對鞋類減震性能質(zhì)量進行把關(guān),導(dǎo)致監(jiān)管缺位。歸根結(jié)底,鞋類減震性能長期處于不理想狀態(tài),還是由于缺少有效的減震試驗機對質(zhì)量進行把關(guān)。

        鑒于此,研制檢測結(jié)果精準、重現(xiàn)性更高的滿足各種鞋類實際檢測需要的減震試驗機的,是非常有必要的。

        1 高精度鞋類減震試驗機的研發(fā)思路

        試驗設(shè)備的精度,是其使用的核心要素。研究通過在高精度的力學(xué)作用點、高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等方面,進行技術(shù)突破,攻克當(dāng)前減震試驗機精度難以滿足實際檢測要求的難題。

        2 研發(fā)過程及討論

        2.1 高精度的力學(xué)作用點確立

        力學(xué)作用點的關(guān)鍵影響因素,為零點面的精準程度。相關(guān)標(biāo)準規(guī)定,當(dāng)沖擊能量為5 J 時,其對應(yīng)的沖擊高度為(50±2.5)mm,因為沖擊高度的精度,直接影響著沖擊能量的精度,而位移零點位置的選取又會直接影響到?jīng)_擊高度,從而導(dǎo)致沖擊能量的變化,所以如何確定位移零點十分重要。

        目前,市場上現(xiàn)有儀器對于位移零點的選取方式有兩種,一種是沖錘壓在試樣表面清零,另一種是手動調(diào)整沖錘高度至接觸試樣表面再清零。第一種清零方式,由于沖錘壓在試樣表面會使試樣產(chǎn)生凹陷,導(dǎo)致試樣的位移零點值產(chǎn)生偏移,從而影響測試數(shù)據(jù),并且這種影響,會隨著試樣硬度的不同而有顯著差異,這也導(dǎo)致了采用傳統(tǒng)固定高度方式,在測定不同材質(zhì)樣品時存在結(jié)果不準確的嚴重問題;第二種清零方式,因為是采用手動調(diào)整高度的方式,同時用肉眼觀察沖錘接觸至試樣表面再清零,這種人為操作的方式因人而異,容易產(chǎn)生人為誤差,且操作不便,容易造成視覺疲勞、效率低。

        為了攻克現(xiàn)行兩種清零方式存在的以上問題,研究重新定義了一種自動測量位移零點方式,即把沖錘剛接觸到試樣表面,并產(chǎn)生2 N 的接觸力時所對應(yīng)的位移值作為零點,然后每一次的沖擊高度,都會根據(jù)上一次沖擊產(chǎn)生2 N 接觸力時的位移零點進行調(diào)整,這樣便能精確控制每一次的沖擊高度都相同,同時避免了試樣經(jīng)反復(fù)沖擊后產(chǎn)生形變、凹陷導(dǎo)致零點面變化,而影響測試精度,以及人工操作的誤差,使操作更加簡便,提高測試效率。不同清零方式對試驗數(shù)據(jù)的影響,如表1 所示。

        從表1 可知,沖錘壓在試樣表面清零所測得的G 值,比手動調(diào)整清零和自動清零所測得的值要小,這也驗證了之前的判斷,因為沖錘壓在試樣表面會使試樣產(chǎn)生凹陷(如圖1 所示),此時清零則導(dǎo)致試樣的位移零點值低于實際值,而儀器提升高度設(shè)定的是定值,零點面偏低就會導(dǎo)致提升高度偏小,降低了沖擊高度,使得G 值偏小。

        圖1 沖錘壓在試樣表面示意圖

        手動調(diào)整高度清零所測得的數(shù)據(jù)波動大,是因為這種方式容易受到人為等外部因數(shù)的干擾而影響測試精度。結(jié)果表明,采用自動清零方式所測得的數(shù)據(jù)最為穩(wěn)定,可靠性更高。

        2.2 高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

        減震試驗機的直接作用是通過試驗,輸出樣品減震性能的試驗結(jié)果,因此,高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是試驗機研制的關(guān)鍵技術(shù)點。

        傳感器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的起始點,傳感器的好壞直接決定了數(shù)據(jù)采集質(zhì)量。目前市場上現(xiàn)有設(shè)備,都是采用普通傳感器測量位移值,其優(yōu)點是價格實惠,但因這種方式傳感器測量桿與沖錘裝置直接相連,傳感器內(nèi)置的回位彈簧會有力作用在沖錘裝置上,從而影響測試精度(其安裝方式如圖2 所示),為解決該問題,研究設(shè)計采用了一種非接觸式光柵位移傳感器(如圖3 所示)。

        圖2 普通位移傳感器安裝方式

        圖3 光柵位移傳感器安裝方式

        研究通過對DIN 標(biāo)準橡膠試片進行測試,分析比較兩種不同類型的位移傳感器對測試結(jié)果的影響,結(jié)果如表2 所示。

        從表2 可知,使用光柵位移傳感器測得的能量回復(fù)率,比使用普通位移傳感器測得的能量回復(fù)率高,這是因為光柵傳感器的讀數(shù)頭,和光柵尺之間的安裝方式是非接觸式的,兩者分別安裝在儀器的固定端和運動端,其運動裝置的質(zhì)量是恒定不變的,避免了外力的干擾,但若用普通位移傳感器,因其內(nèi)部帶有復(fù)位彈簧,隨著壓縮位移的不同其彈力也會相應(yīng)改變,導(dǎo)致始終有一個變化的外力作用在沖錘裝置部位,從而影響測試效果,因這個外力會阻礙沖錘的反彈性,所以采用普通位移傳感器測得的能量回復(fù)率數(shù)據(jù)會偏低。由此可見,采用光柵位移傳感器可有效克服這個弊端,提高測試數(shù)據(jù)的準確性。

