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(guó)現(xiàn)在是制造業(yè)大國(guó)，但絕對(duì)不是強(qiáng)國(guó)，其中一個(gè)主要原因是產(chǎn)品的品質(zhì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上歐美日等國(guó)，究其因，我國(guó)的生產(chǎn)企業(yè)大多以理論和經(jīng)驗(yàn)作為設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)產(chǎn)品是否合格的標(biāo)準(zhǔn)，只要零件符合設(shè)計(jì)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(lái)就是合格的產(chǎn)品了，這些在理論上是可行的。但實(shí)際上理論可行，不一定事實(shí)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(duì)產(chǎn)品做壽命測(cè)試，通常壽命測(cè)試的方式有多種，如根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，挑出短壽部件，對(duì)短壽部件進(jìn)行壽命測(cè)試，從而推算出整個(gè)設(shè)備的壽命;苛刻設(shè)備使用條件（如測(cè)試時(shí)加大受力值），測(cè)試設(shè)備的壽命等;但無(wú)論在何種方式下，通常是在多次測(cè)試下尋找產(chǎn)品的生命曲線，多次檢驗(yàn)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果是否和理論相符合。

本文就是根據(jù)國(guó)外企業(yè)的要求，對(duì)國(guó)內(nèi)某企業(yè)出口的門把手壽命是否能達(dá)到10萬(wàn)次使用壽命而開(kāi)發(fā)的壽命測(cè)試設(shè)備，壽命測(cè)試設(shè)備是把門把手固定后，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，模擬鎖具的使用狀況，測(cè)試鎖具的耐久性、靈活度和牢固度;在測(cè)試過(guò)程中，壽命測(cè)試設(shè)備能不斷記錄相關(guān)測(cè)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(kāi)始，分整體框架、動(dòng)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(cè)試設(shè)備工作原理分析

一般地，門把手的工作原理很簡(jiǎn)單，無(wú)論開(kāi)關(guān)門，都是人的手對(duì)把手施加一個(gè)旋轉(zhuǎn)力，通過(guò)一個(gè)帶彈簧的壓桿結(jié)構(gòu)，使鎖舌縮進(jìn)，開(kāi)門或關(guān)門，然后松開(kāi)把手，鎖舌又彈出復(fù)位。無(wú)論何種門把手，都是鎖舌、彈簧、壓桿或其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的組合，這些機(jī)構(gòu)在被用來(lái)開(kāi)關(guān)門一定時(shí)間和次數(shù)后，會(huì)逐漸喪失正常的開(kāi)閉功能，比如彈簧老化、壓桿斷裂不動(dòng)作、齒輪磨損等，因此其有一定的使用壽命。

為了測(cè)試這一壽命，通過(guò)測(cè)試人員數(shù)10萬(wàn)次不斷重復(fù)開(kāi)關(guān)門的動(dòng)作來(lái)判斷鎖具的好壞，不現(xiàn)實(shí)，也不可靠:做這種重復(fù)一致的測(cè)試工作十分枯燥且浪費(fèi)人力。而且測(cè)試效率極低，測(cè)試周期長(zhǎng)，測(cè)試壽命10萬(wàn)次的一個(gè)門把手需要的時(shí)間可能就要幾周時(shí)間，測(cè)試幾個(gè)，需要的時(shí)間可能要以年來(lái)計(jì)算。因此需要研制全自動(dòng)的壽命測(cè)試設(shè)備來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

根據(jù)門把手的工作原理，壽命測(cè)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(shí)現(xiàn)門扶手的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作及鎖舌的伸縮動(dòng)作。

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

4）門扶手測(cè)試出現(xiàn)故障時(shí)，能及時(shí)停止及報(bào)警。

5）整個(gè)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(cè)試設(shè)備工作原理為:由設(shè)備的夾具體夾緊測(cè)試的門把手，由電磁閥控制的可調(diào)式擺動(dòng)氣缸模擬人手來(lái)實(shí)現(xiàn)門扶手的旋轉(zhuǎn)，迷你氣缸帶動(dòng)鎖舌的進(jìn)出，正確計(jì)數(shù)的工作由低速電動(dòng)機(jī)、接近開(kāi)關(guān)、帶孔的鐵片及計(jì)數(shù)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)，即將接近開(kāi)關(guān)固定于鐵片前，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)鐵片旋轉(zhuǎn)，當(dāng)接近開(kāi)關(guān)處于鐵片開(kāi)孔處就反饋一信號(hào)給計(jì)數(shù)裝置實(shí)現(xiàn)一次計(jì)數(shù)。

