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作者:阮致維(2003-11-11);推薦:徐業良(2003-11-13)

工地用安全帽衝擊測試機台設計原理及使用說明

「昇明國際股份有限公司」委託元智大學機械所針對工地用安全帽衝擊測試標準ANSI Z89.1進行測試機台設計與製作,並希望同時能滿足EN 397-1995GB 2812-89項測試標準。本計畫將提供昇明國際股份有限公司測試機台一具、測試機台設計原理及使用說明若干份、並提供安裝、測試、維護等相關技術支援。本文件即為工地用安全帽之衝擊測試機台設計原理及使用說明。

1.     工地用安全帽衝擊測試機台設計概念

1.1 工地用安全帽衝擊測試標準

根據美國國家儀器標準ANSI Z89.1,衝擊測試機台設計需求整理如下:

l          衝擊方式:自由落體,衝擊高度1.524公尺,衝量19.36~19.86kg.m/s,末速度5.52m/s

l          衝擊物:錘頭,重量3.54~3.64kg,半球形錘體半徑48±0.8mm,尾長76mm

l          測試儀器:荷重元,0~4450N(0~1000lb)

l          測試頭模:尺寸標準參照ISEA Headform,重量3.64±0.45kg

l          測試標準:最大傳遞力4450N

本測試機台希望同時能滿足EN 397-1995GB 2812-89項測試標準,兩項標準主要項目整理如表1,此兩項標準與ANSI Z89.1的主要差異是錘頭重量、衝擊高度、以及對於力感測元件的標準規範等。機台性能上同時滿足三項標準的解決方式並不困難,可在原有ANSI Z89.1標準規格中增加更換衝擊錘頭、選購性能涵蓋三項測量範圍的力感測元件、及調整衝擊座高度達到所需的衝擊高度等方式達成。

1. ANSI Z89.1EN 397-1995GB 2812-89標準比較

項目

EN 397-1995

GB 2812-89

衝擊方式

自由落下

自由落下

衝擊高度

1,000±5mm

1,000mm

衝量

無此要求

無此要求

末速度

無此要求

無此要求

測試時間限制

前處理後一分鐘內

前處理後一分鐘內

錘頭半徑

半球形50±1mm

半球形48mm

錘頭重量

45號鋼)

標準限制

傳遞力5,000N

傳遞力4,900N

測量裝置

0~40kN

0~30kN

安全帽與頭模間隙

不小於25mm

塑料襯:25~50mm;棉質:30~50mm

測試頭模

EN960(1994)

GB2811-89

本計畫設計之衝擊測試機台,設計概念與動作原理整體敘述如下:

「首先將前處理完成的安全帽測試樣本置於機台測試頭模上,安全帽頤帶本身調整成寬鬆的狀態避免繫住頭模;調整帽中央對正頭模頂端區域,讓衝擊錘能正確的撞擊於帽頂中央;安全帽擺放正確後關閉安全門,開始衝擊程序。操作者利用控制面板啟動馬達升降座降下並將衝擊座釋放扣扣上,再將整個升降裝置升高至光電開關或極限開關定位之衝擊高度。操作者利用控制面板啟動電磁吸鐵打開衝擊座固定扣,撞擊座鬆脫沿導桿垂直落下,沿途經過速度量測裝置抓取速度訊號回傳給控制面板內的PIC單晶片控制模組,計算末速度與衝量。撞擊錘衝擊安全帽後,測試頭模下方的荷重元PIC單晶片讀取衝擊瞬間傳遞力量大小,最後從LCD螢幕顯示最大傳遞力及末速度。」

根據此設計概念,圖1是本計畫設計之測試機台整體佈置圖,本測試機台包含機台結構、升降裝置、感測系統、控制系統等四個子系統,包含之元件基本規格整理如表2,第二節起並開始描述各子系統細部設計。

2. 工地用安全帽衝擊測試機台整體佈置圖

2. 工地用安全帽衝擊測試機台子系統與元件基本規格

子系統

元件名稱

基本規格

數量

機台結構

骨架

540*340*2240(mm)

1

底板

600*400*50(mm)

1

安全門

800*540*40(mm)

1

導桿

φ302200(mm)

