（机械电子工程专业论文）按键耐磨性能测试系统的研制与开发.pdf

摘要 摘要 印刷或涂层在电脑键盘、手机按键、薄膜开关、游戏手柄等表面上的数字和 字符，由于与手指或化学物质接触频繁，容易受到磨损或化学物质的侵蚀，造成 数字、字符的模糊。数字、字符的模糊会给操作者带来很大的麻烦，甚至提前结 束产品的使用寿命。本论文以手机按键为例，按照国家2 0 0 5 年制定的最新标准 的试验方法，模拟手机按键的日常使用条件，用以检验手机按键对长期重复性负 载的承载能力。全文共分六章： 第一章综述了本课题的研究背景与意义，简要介绍了国内外相关测试设备的 研究、开发现状以及气动技术在系统中应用的特点，最后提出了本论文所要进行 的主要研究工作。 第二章论述了手机按键耐磨性测试系统基本功能及预期达到的技术指标， 简要介绍了测试系统试验方法的测试标准g b 厂r2 4 2 3 5 3 2 0 0 5 ，此标准规定了 测定平面或曲面上的标记和印刷文字耐磨损能力的试验方法。 第三章从机械结构设计、气动回路、控制系统硬件三个方面论述了手机按键 测试系统的硬件组成，并就三个方面的各个小功能模块原理、功能实现作出系统 的研究与分析。 第四章通过力矩平衡对按键耐磨性能测试系统摩擦力进行了数学分析，通过 添加砝码实现了不同等级的摩擦负载力，并就各主要元器件选取进行结构特性分 析。 第五章通过信号采样、信号滤波及定时器中断的论述阐述了系统软件的设计 过程，介绍s u a lc 抖开发测试系统的应用程序。 第六章对全文的内容进行了总结并对后续研究工作进行了展望。 关键词：测试系统，气动，摩擦，手机按键 a b s 嘲 a b s t r a c t f r e q u e n t l yt o u c h e db yf i n g e r s ，t h e n t i n g s o rc o a t i n g so nt h ec o m p u t e r k e y b o 砌，n l ec e l lp h o n ek e y b 0 砌，t h ef i l m ys w i t c h ，t l l eg 锄eh a i l d l ea r ea p tt og e t n a y e d 柚dc o 删p t e d ，w l l i c hc o n q u e n t l y 蜥n gn d u b l e st oc l l s t o m e r s ，e v e i ls h o r t 饥 t l l es e r v i c el i f et i m e t h ep r e s e n tp 印e ft a ：k e st h eh a l l d s c tp r e s s e dk e y 鹊a ne x a m p l e ， i 1 1a c c o r d 锄c e 谢t l l2 0 0 5n a t i o n a ln c w e s tt e s t j gm e l l l o d ，撒l ds t i m l l l a t e st 1 1 ed a i l y p e 响姗a n c 器o ft h eh a n d s e t ，i no r d e rt oe x 锄i i l ei 忸b c 撕n gc a p a c i 够1 1 1 ef h l l t 既t a l t o g e t b 钟i sd i v i d e di m os i xc h a p t e r s ： c h a p t e ris u n u n 撕z e sb o t l lt l l el i t e r a r yr e v i e wa l l dt h es i 印i f i c 卸c eo ft l l e r e s e a r c h t h e ni ti n t r o d u c e sb r i e f l yt l l ep r e s e ms i t i l 撕o no f 也ed o m e s t i c 锄df o r e i g n r e s e a r c hd e v e l o p m e n ta sw e l la st h e 印p l i c a t i o nc h a r a c t 丽s t i c si nt h ea i rt c c l l l l o l o g ) r f i n a l l y “p r o p o s e st h ep r e s e n tp a p e ra n dt h em a i nr e s e a r c hw o r k c h a p t e r i ie l a b o r a t e st h et e c l l i l i c a ls p e c i f i c a t i o n so fs i m u l a t i o nt e s t i n gs y s t e mf o r t h eh a n d s e t 锄dg o a l st ob ea c h i e v e d i ti 1 1 t r o d u c e s 蜥e n yt l l es t a l l