CN103134434B - 悠悠球弹性绳索长度测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悠悠球弹性绳索长度测试仪，包括电机系统和钢架结构；所述电机系统包括：横向伺服电机、横向伺服电机驱动器、纵向伺服电机、纵向伺服电机驱动器、旋转伺服电机、旋转伺服电机驱动器、横向光栅发射器、横向光栅接收器、纵向光栅发射器、纵向光栅接收器、可编程控制器、编程控制连接器和电源；所述的钢架结构包括底座、纵向支架和横向支架；本发明能完成测试过程的自动控制；自动、准确计算出转动过程中悠悠球的绳索长度，避免了在悠悠球上使用外接设备带来的干扰；对于绳索长度超过500mm的悠悠球，可编程控制器将会发出报警音；使用夹具对悠悠球手持部位进行固定，避免测试过程中该部位的伸长对测试结果的影响。

Description

悠悠球弹性绳索长度测试仪

技术领域

本发明涉及一种玩具安全检测设备，尤其是涉及一种悠悠球弹性绳索长度测试仪；用于美国玩具安全标准ASTM F963中悠悠球(简称：yoyo)弹性系绳玩具绳索长度的测量。标准规定，当悠悠球以80r/min的速度或能达到的最大速度(≤80r/min)旋转时(加速时间为10s-60s之间)，其绳索长度(不包括球体和手持部位)不得超过500mm。

背景技术

目前，实验室或企业对yoyo弹性系绳玩具动态绳索长度的测试仪器相对简易，存在缺少绳索长度自动测算装置，对悠悠球的加持固定不合理，或在测试过程中由于测量需要而对玩具的运行产生影响，从而导致测量结果准确性降低等问题。市场上现有的两种测试设备参见图1和图2。

图1所示yoyo弹性系绳玩具动态绳索长度的测试设备，包括两根底座杆100、两根纵向支架101、横向支架102、控制器103、测试杆104、X坐标调节阀105和两个Y坐标调节阀106；所述两根纵向支架101下端分别垂直固定在两底座杆100上，上端通过横向支架102连接固定；所述控制器103固定在纵向支架101的上端部；所述测试杆固定在横向支架102的中部；所述横向支架102上可滑动地设X坐标调节阀105，所述两根纵向支架101上均可滑动地设Y坐标调节阀106。在测试时将悠悠球直接悬挂在测试杆104上，通过控制器103来调节悠悠球转速(控制器界面仅显示转速)，测量绳索长度时有两种操作方法。方法一：测试过程中手动调节X、Y坐标调节阀105、106以获得X、Y坐标值，最后手工计算绳索长度。方法二：制作一个能够伸缩的非弹性标准线107，将它一端与悠悠球连接，一端挂在测试杆104上，并在500mm处做一个标记，在悠悠球运行一段时间后查看悬挂部位是否超过500mm的标记处，如果超过500mm标记则判断不合格，反之合格。

图2所示yoyo弹性系绳玩具动态绳索长度的测试设备，包括底座201、纵向支杆202、旋转电机203、旋转电机输出主轴204、挂钩205、编码器206和 横向支杆207；所述纵向支杆202下端固定在底座201上，上端固定编码器206和横向支杆207；所述横向支杆的另一端安装旋转电机203；所述旋转电机203的输出主轴204垂向下方，输出主轴204的下端部设有挂钩205。该设备将长度测试系统部分和悠悠球安装部分，共同安装在旋转电机输出主轴204上进行旋转。当悠悠球以80r/min转速旋转起来后，悠悠球上的线会沿着离心的方向进行拉伸；此时附在悠悠球上的测试线，一端固定在悠悠球上，另一端安装在横向支杆内置的绕线轮上，并与编码器206通过数据线连接在一起；测试部分采用智能单片机控制，通过计算编码器206的脉冲，来读取测试过程中绕线轮的转动圈数，从而计算得到测试线伸长长度；考虑绕线轮上的线的长度是每一圈递增的，通过计算算出每一圈的递增量，并且通过多点位取点，来提高测量精度数值。界面显示：转速，长度，启动/停止/复位。