1

升降裝置

升降座

420*75*64(mm)

1

衝擊座

420*75*64(mm)

1

衝擊錘

半球形φ48±0.8mm

1

半球形φ50±1mm

半球形φ48mm

馬達

110V 60W渦輪減速馬達

1

釋放機構

拉力5 kg

1

光電開關

穿透式光電感測器

1

極限開關

 

感測系統

荷重元

測量範圍0~45kN

1

速度感測裝置

穿透式光電感測器

2

衝擊頭模

ISEA Standard Head Form

1

控制系統

控制面板

 

1

單晶片模組

PIC16F877

1

LCD螢幕

 

1

2.     感測系統設計

感測系統為本測試機台之關鍵子系統,主要功能在感測衝擊時之衝擊力,以及衝擊錘瞬間速度,共包含荷重元、速度感測裝置、衝擊頭模等三個元件。

2.1 荷重元選用

荷重元功能在感測衝擊時之衝擊力,ANSI Z89.1對荷重元的性能要求,內容整理如下:

l          荷重元直徑:75mm(2.96 in)min

l          量測範圍:0~4,450N(0~1,000lbs)

l          解析度:最大刻度增值44.5N

l          系統誤差:±2.5%

l          剛性:≧N/m

l          響應頻率:SAE J211b, Class 1,000

EN 397-1995GB 2812-89對衝擊測試機台荷重元量測範圍的要求則分別為0~40kN0~30kN。本衝擊測試機台最後選擇的荷重元詳細規格重點說明如下,選擇的荷重元實體圖如圖2

l             荷重元直徑: 104.65mm (4.12 inch)

l             量測範圍:0~45,000N(10,000lbs)

l             系統誤差:±1.0%

l             響應頻率:6,600Hz

l             工作電壓值:最大可接受10V工作電壓。

l             訊號輸出:最大輸出4.02mV/V,需視工作電壓大小決定。

l             訊號放大器:取樣頻率3333HZ,工作電源10~28VDC,可調整類比電壓輸出±10V

3. 荷重元實體圖

衝擊測試屬於動態測試,感測器本身及訊號輸出必須考慮取樣頻率大小以獲得正確的量測數值。AD/DA卡有足夠的取樣頻率雖可用來擷取訊號,但其缺點是必須裝置在電腦上而且需附操作軟體程式,使用上較不方便,所以我們以PIC單晶片搭配訊號放大器擷取荷重元量測訊號。訊號放大器本身即可提供荷重元10V工作電壓,無須另外供給荷重元工作電壓,由透過荷重元內部應變計電組變化輸出量測訊號,規格上荷重元訊號輸出最大為4.02mV/V,在10V工作電壓下可輸出40.2mV電壓值,然後由放大器放大至輸出0~5VPIC可接受0~5VAD轉換。圖4為訊號放大器實體圖。

4. 訊號放大器實體圖

2.2 速度量測裝置選用

速度量測裝置在感測衝擊瞬間時的衝擊速度,以確認是否有足夠衝量。本測試機台採用一組穿透式光電感測器,利用其非接觸、長距離檢測特性提供穩定的量測。本量測原理主要透過一組固定位置光電感測器偵測衝擊錘落下時間,根據錘頭落下距離和通過時間t可由公式計算出衝擊錘實際下落的加速度,再將實際衝擊高度s帶入即可計算出末速度ANSI標準中末速度需符合衝量值19.36~19.86之範圍,而衝擊錘重量範圍3.54~3.64kg,則末速度所需的最小末速度範圍需在5.31~5.45