d a r dg b t 2 4 2 3 5 3 2 0 0 5w h i c hi st 1 1 et e s t i n gm e t h o df o rt l l em a r k sa n dw o r d so nt h i sp l a n eo r c u r v e ds u r f h c e s c h a p t e ri i id i s c u s s e st h ec o m p o n e m s o f t l l et e s t i n gs y s t e mf 如mt l l ep c r s p e c t i v e s o ft l l em e c h 趾i s md e s i g n ，t h ep n e u m a t i cc i r c u i ta n dt h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r e 1 t f l l r t b e r sm er e s e a r c ho nt 1 1 ef h n c t i o nm o d u l ep r i n c i p l e s ，t l l ef 妇c t i o nr e a l i z a t i o no ft 1 1 e m r e ea s p e c t sr e 印e c t i v e l y c h a p t e r c 枷e so u tt h em a t h e m a t i c a la i l a l y s i s t h et ot h ed i 矗毫r e n tr a n k 鲢c c i o nf b r c e sb ye q u i l i b r i 啪o f m o m c l l t s 锄dt l l ew e i 曲“n c r e a s e i tf i l n h e ra | l a l y z e s 锄dc h e c k st i 圮c h a 瑚l c t e f i s t i c so f t l l et ob es e l e c t e d c h a p i e rv d e s c r i b e st l l es o 丘w a r ed e s i 印p r o c e s sb ys i g i i a ls 枷p l i n g ，t l l es i g i l a i f i l t c r i n g 觚dt l 圮t i 删玎锄d s u a lc + + d e v e l o p i n gp r o c e d l 】r e c h a p l i 玎v is u m m a r i z e st l l ew h o l er e s e 盯c h 柚dc a r r yo nt h ef o r e c a s t t ot l l ef i l n l r e r e s e a r c hw o r k k e y w o r d s ：t e s ts y s t e m ；p n e 啪a t i c ；伍c t i o n ；t h em o b i l et e l 印h o n ek e y b o a r d 学号2 q 生q 墨1 2 垒 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者繇仁砂f - p 签字嗍占年m 彦日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂江盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权迸鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：他圹i z ， 签字日期：即1 年p 月艿日 学位论文作者毕业后去向：呵 l 工作单位：，；f h 钾p 己 通讯地址：f u 勿鲰却却9 z f6 却f 己 导师签名： 签字日期：韶年f 2 月9 日 耋飘d 第一章绪论 第一章绪论 【摘要】综述了本课题的研究背景与意义以及气动技术在系统中应用的特点，提出了本 论文所要进行的主要研究工作。 1 1 课题的来源及意义 随着人们生活水平不断提高，对产品的耐用性、可靠性提出了更高的标准， 如印刷或涂层在电脑键盘、手机按键、薄膜开关、游戏手柄等经常与手指接触 表面的数字和字符，容易磨损，容易受到化学物质的侵蚀，这些键盘表面的磨 损，数字字符的模糊会给操作者带来很大的麻烦，甚至提前结束产品的使用寿 命，因此在这些产品投放到市场之前，对加工产品按键表面耐磨性能的测试成 为一种必要，随着按键的使用频率越来越高，测试要求也越来越严格。国内已 有进行相关设备的研究，由于最新的试验方法标准g b t2 4 2 3 5 3 2 0 0 5 【1 】在2 0 0 5 年底才制定，而按照标准去开发一个按键测试系统有着很大的市场潜力。 手机已是人们生活中是常用的信息工具，而手机的外形对于吸引用户购买 有着重要的作用，其中的按键设计则具有“点睛”的效果。