摘 要：基于美國玩具安全中要求確定玩具的主軸線方向和尺寸，并沿主軸線方向計(jì)算玩具燃燒長度和速度的需求，結(jié)合PLC控制技術(shù)、高性能細(xì)分型驅(qū)動(dòng)裝置和步進(jìn)電機(jī)的工作原理，對研制玩具燃燒測試儀的工作原理、工作過程、硬件結(jié)構(gòu)、軟件程序和技術(shù)特性進(jìn)行了詳細(xì)論述，指出此測試儀可滿足美國玩具燃燒測試需求。關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制;PLC;燃燒測試;玩具安全測試
Abstract：based on the requirements of ascertaining the orientation and dimension of toy major axis, calculating the flaming dimension and speed along with the toy major axis in American standard consumer safety specification for toy safety, combine with PLC control technology, high-performance and fine-segmentation driver as well as step-in motor. It demonstrated the tester working principle, construction of hardware, programming of software, function and technology characteristics. It is pointed out the tester can settle for testing requirement of American standard toy safety.
Keywords: Automation Control; PLC; Flammability testing; Toy safety test
1 引言
在美國玩具標(biāo)準(zhǔn)ASTM F963-03中，玩具主軸線定義為：一條連接產(chǎn)品上最遠(yuǎn)的部分或端點(diǎn)的距離最長的直線。一個(gè)產(chǎn)品可以有一條以上的主軸線，但它們的長度必須相等。對塑膠玩具和毛絨玩具進(jìn)行整體易燃性測試，往往要花費(fèi)大量的時(shí)間來確定玩具主軸線的方向和尺寸。而玩具主軸的方向、尺寸及燃燒尺寸的確定目前是通過人的肉眼和鋼直尺來判斷的，玩具燃燒前后外形差別較大，用肉眼無法準(zhǔn)確測量燃燒的尺寸，這樣測試結(jié)果就會受到較多人為因素的影響，效率低、誤差大、重復(fù)性差，嚴(yán)重影響玩具易燃性測試合格與否的判定。
隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，PLC（可編程控制器）以其模塊化的結(jié)構(gòu)，高抗干擾的I/O處理元件、硬件配置的靈活性，可擴(kuò)展和穩(wěn)定性等特點(diǎn)，為在不同的場所的應(yīng)用提供了穩(wěn)定的平臺，已廣泛使用在自動(dòng)控制裝置領(lǐng)域。
本玩具整體燃燒自動(dòng)測試儀采用先進(jìn)的PLC控制技術(shù)和高性能的細(xì)分型驅(qū)動(dòng)裝置控制技術(shù)，可滿足美國玩具標(biāo)準(zhǔn)ASTM F963-03中相關(guān)條款的要求，自動(dòng)測量玩具的主軸線尺寸，自動(dòng)記錄燃燒時(shí)間并計(jì)算燃燒速度，且精度高，效率高，穩(wěn)定性好為玩具的安全測試提供了保證。
2 工作過程
燃燒自動(dòng)測試儀為平臺結(jié)構(gòu)，由人機(jī)交互部分、控制部分、驅(qū)動(dòng)部分和支撐定位部分四部分組成，如圖1所示。
圖1 燃燒自動(dòng)測試儀組成圖
人機(jī)交互部分：采用日本三菱公司的F920型操作面板，通過操作按鈕可以進(jìn)行各種操作功能的設(shè)置，并可將測試參數(shù)和測試結(jié)果顯示在屏幕上。操作簡單、方便，顯示及時(shí)準(zhǔn)確。
控制部分：控制器采用日本三菱公司的FX1S-10MT型PLC，具有精度高、速度快、可靠穩(wěn)定的特性。主要作用是接受輸入信息，并根據(jù)信息進(jìn)行判定和數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而輸出控制信號到測試儀的驅(qū)動(dòng)部分。并且可以進(jìn)行計(jì)時(shí)功能。
驅(qū)動(dòng)部分：包括三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，采用美國WJT先進(jìn)的JQF-MD808步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，接受脈沖輸出信號，控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向，完成測試過程中的各種驅(qū)動(dòng)任務(wù)。
支撐定位部分：自動(dòng)測試儀的機(jī)械部分，主要由底座，支撐桿，定位桿，刻度標(biāo)等部分組成。
玩具燃燒自動(dòng)測試儀的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：
1. 電機(jī)1 2. 絲桿 3. 刻度標(biāo) 4. 電機(jī)2 5. 絲桿 6. 活動(dòng)塊 7. 支承桿 8. 底座
9. 微調(diào)平臺 10. 軸承 11. 定位桿 12. 軸套 13. 旋轉(zhuǎn)軸 14. 電機(jī)3