5速度量測裝置之光電感測器實體圖,規格如下:

l             DC Type10~30 VDC

l             輸出方式:NPN & PNP

l             輸出電流:150mA max

l             響應時間:2ms

5. 速度量測裝置實體圖

2.3 衝擊頭模設計

安全帽衝擊測試以測試頭模模擬人體頭部在承受重直撞擊時頸部所承受的實際衝擊力量,本測試機台依照規範所使用的衝擊測試頭模應該符合“ISEA Standard Head Form” Size 7“AML Head Size Standard” medium頭模尺寸標準,頭模材質應為低共振材質的鎂、木頭或鋁,重量上符合3.64kg±0.45kg(8 pounds±1pound)規範。以下是衝擊測試機台的衝擊頭模規格:

l          標準: ISEA Standard Head FormSize 7

l          材質:代木(密度、性質近似於木頭能作鑽、洗、刨等切削加工)。

l          尺寸:長度約200mm,寬度約150mm,高度為227.6mm

衝擊頭模製作依據“ISEA Standard Head Form” Size 7標準進行,圖6為本計畫依ISEA Standard Head Form建立之電腦3D頭模模型,並以性質與木頭相同的代木作為頭模材料,委外廠商進行CNC加工製作,成品實體如圖7

6. ISEA Standard Head Form 3D模型

7. 衝擊測試頭模實體圖

3.     升降裝置設計

升降裝置主要功能在於可將衝擊錘提升至適當衝擊高度,定位後使用者能釋放衝擊錘,主要包括升降座、衝擊座、衝擊錘、馬達、釋放機構、極限開關和光電開關等六項元件。

3.1 降座設計

升降座能將衝擊錘升至適當衝擊高度,並且可在衝擊完成後將衝擊座連同衝擊錘拉回。圖8為升降座之設計圖,圖9為製作完成之實體圖。

8. 衝擊測試機台之升降座設計圖

9. 衝擊測試機台之升降座實體圖

3.2 衝擊座設計

衝擊座下方以螺帽孔與衝擊錘相連接,以衝擊座和衝擊錘的總重量提供衝擊時所需要的物件,兩側圓柱內有線性滑軌導引由機台沿導桿下落。圖10為衝擊測試機台之衝擊座設計圖,圖11為衝擊測試機台之衝擊座實體圖。

10. 衝擊測試機台之衝擊座設計圖

11. 衝擊測試機台之衝擊座實體圖

3.3 衝擊錘設計

本機台將製作三個不同衝擊錘,以符合ANSIGBEN三種規範。ANSI Z89.1測試機台衝擊錘規格說明如下,圖12為其設計圖,圖13為其實體圖。

l          重量:2.29kg,需與衝擊座在總重量上符合限重3.54~3.64kg

l          材質:中碳鋼。

l          尺寸:半球形、球面半徑48±0.8mm其尾長為7.6cm

12. 衝擊測試機台之ANSI Z89.1衝擊錘設計圖

13. 衝擊測試機台之ANSI Z89.1衝擊錘實體圖

GB2812測試機台衝擊錘規格規格說明如下,圖14為其設計圖,圖15為其實體圖。

l          重量:與衝擊座結合總重量上符合限重5kg

l          材質:45號鋼。

l          尺寸:半球形、球面半徑48mm

14. 衝擊測試機台之GB 2812衝擊錘設計圖

15. 衝擊測試機台之GB 2812衝擊錘實體圖

EN 397測試機台衝擊錘規格規格說明如下,圖16為其設計圖,圖17為其實體圖。

l          重量:與衝擊座結合總重量符合限重5kg

l          材質:中碳鋼。

l          尺寸:半球形、球面半徑50mm±1mm

16. 衝擊測試機台之EN 397衝擊錘設計圖

17. 衝擊測試機台之EN 397衝擊錘實體圖

3.4 馬達選用

升降座、衝擊座、及衝擊錘是以一電動馬達帶動升降。考量馬達輸出所需的迴轉數,以及負載下所需的啟動轉矩,我們選擇60W單相110V附電磁煞車感應馬達,啟動轉矩0.33、額定轉速1500rpm、減速比60。圖18是渦輪減速馬達實體圖。

18. 渦輪減速馬達實體圖

3.5 釋放機構設計

如圖17所示,衝擊座自升降座釋放,係由一交流電磁鐵利用電磁開關控制,磁鐵上的伸縮桿機構與連桿相連接,可透過連桿控制固定扣扣與放。下兩圖是交流電磁鐵作用圖,電磁鐵斷電時固定扣緊扣,電磁鐵通電時固定扣鬆脫。