由于手机的操作绝 大部分依赖按键来完成，因此按键的耐磨性及可靠性对于手机的质量至关重要。 通常手机在上市前要经过多轮试验，首先对手机的零部件进行测试，然后组装 小批量手机，对整机进行跌落、振动、摩擦、环境、安全、辐射、使用寿命等 测试口】。其中专门针对按键的实验有跌落、振动、摩擦及寿命测试。本论文以手 机按键为例，模拟手机键盘的日常使用条件，按照最新国家标准g b ，r 2 4 2 3 5 3 - 2 0 0 5 试验方法研究开发手机耐磨性能测试系统，用以检验手机按键对长 期重复性负载的承载能力。 1 1 1 手机产业发展的需要 从1 8 7 6 年贝尔发明电话以来，经历了长达一个多世纪的发展，电话通讯服 务已走进了千家万户，成为国家经济建设、社会生活和人们交流信息所不可缺少 的重要工具。但最近二十年来，电话技术和业务发生了巨大变化，通信的地点由 固定方式转向移动方式p j ，使得移动电话手机已经成为一种最重要的通讯工具之 一，加上最近几年我国经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，手机已经走 进了寻常百姓家，手机己成为人们日常生活中不可缺少的通信工具。到2 0 0 5 年， 中国移动电话数量已跃居世界第1 位，达到3 3 5 亿户。 第一章绪论 目前，随着手机制造商的增多，市场竞争的加剧，几乎所有的制造商都在强 调只有扩大规模才有生存、发展的希望，出于这一需要，为激发消费者的需求， 手机制造商推出的新款机型的速度不断加快，研发周期不断被缩短，一方面由于 缩短了产品从研发到投放市场的时间，其中某些重要的问题就难以被发现，相关 的测试设备不能跟上手机研发的步伐，这说明大企业虽然有相关测试设备，却容 易忽视测试问题：另一方面一些实力比较弱的手机生产企业还没有建立起完备的 测试、试验体系，也就缺乏必要的测试手段来保证产品的质量【5 1 ，这说明小企 业缺乏相关测试设备。 从短期效应看，企业盲目取消或减少必要的测试，可以缩短研发周期，加快 新曰推出速度，节约资金，减少产品成本，从而提高市场占有率。但从企业的长 远发展来看，售后成本增加，品牌形象受到影响，企业得不偿失。国有品牌手机 的市场占有率近两年下滑迅速，其中就有这方面的原因。因而，企业很有必要加 强手机的可靠性测试，通过测试来改进和提高手机的质量。 我国已提出的3 g 标准【6 1 t d s c k m a 也已走过多年的风雨历程，其产业链虽 然已是日渐成熟，但测试设备作为产业链的重要一环比较匮乏，已引起各方关注 和焦虑。随着国内手机市场的不断扩大，国内手机生产厂商也在不断发展壮大， 这就要求国内生产商不仅要研究开发掌握手机核心技术，而且也要充分重视测试 设备的研究与开发，提高手机的可靠性。只有用自主开发的技术和设备，中国手 机行业才能真正的持续发展。 1 1 2 手机按键的使用频率不断提高 手机产业的不断发展，手机功能也已经从原来纯粹意义上的“移动电话”发 展到目前的多种功能于一体，短信、游戏，网上读新闻，收发邮件等等。手机功 能越来越多，无论是游戏、上网，还是短信s m s ( s h o r tm e s s a 舀n gs e r v i c e ) 和m m s ( m u n im e d i am e s s a 西n gs e r v i c e ) ，或者是以后新诞生的交流形式，这 些非通话功能应用不断增强，都决定了手机按键的使用率在不断的上升，对手机 按键的各项性能要求也越来越高，这样就对手机按键的耐磨性能和可靠性能提出 了更高的要求【7 一。 1 2 手机耐磨性测试系统的研究现状 手机目前的巨大市场，手机生产商要持续发展，决定了必需对手机各种性能 测试高度重视，确保产品的信誉。对于要进行手机耐磨性测试系统的研究与开发， 就必须了解手机的整个生产测试过程和检验规范。图l 一1 为手机生产过程简图， 2 第一章绪论 产品的质量测试为其生产过程一部分【3 l 。 图l l 手机生产测试过程简图 现在市场上制定手机结构件机械性能及外观检查的测试规范i 卿就共有2 5 个 大的项目，各个大项目中又包含几个方面的小项目的检测，按键耐磨性测也是其 中的一个方面。这些检验规范实用于手机的研发、试生产、i q c 来料检验、q a 增强性试验等各个阶段。 一、检验规范所引用的标准： 1 g b 厂r1 2 6 1 0 1 9 9 0塑料上电镀层热循环试验( c 循环) 2 o j2 0 2 8 1 9 9 0镀覆层可焊性试验方法 3 q e p1 2 2 0 3 6 - 2 0 0 1金属制品检验规范一镀覆零件检验 4 a s t m d 3 3 6 9s t a l l d a r dt e s tm e t l l o df o rf i l ma d h e s i o nb yc r o s s c u t l a d et c s t 手机按键各项测试概述 按键外观检查 主要是通过设备检测和肉眼观察手机按键是否存在点缺陷、硬划痕、飞 边、龟裂，破损及印刷不良等，检测按键外观是否合格。 2 弹力测试 用弹力测试仪测量手机按键的弹力大小是否符合手机按键的弹性要求。 