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作者:馬安一(2005-06-02);推薦:徐業良(2005-06-03)

防音耳罩頭帶疲勞測試機台之整體設計規劃

本文描述「防音耳罩頭帶疲勞測試機台」整體設計規劃,將提交廠商認可後,繼續進行後續製作。

1.     防音耳罩頭帶疲勞測試機台設計需求與設計概念

本機台依據澳洲∕紐西蘭標準AS/NZS STANDARD 1270:2002 ACOUSTICS- HEARING PROTECTORS設計製作,主要功用在於測試防音耳罩頭帶(headband)部份在反覆開闔狀況下是否會產生疲勞破壞。機台基本需求是設計一個機構來進行耳罩反覆開闔的動作,依據標準,在耳罩反覆開闔動作中左右耳罩間的最近距離為25mm,最遠距離為200mm,耳罩反覆開闔次數不得低於1000次,且耳罩反覆開闔的頻率為10~12次∕分鐘。此外在實務測試操作上需防止耳罩脫落,同時希望可以達到開闔拉伸距離的調整功能。

AS/NZS標準中附了一個機構設計參考圖,是利用曲柄滑塊四連桿機構達成耳罩反覆開闔的動作(如圖1所示),動力源為一轉速約為12rpm的馬達,透過曲柄與連桿將旋轉動力轉換成測試所需之開闔動作但此種機構設計很難達成調整開闔拉伸距離的功能(要改變其連桿長度與固定端位置),且機構較為複雜。

1. 曲柄滑塊四連桿機構設計

本計畫機構設計概念將改採類似印表機噴墨頭的皮帶與皮帶輪機構,透過控制馬達正反轉來達成反覆開闔功能。在此設計概念下,本機台可分為開闔動作機構、耳罩承載座、控制系統等三個子系統,下一節中將一一做細部設計說明。

2.     子系統細部設計

2.1 開闔動作機構

2防音耳罩頭帶疲勞測試機台整體示意圖,開闔動作機構的動作主要是動力源帶動滑動支架(及耳罩承載座),在軌道上做反覆開闔動作。

2. 防音耳罩頭帶疲勞測試機台整體示意圖

(1)   動力源

動力源包含了馬達、皮帶、與皮帶輪。動力源使用12V直流馬達(ABRoad GM4340),搭配減速機後輸出轉速為34rpm,扭力輸出為10kg cm。皮帶選擇Power Grip HTD系列,因為皮帶需要與滑動支架固定結合,而3M規格在皮帶溝槽間距與深度僅為3.00mm1.03mm,不利於固定,所以選擇5M的規格。如圖35M規格在34rpm時設計功率約為0.05kW~0.4kW,遠大於馬達功率。

耳罩反覆開闔動作中左右耳罩間的最近距離為25mm,最遠距離為200mm,且耳罩反覆開闔的頻率為10~12次∕分鐘,因此皮帶線速度為

       

所需皮帶輪直徑D38.1mm,根據產品型錄,選擇24grooves、直徑PD=38.2mm、齒寬W=20mm的皮帶輪圖(如圖4)。

3. 皮帶參數表

4. 皮帶與皮帶輪規格

(2)   滑動支架

如圖5所示,滑動支架材質選用鋁材,其上裝載皮帶夾合器和導輪兩項元件,並外加耳罩承載座。皮帶夾合器的作用是結合滑動支架與皮帶,把皮帶的齒模加工到夾合器上穩固咬合。導輪的功用則是穩定運動,與軌道做水平挾持的動作。此外如圖7所示,在耳罩開闔過程中,頭帶抗拉力和皮帶拉力會對滑動支架形成一個轉動力矩,而使滑動支架有翻覆的可能,所以在垂直方向上也加入上下兩組導輪頂住軌道,以避免翻覆。

5. 滑動支架與軌道

6. 移動支架受力圖

(3)   軌道

如圖5所示,軌道固定於機台底座,主要功能在提供滑動支架穩定運動路徑。在此處的軌道沒有荷重的需求,所以其材質選用壓克力,以方便加工與導輪作配合。在設計上採用類似工字型的形狀,左右兩側凹槽之作用在於與滑動支架垂直方向之兩組導輪作配合。

2.2 耳罩承載座

耳罩承載座主要功能是固定耳罩,使耳罩在測試過程中不脫落,且避免產生歪斜的情形。如圖7所示,耳罩承載座為一塊鋁板上附一個軟質橡膠固定座,在鋁板後方並固定兩條魔鬼氈,能將耳罩再一次包覆,避免耳罩傾倒。

7. 耳罩承載座

2.3 控制系統

控制系統主要以PIC單晶片為中心,控制機台整體操作流程及訊號路徑。機台整體操作流程規劃如下:

「開啟系統電源後先做歸位動作,驅動馬達使滑動支架往拉伸初始點移動,碰到初始點極限開關後滑動支架停止,此時耳罩承載座之間保持最小距離25mm,之後把耳罩夾在耳罩承載座上,用魔鬼氈將耳罩包覆固定,調節拉伸最大距離端點的極限開關,設定所需的拉伸行程(200mm~240mm)。完成準備動作之後,使用者由控制面板上啟動按鍵開始測試。在拉伸過程中透過讀取端點極限開關訊號,除了使馬達反轉也紀錄測試次數由控制面板上的LCD螢幕顯示出來,當完成1000次拉伸後系統自動停止。若中途有問題出現,可以由控制板上的停止鍵停止測試程序,待問題排除後按下啟動件接續進行測試與記數,或者是按下reset鍵重新開始測試流程。」

在此操作流程規劃下,控制系統設計上包含了控制面板、極限開關、PIC單晶片控制器、與LCD顯示幕等元件,系統架構如圖8所示。使用者由控制面板上按鍵輸入指令給PIC單晶片控制器,極限開關回傳滑動支架運動情況的訊息,經由PIC單晶片控制器計算後,輸出訊號給馬達控制正反轉,同時也輸出次數訊號給LCD顯示幕。

8. 系統架構圖