(a) 電磁鐵斷電時固定扣緊扣

(b) 電磁鐵通電時固定扣鬆脫

19. 交流電磁鐵控制固定扣緊扣與鬆脫

交流電磁鐵可以由電子材料行購得(如圖20),主要規格整理如下。圖21是與其搭配的釋放機構設計圖。

l          吸力:5 kg

l          行程:20mm

l          電壓:110V

l          電流:DC 24V2A

20. 交流電磁鐵實體圖

21. 衝擊測試機台之釋放裝置

3.6 極限開關與光電開關

升降座在運作時主要以光電開關和極限開關作高度偵測,光電開關負責感應升降座是否達到衝擊高度,若達到衝擊高度後開關訊號即立刻傳回PIC,由電路控制繼電器將馬達電源停止。極限開關則直接串接馬達正轉電源,當升降座達到最大衝擊高度時透過升降座與開關接觸可直接將馬達電源關閉停止馬達運轉。光電開關有非接觸及長距離檢測的特性,適用於高度定位控制,選擇上採用穿透式光電開關,並透過升降座上的遮斷片提供光束遮斷判斷訊號,在測試機台使用上提供衝擊高度1公尺定位。極限開關可定位衝擊高度並且能在馬達產生不正常的行程時立刻切斷馬達電源,防止程序錯誤。極限開關負責定位衝擊高度1.524公尺,由於機台本身在高度設計上即以提供最大衝擊高度所需的空間為設計規格,所以極限開關直接裝設於升降座最大上升行程處即能提供最大衝擊高度。

4.     機台結構設計

衝擊測試機台結構包括骨架、底板、安全門、與導桿四部分,設計上主要考慮以最小底面積和高度能夠容納所有相關設備及所需測試高度。圖22為其設計圖,圖23為其實體圖。

22. 衝擊測試機台骨架設計圖

23. 衝擊測試機台骨架實體圖

5.     控制系統設計

控制元件有繼電器三個、光電開關三組、極限開關以及PIC控制板。繼電器(1)、繼電器(2)、繼電器(3)分別負責馬達正反轉、馬達電源、以及電磁閥動作切換。光電開關總共有三組,一組定位衝擊高度,另外兩組計算衝擊末速度。光電開關裝置於機台內不同高度,位於最上方位置的光電開關用於定位衝擊高度1公尺,中間和下方的光電感測器提供升降座行程偵測、錘頭掛載判斷以及測量末速度。位於機台上方方的極限開關與馬達電源連接直接提供定位高度1.524公尺,另外極限開關可防止升降座因程式不正常動作碰觸機台上方主體結構。

PIC單晶片經由CCS控制程式總覽控制繼電器切換,並處理各種開關訊號,如光電開關、極限開關等訊號資料、計算衝擊末速度以及讀取荷重元的類比電壓訊號輸出。圖24為控制程序流程圖。

24.控制程序流程圖

5.1 衝擊測試機台操作程序

參考圖24,衝擊測試機台操作程序說明如下:

Step0. 由於考慮到衝擊測試需在一定時間內完成衝擊測試,所以必須讓進行完前處理過程的安全帽在步驟2過程中才放置於衝擊頭模上,ANSI規定需在15秒完成衝擊測試,EN 397GB2812則需在1分鐘內完成測試。

Step1. 開啟總電源鈕並確認安全門是否關上,若安全門未被關上則控制系統持續等待直到測試者將安全門關上則才會開始啟動。當安全門被關上時馬達開始運作連同升降座一同作衝擊前行程運動,行程動作間藉由光電開關偵測是否掛附有錘頭,偵測若有錘頭則升降座會上升停留在等待位置,若無錘頭則下降勾附錘頭後停留在等待位置。此偵測動作在確保啟動測試機台前錘頭未被不正常釋放而未維持勾附的狀態。

Step2. 升降座此時仍維持在等待位置,控制箱上的LCD顯示測試者請將安全帽配戴在測試頭模上,測試者在此將前處理完成的安全帽配戴在測試頭模上並且確定安全帽中心範圍有對準錘頭。配戴完成後測試者選擇測試標準的衝擊高度,選擇1公尺或1.524公尺高度,選擇完畢後控制系統啟動將衝擊錘帶往選擇的高度等待衝擊鈕按下。