3 寿命测试， 主要通过一定的测试设备检查手机按键外观是否有无开裂破损及功能是 否正常，以便测试按键的使用寿命。 4 耐磨性测试 模拟手机键盘的日常使用条件，用以检验手机按键对长期重复性负载的 承载能力，以判断手机按键的耐磨性。 5 耐醇性测试 第一章绪论 用纯棉布蘸满无水酒精，通过设备施加一定的负载对手机按键进行耐醇 性测试。结果判定：不允许按键外面的薄膜脱落，且要求字体内容仍完 整且清晰可认为合格。 1 2 1 国外相关测试设备研究 德国i n n 0 w e p 公司研制的a b r e x 泛用耐手指磨耗实验机【i l 】，此手指摩 擦实验机通过模拟人手指的纹理，与物体接触角度，施加的力量，以及模拟手汗 的化学影响来进行摩擦实验，以检验被测物的耐摩性，该设备对于有形状的组件 或产品( 如塑料，金属，毛皮，纸张) 都可进行测试。产品功能：实验过程遵循 德国d i ne n6 0 0 8 2 7 0 标准，产生的数据结果具有再现性和再生性。测试设备 操作机动灵活，测试材料具有通用性。由于包括化学机械作用，所以与普通的 磨轮摩擦以及平摩擦相比更加真实。此设备可用于c e 认证及必要的品质控制、 测试和测定。 机械运动：在模拟手指摩擦的过程中自然的移动。 化学操作：通过运用标准检测液体如人造手汗，手油，清洁产品等，实 现模拟环境的化学操作状态； 耐久性测试：测试次数高达1 0 0 0 万次； 功能性测试：在摩擦实验过程中，几种测试可同时进行，能在光滑的、 有弧度构造的物体上模拟手指摩擦。 图1 2 鼬l _ 臼吣按键耐磨试验机图1 3p e t 按键耐磨耗试验机 图1 2 r a 6 0 0 按键耐磨试验机由日本公司生产，主要使用于计算机键盘按 键，p d a ，翻译机，手机按键，各类有触感按键开关( 金属弹片) ，端子，连接器 等等需要耐久试验之用的产品。 可依设定次数来完成耐久测试。 可选择0 n o f f 判定检测耐久测量。 可累加测量次数，次数有6 位数l o 。 4 第一章绪论 简单操作。无杂音，可长时操作。 依不同产品类别可搭配治具，如：弹簧治具等简易来操作。 图1 3 为美国n o r m a n 公司生产的p f t 按键耐磨耗试验机，适用于测 试手机按键及电源开关，p d a 触控萤幕等等。它以海绵垫尖端代替手指，利用 压缩空气与待测试样品接触磨擦，以模拟手指操控时之状况，于一定之次数下， 观察被测试产品耐磨耗效果。主要特点有1 、操作简便。2 、不易故障损坏。3 、 快速得知印刷表面及其它相关之耐久性试验方法。 1 2 2 国内相关测试设备研究 国内目前所了解的有深圳市磐泰精密仪器有限公司研制的v h t a j 0 0 1 按 键寿命试验机1 5 j ，主用于检测按键( s i l i c o n 刚i t c h 硅胶按键、m e t a ld o m e 金属弹片 按键) 之使用寿命，具有次数自动记忆、掉电记忆、寿命次数累计、达到所设定 次数及计数完毕或产品破坏后自动停止功能。能进行力量控制、实际寿命判断等 功能。其主要功能特点有： 1 一个整机台，有2 个、4 个或6 个( 可选) 测试独立工位，可测试2 个、 2 3 4 5 6 7 8 4 个或6 个( 可选) 工件，用1 套、2 套、3 套( 可选) 控制系统，一 套控制系统控制二个工件独立测试，设定条件各一个画面。需看测试条 件及结果转换一个画面，即不影响相互测试，相当于独立控制。 单独夹具，可定位调整测试手机不同大小、高度( 主要是翻盖手机) 。 每台手机可独立控制运行，不受其它手机限制。 控制器可以控制气缸的压下时间，例如测试开关机，摸拟实际情况的按 键测试，压下去保持几秒进行开机动作，等机器响应开机后再抬起，之 后再按下去是关机动作，保持几秒等关机动作执行，每一动作所需要的 时间依不同手机可以调整下压的时间( 测试头下降上升等保持时间可 以调整) 。 测试头是半球形接触，硅胶材料，邵氏硬度大于8 0 。 控制器为触摸式，操作界面简洁、易懂。 按键测试头及运动汽缸可拆下作清洁处理。 机台材料不锈钢亚光面，有定位夹具。 第一章绪论 图1 4 手机按键试验机m c 8 7 9 图l 一4 为台湾和东莞明驰试验机有限公司合资研制的m c 一8 7 9 手机按 键试验机，它通过控制摩擦头运动来进行手机按键的耐磨性能测试。它主 要用特殊橡皮固定于测试台磨擦锥表面或以棉布沾酒精，以一定荷重及次 数，磨擦手机按键等塑胶产品及其配件表面后，评定其耐磨程度。 图l 一5 手机按键寿命试验机g p - r a 5 5 0 图1 5 为深圳高品检测设备有限公司生产的g p r a 5 5 0 a 手机按键寿命试 验机，它适用于手机等产品按键寿命测试。一个整机台有6 个测试可以独立工作， 有三套控制系统，一套控制系统控制两个工件独立测试。连续按键测试可达l o 万次，测试速度可达到1 0 6 0 次分钟，可以同时测试6 个不同型号的手机。 1 3 气动技术在测试系统中应用简述 用气动技术来实现生产控制过程的自动化【1 2 - 1 5 】，是工业自动化的一种主要技 术手段，是一种低成本的自动化技术。到目前为止，气动技术倍受工业界的欢迎， 其发展呈现急剧上升的趋势。