基于PLC的玩具整体燃烧自动测试仪的研究

1 引言

在美国玩具标准ASTM F963-03中，玩具主轴线定义为：一条连接产品上最远的部分或端点的距离最长的直线。一个产品可以有一条以上的主轴线，但它们的长度必须相等。对塑胶玩具和毛绒玩具进行整体易燃性测试，往往要花费大量的时间来确定玩具主轴线的方向和尺寸。而玩具主轴的方向、尺寸及燃烧尺寸的确定目前是通过人的肉眼和钢直尺来判断的，玩具燃烧前后外形差别较大，用肉眼无法准确测量燃烧的尺寸，这样测试结果就会受到较多人为因素的影响，效率低、误差大、重复性差，严重影响玩具易燃性测试合格与否的判定。

随着计算机控制技术的发展，PLC（可编程控制器）以其模块化的结构，高抗干扰的I/O处理元件、硬件配置的灵活性，可扩展和稳定性等特点，为在不同的场所的应用提供了稳定的平台，已广泛使用在自动控制装置领域。

本玩具整体燃烧自动测试仪采用先进的PLC控制技术和高性能的细分型驱动装置控制技术，可满足美国玩具标准ASTM F963-03中相关条款的要求，自动测量玩具的主轴线尺寸，自动记录燃烧时间并计算燃烧速度，且精度高，效率高，稳定性好为玩具的安全测试提供了保证。

2 工作过程

燃烧自动测试仪为平台结构，由人机交互部分、控制部分、驱动部分和支撑定位部分四部分组成，如图1所示。

                        图1 燃烧自动测试仪组成图

人机交互部分：采用日本三菱公司的F920型操作面板，通过操作按钮可以进行各种操作功能的设置，并可将测试参数和测试结果显示在屏幕上。操作简单、方便，显示及时准确。

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、可靠稳定的特性。主要作用是接受输入信息，并根据信息进行判定和数据处理，进而输出控制信号到测试仪的驱动部分。并且可以进行计时功能。

驱动部分：包括三个步进电机，采用美国WJT先进的JQF－MD808步进电机驱动器，接受脉冲输出信号，控制步进电机的旋转角度和旋转方向，完成测试过程中的各种驱动任务。

支撑定位部分：自动测试仪的机械部分，主要由底座，支撑杆，定位杆，刻度标等部分组成。

玩具燃烧自动测试仪的机械结构示意图如图2所示：

1. 电机1  2. 丝杆  3. 刻度标  4. 电机2  5. 丝杆  6. 活动块  7. 支承杆  8. 底座

9. 微调平台 10. 轴承  11. 定位杆  12. 轴套  13. 旋转轴  14. 电机3

图2 燃烧自动测试仪机械结构示意图

其工作过程如下：

（1）确定样品的主轴线方向：玩具样品放置在可旋转的工作台上，步进电机驱动支撑杆旋转，带动支撑杆上的定位杆使其与玩具主轴线方向一致，通过微调旋转工作台、定位杆的方向及位置，确定样品的主轴线方向。

（2）准确测量样品主轴线尺寸及燃烧尺寸 ：使用步进电机带动丝杆上的刻度标从玩具主轴线的一端开始移动到另一端，移动的距离即为玩具主轴线尺寸；将定位杆移开，将玩具点火测试，待火焰熄灭后，再将定位杆移回到点火前的初始位置，此时，定位杆方向又与玩具主轴线方向一致，该位置通过PLC控制步进电机来保证；移动刻度标从玩具主轴线一端移动到玩具烧毁边缘，记录移动距离，则两次移动距离之差就为玩具在主轴方向被烧毁的尺寸。

（3）测试结果的显示与打印装置：当玩具点火燃烧时，按下计时按钮，火焰熄灭后停止计时，用PLC自动记录玩具燃烧的时间，玩具燃烧速度＝玩具燃烧尺寸/燃烧时间，将测量数据计算得出燃烧速度，并将玩具主轴线尺寸、燃烧尺寸、燃烧时间、燃烧速度及环境情况显示打印。

3 工作原理

玩具自动燃烧测试仪的核心部分是PLC和三个步进电机组成的驱动部分，测试仪的工作原理如图2示。

              图3 燃烧自动测试仪工作原理图

根据美国玩具标准燃烧测试要求，在操作面板上通过按钮设定定位杆上升的高度。PLC接收所有这些信息，经过分析和相应的数据处理后输出启动信号，控制步进电机启动。步进电机接到PLC的输出信号后以设定的高度完成相应的操作。通过面板上的正转按钮当作PLC的输入信号，控制步进电机带动定位杆转动一定的角度到达玩具的主轴线方向。PLC自动记录该角度当作后续操作的基准角度。然后启动前进测量按钮，PLC接收到此输入信号后，控制定位杆上的步进电机带动刻度标测量玩具主轴线尺寸L1。PLC自动记录此数据显示到面板上。确定好玩具的主轴线尺寸后，启动反转按钮使定位杆回到原始位置。