2 壽命測(cè)試設(shè)備的整體設(shè)計(jì)

根據(jù)門把手壽命測(cè)試設(shè)備工作原理，壽命測(cè)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(jì)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(tái)、控制箱、玻璃罩。整體框架主要用于固定包括工作臺(tái)、控制箱、玻璃罩等等分支機(jī)構(gòu)的支架，是整個(gè)設(shè)備的基礎(chǔ)。工作臺(tái)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(tái)上執(zhí)行機(jī)構(gòu)灰塵的堆積以及減少工作時(shí)的噪聲。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:迷你氣缸及其固定裝置、擺動(dòng)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(dòng)氣缸則構(gòu)成了整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件。電磁閥用于配合電路實(shí)現(xiàn)氣缸的整個(gè)動(dòng)作。氣壓泵則是成了整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源。

控制與計(jì)數(shù)部件包括:電源裝置、空氣開(kāi)關(guān)、繼電器、接近開(kāi)關(guān)、線槽、接線排、計(jì)數(shù)器。電源裝置是將220V交流轉(zhuǎn)化成低壓直流;空氣開(kāi)關(guān)完成對(duì)電路的通斷以及設(shè)備短路.嚴(yán)重過(guò)載及欠壓等進(jìn)行保護(hù);繼電器與接近開(kāi)關(guān)相配合實(shí)現(xiàn)電路的通斷控制電磁閥完成機(jī)構(gòu)的動(dòng)作;接近開(kāi)關(guān)與計(jì)數(shù)器配合實(shí)現(xiàn)門把手動(dòng)作次數(shù)的記錄;線槽用來(lái)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(jì)要考慮滿足多種門把手測(cè)試的要求。

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

3.1 整體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)部件的設(shè)計(jì)

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

整體框架是整個(gè)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(gè)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(shí)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(chǎng)成熟的標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

工作臺(tái)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(shí)用及防銹等諸多因素，工作臺(tái)采用外形尺寸為300×400×10，牌號(hào)為L(zhǎng)Y12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(wú)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(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是完成門扶手整個(gè)動(dòng)作的重要部件，在整個(gè)工作過(guò)程起到了模擬鎖具在實(shí)際使用過(guò)程中的動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括:擺動(dòng)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(dòng)作過(guò)程由擺動(dòng)氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，擺動(dòng)氣缸是利用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)輸出軸在一定角度范圍內(nèi)作往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的氣動(dòng)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(kāi)閉等動(dòng)作。使用擺動(dòng)氣缸，通過(guò)調(diào)壓閥可以調(diào)整傳動(dòng)桿對(duì)門扶手的壓力，通過(guò)擺動(dòng)氣缸的任意角度調(diào)整可以改變鎖體轉(zhuǎn)動(dòng)角度或轉(zhuǎn)動(dòng)方向。選用SMC的CDRBU2WU15-180SEL自由安裝型擺動(dòng)氣缸。由于受力不大，固定擺動(dòng)氣缸裝置采用L形結(jié)構(gòu)的支座，材料選擇LY12。

擺動(dòng)氣缸與門扶手連接孔之間由一傳動(dòng)桿連接，傳動(dòng)桿與擺動(dòng)氣缸之間通過(guò)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(dòng)桿由于是本設(shè)備最易磨損的零件，材料選用40Cr，40Cr價(jià)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(lái)實(shí)現(xiàn)，鎖舌伸縮的壽命測(cè)試主要測(cè)試彈簧的壽命，即彈簧在鎖舌伸縮行程內(nèi)往復(fù)10萬(wàn)次后，能否仍然保持彈性，因此壽命測(cè)試設(shè)備中實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程所承受的力就是彈力及微小的摩擦力，可選擇型號(hào)為MA-U-25×40-LB的迷你氣缸來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(jì)

