彈簧發條力矩和疲勞自動測試的研究

摘要：根據彈簧發條力矩和疲勞試驗方法，研制了基于單片機的彈簧發條力矩和疲勞自動測試儀，介紹了硬件和軟件結構，設計了方便實用的儀器調試子程序。

關鍵詞：彈簧發條 力矩和疲勞測試 單片機

機械式定時器因成本低、操作方便而大量應用于電扇、微波爐等電器的定時控制中。定時器的質量及定時精度主要取決于所用的彈簧發生的性能。彈簧發條生產廠家及定時器生產廠家對每一批次的彈簧發條都要進行抽樣檢測。測試內容主要包括扭矩測試與疲勞測試。目前國內相應的測試設備智能化、自動化程度不高，力矩和疲勞試驗需分開進行，需要兩套設備，為此我們研制了智能型彈簧發條力矩和疲勞試驗儀。它由單征機控制，智能化、自動化程度高，只要把待測彈簧裝上測試臺，就能自動進行力矩與疲勞試驗，并打印出試驗結果。

1 發條的機械性能參數及試驗方法

1.1 發條的機械性能參數

根據國家標準規定，發生機械性能參數包括：①力矩衰減率（%）SM；②疲勞壽命（次）；③大力矩M0.5；④小力矩Mn；⑤力矩變動率BM。

1.2 檢驗方法

彈簧發條要上緊放松來回5次后再進行力矩測試。發條完全上緊后退回0.5圈時，輸出的力矩為大力矩M0.5；繼續退回Ng(工作圈數)圈時，輸出的力矩為小力矩Mn。根據大小力矩計算出力矩變動率Bm為：

Bm=(M0.5-Mn)/M0.5 (1)

發條疲勞1000次后（疲勞試驗以上緊后退回0.5圈作為起點，上緊放松Ng-0.5圈為一交），測得小力矩Mn'。可根據下式計算出力矩衰減率Sm為：

Sm=(Mn-Mn')/Mn (2)

要求疲勞試驗速度每秒不大于2圈。

2 系統硬件設計

根據彈簧機械性能參數及試驗方法，我們研制了智能型彈簧發條力矩和疲勞試驗儀。它由8031單片機系統、步進電機及驅動器、彈簧測試座、測力傳感器及信號放大器、面板式打印機、電源等部分組成，如圖1所示。

2.1 彈簧測試座

根據機械式定時器的結構和工作原理，設計了彈簧測試機構。電機軸轉動時，發條就跟著旋緊或放松。發條旋緊時，通過機械結構將扭力傳送到測力傳感器上，測力傳感器的應變電橋輸出相應電壓信號，輸出信號與它受的力即發條扭矩成正比。此信號經過放大、A/D轉換，就可得到相應的力矩數值。

2.2 單片機系統

系統由微處理器、程序存儲器、數據存儲器、擴展I/O口、鍵盤、數碼顯示器等構成。微處理器采用8031單片機，配置64K片外程序存儲器和32K數據存儲器，8155芯片作擴展I/O口，其中B口為打印機數據口，A口為輸出口，C口為輸入口。PC0（Busy）、PA7（STB）為打印機聯絡線。PA0～PA4為帶光隔的輸出口。由軟件產生的可變頻CP脈沖信號從PA0輸出到步進電機驅動器，控制步進電機速度；PA1輸出高低電平，控制步進電機轉向；PA2控制蜂鳴器，發出不同聲音提示及告警；PA3控制繼電器，在測試完成及需要時切斷電機電源。系統采用了通用的可編程鍵盤顯示接口器件8279芯片來完成20鍵鍵盤輸入和8位數碼顯示控制兩種功能。

2.3 信號處理系統

信號處理系統由測力傳感器、信號放大器、A/D轉換器組成。測力傳感器采用稱重傳感器。它采用鋁合金材質的彈性材料，在表面貼應變片構成應變電橋，受力時變會有電壓信號輸出。傳感器的量程是3kg，工作電壓為5V，綜合誤差為0.025%，零點溫漂為0.030%/10℃，是較理想的測力傳感器。

放大器采用ADI的儀表放大器AD620，因為它具有高共模抑制、高輸入阻抗、低噪聲、低線性誤差、低失調漂移的性能，外圍電路簡單，一般只要接一只外接電阻，改變電阻Rg的阻值，就可改變放大器增益。

