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作者:馬安一(2005-09-20);最近更新:涂超恒(2008-06-23);推薦:徐業良(2005-10-02)

防音耳罩頭帶疲勞測試機台設計與使用說明

本文描述防音耳罩頭帶疲勞測試機台之設計,並說明其使用方式。本機台依據澳洲∕紐西蘭標準“AS/NZS STANDARD 1270:2002 ACOUSTICS- HEARING PROTECTORS”(附錄A)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。本機台僅提供廠商於產品開發階段自行檢測產品之用,並不具有上市商品檢測之效力。

1.         防音耳罩頭帶疲勞測試機台設計需求與設計概念

防音耳罩頭帶疲勞測試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,依據相關測試標準,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。

本機台設計概念採類似印表機噴墨頭的皮帶與皮帶輪機構。如圖1所示,將耳罩配戴於「耳罩承載座」上,一端固定、另一端則裝置在一「滑動支架」上,「控制系統」控制「動力源」(即直流馬達)以固定頻率正反轉切換,透過「皮帶與皮帶輪機構」驅動滑動支架在「直線導軌」上前後滑動,達成反覆開闔功能。

1. 防音耳罩頭帶疲勞測試機台整體示意圖

在此設計概念下,每完成一次耳罩開闔動作,馬達需經2次的反轉,依據相關測試標準,每次測試開闔次數須達1000次,且平均每2.5~3秒鐘馬達需反轉一次,對馬達可能是相當大的負荷。為證實這個設計概念之可行性,首先對選用之直流馬達做反覆正反轉測試。利用PIC單晶片輸出高低電位訊號至馬達驅動IC中,每隔1500ms高低電位訊號互換一次,達成馬達反轉控制。馬達反覆正反轉測試共進行2次,單次實驗反轉次數皆超過20,000次,總測試時間1155分鐘,馬達總反覆次數為46,200次。測試過程中無異常現象,測試完成後馬達與另一型號相同之全新馬達相較,轉速仍為一致,證實此設計概念可行。測試過程中馬達驅動IC與馬達均有溫升,雖為正常現象,但仍可在驅動IC與馬達裝上散熱鰭片(如圖2),以確保穩定。

2. 馬達加裝散熱鰭片

2.         子系統設計製作

在前節所述設計概念下,本機台共有「耳罩承載座」、「控制系統」、「動力源」、6541

LO9RE M 皮帶與皮帶輪機構」、「滑動支架」、及「直線導軌」等6項主要元件,並固定於一「機座底板」上。圖3為整體機台機構部分成品照片,以下針對各子系統設計做細部介紹。

DSC00054.JPG

3. 機構完成圖

(1)    動力源

本機台動力源使用12V直流馬達(ABRoad IG4340),搭配減速機後輸出轉速為36rpm,加上負載後輸出轉速為27rpm,扭力輸出為10kgcm。馬達驅動器採用TOSHIBATA7257BP馬達驅動IC,馬達驅動供應電壓維0~18V,馬達驅動IC工作電壓6~18V最大輸出功率為12.5W,可對直流馬達做正反轉及煞車控制。圖4為馬達驅動IC線路簡圖,控制訊號經由腳位12輸入,透過兩腳位高低電位變化達成馬達正反轉控制,當兩腳位同處於高電位或低電位時,則對馬達進行煞車控制。腳位35為馬達輸出端,輸出馬達驅動電壓;腳位67分別是馬達驅動電壓與IC工作電壓輸入;腳位4為接地腳。圖5為馬達驅動與PIC連接的電路簡圖,圖中的電容C建議為0.1mfR1R2分別為33歐姆以及20k歐姆。

4. TOSHIBA TA7257BP

TA7257P_2.jpg

5. 馬達驅動與PIC連接的電路簡圖

(2)    皮帶與皮帶輪機構

本機台傳動皮帶選擇PowerGripHTD系列。皮帶需要與滑動支架固定結合,而5M規格在皮帶溝槽間距與深度為5.00mm2.06mm,利於固定,所以選擇5M的規格。查皮帶輪型錄可得知,34rpm5M皮帶設計功率約為0.05kW~0.4kW,遠大於本機台馬達功率,應符合需求。

本機台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

                       (1)

所以需要的皮帶輪直徑D49.5mm。根據產品型錄,選擇32grooves、直徑PD=49.7mm、齒寬W=14mm的皮帶輪圖,細部規格如圖6

皮帶輪.jpg

6. 皮帶與皮帶輪規格

(3)    滑動支架

動力源驅動皮帶與皮帶輪機構,帶動滑動支架承載防音耳罩在滑軌上反覆移動,達成防音耳罩反覆開闔的功能。如圖7所示,滑動支架材質選用鋁材,其上裝置耳罩承載座承載防音耳罩。皮帶夾合器的作用是結合滑動支架與皮帶,把皮帶的齒模形狀加工到夾合器上穩固咬合。此外如圖8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,所以在滑動支架中間加入一線性軸承,透過軸承連結座與滑動支架結合在一起,除了提供直線移動限制外,此線性軸承(LM10)也提供了38kgf的基本額定動荷重,足以抵抗運動過程中所產生之翻覆力。軸承連結座是一個H形的設計,其材質選用塑鋼。在H形中間部位灌孔,使線性軸承頸配置入固定。

