可程式仿真开关性能趋势试验仪研制方案

【摘要】 可程式仿真开关性能趋势试验仪研制，包括：项目背景、国内外同类研究现状分析及存在的问题研究内容及预期达到的最终目标、总体结构、硬件研究、软件编辑。

【关键词】 可程式;仿真;趋势;结构;软硬件

【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2020.04.032

何 清

（辽宁省国家新型原材料基地建设工程中心，辽宁 沈阳 110032）

General Scheme of the Development of the Programmable Switch Performance Trend Tester

Abstract： The development of programmable simulation switch performance trend tester includes：project background，analysis of similar research status at home and abroad，research content of existing problems and expected final goal，overall structure，hardware research and software editing.

Key words： programmable;simulation;trend;structure;software and hardware

HE Qing

（The Engineering Center of National New Raw Material Base Construction of Liaoning Province，Shenyang 110032，China）

1 研制目的

开关是各种设备、仪器仪表、家居中必不可少的电器元件。无论何种开关，都存在使用寿命的问题，另外，在相关的国家标准中对开关寿命也有明确的要求，所以开关寿命试验是制造商和开关使用方以及产品质量检测方都需要进行的一项试验，而开关寿命试验设备就成为了一个必备的检测设备。

目前的国内开关寿命测试仪采用的结构主要有以下三种结构形式：1凸轮-弹簧-滑块形式;2偏心轮-连杆-滑块形式;3丝杠往复形式，采用以上几种结构的试验设备，在试验过程中都极易使样品开关受到非正常应力的影响，从而导致开关结构受损、影响检测结果的准确性。

另外，有消息证明，国外已开展用开关性能趋势试验替代开关寿命试验的研究，所以开发、研制一款既能进行开关寿命试验又能提供开关性能趋势研究的试验设备就成为必要。

2 开关寿命试验设备的性能分析

2.1 目前我国开关寿命检测仪采用的常见基本结构

目前我国开关寿命检测仪基本采用的结构是：减速电动机，关节连接器、顶杆、凸轮等组成机械执行部件模拟开关的实际使用过程来进行检测，主要有以下几种结构形式。

2.1.1 凸轮-弹簧-滑块形式

这类开关寿命试验仪以电动机为动力源，采用凸轮-弹簧-滑块传动结构形式，驱动按压组件对开关进行往复按压操作，通过按压杆上所加载的砝码实现不同开关所需的按压力。顶部的微调装置可以调节相应按压行程。进行相关寿命试验前，简单设定操作频率和总操作次数，通过计数器记录开启和闭合次数。

2.1.2 丝杠往复形式

这类开关寿命试验仪以伺服电动机为动力源，带动导轴动作，使开关完成所需的结构动作和行程及导通工序。采用机电一体化设计。

2.1.3 偏心輪-连杆-滑块形式

这类开关寿命试验仪以电动机为动力源，采用偏心轮-连杆-滑块形式传动结构形式，驱动按压组件对开关进行往复按压操作，滑块往复与滑轨上，通过计数器记录开启和闭合次数。工作台通过手动微调进行位置调节。

2.2 目前开关寿命试验仪存在的问题

凸轮-弹簧-滑块形式存在的主要问题问题是：故障率高、操作繁琐、功能单一。

偏心轮-连杆-滑块形式存在的主要问题问题是：驱动结构复杂可靠性能低。

丝杠往复形式存在的主要问题问题是：需要电动机以较快的频率执行连续几万至十几万次的正-反转操作，产品的可靠性低、故障率高。

以上几种机构，由于其结构简单，不能对检测过程的检测参数进行监测，运行过程和运行行程需要检测员人工观察、判断、调整，增加了对检测结果的测量不确定度，另外，由于运行部件作用在被测部件上的力是刚性的，极易使被测样品产生结构损伤，从而导致检测结果不准确。

目前国内生产的开关寿命检测设备基本都处于以上几种形式的结构状态，无程式化、无仿真功能、无法开展开关性能趋势方面的研究，产品落后，不能满足社会发展的需求。

3 预期目标及研究内容

3.1 预期目标

新试验仪的性能要符合相关国家标准要求，适用范围广、能满足多种常见结构开关的检测要求，可编程、有良好的人机界面，机械手具有仿真功能，试验过程的各种试验参数实时显示并记录，达到国内先进水平，使我国对开关的检测，方法更合理、检测数据更精确。

3.2 整体结构

采用PC机与嵌入式单片机、直线模块组成智能型设备，软硬件相互结合，使检测头达到机械手的功能，智能判断检测过程和检测终点的检测有效性，引入施加力和负载电流的控制达到趋势性研究，通过良好的人机界面实现可程式化、仿真功能。

