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                   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，并沿主軸線方向計算玩具燃燒長度和速度的需求，結合PLC控制技術、高性能細分型驅動裝置和步進電機的工作原理，對研制玩具燃燒測試儀的工作原理、工作過程、硬件結構、軟件程序和技術特性進行了詳細論述，指出此測試儀可滿足美國玩具燃燒測試需求。

關鍵詞：自動控制;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

　　在美國玩具標準ASTM F963-03中，玩具主軸線定義為：一條連接產品上最遠的部分或端點的距離最長的直線。一個產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行整體易燃性測試，往往要花費大量的時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，用肉眼無法準確測量燃燒的尺寸，這樣測試結果就會受到較多人為因素的影響，效率低、誤差大、重復性差，嚴重影響玩具易燃性測試合格與否的判定。

　　隨著計算機控制技術的發展，PLC（可編程控制器）以其模塊化的結構，高抗干擾的I/O處理元件、硬件配置的靈活性，可擴展和穩定性等特點，為在不同的場所的應用提供了穩定的平臺，已廣泛使用在自動控制裝置領域。

　　本玩具整體燃燒自動測試儀采用先進的PLC控制技術和高性能的細分型驅動裝置控制技術，可滿足美國玩具標準ASTM F963-03中相關條款的要求，自動測量玩具的主軸線尺寸，自動記錄燃燒時間并計算燃燒速度，且精度高，效率高，穩定性好為玩具的安全測試提供了保證。

2 工作過程

　　燃燒自動測試儀為平臺結構，由人機交互部分、控制部分、驅動部分和支撐定位部分四部分組成，如圖1所示。

圖1 燃燒自動測試儀組成圖

　　人機交互部分：采用日本三菱公司的F920型操作面板，通過操作按鈕可以進行各種操作功能的設置，并可將測試參數和測試結果顯示在屏幕上。操作簡單、方便，顯示及時準確。

　　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、可靠穩定的特性。主要作用是接受輸入信息，并根據信息進行判定和數據處理，進而輸出控制信號到測試儀的驅動部分。并且可以進行計時功能。

　　驅動部分：包括三個步進電機，采用美國WJT先進的JQF-MD808步進電機驅動器，接受脈沖輸出信號，控制步進電機的旋轉角度和旋轉方向，完成測試過程中的各種驅動任務。

　　支撐定位部分：自動測試儀的機械部分，主要由底座，支撐桿，定位桿，刻度標等部分組成。

　　玩具燃燒自動測試儀的機械結構示意圖如圖2所示：

1. 電機1 2. 絲桿 3. 刻度標 4. 電機2 5. 絲桿 6. 活動塊 7. 支承桿 8. 底座
9. 微調平臺 10. 軸承 11. 定位桿 12. 軸套 13. 旋轉軸 14. 電機3
圖2 燃燒自動測試儀機械結構示意圖

　　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的工作臺上，步進電機驅動支撐桿旋轉，帶動支撐桿上的定位桿使其與玩具主軸線方向一致，通過微調旋轉工作臺、定位桿的方向及位置，確定樣品的主軸線方向。

　　（2）準確測量樣品主軸線尺寸及燃燒尺寸 ：使用步進電機帶動絲桿上的刻度標從玩具主軸線的一端開始移動到另一端，移動的距離即為玩具主軸線尺寸;將定位桿移開，將玩具點火測試，待火焰熄滅后，再將定位桿移回到點火前的初始位置，此時，定位桿方向又與玩具主軸線方向一致，該位置通過PLC控制步進電機來保證;移動刻度標從玩具主軸線一端移動到玩具燒毀邊緣，記錄移動距離，則兩次移動距離之差就為玩具在主軸方向被燒毀的尺寸。

　　（3）測試結果的顯示與打印裝置：當玩具點火燃燒時，按下計時按鈕，火焰熄滅后停止計時，用PLC自動記錄玩具燃燒的時間，玩具燃燒速度=玩具燃燒尺寸/燃燒時間，將測量數據計算得出燃燒速度，并將玩具主軸線尺寸、燃燒尺寸、燃燒時間、燃燒速度及環境情況顯示打印。

3 工作原理

　　玩具自動燃燒測試儀的核心部分是PLC和三個步進電機組成的驅動部分，測試儀的工作原理如圖2示。

圖3 燃燒自動測試儀工作原理圖

　　根據美國玩具標準燃燒測試要求，在操作面板上通過按鈕設定定位桿上升的高度。PLC接收所有這些信息，經過分析和相應的數據處理后輸出啟動信號，控制步進電機啟動。步進電機接到PLC的輸出信號后以設定的高度完成相應的操作。通過面板上的正轉按鈕當作PLC的輸入信號，控制步進電機帶動定位桿轉動一定的角度到達玩具的主軸線方向。PLC自動記錄該角度當作后續操作的基準角度。然后啟動前進測量按鈕，PLC接收到此輸入信號后，控制定位桿上的步進電機帶動刻度標測量玩具主軸線尺寸L1。PLC自動記錄此數據顯示到面板上。確定好玩具的主軸線尺寸后，啟動反轉按鈕使定位桿回到原始位置。