上述现有设备有如下缺陷：图1所示设备缺少绳索长度自动测算装置，方法一需手动调节，人为误差较高；方法二仅能判定绳索长度是否合格，而无法给出实测数值。图2所示设备需要在悠悠球上外接测试线，对转动中悠悠球的绳索伸长会产生一定干扰(反向拉力)，图1所示设备的方法二也存在类似问题。两台设备均是将悠悠球的手持部位不加固定的直接悬挂在测试杆或钩子上，而手持部位在旋转过程中会产生相当程度的伸长(不可忽略)，但上述设备均未考虑这一问题，即手持部位的伸长也会被计入绳索长度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种悠悠球弹性绳索长度测试仪；该测试仪能实现测试过程和绳索长度计算由设备自动完成，对于仪器测试范围内的悠悠球绳索长度给出实测数值，测试中途无需检测人员参与，有效降低人为误差，提高测量效率和便利性；采用光电技术对悠悠球位置进行探测，无需在悠悠球上外接其它部件，避免外接部件的干扰，进一步提高测量准确度；使用夹具对悠悠球手持部位进行固定，避免测试过程中该部位的伸长对测试结果的影响；夹具同时提供附加力臂以模拟实际使用状态，并确保悠悠球能够在离心力作用下有效开始转动。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种悠悠球弹性绳索长度测试仪，包括电机系统和钢架结构；

所述电机系统包括：横向伺服电机、横向伺服电机驱动器、纵向伺服电机、纵向伺服电机驱动器、旋转伺服电机、旋转伺服电机驱动器、横向光栅发射器、横向光栅接收器、纵向光栅发射器、纵向光栅接收器、可编程控制器、编程控制连接器和电源；

所述的钢架结构包括底座、纵向支架和横向支架；所述纵向支架下端固定在底座上，其上端和横向支架近左部边缘处垂直固定；所述底座、纵向支架和横向支架形成一个近似于“匚”的形状；所述横向支架的右端设有横向移动平台和纵向移动平台；

所述横向伺服电机固定在横向支架的左端上方，该横向伺服电机通过横向传动皮带与横向移动平台传动连接；该横向移动平台下方设有横向导轨，横向伺服电机可拉动横向移动平台在横向导轨上左右直线移动，以测定横向移动距离；

所述纵向伺服电机固定在横向支架的近右端；该纵向伺服电机通过纵向传动皮带与纵向移动平台传动连接；该纵向移动平台下方设有纵向导轨，该纵向伺服电机可拉动纵向移动平台在纵向导轨上做上下直线移动，以测定纵向移动距离；

所述旋转伺服电机固定在纵向移动平台上，该旋转伺服电机下端设有一夹具，该夹具用于夹持悠悠球手持部位，同时提供附加力臂以模拟实际使用状态，并确保悠悠球能够在离心力作用下有效开始转动；

所述横向光栅发射器设置在底座右部上方，与其匹配的横向光栅接收器设置在同水平线的纵向支架上；所述横向光栅接收器连接一横向光栅放大器，该光栅放大器将信号放大后发送至可编程控制器；

所述纵向光栅发射器设置在纵向支架和横向支架相交处，与其匹配的纵向光栅接收器设置在垂直下方的底座上，所述纵向光栅接收器连接一纵向光栅放大器，该光栅放大器将信号放大后发送至可编程控制器；

所述可编程控制器通过编程控制连接器与横向伺服电机驱动器、纵向伺服电机驱动器、旋转伺服电机驱动器相连接；所述横向伺服电机驱动器控制横向伺服电机的开闭，所述纵向伺服电机驱动器控制纵向伺服电机的开闭，所述旋转伺服电机驱动器控制旋转伺服电机的开闭；

