弹簧发条力矩和疲劳自动测试的研究

    摘要：根据弹簧发条力矩和疲劳试验方法，研制了基于单片机的弹簧发条力矩和疲劳自动测试仪，介绍了硬件和软件结构，设计了方便实用的仪器调试子程序。

    关键词：弹簧发条 力矩和疲劳测试 单片机

机械式定时器因成本低、操作方便而大量应用于电扇、微波炉等电器的定时控制中。定时器的质量及定时精度主要取决于所用的弹簧发生的性能。弹簧发条生产厂家及定时器生产厂家对每一批次的弹簧发条都要进行抽样检测。测试内容主要包括扭矩测试与疲劳测试。目前国内相应的测试设备智能化、自动化程度不高，力矩和疲劳试验需分开进行，需要两套设备，为此我们研制了智能型弹簧发条力矩和疲劳试验仪。它由单征机控制，智能化、自动化程度高，只要把待测弹簧装上测试台，就能自动进行力矩与疲劳试验，并打印出试验结果。

1 发条的机械性能参数及试验方法

1.1 发条的机械性能参数

根据国家标准规定，发生机械性能参数包括：①力矩衰减率（%）SM；②疲劳寿命（次）；③大力矩M0.5；④小力矩Mn；⑤力矩变动率BM。

1.2 检验方法

弹簧发条要上紧放松来回5次后再进行力矩测试。发条完全上紧后退回0.5圈时，输出的力矩为大力矩M0.5；继续退回Ng(工作圈数)圈时，输出的力矩为小力矩Mn。根据大小力矩计算出力矩变动率Bm为：

Bm=(M0.5-Mn)/M0.5    (1)

发条疲劳1000次后（疲劳试验以上紧后退回0.5圈作为起点，上紧放松Ng-0.5圈为一交），测得小力矩Mn'。可根据下式计算出力矩衰减率Sm为：

Sm=(Mn-Mn')/Mn    (2)

要求疲劳试验速度每秒不大于2圈。

2 系统硬件设计

根据弹簧机械性能参数及试验方法，我们研制了智能型弹簧发条力矩和疲劳试验仪。它由8031单片机系统、步进电机及驱动器、弹簧测试座、测力传感器及信号放大器、面板式打印机、电源等部分组成，如图1所示。

2.1 弹簧测试座

根据机械式定时器的结构和工作原理，设计了弹簧测试机构。电机轴转动时，发条就跟着旋紧或放松。发条旋紧时，通过机械结构将扭力传送到测力传感器上，测力传感器的应变电桥输出相应电压信号，输出信号与它受的力即发条扭矩成正比。此信号经过放大、A/D转换，就可得到相应的力矩数值。

2.2 单片机系统

系统由微处理器、程序存储器、数据存储器、扩展I/O口、键盘、数码显示器等构成。微处理器采用8031单片机，配置64K片外程序存储器和32K数据存储器，8155芯片作扩展I/O口，其中B口为打印机数据口，A口为输出口，C口为输入口。PC0（Busy）、PA7（STB）为打印机联络线。PA0～PA4为带光隔的输出口。由软件产生的可变频CP脉冲信号从PA0输出到步进电机驱动器，控制步进电机速度；PA1输出高低电平，控制步进电机转向；PA2控制蜂鸣器，发出不同声音提示及告警；PA3控制继电器，在测试完成及需要时切断电机电源。系统采用了通用的可编程键盘显示接口器件8279芯片来完成20键键盘输入和8位数码显示控制两种功能。

2.3 信号处理系统

信号处理系统由测力传感器、信号放大器、A/D转换器组成。测力传感器采用称重传感器。它采用铝合金材质的弹性材料，在表面贴应变片构成应变电桥，受力时变会有电压信号输出。传感器的量程是3kg，工作电压为5V，综合误差为0.025%，零点温漂为0.030%/10℃，是较理想的测力传感器。

放大器采用ADI的仪表放大器AD620，因为它具有高共模抑制、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移的性能，外围电路简单，一般只要接一只外接电阻，改变电阻Rg的阻值，就可改变放大器增益。

