基于PLC的玩具整體燃燒自動(dòng)測(cè)試儀的研究

1 引言

在美國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)度必須相等。對(duì)塑膠玩具和毛絨玩具進(jìn)行整體易燃性測(cè)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(cè)量燃燒的尺寸，這樣測(cè)試結(jié)果就會(huì)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(cè)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(chǎng)所的應(yīng)用提供了穩(wěn)定的平臺(tái)，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(cè)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(guó)玩具標(biāo)準(zhǔn)ASTM F963-03中相關(guān)條款的要求，自動(dòng)測(cè)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(cè)試提供了保證。

2 工作過程

燃燒自動(dòng)測(cè)試儀為平臺(tái)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(cè)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(cè)試參數(shù)和測(cè)試結(jié)果顯示在屏幕上。操作簡(jiǎn)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(hào)到測(cè)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(guó)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(hào)，控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)方向，完成測(cè)試過程中的各種驅(qū)動(dòng)任務(wù)。

支撐定位部分：自動(dòng)測(cè)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(cè)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(tái) 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(cè)試儀機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

其工作過程如下：

（1）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(tái)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(tái)、定位桿的方向及位置，確定樣品的主軸線方向。

（2）準(zhǔn)確測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試儀的工作原理如圖2示。

              圖3 燃燒自動(dòng)測(cè)試儀工作原理圖

根據(jù)美國(guó)玩具標(biāo)準(zhǔn)燃燒測(cè)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(hào)，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(hào)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(hào)，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(cè)量按鈕，PLC接收到此輸入信號(hào)后，控制定位桿上的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)刻度標(biāo)測(cè)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(hào)作為一個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)；當(dāng)玩具燃燒熄滅后按下停止按鈕，PLC接收此信號(hào)作為另一個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)，便輸出信號(hào)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(huì)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(hào)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(tái)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(tái)的微調(diào)功能，使其保持一致。

4 功能特性

⑴ 測(cè)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(cè)試儀具有優(yōu)良的測(cè)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。

⑵ 操作簡(jiǎn)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(cè)量尺寸清晰的顯示出來，簡(jiǎn)單，方便、準(zhǔn)確。測(cè)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(cè)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。

⑷ 測(cè)試儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。測(cè)試儀為平臺(tái)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(cè)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(cè)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°。

⑺ 抗干擾性強(qiáng)。由于本測(cè)試儀的PLC元件具有對(duì)數(shù)字信號(hào)有光電隔離作用，可很好的將誤動(dòng)作信號(hào)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(duì)輸入信號(hào)光隔離，輸入信號(hào)TTL兼容、可接受差分信號(hào)，具有良好的散熱功能和細(xì)分功能，對(duì)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(cè)試儀的I/O變量分為數(shù)字量輸入信號(hào)，數(shù)字量輸出信號(hào)和中間變量三類。其中數(shù)字量輸入信號(hào)有：運(yùn)行啟動(dòng)信號(hào)，復(fù)原信號(hào)，開始計(jì)時(shí)信號(hào)，停止計(jì)時(shí)信號(hào)，上升信號(hào)，下降信號(hào)，前進(jìn)信號(hào)，后退信號(hào)，正轉(zhuǎn)信號(hào)，反轉(zhuǎn)信號(hào)；數(shù)字量輸出信號(hào)有：運(yùn)行控制信號(hào)，打印控制信號(hào)；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(hào)和中間變量，啟動(dòng)并控制測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果，結(jié)束測(cè)試過程。

           圖4  燃燒自動(dòng)測(cè)試儀控制程序圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本自動(dòng)測(cè)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(guó)WJT先進(jìn)的JQF－MD808步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，保證了測(cè)試儀運(yùn)行穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，精度高。使用本測(cè)試儀不僅可以降低檢測(cè)工作的勞動(dòng)強(qiáng)度，還大大提高了檢測(cè)的效率，提高了檢測(cè)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(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。