所述横向伺服电机驱动器、纵向伺服电机驱动器、旋转伺服电机驱动器和可编程控制器通过导线和电源相连接。

优选地，所述该纵向伺服电机通过纵向传动皮带与一螺杆传动连接，螺杆下端与纵向移动平台固定。

优选地，所述螺杆的上端设有纵向上限位开关，下端设有纵向下限位开关。限位开关的设置可以为防止移动过程中仪器部件间发生碰撞，用于限制运动部件的纵向移动距离。

优选地，所述横向导轨上设有横向左限位开关和横向右限位开关；限位开关的设置可以为防止移动过程中仪器部件间发生碰撞，用于限制运动部件的横向移动距离。

优选地，所述测试仪的可编程控制器自带报警装置，当测试出悠悠球绳索长度超过500mm时，由可编程控制器发出报警音。

优选地，所述可编程控制器设有显示触摸屏。

本发明的工作原理如下：使用可编程控制器预设加速时间和钢架各部件的初始位置等参数、发出命令、接收信号，通过伺服电机为悠悠球提供稳定的转速、控制其沿上下和左右方向平稳移动，配合光栅传感器准确测量移动距离(避免了外接部件的干扰)，最后将信号返回可编程控制器自动计算出绳索长度；钢架结构的两条导轨可以带动悠悠球做直线运动，并为绳索长度的测量保留了足够的空间；此外，在旋转伺服电机下方安装夹具可以有效夹持悠悠球的手持部位，同时提供附加力臂以模拟实际使用状态，并确保悠悠球能够在离心力作用下有效开始转动；为防止移动过程中仪器部件间发生碰撞，加装限位开关用于限制运动部件的纵向和横向移动；由于ASTM F963标准中对绳索长度的规定为不超过500mm，因此安装报警装置，当长度超过500mm时，由可编程控制器发出报警音。

测试时，使用夹具夹持悠悠球手持部位，使手持部位与绳索的连接点位于夹具下边缘处，从而确保在测试过程中不会引入手持部位的伸长长度。打开开关，通过显示触摸屏设置(10s-60s之间)和转速(≤80r/min)，进行预测试，确定悠悠球能进行同步转动的最佳加速时间和可达到的最大转速(若大于80r/min，则按照80r/min进行设定)，按照此加速时间和转速进行测试；通过 显示触摸屏输入悠悠球球体部分的直径数值，然后点击START按钮运行程序；仪器的后续运行和绳索长度测量工作由电机系统自动完成；测量结束后，显示触摸屏上会显示横向移动距离、纵向移动距离及计算出的绳索长度，如果绳索长度超过500mm，将会发出报警音。

本发明具有如下有益效果：

1)符合美国玩具安全标准ASTM F963-08；

2)可测量长度范围：转动过程中整体长度(不包括手持部位)≤750mm的悠悠球的绳索长度，由于悠悠球球体部分的直径不超过150mm，因此该仪器满足500mm的绳索长度测试要求；

3)转速可调：1r/min-100r/min(实际应用时需≤80r/min即可)；

4)加速时间可调：0-100s(实际应用时需10s-60s即可)。

综上，本发明具有较高自动化程度，尽可能避免了外来因素对绳索长度测量的干扰，提高了测量结果的准确度，满足悠悠球类玩具产品日常检测的要求。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明

图1为现有的一种悠悠球测试设备结构示意图；

图2为现有的另一种悠悠球测试设备结构示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为图3的俯视结构示意图；

图5为本发明的工作原理示意图；

图6为绳索长度计算公式中相关参数相互关系示意图。

具体实施方式

参见图3、4所示，本发明一种悠悠球弹性绳索长度测试仪，包括电机系统和钢架结构；

所述电机系统包括：横向伺服电机1、横向伺服电机驱动器23、纵向伺服电机3、纵向伺服电机驱动器22、旋转伺服电机6、旋转伺服电机驱动器21、横向光栅发射器14、横向光栅接收器12、纵向光栅发射器11、纵向光栅接收器13、可编程控制器16、编程控制连接器20和低压电源24；

所述的钢架结构包括底座300、纵向支架301和横向支架302；所述纵向支架301下端固定在底座300上，其上端和横向支架302近左部边缘处垂直固定；所述底座300、纵向支架301和横向支架302形成一个近似于“匚”的形状；所述横向支架302的右端设有横向移动平台28和纵向移动平台8；

所述横向伺服电机1固定在横向支架302的左端上方，该横向伺服电机1通过横向传动皮带2与横向移动平台28传动连接；该横向移动平台28下方设有横向导轨26，横向伺服电机1可拉动横向移动平台28在横向导轨26上左右直线移动，以测定横向移动距离；所述横向导轨26上设有横向左限位开关25和横向右限位开关29；限位开关25、29的设置可以为防止移动过程中仪器部件间发生碰撞，用于限制运动部件的横向移动距离；