Step3. 衝擊錘頭停留在衝擊高度,測試者須確保安全門被關上同時控制系統會不斷重複確認否則衝擊鈕按下無效。控制系統確定安全門有被關上後LCD螢幕顯示文字並請測試者按下衝擊鈕,按下按鈕後蜂鳴器開始倒數三秒釋放衝擊錘頭。

Step4. 衝擊錘自由落下並正確通過第三個位置的光電開關撞擊到安全帽後,LCD螢幕顯示量測結果衝量、末速度及最大傳遞力,數字顯示會持續維持直到測試者按下RESET鈕後才會清除數值顯示。衝擊完畢後升降座會下降將錘頭勾附並停留在等待位置。

Step5. 測試者若想重複測試則請按下RESET鈕讓控制程式重新設定啟動,操作程序仍重複步驟1到步驟5,但若測試者想改變測試標準請在步驟2將不同標準的衝擊錘頭更換上並選擇正確的衝擊高度重複其他操作步驟。若測試者不想重複測試則完成衝擊程序。

5.2 控制系統電路圖與控制程式

25是控制系統電路圖,表2說明PIC與開關和訊號線的配線分布,圖26為衝擊測試機台控制程式。電路開關中對於電感性負載(如馬達、電磁線圈)而言,回路在打開(電壓切斷)之瞬間,會發生比正常電壓高達數十倍的感應電壓,接點間易生火花,而對於電容性負載於迴路接通瞬間亦會產生瞬間的大電流,接點間也同樣易生火花,兩者需以火花吸收電路(並聯或串聯RC電路)以保護接點防止劣化。火花吸收電路對DC電磁閥而言,需用二極體與負荷並聯以消除火花。另外RC電路可在ACDC內以並聯或串聯(兩者皆可)以消除接點開閉時產生的火花。選擇上依電路不同需要耐高壓R約為50~500Ω,耐高壓C約為0.1~1mF。繼電器選擇上可採用固態繼電器,能接受低壓(DCAC)信號輸入,驅動高壓之輸出,具隔離輸出入及控制高功率輸出之效果,由於驅動原理非機械方式動作故較一般繼電器反應快,且無接點火花問題,但價格稍貴。若在電感性負載(如馬達、電磁線圈)內未用火花吸收電路減少接點與火花接觸,則會讓控制模組的PIC在開關開或閉動作下造成工作電壓瞬間消失,使PIC立刻重新啟動影響控制程式和操作流程,所以必須加以注意。

25. 控制系統電路圖

2. PIC與開關和訊號線的配線分布表

PIC 接腳port

開關及感測器名稱

備註

B0

極限開關

偵測安全門是否關上

B3

光電開關(1公尺)

藍、黑線

 

極限開關

串接交流馬達正轉線(黑線)

RESET

RESET按鈕

 

A1

放大器類比訊號輸出port

0~5V電壓輸出

A2

光電開關(速度量測上方)

 

A5

光電開關(速度量測下方)

 

E0

1公尺高度選擇鈕

 

C2

2公尺高度選擇鈕

需給port高電位

C3

衝擊鈕

需給port高電位

MOTOR1

繼電器(1)-耐壓110V

控制交流馬達正反轉

MOTOR2

繼電器(2)-耐壓110V

控制交流馬達電源

MOTOR3

繼器器(3)-耐壓110V

控制電磁閥

26. 衝擊測試機台控制程式

5.3 人機介面

衝擊測試機台人機介面包含控制面板、LCD顯示螢幕、總電源開關三類開關。控制面板總計有四顆按鈕,各別為RESET鈕、衝擊高度1m鈕、衝擊高度1.5m鈕、以及衝擊啟動鈕。RESET鈕提供控制系統重新設定、衝擊高度1m鈕提供衝擊標準EN397CGB2812衝擊高度選擇、衝擊高度1.5m鈕提供衝擊標準ANSI Z89.1衝擊高度選擇,LCD螢幕則輔助測試者進行各項操作流程。圖27是控制面按鈕說明圖。