圖2 燃燒自動(dòng)測試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖
其工作過程如下：
?。?）確定樣品的主軸線方向：玩具樣品放置在可旋轉(zhuǎn)的工作臺上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)支撐桿旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)支撐桿上的定位桿使其與玩具主軸線方向一致，通過微調(diào)旋轉(zhuǎn)工作臺、定位桿的方向及位置，確定樣品的主軸線方向。
?。?）準(zhǔn)確測量樣品主軸線尺寸及燃燒尺寸 ：使用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲桿上的刻度標(biāo)從玩具主軸線的一端開始移動(dòng)到另一端，移動(dòng)的距離即為玩具主軸線尺寸;將定位桿移開，將玩具點(diǎn)火測試，待火焰熄滅后，再將定位桿移回到點(diǎn)火前的初始位置，此時(shí)，定位桿方向又與玩具主軸線方向一致，該位置通過PLC控制步進(jìn)電機(jī)來保證;移動(dòng)刻度標(biāo)從玩具主軸線一端移動(dòng)到玩具燒毀邊緣，記錄移動(dòng)距離，則兩次移動(dòng)距離之差就為玩具在主軸方向被燒毀的尺寸。
（3）測試結(jié)果的顯示與打印裝置：當(dāng)玩具點(diǎn)火燃燒時(shí)，按下計(jì)時(shí)按鈕，火焰熄滅后停止計(jì)時(shí)，用PLC自動(dòng)記錄玩具燃燒的時(shí)間，玩具燃燒速度=玩具燃燒尺寸/燃燒時(shí)間，將測量數(shù)據(jù)計(jì)算得出燃燒速度，并將玩具主軸線尺寸、燃燒尺寸、燃燒時(shí)間、燃燒速度及環(huán)境情況顯示打印。
3 工作原理
玩具自動(dòng)燃燒測試儀的核心部分是PLC和三個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成的驅(qū)動(dòng)部分，測試儀的工作原理如圖2示。
圖3 燃燒自動(dòng)測試儀工作原理圖
根據(jù)美國玩具標(biāo)準(zhǔn)燃燒測試要求，在操作面板上通過按鈕設(shè)定定位桿上升的高度。PLC接收所有這些信息，經(jīng)過分析和相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理后輸出啟動(dòng)信號，控制步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)接到PLC的輸出信號后以設(shè)定的高度完成相應(yīng)的操作。通過面板上的正轉(zhuǎn)按鈕當(dāng)作PLC的輸入信號，控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)定位桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度到達(dá)玩具的主軸線方向。PLC自動(dòng)記錄該角度當(dāng)作后續(xù)操作的基準(zhǔn)角度。然后啟動(dòng)前進(jìn)測量按鈕，PLC接收到此輸入信號后，控制定位桿上的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)刻度標(biāo)測量玩具主軸線尺寸L1。PLC自動(dòng)記錄此數(shù)據(jù)顯示到面板上。確定好玩具的主軸線尺寸后，啟動(dòng)反轉(zhuǎn)按鈕使定位桿回到原始位置。
當(dāng)確定好玩具主軸線方向和尺寸后，將玩具點(diǎn)火燃燒，此時(shí)按下面板上的計(jì)時(shí)按鈕，PLC接收此信號作為一個(gè)數(shù)字輸入信號;當(dāng)玩具燃燒熄滅后按下停止按鈕，PLC接收此信號作為另一個(gè)數(shù)字輸入信號，便輸出信號到面板顯示玩具的燃燒時(shí)間T。啟動(dòng)復(fù)原鍵按鈕，PLC控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)定位桿回到當(dāng)初記錄的旋轉(zhuǎn)角度，使定位桿重新與玩具主軸線重合;啟動(dòng)后退按鈕，使刻度標(biāo)到達(dá)玩具燒毀邊緣，面板上會顯示刻度標(biāo)后退的距離L2，則玩具燃燒尺寸L=玩具主軸線尺寸 L1-后退距離L2，并將玩具燃燒尺寸顯示到面板上，PLC根據(jù)燃燒尺寸和燃燒時(shí)間自動(dòng)計(jì)算玩具的燃燒速度，當(dāng)啟動(dòng)打印按鈕后，PLC輸出控制信號到微型打印機(jī)，自動(dòng)打印其結(jié)果。
同時(shí)，根據(jù)不同玩具的高度，可以在面板上設(shè)定高度，使定位桿上升到一定的高度便于刻度標(biāo)上的指針定位玩具的主軸線邊緣。也可以通過設(shè)定一定的角度，先將定位桿轉(zhuǎn)到一定的角度上，再將玩具放置到平臺上，使其主軸線方向與定位桿方向一致，當(dāng)有一定偏差時(shí)，通過平臺的微調(diào)功能，使其保持一致。
4 功能特性
?、?nbsp;測試精度高，響應(yīng)速度快。FX1S-10MT型PLC為12位機(jī)，具有精度高、速度快的特點(diǎn)使測試儀具有優(yōu)良的測試精度和響應(yīng)時(shí)間。又由于MC- 808MDE細(xì)分型高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用了新型的雙極性橫流載波驅(qū)動(dòng)技術(shù)，最高256倍細(xì)分，使步進(jìn)電機(jī)可以達(dá)到更高的速度和更大的高速轉(zhuǎn)矩，細(xì)分功能使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)精度更高，振動(dòng)更小，噪聲更低。