近年来，气动技术与微电子技术相结合，更使气动 6 第一章绪论 技术呈现出新的生机，获得越来越广泛的应用，本文就是通过气动技术实现测试 系统的执行机构。 气动技术是以压缩气体为动力源，来驱动和控制各种机械设备以实现生产过 程机械化和自动化的一种技术f 1 6 2 0 1 。同其它传动技术，如液压传动、电气传动、 机械传动相比，气动技术具有以下优点： 1 气动工作介质是压缩空气，能源简单易得，而且用量不受限制。空气极 容易由管道输送，压缩空气可储存在储气罐内，随时取用，故不需压缩 机的连续运转。 2 清洁，不污染环境。未经润滑排出的压缩空气是清洁的，不存在环境污 染的问题。 3 可防爆、防磁，抗干扰能力强，不受温度的影响，即使在极端温度情况 下亦能保证可靠地工作，特别是在易燃、易爆、多尘埃、强磁辐射、振 动等恶劣环境中，也能胜任工作。 4 气动系统构造简单，设备成本。整个系统的组装、维修等方便快捷。 5 压缩空气是迄今为止传递动力最快的介质之一，故可获得很高的工作速 度；使用各种元部件，其速度及出力大小可无限变化；气动系统很容易 直接实现直线往复运动。 6 气动机构与工作部件有出力的柔软特性，可以超载而活塞停止不动，因 此无过载的危险。 7 气动所能产生的能量密度较小，大体相当于人的肌肉所能产生的能量密 度，可代替工业生产自动化流程中大量的人工劳动。 1 4 课题的主要研究内容 测试台要求从多个方面模拟手机键盘的日常使用条件，用以检验手机键盘对 长期重复性负载的承载能力，并通过工控机用s u a lc + + 作为开发工具开发测试 程序。主要研究及从事工作有： 1 了解手机产品的性能结构，掌握手机产品进入市场之前进行的测试项目， 完成对手机按键耐磨性能标准的研究。 2 完成控制器所组成的驱动系统的选型，装配和调试。 3 从理论上深刻学习和了解气动技术的应用，完成气动系统气动元件的合 理选型，包括气缸、传感器、气动阀、管路接头等元件的选型和有关气 动参数的确定。 4 完成测试实验台架的机械结构、安装附件设计，以及实验台架的装配和 调试工作。 5 完成数据采集卡外部数据i o 接口板的设计、调试以及测试系统电气部 7 第一章绪论 分的连接、调试。 6 用s i l a lc + + 编制数据采集应用程序，对磨擦力信号进行数据采集、并 通过程序发出各种控制指令。 7 通过预先设置的参数通过程序来实现调节测试频率、期望的测试次数、 喷雾时间间隔、滴汗液时间问隔、步进摩擦布料间隔，并对摩擦分析进 行数学建模，找到最佳摩擦测试，完善系统的应用程序。 1 5 本章小结 本章从手机产品的市场前景分析了本课题的研究意义，概述了手机按键在性 能及可靠性测试中具体的测试项目以及按键耐磨性能测试系统国外国内相关设 备的研究，并介绍了本课题以气动技术来实现相关控制存在的一些优点，最后提 出了本文所要进行具体的研究任务。 第二章耐磨性能测试系统的基本功能和测试标准 第二章耐磨性能测试系统的基本功能和测试标准 【摘要】本章论述了手机按键耐磨性能测试系统的基本功能，阐述测试系统预期达到的 性能参数。最后简要介绍了测试系统测试标准g b 厂r 2 4 2 3 5 3 2 0 0 5 ，此标准规定了测定平 面或曲面上的标记和印刷文字耐磨损能力的试验方法。 2 1 手机按键耐磨性能测试系统基本功能 一、基本功能 测试系统模拟手机按键的日常使用条件，按照最新国家电工电子产品环境试 验第二部份：试验方法试验x b ：由手的摩擦造成标记和印刷文字的磨损标准， 设计一个手机键盘耐磨性能测试试验台。适用于对使用中常受手指或者手的其他 部分摩擦的手机上的符号和字母键的耐磨性能进行测试。试验台可适合多款手机 的测试以及可以扩展到其它功能的摩擦测试。主要的功能分以下几个方面来解 析。 。 1 按照试验方法标准给被测试手机按键施加一定方向、一定大小、一定 频率的摩擦力，模拟实际操作中手指摩擦手机按键的自然移动，可根据不同的测 试要求，施加不同等级的负载，不同等级的负载通过不同的砝码配重来实现， 依据规范本文提供1 n ，5 n ，1 0 n 三种负载： 2 为了使手机受到的摩擦环境与日常使用条件尽可能的相一致，通过模拟 人工皮肤的布料、人工汗液，模拟人手操作手机按键的使用条件，并可以按相关 要求，喷雾化学物质，实现真实化学操作的状态，以检验手机按键防化学物质侵 蚀能力； 3 可以通过调整固定装置尺寸来固定不同型号的手机，使测试系统可以对 不同型号、不同尺寸的手机进行测试。可以根据系统内不同材料设定的测试标准 数据库进行测试结果评判，也可以自身设定的要求进行结果评判； 4 通过数据采集卡采集摩擦力的信号，采集的实测力与设定的负载通过程 序进行比较，以评判测试精度及可靠性。具有次数自动记忆、掉电记忆、寿命次 数累计、达到所设定次数及计数完毕或产品破坏后自动停止功能。并根据设定的 参数可以对测试结果进行报表和打印。 二、测试系统的主要技术指标 1 工作台最大移动范围：2 0 0 舢 2 摩擦头移动速度：6 0 0 5 研m s 9 第二章耐磨性能测试系统的基本功能和测试标准 3 单次负载作用时问：约0 2 5 s 4 测试负载：1 n ，5 n ，1 0 n 5 自动测试位移：卜4 姗 6 自动测试次数：1 一1 0 0 0 万 7 外部压力供：o 4 m p a 8 电源：2 2 0 v a c ，5 0 h z 9 机台尺寸：1 1 0 0 6 0 0 7 0 0 唧( l w h ) 1 0 织物补给方式：自动 1 1 滴加液体方式：自动 1 2 自动判断功能。 