        表2 普通位移傳感器和光柵位移傳感器試驗數(shù)據(jù)對比

        不同于國內(nèi)外現(xiàn)有的減震試驗機,本研究設(shè)計的試驗機,新定義了一種清零方式,因此,不同于國際上單一應(yīng)用位移傳感器,本研究采用位移和力學(xué)雙重傳感器,進行數(shù)據(jù)采集。位移和力學(xué)雙重傳感器的應(yīng)用,使得每次的沖擊高度為恒定值,并得到精確控制,有效避免了試樣經(jīng)反復(fù)沖擊后產(chǎn)生形變、凹陷,導(dǎo)致零點面變化而影響測試精度及人工操作的誤差,徹底消除試樣壓縮后零點面變化,導(dǎo)致的測試結(jié)果不精確、重現(xiàn)性差等問題。

        從傳感器產(chǎn)生的壓電電荷信號,是非常微弱的,需要經(jīng)過放大電路的進一步放大處理,才能給后續(xù)的采集芯片采集解析。從傳感器傳出來的原始數(shù)據(jù),如圖4 所示。從圖4 可以看出,雖然原始數(shù)據(jù)信號波形輪廓清晰,但是波形中參雜的各種噪聲和干擾也是非常的強烈。該波形如果直接放大給到AD 模數(shù)芯片采集,將會使得采集出來的數(shù)據(jù),充滿各種雜波干擾,甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)嚴重失真。

        圖4 原始數(shù)據(jù)波形圖

        為了確保后續(xù)解析數(shù)據(jù)的準確性,研究通過濾波調(diào)理電路的開發(fā)應(yīng)用,對干擾到信號的雜波進行處理,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 初次調(diào)理數(shù)據(jù)波形圖

        由圖5可知,經(jīng)過調(diào)理電路調(diào)制后,波形明顯變得干凈許多,即開發(fā)的濾波調(diào)理電路,可有效降低雜波干擾對信號波的影響,顯著提高信號輸出質(zhì)量。經(jīng)過初次的調(diào)理電路調(diào)制,未放大前波形良好,但是在此基礎(chǔ)上再進行信號放大后,波形稍微有一些雜波,研究精益求精,在此基礎(chǔ)上對波形再次進行二次調(diào)理調(diào)制,結(jié)果如圖6 所示。

        圖6 二次調(diào)理數(shù)據(jù)波形圖

        由圖6 可知,經(jīng)過雙重濾波調(diào)理電路的設(shè)計開發(fā)及應(yīng)用,采集到的信號波形明顯得到優(yōu)化。因此,在放大電路前后設(shè)計兩級信號調(diào)制,對信號解析前的預(yù)處理,至關(guān)重要。研究采用的采集卡放大電路,包含了信號調(diào)理電路—信號放大電路—信號調(diào)理電路。

        AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換是整個采集卡的硬件核心,高分辨率的采集能力,對于細節(jié)的解析更精細。而對于瞬間的沖擊數(shù)據(jù),高頻的采集能力,至關(guān)重要。因為沖擊中的峰值,都是瞬間出現(xiàn),采集的頻率越高,越是容易采集到真正的峰值。采集的頻率低,則會遺漏實際峰值,最終導(dǎo)致由此計算的結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。研究采用超高速的DSP 核心芯片的采集卡,使采集的數(shù)據(jù),首先在硬件的層面就有了高精度(24 bit),超高速(5 MHz)的保障。AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換之后,得到的數(shù)據(jù),會直接進入CPU,通過USB 高速接口,直連電腦。

        基于以上硬件配置,研究采集回來的數(shù)據(jù),就跟物理上的實際值比較接近。但是,在實際產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中,受限于電源精度、穩(wěn)定性,以及標(biāo)準采樣電阻的細微偏差等,使得最終采集到的信號,以及經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換出來的數(shù)據(jù),跟實際的物理量之間存在一定的偏差,研究開發(fā)出專用軟件和算法,來確保測試數(shù)據(jù)的準確性。

        采用研發(fā)設(shè)計的專用軟件和算法,通過采集到的AD 值(例如AD1),對應(yīng)當(dāng)時實際物理量值(例如標(biāo)準值1),研究建立了“采集值—實際值”之間的對應(yīng)關(guān)系。通過建立8 組對應(yīng)關(guān)系,使得系統(tǒng)自動在采集的數(shù)值,與實際的物理值之間建立運算關(guān)系,即運算系數(shù)與偏移(一次函數(shù)模型)。

        上述8 組對應(yīng)關(guān)系,在實際應(yīng)用中,隨著系統(tǒng)要求的不同,可以任意增加或減少匹配的組數(shù)。組數(shù)越多,標(biāo)定越是精細,就越是跟實際物理值趨近。從而最終會得出高精度、高可靠的數(shù)據(jù)表達。

        試驗速度和采樣速度也直接決定了設(shè)備的精度,研發(fā)的試驗機試驗速度采用閉環(huán)系統(tǒng)控制,精度優(yōu)于(2±0.05)秒/次。設(shè)計采用40000 Hz 的高速采集系統(tǒng),使得位移峰值、力量峰值的采集,更真實的反應(yīng)物理的真實峰值。

        3 結(jié)論

        研究通過高精度的力學(xué)作用點確立,徹底消除試樣壓縮后零點面變化,導(dǎo)致的測試結(jié)果不精確、重現(xiàn)性差等問題,減少人為誤差,并顯著提高了檢測效率;通過高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計,全面實現(xiàn)研發(fā)的減震試驗機高精度的技術(shù)特性。

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