所述纵向伺服电机3固定在横向支架302的近右端；该纵向伺服电机3通过纵向传动皮带10与螺杆5传动连接，螺杆5下端与纵向移动平台8固定；所述螺杆5的上端设有纵向上限位开关4，下端设有纵向下限位开关9；限位开关4、9的设置可以为防止移动过程中仪器部件间发生碰撞，用于限制运动部件的纵向移动距离；纵向移动平台8下方设有纵向导轨27，所述纵向伺服电机3可拉动纵向移动平台8在纵向导轨27上做上下直线移动，以测定纵向移动距离；

所述旋转伺服电机6固定在纵向移动平台8上，该旋转伺服电机6下端设有夹具7，该夹具7用于夹持悠悠球手持部位，同时提供附加力臂以模拟实际使用状态，并确保悠悠球能够在离心力作用下有效开始转动；

所述横向光栅发射器14设置在底座300右部上方，与其匹配的横向光栅接收器12设置在同水平线的纵向支架301上；所述横向光栅接收器12连接一横向光栅放大器19，该光栅放大器19将信号放大后发送至可编程控制器20；

所述纵向光栅发射器11设置在纵向支架301和横向支架302相交处，与其匹配的纵向光栅接收器13设置在垂直下方的底座300上，所述纵向光栅接收器13连接一纵向光栅放大器18，该光栅放大器18将信号放大后发送至可编程控制器16；

所述可编程控制器16通过编程控制连接器20与横向伺服电机驱动器23、纵向伺服电机驱动器22、旋转伺服电机驱动器21相连接；所述横向伺服电机 驱动器控23制横向伺服电机1的开闭，所述纵向伺服电机驱动器22控制纵向伺服电机3的开闭，所述旋转伺服电机驱动器21控制旋转伺服电机6的开闭；

所述横向伺服电机驱动器23、纵向伺服电机驱动器22、旋转伺服电机驱动器21和可编程控制器16通过导线和低压电源24相连接。

所述测试仪上还设有报警装置(图中未示出)，该报警装置与可编程控制器16相连接；当测试出悠悠球绳索长度超过500mm时，由可编程控制器16发出报警音。

所述可编程控制器16设有显示触摸屏17。

具体测试时：由可编程控制器16发出程序指令，通过编程控制连接器20传输至旋转伺服电机驱动器21，由旋转伺服电机驱动器21控制旋转伺服电机6缓慢加速，使悠悠球开始旋转。旋转稳定后，由可编程控制器16通过编程控制连接器20向横向伺服电机驱动器23发出指令，控制横向伺服电机1通过横向传动皮带2拉动横向移动平台28向左移动。由低压电源24将220V电压转化为24V电压，供光栅传感器使用，纵向光栅发射器11发射红外光束照射到纵向光栅接收器13，通过纵向光栅放大器18将红外信号放大接收数据。在悠悠球碰到纵向光栅时，由纵向光栅接收器13接收信号，发送至可编程控制器16，可编程控制器16立即停止横向伺服电机1的运动并记录横向移动距离，同时通过编程控制连接器20连接纵向伺服电机驱动器22，命令纵向伺服电机3通过纵向传动皮带10控制纵向移动平台8向下移动。横向光栅发射器14发射红外光束照射到横向光栅接收器12，通过横向光栅放大器19将红外信号放大接收数据。在悠悠球接触到横向光栅时，横向光栅接收器12接收信号，发送至可编程控制器16，可编程控制器16立即控制旋转伺服电机6停止运行并记录纵向移动距离，控制横向伺服电机1和纵向伺服电机3复位，并自动计算绳索长度。如果绳索长度超过500mm，可编程控制器16将会发出报警音。

为防止仪器部件间的碰撞，使用纵向上限位开关4和纵向下限位开关9感应纵向移动平台8的位置，信号反馈至可编程控制器16进行纵向位移限制；使用横向左限位开关25和横向右限位开关29感应横向移动平台28的位置，信号反馈至可编程控制器16进行横向位移限制。由横向传动皮带2带动横向移动平台28沿横向导轨26做水平运动，由纵向传动皮带10带动螺杆5旋转， 使纵向移动平台8沿纵向导轨27做垂直运动。使用夹具7固定悠悠球。