2 2 按键耐磨性能测试系统的扩展用途 本课题对耐磨性能测试试验台研究还可以有更广泛的应用，一些典型的扩展 应用如下： 计算机键盘 电话键区 家庭用具上，剃须刀，等等 塑料涂层表面( 如电动开关，等等) 2 3 耐磨性测试系统的试验方法标准 g b t2 4 2 3 5 3 2 0 0 5 的标准规定了测定平面或曲面上的标记和印刷文字耐 磨损能力的试验方法，需要用手工操作的促动器和键盘就可能发生这种磨损现 象，它与国际性电工标准i e c6 0 0 6 8 2 7 0 是相一致的。此标准的试验方法也可 用于测定在正常使用情况下可能受到的流体污染影响的标记和印刷文字的耐磨 损能力。 2 3 1g b 厂r2 4 2 3 5 3 2 0 0 5 标准概述 当产品在正常使用时经受的摩擦力很大，或者由于安全或其他原因标记的 清晰度很重要时，相关规范采用本试验标准。为了检测被测试物品的耐磨性， 被检测表面应重复受到试验活塞摩擦运动所产生的应力。活塞末端具有弹性， 通过变形可与被检测表面贴合。活塞的材料、硬度、形状、运动和运动角度的 选择应模拟人的手指施加压力和摩擦情形。 为了获得可再现性的摩擦条件，在活塞和被检测表面之间放置一片织物( 覆 1 0 第二章耐磨性能测试系统的基本功能和测试标准 盖在活塞上或作为帘布污染影响而用指定的试验液体浸泡织物( 湿试验) ，这由 相关规范确定。 2 3 2g b 厂r2 4 2 3 5 3 2 0 0 5 标准试验装置 一、g b ，r2 4 2 3 5 3 2 0 惦标准的试验设备 试验设备通过连杆使活塞的运动方向与被检测表面角度呈4 5 0 5 0 ，作用力 f ( 相关规范给出) 使试验活塞产生弹性变形，并使其在被检测表面产生摩擦运 动，摩擦运动的位移s 应为1 脚聊至4 所珊。试验设备的示意图参见图2 1 。 相关规范就规定挤压循环的次数。 对于非刚性试验样品( 如按键、键盘) ，相关规范应规定其附加要求( 如固 定) 。 试验活塞带有与试验液体不发生反应的弹性材料，其a 型邵氏硬度应为4 7 h a 5 姒( 如合成橡胶) 。 试验活塞的大小可根据核验样品的形状和尺寸以及印刷文字的类别从相关 规范中选定。 相关规范应说明活塞的大小，若有需要也可选择更适合样品的其它尺寸的活 塞，相关规范对此应作出规定。 试验过程中产生的磨损微粒不应影响试验结果，因此应不断地从活塞和试验 样品间清除这些微粒。 图2 一l 试验设备示意图 第二章耐磨性能测试系统的基本功能和测试标准 二、g b ，r2 4 2 3 5 3 2 0 皓试验织物 在活塞和试验样品应放置一片容易拆换的织物，也可将织物覆盖在活塞上。 试验织物p j 规定如下： 材料：与皮肤相近的材料； 经线：1 7 5 线d m l o 线d m ； 纬线：1 3 5 线d m 8 线d m ； 单位面积质量：1 9 5 9 m2 。 “干试验”时，为了避免织物磨破，在最多1 0 0 0 0 次循环后应更换新的织物， 或移动织物使其未用部分试验样品接触。 “湿试验”时，每1 0 次循环后应重复浸泡织物一次，或移动织物使其未用 部分移入活塞和试验样品之间。进行浸泡时可将织物浸入试验液体中或定期在织 物上滴加试验液体。每次新的试验开始时和最多l 0 0 0 0 次循环后都应更新织物以 避免因织物的结垢和破损而导致结果的偏离。 三、g b ，r2 4 2 3 5 3 2 5 试验液体 相关规范要求进行“湿试验”时，应指定试验液体。 试验液体包括： 人工合成汗液； 润滑油： 液压油； 其它有关液体。 若指定了不止一种试验液体，则对于每一种液体都应使用不同的试验样品， 除非相关规范另有规定。 四、g b 厂r2 4 2 3 5 3 2 5 严酷等级 严酷等级由活塞作用在试验样品上力和大小和循环的次数给出，可从下列数 值中选择。相关规范应明确所选的数值。 力的大小：l n 0 。2 n ；5 n l n ；1 0 n 2 n ；5 0 n 1 0 n ；1 0 0 n 2 0 n ； 循环次数：1 0 1 ：1 0 2 ；1 0 3 ；1 0 4 ；1 0 5 ；1 0 6 ；1 0 7 。 五、g b 厂r2 4 2 3 5 3 2 5 条件试验 试验条件应在g b t 2 4 2 l 规定的标准大气压下进行“干试验”。试验样品按 选定的严酷等级在试验设备的作用下进行试验。 试验活塞应以约为5 0 0 研m j 的速度向被检测表面，并以选定的力的作用在 1 2 第二章耐磨性能测试系统的基本功能和测试标准 被测表面上。应选择试验条件以使“活塞摩擦被检测表面”的时间与“活塞提起” 时间大致相同，力作用的时间不应小于o 2 s 。循环的频率为( 2 o 5 ) 次秒。 相关规范可使用其他频率。但频率较高可能会导致试验样品产生不可接受的温 升，要进行相应的降温处理。 