7. 滑動支架完成圖

8. 滑動支架受力圖

(4)    直線導軌

直線導軌與線性軸承配合,使開闔動作更加平穩。軸心規格為直徑10mm的軸心鋼,表面經過高週波硬化處理其深度為1.0mm,總長度為350mm。在軸心前後均有專屬的軸心固定座,把軸心與底板穩固結合。

(5)    耳罩承載座

耳罩承載座主要功能在於固定耳罩,使其在測試過程中能夠保持穩固不脫落,同時也要避免歪斜情況發生。如圖9所示,在承載座後方貼上魔鬼氈將耳罩包覆住,防止耳罩發生耳罩滑落或歪斜現象。

9. 耳罩成載座完成圖

(6)    控制系統

本機台控制系統採用PIC控制器,主要功能在控制馬達正反轉,並提供使用者控制與系統輸出介面。控制器核心為16F877單晶片,設定4個輸入腳位,其中兩個腳位為馬達正反轉控制端點的訊號輸入,正反轉控制端點距離可做微調,在固定端和調整距離端皆是採用非接觸式的磁簧開關,其中固定端並聯一個極限開關,並置放在固定端後,防止固定端的磁簧開關失效。另外兩個輸入腳位為使用者控制開關訊號輸入,使用者並須先按下歸位鍵並將耳罩放置好,再按下開始鍵進行測試。在輸出腳位上有4組,分別是馬達驅動IC訊號輸出,兩組LED訊號燈來表示機台運作狀態,與LCD顯示幕接點輸出。

控制面板如圖10所示,上方三個開關分別為歸位鍵、開始鍵,與緊急停止鍵,三個皆為無段式的開關。左下方為兩組LED訊號燈來表示機台運作狀態。右方鑲有一LCD顯示器,顯示測試過程中拉伸次數,其下並附貼簡易操作方式說明。本機台所有零件之零件圖及零件總表詳列於附錄B

DSC00047.JPG

10. 控制面板

3.         機台操作流程與實際測試

本計畫開發之防音耳罩頭帶疲勞測試機台整體操作流程如圖11所示,詳細敘述如下:

(1)       啟動防音耳罩拉伸機台系統電源,此時系統處於待命狀態下,按下歸位鍵,滑動支架將會移動至歸位處,此時耳罩承載座約保持在20~25mm左右之距離,使用者可將待測防音耳罩安裝上去。

(2)       在安裝防音耳罩時,首先利用魔鬼氈將耳罩包覆,並且確認是否有搖晃的現象產生,避免影響到測試過程頭帶的拉伸。

(3)       再次確認位置之後,按下開始鍵,將系統切換至測試模式,此時會進入到測試程式中,開始進行反覆開闔動作。在測試過程中會在LCD顯示器上顯示反覆開闔次數,而左下方的LED訊號燈會亮起紅燈,以表示機台正在進行測試;當反覆開闔達1000次後,系統會自動停止,而左下方的LED訊號燈會亮起綠燈,表示機台已經測試完畢,再次回復到待命狀態下。

(4)       在測試過程中有錯誤發生,如耳罩頭帶已斷裂、耳罩發生脫落或歪斜現象等,可以透過緊急停止鍵停止測試流程,此時系統會回到待命狀態。

(5)       如要再次測試耳罩,重複上述之動作。

11. 防音耳罩頭帶疲勞測試機台整體操作流圖

機台完成後,以市售防音耳罩依標準測試程序連續進行10次頭帶疲勞測試,觀察控制器動作是否正常、機構運動有無不穩定狀況、馬達溫度是否過高等。10次連續測試中,機台連續運轉15.9小時,共連續反覆開闔10,000次,系統均運作正常,無任何異常狀況發生,馬達溫度也都保持於正常工作溫度之下(<50°C)

附錄A. 防音護具聲衰減性能測試機台工程圖H型.JPGL1.JPG

L.JPG

123.JPG

456.JPG

L2.JPG

馬達座.JPG

本體1.JPG

本體2.JPG

底板.JPG

附錄B. 防音護具聲衰減性能測試機台BOM

合併圖.jpg

名稱

規格

圖示

數量

單價

小計

DC馬達

IG4340 12V 36rpm

1

1

350

350

直線軸承

內ψ10mm,外ψ19mm

2

1

120

120

軸心

ψ10mm,350mm

3

1

250

250

軸心固定座

ψ10mm

3

2

120

240

正時皮帶

HTD 5M Series

4

1

700

700

PIC控制器組

 

5

1

1900

1900

電源供應器

110V/220V12V

6

1

900

900

控制盒

 

7

1

120

120

雜項

簡易五金工具

 

 

 

2000

名稱

規格

圖示

數量

材料

小計

機台本體

附錄A,H型零件

 

 

 

 

8

1

T6鋁合金

 

附錄A,L型支架(1)

1

T6鋁合金

 

附錄A, L型支架(2)

1

T6鋁合金

 

附錄A,L型耳罩擋板

1

T6鋁合金

 

附錄A,皮帶夾板

1

T6鋁合金

 

附錄A,耳罩板

2

T6鋁合金

 

附錄A,馬達座

1

T6鋁合金

 

附錄A, 本體(1)

1

T6鋁合金

 

附錄A, 本體(2)

1

T6鋁合金

 

附錄A,底板

1

T6鋁合金

 

小計

 

 

13,208

總計

19,788