?、?nbsp;操作簡單，使用方便。只需在操作面板上按鍵操作即可，同時(shí)顯示屏將相關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，測量尺寸清晰的顯示出來，簡單，方便、準(zhǔn)確。測試儀的使用極大的降低了工作強(qiáng)度，提高了工作效率。
⑶ 可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)。由于PLC具有可靠性高，穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，MC-808MDE細(xì)分型高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有先進(jìn)的過流保護(hù)（峰值超過 10A）、過壓保護(hù)（超過85VDC）、過熱保護(hù)（≥70℃停止工作，≤50℃恢復(fù)工作）和錯(cuò)相保護(hù)功能使測試儀運(yùn)行更可靠、更安全，很好地具備了電氣穩(wěn)定性和可靠性。
?、?nbsp;測試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。測試儀為平臺結(jié)構(gòu)，操作面板安裝在底座上，步進(jìn)電機(jī)封裝在支撐桿和支座里面，不易接觸。同時(shí)測試儀的各個(gè)部件采用了防銹處理，各部件充分考慮了加工工藝的合理性，調(diào)試和維修方便。
⑸ 靈活的預(yù)設(shè)置功能?？深A(yù)設(shè)測試速度和時(shí)間，設(shè)定范圍廣。預(yù)設(shè)角度為0-180°，預(yù)設(shè)速度范圍為0-6000m/s，燃燒時(shí)間0-90s。
⑹ 技術(shù)指標(biāo)為：定位桿上升高度為0-500mm，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0-90°。定位桿原始位置為0°。
?、?nbsp;抗干擾性強(qiáng)。由于本測試儀的PLC元件具有對數(shù)字信號有光電隔離作用，可很好的將誤動(dòng)作信號干擾過濾掉。而MC-808MDE細(xì)分型高性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有對輸入信號光隔離，輸入信號TTL兼容、可接受差分信號，具有良好的散熱功能和細(xì)分功能，對振動(dòng)干擾、電磁干擾、環(huán)境干擾等有很好的抑制作用。
5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
玩具易燃性自動(dòng)測試儀的I/O變量分為數(shù)字量輸入信號，數(shù)字量輸出信號和中間變量三類。其中數(shù)字量輸入信號有：運(yùn)行啟動(dòng)信號，復(fù)原信號，開始計(jì)時(shí)信號，停止計(jì)時(shí)信號，上升信號，下降信號，前進(jìn)信號，后退信號，正轉(zhuǎn)信號，反轉(zhuǎn)信號;數(shù)字量輸出信號有：運(yùn)行控制信號，打印控制信號;中間變量有：高度設(shè)定，角度設(shè)定。
PLC根據(jù)接收到的數(shù)字量輸入信號和中間變量，啟動(dòng)并控制測試儀運(yùn)行，控制程序如圖4所示。首先確定玩具主軸線方向，接著測量主軸線尺寸。確定好這些后，定位桿回到原始位置，點(diǎn)火燃燒玩具，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。玩具燃燒后，停止計(jì)時(shí)器，定位桿回到記錄位置，測量玩具燃燒尺寸。計(jì)算燃燒時(shí)間并啟動(dòng)打印裝置，輸出測試結(jié)果，結(jié)束測試過程。
圖4 燃燒自動(dòng)測試儀控制程序圖
6 結(jié)束語
本自動(dòng)測試儀采用先進(jìn)的日本三菱公司的FX1S-10MT型PLC控制器和美國WJT先進(jìn)的JQF-MD808步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，保證了測試儀運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，精度高。使用本測試儀不僅可以降低檢測工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，還大大提高了檢測的效率，提高了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高了檢驗(yàn)工作的自動(dòng)化水平。該產(chǎn)品在玩具安全檢測中具有廣闊的應(yīng)用前景。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 采用PLC控制技術(shù)結(jié)合高性能細(xì)分型驅(qū)動(dòng)裝置和步進(jìn)電機(jī)的工作原理，研制開發(fā)玩具燃燒自動(dòng)測試儀。該裝置能夠準(zhǔn)確確定玩具主軸線方向和尺寸，保證檢驗(yàn)結(jié)果的精確性。
參考文獻(xiàn)：
〔1〕 郁漢琪 . 電氣控制與可編程程序控制器應(yīng)用技術(shù)〔M〕，南京：東南大學(xué)出版社，2003年
〔2〕 趙躍華. 可編程程序控制器及其應(yīng)用〔M〕.成都：電子科技大學(xué)出版社，1998年
〔3〕 沈世斌.三菱PLC與PC機(jī)間的通訊應(yīng)用.微計(jì)算機(jī)信息，2006，4-1：81-83。