2 4 本章小结 本章从四个方面论述了手机按键耐磨性能测试系统基本功能，阐述测试系统 预期达到的1 2 项技术指标或性能参数。最后简要介绍了测试系统试验方法标准 g b 厂r2 4 2 3 5 3 2 0 0 5 ， 此标准从试验设备、试验织物、试验液体、严酷等级等 几个方面规定了测定平面或曲面上的标记和印刷文字耐磨损能力的试验方法。本 章节的内容介绍为下一步系统的设计提供了参考依据。 第三章按键耐磨性能测试系统的组成 第三章按键耐磨性能测试系统的组成 【摘要】本章从机械结构设计、气动回路、控制系统硬件模块三个方面论述了手机 按键测试系统的硬件组成。 基于前面的理论了解了测试系统的基本功能及测试系统试验方法标准， 本章主要就如何实现测试平台的搭建进行分析。测试系统硬件部分由机械平 台、工控机、数据采集卡、力传感器、光电开关及气动回路组成，而如何通 过这些硬件实现测试系统的基本功能【6 4 6 s 1 ，下面就从机械结构、气动回路、 控制系统硬件三个部分介绍整个试验台架的设计过程。图3 1 为测试系统组 成结构简图。 数 气 t据 j 协 控聚 系机 机集 绕 械 桃 ”轻构 图3 一l 为测试系统结构简图 3 1 测试系统的机械结构设计 图3 2 给出了手机测试的一个示意图。 图3 2 手机按键测试示意图 机械系统由以下几个功能模块组成( 2 1 啦】： 1 固定装置：用来固定手机和调整手机位置 2 摩擦装置：模拟人手动作，摩擦手机键盘表面 3 织物供给装置：模拟人手皮肤 4 第三章按键耐磨性能测试系统的组成 4 滴汗液装置：模拟人手在操作过程中的出汗情况 5 喷雾装置：模拟手机在使用过程中受环境中不同化学物质的影响 3 1 1 手机按键的固定装置 手机的固定装置和摩擦施力装置( 摩擦头) 分别固定在不同的支架上， 以方便调节手机和摩擦头之间的相对位置。位置调节是三维的，手机平面和 摩擦头的距离通过一个滑台来调节。滑台上装有位置可调节的手机夹具。通 过调节手机夹具的位置来调整手机受力平面和摩擦头施力平面的相对位置。 一、夹紧装置： 螺旋式夹紧装置有2 种不同的形式，一种式螺钉夹紧件，一种式螺母夹 紧件。本测试台用于测试不同的手机，手机型号、体积大小变化大，故选 用螺钉式夹紧件，由于螺钉的脚部与工件为点接触，易将工件压伤，且压紧 力集中，易引起不允许的变形，故为保护测试样本表面不被压伤，往往在上 面装上压块( 如图3 3 所示) 。 图3 3 带有压块的螺旋式夹紧装置 对于螺钉式加紧件，为了操作方便起见在其头部需装置捏手或手柄。为 了防治螺钉固定后在测试负载的作用下松动，设计时选用可以自锁的螺纹中 径升角1 l r ( v 2a r c t a n 【印( 翮2 ) 】) 【2 l 】。 二、夹具。 测试试验台用到的夹具要求满足： 固定手机要求有一定的强度和牢固度 要求不对手机产生损坏，施力不能过大，对手机表面和内部结构 不产生破坏。 夹具是用来准确的定位测试样本和摩擦头之间的相对位置，即用来定 位和加紧的装置。合适的夹具可以缩短辅助时间，提高工作效率，以保护好 测试样本。 设计夹具要求选择合适的加紧力，方向和作用点，以保证测试样本加紧 纛 第三章按键耐磨性能测试系统的组成 的可靠性，但也不应过大，以免压伤测试样本或产生变形，损坏测试样本， 导致测试结果偏离实际，加紧后，安装要使得摩擦头击打按键时振动较小。 一般的手机都是竖向较长，横向较短，竖向受力面积较大，要求夹具对手机 受力变形影响较小，而且符合人手使用中，手机受力的实际情况，所以这里 采用左右施力的夹具。 手机测试样本受到垂直于键盘表面的力，而且所受的力最大为1 0 n ，较 小，受力比较简单，采用一般的简单的手动夹具就可以满足要求了。 简单加紧装置可分为螺旋式、楔式、偏心式、杠杆式和弹簧式等数种【3 9 】。 其中螺旋式加紧装置在目前简单加紧装置中应用最广，其结构也比较简单。 可以满足本测试试验台的要求，因此就选用螺旋式夹紧装置。 夹具设计的结构简图如图3 4 所示： 1 、手柄2 、螺钉3 、夹具座4 、连接扳5 、压块 图3 - 4 夹具结构简 一般情况下螺钉5 常采用标准公制螺纹。其螺纹升角很小，可以保证自 锁。压块5 通过连接板4 以夹具座3 上的导槽为导向，使压块沿直线夹紧松 开。螺钉2 头部加了一个手柄1 ，方便操作。 三、夹具座固定装置： i i 6 一 驴 r j 履龀si 7 厂 u i 7 l 、手轮2 、滑动轴承3 、丝杠、 4 、滑台5 、蝶形螺母6 、基板7 、基座8 、六角螺钉 图3 5 夹具固定结构简图 1 6 第三章按键耐磨性能测试系统的组成 如图3 5 所示，夹具5 固定在气动专用型材基板6 上，通过内六角螺钉， 可以在基板上调整位置，调整手机受力平面法向和摩擦头施力平面法向之间 的相对位置。 基板6 固定在滑台4 上，旋松蝶形螺母5 后，通过手轮l 可以转动丝杠3 调节滑台4 和试验台基座7 之间的位置，也就是调整手机受力平面和摩擦头 施力平面的距离。丝杠3 通过滑动轴承2 与试验台基座7 联系，滑动轴承通 过内六角螺钉8 固定在基座7 上。滑台上固定着一个螺母，该螺母和丝杠配 合。 