夾具組件主要實(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)試要求，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 夾具示意圖

4 壽命測(cè)試設(shè)備控制與計(jì)數(shù)部件的設(shè)計(jì)

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

4.1 電源及開(kāi)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(kāi)關(guān)電源。

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

4.2 動(dòng)作順序的控制

動(dòng)作順序的控制主要有繼電器、電磁閥、接近開(kāi)關(guān)等元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

繼電器是一種實(shí)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(dòng)關(guān)系的電控制器件，其實(shí)質(zhì)是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動(dòng)開(kāi)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(hào)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(shí)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(hào)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(dòng)作頻率 4次/s，電壓 DC12/DC24/AC24/AC110/AC220/AC380，工作溫度-5℃ ～60℃。

接近開(kāi)關(guān)是利用位移傳感器對(duì)接近物體的敏感特性達(dá)到控制開(kāi)關(guān)通或斷的目的，當(dāng)有物體移向接近開(kāi)關(guān)，并接近到一定距離時(shí)，位移傳感器才有“感知”，開(kāi)關(guān)才會(huì)動(dòng)作。在設(shè)備中，由于所測(cè)對(duì)象為金屬，選用型號(hào)為L(zhǎng)J12A3-4-Z/AX的電感式接近開(kāi)關(guān)。

動(dòng)作順序控制電路示意圖如圖3所示。

圖3 動(dòng)作順序的控制電路示意圖

4.3 計(jì)數(shù)的控制

計(jì)數(shù)的控制由接近開(kāi)關(guān)與計(jì)數(shù)器等元件配合實(shí)現(xiàn)。即接近開(kāi)關(guān)通過(guò)固定裝置固定在迷你氣缸實(shí)現(xiàn)鎖舌伸縮的動(dòng)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(kāi)關(guān)輸出閉合信號(hào)，此時(shí)計(jì)數(shù)器接到信號(hào)，記錄一次門把手動(dòng)作。迷你氣缸退回，鎖舌伸出，由于鎖舌小于壓塊尺寸，接近開(kāi)關(guān)不能檢測(cè)到信號(hào)，故此時(shí)接近開(kāi)關(guān)不能輸出閉合信號(hào)，計(jì)數(shù)器不能計(jì)數(shù)，下次計(jì)數(shù)要到迷你氣缸再次使鎖舌縮到最大處時(shí)，從而實(shí)現(xiàn)門把手動(dòng)作的精確計(jì)數(shù)。

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

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

4.4 門扶手鎖體損壞的報(bào)警控制

門扶手在壽命測(cè)試中發(fā)生損壞、使門扶手正常動(dòng)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(bào)警控制可依此設(shè)計(jì)，即通過(guò)與彈簧相連接的導(dǎo)線（檢測(cè)前使彈簧與鎖體絕緣），帶動(dòng)繼電器，關(guān)閉工作電源，即可使裝置停止工作，同時(shí)繼電器打開(kāi)蜂鳴器電源，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，此時(shí)計(jì)數(shù)器中顯示門扶手損壞時(shí)已進(jìn)行的壽命測(cè)試的次數(shù)。其控制電路示意圖如圖4所示。

圖4 測(cè)試裝置停機(jī)報(bào)警電路

5 結(jié)語(yǔ)

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

圖5 壽命測(cè)試設(shè)備的整體設(shè)計(jì)示意圖

經(jīng)機(jī)械部件的安裝，控制電路的調(diào)試，并通過(guò)實(shí)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(cè)試，并具有成本低、測(cè)試速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試中損壞部件與實(shí)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(cè)試工作，同時(shí)該樣機(jī)也得到其國(guó)外客戶的認(rèn)可，圖6所示為樣機(jī)測(cè)試后損壞的鎖體，圖7所示為測(cè)試前與測(cè)試10萬(wàn)次后門把手內(nèi)彈簧金相組織圖。多次測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(cè)試后鎖體

圖7 測(cè)試前與測(cè)試10萬(wàn)次后門把手內(nèi)彈簧金相組織圖

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