2.4 步進電機及驅動器

驅動系統采用五相永磁式步進電機及相應驅動器，步距角為0.36°，最大靜力矩為600kg·mm，起動頻率為2kHz。步進電機的正反轉控制、轉角控制精確方例，且有較大的定位力矩，非常適合于彈簧力矩試驗的需要。

2.5 輸出設備

8段數碼顯示器分成兩個4位分別顯示大小力矩，測試結果由MP-A型面板式漢字微型打印機輸出。系統用了一片實時時鐘芯征DS12887記錄測試日期及時間，并在測試報告單上打印出來。

3 系統軟件

系統軟件采用單片機高級語言C51編寫，因為C語言編寫的程序可讀性、可移植性好，有很好的硬件控制能力和運算能力，編程效率高。系統軟件是模塊式結構，由主程序和若干個子程序構成。軟件框圖如圖2所示。

主程序主要進行各個控制口工作方式的設定，包括8155擴展A口、B口、C口工作方式，可編程鍵盤顯示接口器件8279芯片工作方式設定及初始化。完成初始化后，8位LED顯示器的第一位顯示P，并發出一聲長音，表示準備就序，掃描鍵盤，等待命令的輸入。

操作鍵盤除復位鍵和0～0數字鍵外，還有打印、測量、圈數、次數、暫停、旋緊、退回、置零、疲勞9個功能鍵，按下每個功能鍵就執行相應的子程序，功能見表1。

表1 功能鍵表

另外，有一段滿量程調整子程序，其原理和功能在下節介紹。

4 儀器調試

我們采用了硬件和軟件相結合的方法進行調零和滿量程調整。

調零方法：先調應變電橋調零電位器，進行精調，并在軟件中設計調零子程序，可以隨時調整零點漂移。開機后，按下置零鍵，調零子程序進行零值校正。

滿量程調整方法：硬件粗調，也就是給定輸入信號，調節可變電位器來改變和大器放大倍數，使放大器輸出信號值Vout接近輸出信號設計值Voe。由于這個方法很難調精確，我們通過軟件進行細調，即在給定輸入信號時，讀入放大器輸出信號值Vout，將Voe與Vout之比K作為調整系數。測試時，將讀出的數值乘以K來調整，這樣就能精確調整量程。但是，如果將K作為一個常數同程序一起固化在EPROM中，K就不可更改。由于每臺儀器放大器的K值都可能不同，因此系統用了一片DS12887實時時鐘芯片，它帶有114字節非易失靜態RAM，將K值存在此RAM中，可以隨時修改。同時，設計了一個調試子程序，并設置了調度密碼。系統開機處于待機狀態，輸入密碼后就進入調試子程序，讀入Vout并求出K，存入DS12887的RAM中，按下復位鍵退出。這樣一來，滿量程調整就非常方便。另外，將調零初值也存入DS12887的RAM中，斷電后不會丟失，還可以經常調整，提高了儀器的測量精度。結合調試子程序，利用非易失靜態RAM存儲要經常修改的參數，可隨時對儀器進行調整，方便靈活。特別是在維修維護中，可現場調試，不必修改程序，提高了元器件和傳感器的可代換性。

根據以上原理，儀器采用外掛砝碼來進行滿量程調整。外掛一定質量砝碼，調節放大倍數，使顯示數值大致等于砝碼重量乘以力臂的值，再進入調試子程序，計算K值并存入DS12887的RAM中，然后可用不同的砝碼來校驗其精度，結果表明誤差符合要求。儀器達到的主要指標為：最大試驗扭矩100Kg·mm，最小讀數0.1kg·mm，相對誤差在滿量程20%～100%范圍內為1%。電源為220/AC/50Hz。

本儀器已在彈簧廠投入使用。只要把待測彈簧裝上測試臺，設定工作圈數和疲勞次數，按下測量鍵或疲勞鍵，它就按照彈簧發條測試規則，自動進行力矩與疲勞試驗，并打印出試驗結果。儀器使用方便，測量精度高，獲得用戶歡迎。由于步進電機步距角小，稍加改進后，可用于各種扭簧、蝸卷彈簧、彈性元件的扭轉角、扭轉力矩的測試。