因为滑台的质量很小，而且丝杠是手工转动的，所以对轴径的要求很低， 但是考虑到丝杠的刚度，以及生产成本上的考虑，取m l o ，导程为4 。 3 1 2 测试系统的摩擦装置 测试台模拟手机键盘的日常使用条件，就要求对施力活塞( 摩擦头) 的 材料、硬度和形状合理选取，动作的运动状态和角度进行合理的设计，使之 可以模仿产生人的手指和大拇指球状运动所产生的压力和摩擦力【2 ”，如图3 6 摩擦头运动示意图所示。要达到模仿人手的施力情况，要求对施力活塞的 材质必须具有一定的弹性，不能与试验液体发生反应，本文选用了a 型邵氏 硬度约为5 0 h a 的合成橡胶【l j 。合成橡胶是以石油、天然气为原料，以二烯烃 和烯烃为单体聚合而成的高分子合成橡胶具有高弹性、绝缘性、气密性、耐 油、耐高温或低温等性能，随着施力活塞的摩擦头长期工作，施力活塞的橡 胶摩擦头也会受到损伤，针对这一点这里采用了容易更换摩擦头设计结构； 也需要模仿人手皮肤的摩擦，这就需要在键盘和摩擦头之间增加一层可以模 仿人的皮肤的物质。 图3 6 摩擦头运动示意图 测试台模拟人手的操作，摩擦头接触到测试样本时应该有一个向上的一 个滑动过程( 见图3 6 ) 。人手是有一系列的关节组成的【2 4 】1 2 5 1 ，滑动的过程 1 7 第三章按键耐磨性能测试系统的组成 是一个移动副和滑动副的联合运动。此处设计选用一个铰支结构( 如图3 7 所示) 来实现摩擦头的运动过程，达到模拟人手的这种运动。 厅一一1 一一一， | l 、l u 一一一一一。 图3 7 摩擦头分部运动图 选用轴承来实现铰支结构。摩擦头没有接触按键键盘的时候，驱动气缸 如图3 8 所示在挡板的作用下，受力平衡，静止不动。当摩擦头接触到手机 按键表面时，摩擦头受到一个垂直手机键盘表面向外的力f ，力f 到铰支的力 臂为l 1 ，摩擦头、气缸组成的施力装置重力g ，g 到铰支的力臂为l 2 。 图3 8 铰支结构 当摩擦头刚接触到手机键盘表面时，厶= g 厶，受力平衡。根据 这个原理，可以通过改变g ，得到想要的f 。在气缸下面配一个装置， 放入一定值的配重块，实现1 n ，5 n ，l o n 三个不同等级的力f 。 气缸再前进一点，力f 增大，力矩，厶稍大于力矩g 厶，由于摩 擦头有一定的弹性，这样摩擦头就会逆时针转过一个很小的角度，模 拟了人手的滑动动作。 二、结构分析 1 8 n田田 一 第三章按键耐磨性能测试系统的组成 由于在整个测试环节对于摩擦力的实现最为关键，本系统通过机构设计 再通过不同的砝码实现不同的摩擦力的要求1 2 1 】。图3 9 为摩擦装置机构简图。 1 摩擦头2 摩擦座3 气缸4 螺钉5 支座6 档板7 轴承座 8 基座9 轴1 0 支架 图3 - 9 摩擦装置机构简图 如图3 9 所示，摩擦头l 通过螺钉和摩擦座2 连接在一起；气缸活塞的 头部有外螺纹，和摩擦座连接；摩擦头可换成不同直径的；气缸和支架1 0 用 螺钉连接；整个支架l o 架在轴9 上，通过键连接，可以转动。轴9 通过滚动 轴承架在轴承座7 上，轴承和轴承座成对出现；挡块6 的作用是使支架9 只 能顺时针转动，在摩擦头没有接触手机之前处于平衡状态；通过螺钉4 和支 座5 的配合，挡块6 可以在垂直方向上运动，改变气缸轴向和水平线之间的 夹角；轴承座7 、支架6 通过基板8 固定在试验台基座上。 3 1 3 测试系统的织物供给装置 选用一种织物模仿人的皮肤。为使选用的织物和皮肤的摩擦特性相接近， 首先对皮肤摩擦特性进行了解，表3 一l 为不同五种材料分别对于皮肤的摩擦 系数【3 2 4 ”。 l 材料 铝尼龙硅树脂棉短袜泥质岩 l l 系数 o 4 2 0 1 40 3 7 o 0 90 6 l 0 2 1o 5 1 o 1 l o 4 5 0 0 7 i 表3 1 皮肤与不同材质之间的动摩擦系数 1 9 第三章按键耐磨性能测试系统的组成 目前市场上手机的按键主要有四种4 2 州( p c 薄膜按键、p c 透明按键、 p k 按键、硅胶按键) ，他们的摩擦特性都与硅树脂接近，从表中可以查得其 与皮肤摩擦的平均动摩擦系数约为0 6 1 ，加工过的羊毛做成的布料的摩擦特 性与人的皮肤相近，选用羊毛做成的布料作为测试台中的供给织物。 羊毛做成的布料物理特性如下： 经线：约1 8 0 线d l ； 纬线：约1 4 0 线d m ； 单位面积质量：约2 0 0 9 m 2 。 由于摩擦次数过大，织物容易磨损【4 7 巧o 】，磨损达到一定的程度就不能达 到模拟人手皮肤的效果了，所以隔一定的时间必须更换织物，依据 g b 厂r 2 4 2 3 5 3 2 0 0 5 标准规定在最多1 0 0 0 0 次循环后应更换新的织物，以保证 测试效果，本文给织物的供给设计为一个步进的过程，摩擦织物固定在塑料 辊轴上，辊轴用弹簧销加紧在传动轴上。可以通过弹簧销很方便的装配和移 动、更换织物辊轴( 见图3 一l o 所示) 。 图3 一1 0 织物供给装置示意图 驱动采用步进电机，步进电机是一种既可以用来作为开环位置控制也可 以进行闭环位置控制的执行元件。步进电机在工业控制当中有着广泛的应用， 所谓步进电机即电机的运转是一步步地运行，通常步进电机必须配备步进电 机驱动器，控制步进电机运行的步进信号