绳索长度计算公式(参见图6所示)：

$L=\sqrt{{(x-s-\frac{d}{2})}^2+{(y-\frac{d}{2})}^2}-\frac{d}{2}$

式中：L-悠悠球绳索长度；

x-旋转伺服电机横向初始位置与横向移动距离的差值；

y-旋转伺服电机纵向初始位置与纵向移动距离的差值；

s-悠悠球夹持位置距离旋转伺服电机芯轴的距离；

d-悠悠球球体直径。

测试时，d为需要手工输入的参数，x、y为仪器自动测算参数，s为预设在可编程控制器中的固定参数。

本文中所采用的描述方位的词语“上”、“下”、“左”、“右”等均是为了说明的方便基于附图中图面所示的方位而言的，在实际装置中这些方位可能由于装置的摆放方式而有所不同。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种悠悠球弹性绳索长度测试仪，包括电机系统和钢架结构；其特征在于：

所述电机系统包括：横向伺服电机(1)、横向伺服电机驱动器(23)、纵向伺服电机(3)、纵向伺服电机驱动器(22)、旋转伺服电机(6)、旋转伺服电机驱动器(21)、横向光栅发射器(14)、横向光栅接收器(12)、纵向光栅发射器(11)、纵向光栅接收器(13)、可编程控制器(16)、编程控制连接器(20)和电源(24)；

所述的钢架结构包括底座(300)、纵向支架(301)和横向支架(302)；所述纵向支架(301)下端固定在底座(300)上，其上端和横向支架(302)近左部边缘处垂直固定；所述横向支架(302)的右端设有横向移动平台(28)和纵向移动平台(8)；

所述横向伺服电机(1)固定在横向支架(302)的左端上方，该横向伺服电机(1)通过横向传动皮带(2)与横向移动平台(28)传动连接；该横向移动平台(28)下方设有横向导轨(26)；

所述纵向伺服电机(3)固定在横向支架(302)的右端；该纵向伺服电机(3)通过纵向传动皮带(10)与纵向移动平台(8)传动连接；该纵向移动平台(8)下方设有纵向导轨(27)；

所述旋转伺服电机(6)固定在纵向移动平台(8)上，该旋转伺服电机(6)下端设有一夹具(7)；

所述横向光栅发射器(14)设置在底座(300)右部上方，与其匹配的横向光栅接收器(12)设置在同水平线的纵向支架(301)上；所述横向光栅接收器(12)连接一横向光栅放大器(19)，该光栅放大器(19)将信号放大后发送至可编程控制器(16)；

所述纵向光栅发射器(11)设置在纵向支架(301)和横向支架(302)相交处，与其匹配的纵向光栅接收器(13)设置在垂直下方的底座(300)上，所述纵向光栅接收器(13)连接一纵向光栅放大器(18)，该光栅放大器(18)将信号放大后发送至可编程控制器(16)；

所述可编程控制器(16)通过编程控制连接器(20)与横向伺服电机驱动器(23)、纵向伺服电机驱动器(22)、旋转伺服电机驱动器(21)相连接；所述横向伺服电机驱动器(23)控制横向伺服电机(1)的开闭，所述纵向伺服电机驱动器(22)控制纵向伺服电机(3)的开闭，所述旋转伺服电机驱动器(21)控制旋转伺服电机(6)的开闭；

所述横向伺服电机驱动器(23)、纵向伺服电机驱动器(22)、旋转伺服电机驱动器(21)和可编程控制器(16)通过导线和电源(24)相连接。

2.根据权利要求1所述的悠悠球弹性绳索长度测试仪，其特征在于：所述纵向伺服电机(3)通过纵向传动皮带(10)与一螺杆(5)传动连接，螺杆(5)下端与纵向移动平台(8)固定。

3.根据权利要求2所述的悠悠球弹性绳索长度测试仪，其特征在于：所述螺杆(5)的上端设有纵向上限位开关(4)，下端设有纵向下限位开关(9)。

4.根据权利要求1、2或3所述的悠悠球弹性绳索长度测试仪，其特征在于：所述横向导轨(26)上设有横向左限位开关(25)和横向右限位开关(29)。

5.根据权利要求1、2或3所述的悠悠球弹性绳索长度测试仪，其特征在于：所述测试仪的可编程控制器(16)带有报警装置。

6.根据权利要求1、2或3所述的悠悠球弹性绳索长度测试仪，其特征在于：所述可编程控制器(16)设有显示触摸屏(17)。