当确定好玩具主轴线方向和尺寸后，将玩具点火燃烧，此时按下面板上的计时按钮，PLC接收此信号作为一个数字输入信号；当玩具燃烧熄灭后按下停止按钮，PLC接收此信号作为另一个数字输入信号，便输出信号到面板显示玩具的燃烧时间T。启动复原键按钮，PLC控制步进电机带动定位杆回到当初记录的旋转角度，使定位杆重新与玩具主轴线重合；启动后退按钮，使刻度标到达玩具烧毁边缘，面板上会显示刻度标后退的距离L2，则玩具燃烧尺寸L＝玩具主轴线尺寸L1－后退距离L2，并将玩具燃烧尺寸显示到面板上，PLC根据燃烧尺寸和燃烧时间自动计算玩具的燃烧速度，当启动打印按钮后，PLC输出控制信号到微型打印机，自动打印其结果。

同时，根据不同玩具的高度，可以在面板上设定高度，使定位杆上升到一定的高度便于刻度标上的指针定位玩具的主轴线边缘。也可以通过设定一定的角度，先将定位杆转到一定的角度上，再将玩具放置到平台上，使其主轴线方向与定位杆方向一致，当有一定偏差时，通过平台的微调功能，使其保持一致。

4 功能特性

⑴ 测试精度高，响应速度快。FX1S-10MT型PLC为12位机，具有精度高、速度快的特点使测试仪具有优良的测试精度和响应时间。又由于MC－808MDE细分型高性能步进电机驱动器采用了新型的双极性横流载波驱动技术，最高256倍细分，使步进电机可以达到更高的速度和更大的高速转矩，细分功能使电机运转精度更高，振动更小，噪声更低。

⑵ 操作简单，使用方便。只需在操作面板上按键操作即可，同时显示屏将相关转动角度，测量尺寸清晰的显示出来，简单，方便、准确。测试仪的使用极大的降低了工作强度，提高了工作效率。

⑶ 可靠性高、稳定性强。由于PLC具有可靠性高，稳定性强的特点，MC-808MDE细分型高性能步进电机驱动器具有先进的过流保护（峰值超过10A）、过压保护（超过85VDC）、过热保护（≥70℃停止工作，≤50℃恢复工作）和错相保护功能使测试仪运行更可靠、更安全，很好地具备了电气稳定性和可靠性。

⑷ 测试仪结构设计合理。测试仪为平台结构，操作面板安装在底座上，步进电机封装在支撑杆和支座里面，不易接触。同时测试仪的各个部件采用了防锈处理，各部件充分考虑了加工工艺的合理性，调试和维修方便。

⑸ 灵活的预设置功能。可预设测试速度和时间，设定范围广。预设角度为0－180°，预设速度范围为0－6000m/s，燃烧时间0－90s。

⑹ 技术指标为：定位杆上升高度为0－500mm，转动角度为0－90°。定位杆原始位置为0°。

⑺ 抗干扰性强。由于本测试仪的PLC元件具有对数字信号有光电隔离作用，可很好的将误动作信号干扰过滤掉。而MC－808MDE细分型高性能步进电机驱动器具有对输入信号光隔离，输入信号TTL兼容、可接受差分信号，具有良好的散热功能和细分功能，对振动干扰、电磁干扰、环境干扰等有很好的抑制作用。

5 控制系统的软件设计

玩具易燃性自动测试仪的I/O变量分为数字量输入信号，数字量输出信号和中间变量三类。其中数字量输入信号有：运行启动信号，复原信号，开始计时信号，停止计时信号，上升信号，下降信号，前进信号，后退信号，正转信号，反转信号；数字量输出信号有：运行控制信号，打印控制信号；中间变量有：高度设定，角度设定。

PLC根据接收到的数字量输入信号和中间变量，启动并控制测试仪运行，控制程序如图4所示。首先确定玩具主轴线方向，接着测量主轴线尺寸。确定好这些后，定位杆回到原始位置，点火燃烧玩具，启动计时器。玩具燃烧后，停止计时器，定位杆回到记录位置，测量玩具燃烧尺寸。计算燃烧时间并启动打印装置，输出测试结果，结束测试过程。

           图4  燃烧自动测试仪控制程序图

6 结束语

本自动测试仪采用先进的日本三菱公司的FX1S-10MT型PLC控制器和美国WJT先进的JQF－MD808步进电机驱动器，保证了测试仪运行稳定，响应速度快，精度高。使用本测试仪不仅可以降低检测工作的劳动强度，还大大提高了检测的效率，提高了检测结果的准确性，提高了检验工作的自动化水平。该产品在玩具安全检测中具有广阔的应用前景。