按鈕開關接觸可靠性研究及檢測設備的實現(xiàn)

曲炳鋒

（泰科電子科技（蘇州工業(yè)園區(qū)）有限公司，江蘇蘇州215026）

0 引言

按鈕開關作為一種典型的控制回路主令電器，在各種設備上得到了廣泛的應用，其觸點的接觸可靠性直接關系到設備是否能可靠運行及停止，因而是產(chǎn)品質量控制的重要指標，也是產(chǎn)品設計的一項重要參數(shù)。在實際研發(fā)過程中，不僅要測試普通室溫環(huán)境下的觸點接觸可靠性，還要測試產(chǎn)品在各種特殊使用場合下（如沙塵環(huán)境）的接觸可靠性。通過合理分析，找到影響可靠性的主要原因，并基于此設計一臺準確、智能的檢測設備，有助于提高按鈕開關的整體品質和控制水平。

1 按鈕開關接觸可靠性失效因素分析及檢測標準

目前，關于低壓斷路器、接觸器及繼電器的可靠性及檢測設備已有較多的研究及參考標準，相關測試方法和檢測標準對按鈕開關可靠性研究有借鑒意義，特別是可靠性的統(tǒng)計指標和統(tǒng)計方法，通常假定其接觸電阻失效分布呈指數(shù)分布。相關標準一般均以失效率的高低作為可靠性指標，失效率是指產(chǎn)品工作到t時刻后單位時間內失效的概率，其衡量指標符合按鈕開關作為一種控制類電器的應用特征。根據(jù)GB/T 14048.17—2008《低壓開關設備和控制設備第5-4部分：控制電路電器和開關元件小容量觸頭的性能評定方法特殊試驗》，失效率計算方法為0＜λ＜λc，其中λ為恒定失效率真值，λc為置信水平c下的失效率評定值（上限）。對于按鈕開關觸點的失效率λc的要求，可設定不小于10-6。

通常按鈕開關按照結構可分為三個部分——觸頭塊、操動頭及卡裝部件，根據(jù)其主體結構部件及其功能，利用故障樹的分析方法，可以分析出主要的失效模式、失效結果及失效原因，總的分析框架圖如圖1所示。在檢測設備實現(xiàn)過程中可以將這些失效分析集成進計算機的檢測過程，并統(tǒng)計各個模式的失效比例，從而實現(xiàn)有針對性的產(chǎn)品設計和制程的優(yōu)化。

接觸可靠性的基本試驗方法根據(jù)GB/T 14048.17—2008的基本要求，如圖2所示。設備設置了兩組16通道（觸點）進行檢測，兩組通道應用同一設定電源信號，由于設定好的電流1 mA或5 mA是穩(wěn)定的，那么通過實際測量觸頭兩端的電壓降，可以間接得到每次觸頭閉合的接觸電阻，與設定好的接觸電阻范圍進行比較，超出范圍即為失效。

2 檢測設備的硬件實現(xiàn)

按鈕開關接觸可靠性檢測設備的硬件主要包括工控機、控制和采集板塊、信號調制電路、輔助觸點測試電源、電磁閥控制電源及操動氣缸、樣品安裝定位夾具等機械部分。設備的整體結構組成框圖如圖3所示。數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的PCI6023E型號，可同時實現(xiàn)對觸點狀態(tài)的檢測及對氣缸和操動部件位置的檢測，保證了系統(tǒng)的兼容性和較高的性價比。同時，與外圍電路的連接采用NI公司的SCB-68屏蔽式I/O接線盒，可將I/O信號連往配有68針連接端口的插入式數(shù)據(jù)采集（DAQ）設備，結合屏蔽式電纜，SCB-68可提供堅固且噪音極低的信號終端。

設備的電源包括兩部分，第一部分為電源入口提供一個主負荷開關，分別連接到控制部分和工控機IPC電源，其中控制回路根據(jù)電磁閥的需要進行調制，同時控制回路將會被IPC監(jiān)控，當諸如急停按鈕動作等緊急情況發(fā)生時，IPC將立即檢測到該情況，并觸發(fā)控制回路中串聯(lián)的接觸器切斷控制回路；第二部分為單獨為輔助觸點測試電路供電的調整電源，其通過高精密可調電阻來調制需要的17 V/5 mA以及5V/1 mA的測試信號。

圖1 操作失效模式故障樹

圖2 試驗設備功能圖

圖3 設備整體結構框圖

輔助觸點測試電源及信號調制電路：通過三端穩(wěn)壓模塊7815及7805產(chǎn)生輸出電壓，利用R33和R34兩個精密可調電阻調整管腳2端電位，得到精確的輸出電壓。通過IPC輸出控制端的選擇信號控制K1和K2進行兩組檢測信號的選擇，再將信號反饋回DAQ端檢測實際輸出電壓。利用精密可調電阻及二極管進行限流和穩(wěn)壓，從而得到需要的17 V/5 mA以及5 V/1 mA的測試信號。