2.4 步进电机及驱动器

驱动系统采用五相永磁式步进电机及相应驱动器，步距角为0.36°，最大静力矩为600kg·mm，起动频率为2kHz。步进电机的正反转控制、转角控制精确方例，且有较大的定位力矩，非常适合于弹簧力矩试验的需要。

2.5 输出设备

8段数码显示器分成两个4位分别显示大小力矩，测试结果由MP-A型面板式汉字微型打印机输出。系统用了一片实时时钟芯征DS12887记录测试日期及时间，并在测试报告单上打印出来。

3 系统软件

系统软件采用单片机高级语言C51编写，因为C语言编写的程序可读性、可移植性好，有很好的硬件控制能力和运算能力，编程效率高。系统软件是模块式结构，由主程序和若干个子程序构成。软件框图如图2所示。

主程序主要进行各个控制口工作方式的设定，包括8155扩展A口、B口、C口工作方式，可编程键盘显示接口器件8279芯片工作方式设定及初始化。完成初始化后，8位LED显示器的第一位显示P，并发出一声长音，表示准备就序，扫描键盘，等待命令的输入。

操作键盘除复位键和0～0数字键外，还有打印、测量、圈数、次数、暂停、旋紧、退回、置零、疲劳9个功能键，按下每个功能键就执行相应的子程序，功能见表1。

表1 功能键表

键   名

功     能

圈数修改发条弹簧工作圈数Ng，缺省值为1。次数设定疲劳试验次数，缺省值为2000。置零零值校正。旋紧旋紧并显示转动圈数及扭矩值，至弹簧紧为止。退回退回1圈。测量自动判断弹簧松紧，并旋到最紧。退回0.5圈，来回转动5次后，测大、小力矩，计算力矩变动率，显示大、小力矩。打印打印测试结果。疲劳先调用测量子程序，接着按设定的次数进行疲劳试验，到1000次时，测小力矩，计算力矩衰减率，然后继续疲劳试验，完毕后打印结果。暂停按下暂停试验，再按一次继续。

另外，有一段满量程调整子程序，其原理和功能在下节介绍。

4 仪器调试

我们采用了硬件和软件相结合的方法进行调零和满量程调整。

调零方法：先调应变电桥调零电位器，进行精调，并在软件中设计调零子程序，可以随时调整零点漂移。开机后，按下置零键，调零子程序进行零值校正。

满量程调整方法：硬件粗调，也就是给定输入信号，调节可变电位器来改变和大器放大倍数，使放大器输出信号值Vout接近输出信号设计值Voe。由于这个方法很难调精确，我们通过软件进行细调，即在给定输入信号时，读入放大器输出信号值Vout，将Voe与Vout之比K作为调整系数。测试时，将读出的数值乘以K来调整，这样就能精确调整量程。但是，如果将K作为一个常数同程序一起固化在EPROM中，K就不可更改。由于每台仪器放大器的K值都可能不同，因此系统用了一片DS12887实时时钟芯片，它带有114字节非易失静态RAM，将K值存在此RAM中，可以随时修改。同时，设计了一个调试子程序，并设置了调度密码。系统开机处于待机状态，输入密码后就进入调试子程序，读入Vout并求出K，存入DS12887的RAM中，按下复位键退出。这样一来，满量程调整就非常方便。另外，将调零初值也存入DS12887的RAM中，断电后不会丢失，还可以经常调整，提高了仪器的测量精度。结合调试子程序，利用非易失静态RAM存储要经常修改的参数，可随时对仪器进行调整，方便灵活。特别是在维修维护中，可现场调试，不必修改程序，提高了元器件和传感器的可代换性。

根据以上原理，仪器采用外挂砝码来进行满量程调整。外挂一定质量砝码，调节放大倍数，使显示数值大致等于砝码重量乘以力臂的值，再进入调试子程序，计算K值并存入DS12887的RAM中，然后可用不同的砝码来校验其精度，结果表明误差符合要求。仪器达到的主要指标为：最大试验扭矩100Kg·mm，最小读数0.1kg·mm，相对误差在满量程20%～100%范围内为1%。电源为220/AC/50Hz。