3.3 研究内容

1）执行机构的研究：研究各种开关使用状态，设计执行机构，包括：驱动模块设计、运行模块设计、机械手和加紧模块设计，优选出合理、高效，适于开关检测的执行结构。

2）控制机构的研究：主要包括：数据采集、传感器选定、自动控制过程设计、显示、人机界面等硬件结构方面的研究。优选出先进的、适于开关检测的控制机构。

3）软件编辑：开发编制满足需求的软件系统，达到可程式、仿真、适于性能趋势试验的目的。

4 技术参数

最大行程：100 mm;

试验次数：0-60 次/min;

最大速度：100 mm/秒;

最大计数：99999。

5 总体方案

5.1 项目研究的依据

可程式仿真开关性能趋势试验仪必须符合：GB 15092.1-2010《器具开关 第1部分：通用要求》、GB 16915.1-2014《家用和类似用途固定式电气装置的开关 第1部分：通用要求》、GB/T 15854-2008《食物搅碎器》、GB 3883.1《手持式电动工具的安全第一部分：通用要求》，GB 2099.1-1996/IEC 884-1《家用和类似用途插头插座的第一部分：通用要求》等相关标准要求。

5.2 适用范围

试验仪适用的主要产品有（按操作方法分类）：倒扳开关、跷板开关（常见的墙壁开关）、按钮开关（如，门铃开关）、拨动开关、旋钮开关。

5.3 检测仪原理结构方框图

5.4 技术路线

1）随着计算机和自动控制的飞速发展，工业用导轨、步进电动机在自动控制中大量应用，其应用技术也有了很大的提高，并向单元化、标准化发展，使其易维修、易替换、使用寿命高、故障率降低。其中尤其以直线导轨、滚珠丝杠产品为重中之重。其特点：

①高速化：以φ40 mm、导程40 mm的规格来说，转速高达5000 r/min，直线速度可达200 m/min，直线加速度可达2 g;

②高精度：目前能实现1 μm以内的重复定位精度;

③智能化及复合化：以多层次、多方面的选择及应对机床智能化和复合化方面的需求;

④环保化自润式滑轨具有节约油脂，降低污染效能。

通过对步进电动机、直线导轨、滚珠丝杠产品的应用研究，满足可程式仿真开关性能趋势试验仪的技术参数，优选出合理的、高效的、适于开关检测任务的结构。

2）随着单片机、计算机在工业方面的应用，检测压力传感器、计算能力、驱动控制、人机界面均有飞速的发展，研究重点是优选单片机或计算机的应用控制以及数据存储、数据打印。

3）数据通信拟采用数据总线、Modbus通信协议作为主要通信手段，以减少通信干扰，避免产生检测误差。

4）通过对机械手结构的研究，使仪器能够满足仪器检测不同形式开关的要求。

5）通过对夹紧装置的研究，使试验仪能够满足仪器检测不同形式开关的要求。

6）软件开发研究

①检测过程可程式仿真的实现

通过良好的人机界面，机械手的运行可程式化，通过编程的方式控制机械手的运行曲线。通过压力传感器检测压力，仿真人的开关动作。

為保证在检测过程中，机械手不对被检样品造成机械性损伤，机械手的运行速度采用变速形式，通过对人手在开关过程运动的研究，确定机械手的运行变速状态，达到仿真的目的。同时，保证与标准要求相一致，在检测段为匀速运动，开始段采用加速运行、结束段采用降速运行。这样可以保证不对样品造成机械性损伤，同时提高测试仪的使用寿命、提高检测的可信度。

②软件实现的功能

左右定位、左右点动运行、匀速速度设定、加减速度设定。样品信息输入（计算机结构）、信息存储（计算机结构）。检测开始、检测结束、过程停止、报警。电流检测、压力检测、过程检测。次数记录、检测结果打印（计算机结构）。

7）试验负载

试验负载采用阻性负载，电流调整范围分别适用额定电流为6A、10A、16A的开关。

6 小结

本文通过对已验收的可程式仿真开关性能趋势试验仪的设计过程的全面剖析和总结，阐明了设计理念，为大家提供一个设计思路，供在同类产品设计时参考。

【参考文献】

[1]    器具开关 第1部分：通用要求：GB 15092.1-2010[S].

[2]    家用和类似用途固定式电气装置的开关 第1部分：通用要求：GB 16915.1-2014[S].

[3]    吴益飞，李胜，蔡骅.基于MSP430单片机的云台控制系统设计与实现[J].微计算机信息，2006（20）：90-93.

【作者简介】

何清（1961-），男，高级工程师，学士，研究方向为产品检测实验方法。