27. 控制面板按鈕說明圖。

6.     系統整合與測試

6.1 衝擊測試

衝擊測試以功能性測試為主,提供衝擊數據比對。機台衝擊測試並未進行安全帽前處理程序,而直接由標準規定的衝擊高度進行衝擊,並從感測系統抓取最大傳遞力數值。針對三項標準進行衝擊測試,每次測試標準共重複進行四次衝擊,並且檢驗在有效衝擊條件下末速度值與衝量傳遞力是否能有效且正確的讀取與顯示。以下表3是三種測試標準下的衝擊數值:

3. 衝擊測試數值紀錄表

l             測試安全帽廠牌:藍鷹牌ABS材質;測試標準:ANSI Z89.1

  衝擊要求

次數

衝量

()

末速度

()

最大傳遞力

4450(N)

測試標準合格

1

19.81

5.42

3053.35

 

2

19.81

5.42

3010.35

 

3

19.75

5.41

3053.35

 

4

19.79

5.42

3160.86

 

l             測試安全帽廠牌:藍鷹牌ABS材質;測試標準:EN 397

  衝擊要求

次數

衝量

()

末速度

()

最大傳遞力

5000 (N)

測試標準合格

1

3010.35

 

2

3074.85

 

3

2838.35

 

4

3053.35

 

l             測試安全帽廠牌:藍鷹牌ABS材質;測試標準:GB 2811

  衝擊要求

次數

衝量

()

末速度

()

最大傳遞力

4900(N)

測試標準合格

1

2128.74

 

2

2128.74

 

3

1634.19

 

4

2128.74

 

在重複進行衝擊測試或配戴安全帽時必須確認安全帽配戴正確,安全帽放置方式必須將帽頂中心範圍對準衝擊錘下方、檢查帽帶是否確實勾附,同時安全帽需呈水平並緊密的與衝擊頭模接觸。若安全帽未配戴正確則會造成衝擊數據的差異,上述圖表內的異常衝擊數值即發生在安全帽未配戴正確的狀況。另外會影響衝擊數值的因素為衝擊頭模和荷重元是否緊密的固定在底板上,亦是會影響衝擊數值的因素之一。

6.2 維護注意事項及故障排除須知

下列說明為測試機台維護注意事項及故障排除須知:

●機台維護注意事項:

(1)   衝擊測試開始前需先檢查各部位螺絲是否有鬆脫,尤其是經查遭受衝擊的部位。另請定時檢查各部位元件是否在長時間使用下導致零件鬆脫產生。

(2)   導桿需要定時將油污或灰塵清除以保持數據正確性。

(3)   請定時維護及確認光電開關及極限開關是否正常運作。

(4)   長時間不使用請將總電源關閉避免意外發生。

●故障排除須知:

(1)       當程式在電源啟動後未見有任何操作動作,請先檢查安全門極限開關是否正常,若檢查正常後請重新啟動電源讓系統重新設定,若極限開關損壞請即刻更換或通知維修。

(2)       在操作過程中若控制程式未依照操作程序動作,請先檢查光電開關或位於上方的極限開關是否正常,倘若開關損壞則會導致程式無法判斷及停止動作。

(3)       若衝擊完成後未顯示傳遞力數值,請檢查荷重元訊號傳輸線是否鬆脫。若未顯示末速度值大小請檢查光電開關是否正常運作。

(4)       機台需暖機後方可順利運作,剛開始啟動會較為不順但非機台故障請加以注意。

附件—工地用安全帽衝擊測試機台材料經費列表

品名

規格

數量

單價

金額

力感測組(荷重元、放大器、傳輸線)

45kN

1

62,000

62,000

衝擊錘

ANSIGBEN

3

2,000

6,000

測試頭模

ISEA Head form

1

15,000

15,000

光電感測器

穿透式光電感測器

4

1,200

4,800

磁簧開關

磁引間距80mm

2

160

320

單晶片877

 

2

3,300

6,600

單晶片452

 

1

3,300

3,300

骨架結構

 

1

25,000

25,000

直線軸承

搭配2組軸承組

4

 

3,900

渦輪減速馬達

110V60W

1

7,500

7,500

交流電磁吸鐵

110V

1

1,450

1,450

耗材

安全帽、24VDC 電源供應器、12V變壓器、電子零件、控制箱、機械工具等

 

5,000

5,000

經費總計

 

140,870