需要說明的是，由于DAQ采集卡需要將采集的模擬電壓信號轉換到需要的范圍進行計算，故將觸點兩端的電壓降進行分壓后通過電壓跟隨電路進行隔離，確保采集信號的準確。電壓跟隨電路與DAQ采集卡之間利用56 Ω電阻將電流調節(jié)到NI采集卡允許的范圍內，檢測電壓調整電路通過16組相同的電路完成。

最后，關于按鈕檢測動作的操動部分，需要說明的是，操動采用氣缸進行，并在氣缸推桿前端安裝模擬實際操作的彈性材料，按鈕按下后保持的時間足以覆蓋設備的采樣及數(shù)據(jù)處理的時間?？刂菩盘柾ㄟ^電磁閥驅動氣缸動作，通過調壓閥的調整和節(jié)流閥的調整，使氣缸的操動力及操作速度符合GB 14048.5—2008《低壓開關設備和控制設備第5-1部分：控制電路電器和開關件機電式控制電路電器》中8.3.2對試驗條件的規(guī)定。

3 檢測設備的軟件結構

按鈕開關接觸可靠性檢測設備的軟件由LabVIEW實現(xiàn)。LabVIEW作為近年來流行的儀器開發(fā)平臺軟件，能夠以其直觀簡便的編程方式、眾多的源碼級的設備驅動程序、多種多樣的分析和表達功能支持，為用戶快捷地構筑自己實際所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造基礎條件。

設備軟件程序流程圖如圖4所示，通過導入設置文件，設定基本觸點接觸壓降參考數(shù)值范圍及軟件的數(shù)據(jù)存儲方式。

設備的人機界面（前面板）分為參數(shù)設置區(qū)域和數(shù)據(jù)顯示區(qū)域。參數(shù)設置區(qū)域根據(jù)用戶需求對基本參數(shù)進行設置，包括預設次數(shù)、操作頻率、檢測電壓、失效等級和試驗開始/暫停按鈕。數(shù)據(jù)顯示區(qū)域可以直觀地顯示已設定參數(shù)和測試結果，測試結果簡單顯示了16個測試通道當前的測試次數(shù)及失效測試，點擊對應通道可以打開新的窗口，詳細顯示該通道的失效細節(jié)、每次失效的類別，如觸點未閉合、觸點未分斷、氣缸未動作等及對應的觸頭壓降值，同時可以顯示該通道各個失效類別的比例情況。通過數(shù)據(jù)查看功能可以更加準確地了解失效發(fā)生的情況及概率，該查看功能可以在試驗運行過程中進行操作，也可以在暫停當前試驗的情況下操作。

關于采集控制卡的讀寫功能，在LabVIEW環(huán)境下應用需要專門的驅動程序對其進行識別和訪問。由于應用中的讀寫要求為立即性，當調用數(shù)字I/O函數(shù)后立即更新或讀取數(shù)據(jù)為某一路或端口的狀態(tài)。使用高級DIO.VI子程序可以更高效地執(zhí)行數(shù)字I/O的讀寫工作，DIO Port Read.VI和DIO Port Write.VI允許使用通道屏蔽技術更新某一端口中數(shù)個DI/O通道而無需更新整個端口，根據(jù)高級VI提供的錯誤信息可以同步開發(fā)相關錯誤處理程序。為了在傳輸數(shù)據(jù)時不占用計算機資源，應用緩沖DIO.VI程序，實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆峭街袛囹寗邮絺鬏敗?/p>

為了檢測試驗設備的準確性，分別在第2、3、5通道設置了三種不同的失效狀況，通過表1中的測試結果，可以看出設備能夠準確地捕捉到對應的失效狀況并進行記錄。

圖4 檢測設備的軟件流程圖

表1 檢測結果統(tǒng)計

4 結語

按鈕開關作為控制電路中最常見、最重要的低壓電器之一，其接觸可靠性是評價產(chǎn)品性能和反映產(chǎn)品質量的重要參數(shù)。近年來，國內對電磁接觸器、繼電器的接觸可靠性及其檢測設備的研究已經(jīng)比較成熟，對按鈕開關的接觸可靠性具有一定的通用性和指導作用。但是按鈕開關具體的失效模式、測試方法和設備設計還是具有一定的獨特性，本文系統(tǒng)介紹了其主要的失效模式及基于LabVIEW系統(tǒng)的可靠性智能控制檢測設備，有助于提高對按鈕開關接觸可靠性的認識。該檢測設備在實際產(chǎn)品設計中取得了很好的使用效果，對相關產(chǎn)品的開發(fā)設計及質量控制有一定參考價值。

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