　　當確定好玩具主軸線方向和尺寸后，將玩具點火燃燒，此時按下面板上的計時按鈕，PLC接收此信號作為一個數字輸入信號;當玩具燃燒熄滅后按下停止按鈕，PLC接收此信號作為另一個數字輸入信號，便輸出信號到面板顯示玩具的燃燒時間T。啟動復原鍵按鈕，PLC控制步進電機帶動定位桿回到當初記錄的旋轉角度，使定位桿重新與玩具主軸線重合;啟動后退按鈕，使刻度標到達玩具燒毀邊緣，面板上會顯示刻度標后退的距離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根據燃燒尺寸和燃燒時間自動計算玩具的燃燒速度，當啟動打印按鈕后，PLC輸出控制信號到微型打印機，自動打印其結果。

　　同時，根據不同玩具的高度，可以在面板上設定高度，使定位桿上升到一定的高度便于刻度標上的指針定位玩具的主軸線邊緣。也可以通過設定一定的角度，先將定位桿轉到一定的角度上，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，當有一定偏差時，通過平臺的微調功能，使其保持一致。

4 功能特性

　　⑴ 測試精度高，響應速度快。FX1S-10MT型PLC為12位機，具有精度高、速度快的特點使測試儀具有優良的測試精度和響應時間。又由于MC- 808MDE細分型高性能步進電機驅動器采用了新型的雙極性橫流載波驅動技術，最高256倍細分，使步進電機可以達到更高的速度和更大的高速轉矩，細分功能使電機運轉精度更高，振動更小，噪聲更低。

　　⑵ 操作簡單，使用方便。只需在操作面板上按鍵操作即可，同時顯示屏將相關轉動角度，測量尺寸清晰的顯示出來，簡單，方便、準確。測試儀的使用極大的降低了工作強度，提高了工作效率。

　　⑶ 可靠性高、穩定性強。由于PLC具有可靠性高，穩定性強的特點，MC-808MDE細分型高性能步進電機驅動器具有先進的過流保護（峰值超過 10A）、過壓保護（超過85VDC）、過熱保護（≥70℃停止工作，≤50℃恢復工作）和錯相保護功能使測試儀運行更可靠、更安全，很好地具備了電氣穩定性和可靠性。

　　⑷ 測試儀結構設計合理。測試儀為平臺結構，操作面板安裝在底座上，步進電機封裝在支撐桿和支座里面，不易接觸。同時測試儀的各個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，調試和維修方便。

　　⑸ 靈活的預設置功能。可預設測試速度和時間，設定范圍廣。預設角度為0-180°，預設速度范圍為0-6000m/s，燃燒時間0-90s。

　　⑹ 技術指標為：定位桿上升高度為0-500mm，轉動角度為0-90°。定位桿原始位置為0°。

　　⑺ 抗干擾性強。由于本測試儀的PLC元件具有對數字信號有光電隔離作用，可很好的將誤動作信號干擾過濾掉。而MC-808MDE細分型高性能步進電機驅動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分功能，對振動干擾、電磁干擾、環境干擾等有很好的抑制作用。

5 控制系統的軟件設計

　　玩具易燃性自動測試儀的I/O變量分為數字量輸入信號，數字量輸出信號和中間變量三類。其中數字量輸入信號有：運行啟動信號，復原信號，開始計時信號，停止計時信號，上升信號，下降信號，前進信號，后退信號，正轉信號，反轉信號;數字量輸出信號有：運行控制信號，打印控制信號;中間變量有：高度設定，角度設定。

　　PLC根據接收到的數字量輸入信號和中間變量，啟動并控制測試儀運行，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，點火燃燒玩具，啟動計時器。玩具燃燒后，停止計時器，定位桿回到記錄位置，測量玩具燃燒尺寸。計算燃燒時間并啟動打印裝置，輸出測試結果，結束測試過程。

圖4 燃燒自動測試儀控制程序圖

6 結束語

　　本自動測試儀采用先進的日本三菱公司的FX1S-10MT型PLC控制器和美國WJT先進的JQF-MD808步進電機驅動器，保證了測試儀運行穩定，響應速度快，精度高。使用本測試儀不僅可以降低檢測工作的勞動強度，還大大提高了檢測的效率，提高了檢測結果的準確性，提高了檢驗工作的自動化水平。該產品在玩具安全檢測中具有廣闊的應用前景。

　　本文作者創新點: 采用PLC控制技術結合高性能細分型驅動裝置和步進電機的工作原理，研制開發玩具燃燒自動測試儀。該裝置能夠準確確定玩具主軸線方向和尺寸，保證檢驗結果的精確性。

參考文獻：

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