日用陶瓷器数控抗冲击强度测试仪的研制

袁文瓒 ，张海煊 ，潘玉安 ，向明 ，万云萍 ，吴瑜

(1.国家陶瓷检测重点实验室，景德镇 333000；2.深圳市计量质量检测研究院，深圳 510080；3.景德镇陶瓷学院，景德镇 333000；4.景德镇市陶瓷检测评估中心，景德镇 333000)

1 前言

随着科学技术的发展，机械化供餐，蒸洗消毒设备的广泛应用，人们对陶瓷制品的抗冲击强度和耐磕碰性提出了更高的要求。现代化生活也对日用陶瓷器产品性能提出了越来越高的要求，抗冲击强度和耐磕碰性能目前已成为国内外检测陶瓷制品是否符合要求的重要指标之一。日用陶瓷器的抗冲击强度和耐磕碰性，不仅取决于材料的性能、坯和釉的结合状态，而且与设计结构和制造过程有着密切的关系。

陶瓷器的抗冲击强度和耐磕碰性一般通过抗冲击试验机测试获得。现有的陶瓷抗冲击试验机主要针对陶瓷材料设计制造，对于日用陶瓷器的检测也是人工控制的机械化装置，测量误差较大，难以满足检测方法的技术要求。为此，本文针对欧美和南美对我国出口日用陶瓷要求测试抗冲击强度的现状，组织相关人员进行技术认证与攻关。该项成果的推广应用将推动我国陶瓷产业的发展，对于杜绝劣质产品流向市场，提高产品质量，完善产品质量控制体系，破除国外技术壁垒和促进外贸发展都具有重要的意义。

2 抗冲击性测试相关标准

欧美和南美对我国出口日用陶瓷要求测试抗冲击性的相关标准包括：美国ASTM C368陶瓷餐具抗冲击性标准试验方法，厄瓜多尔NTE INEN 1800～1801陶瓷餐具抗冲击性和耐磕碰性测量方法。这些试验方法要求采用的设备都是摆锤式冲击试验装置，测量的冲击能量值可以从0.014 J逐步增加到2 J以上。该方法提供的冲击测试仪器包括以下核心部件：

(1)一个特定尺寸的钢锤头，它的洛氏硬度为C55；

(2)支撑锤头冲击用的V形悬架；

(3)保证锤头可以从特定高度释放的装置，以得到与操作者无关的可重复性结果；

(4)可以将测试样本固定在某一位置的坚硬金属材质夹具。

3 抗冲击测试仪的研制

3.1 抗冲击测试仪的用途

抗冲击测试仪的主要用来测试日用陶瓷器餐具、茶具等方面的抗冲击性。适用于扁平器皿、空心器皿的中心、空心器皿的边缘的冲击性测试，以及扁平器皿边缘的抗冲击脆裂性的测试。样品表面可以是施釉或者无釉的。

3.2 抗冲击测试仪的原理

采用微电脑全自动程序控制测量，每次摆锤冲击自动计算并显示、存储冲击的能量，还可通过控制面板调用和设置测试过程全部冲击能量及参数。

3.3 抗冲击测试仪的主要技术参数

(1)样品尺寸：可测试样品的直径或长度不超过300 mm(12吋)、高度不超过250 mm(10吋)的陶瓷器；

(2) 最大冲击能量：≥2.45 J；

(3)测试精度：精确到0.0042 J；

(4) 摆锤最大摆角：120 °；

(5) 冲击位置：1)器皿边缘、底部和中心位置；2)杯、壶口沿和把手；

(6) 测试仪外形尺寸(长×宽×高)：750 mm×750 mm×1400 mm。

3.4 抗冲击测试仪的构造

抗冲击测试仪主要由机架、横梁、立柱、摆锤组成，其中，立柱垂直固定在机架两侧，横梁套接在立柱上；横梁上设置有上下调节手柄，以及与摆锤相连接的自动抬举摆锤装置；机架底座上设置有夹具装置；电动机内设置有单片机，通过控制柜内的Atmega 16a单片机控制仪器进行撞击试验。抗冲击测试仪的结构图如图1所示。

3.5 抗冲击测试仪多样化夹具的研制

图1 抗冲击测试仪的结构图

夹具装置包括左右底板和挡板。挡板垂直固定在左右底板上，左右底板和挡板上设置有压紧装置，左右底板底部设置有对开机构。压紧装置由设置在左右底板上的立臂和设置在挡板顶部的悬臂与紧压部件构成。立臂和悬臂上均匀分布有与紧压部件相连接的安装孔，紧压部件优选压簧或者带橡胶冒的螺杆。左右底板表面设置有滑槽，挡板可在滑槽内纵向移动。挡板为三角柱体，左右底板上的挡板组合成V形。对开机构包括双向螺旋丝杆、光杆、联接块，双向螺旋丝杆和光杆平行固定在机架底座上，左右底板通过联接块固定在双向螺旋丝杆和光杆上，双向螺旋丝杆一端设置有旋转手轮。与双向螺旋丝杆相连的联接块内设置有带螺纹铜套，与光杆相连接的联接块内设置有直线轴承。

3.6 高度(冲击能量)定位的控制

设计一种自动抬举摆锤的装置来实现高度 (冲击能量)的定位控制。包括机架、控制柜、电动机、电磁离合器、编码器、轴、摆锤。控制柜、电动机、电磁离合器、编码器固定在机架上，控制柜连接电动机和电磁离合器，电动机与电磁离合器相连接；电磁离合器、编码器与轴相连接，轴下方设有连接摆锤的摆杆。电动机通过电磁离合器与轴相连接。控制柜内设置有单片机，编码器与单片机相连接。

电动机通过电磁离合器吸合带动轴转动，轴带动摆杆抬起；电磁离合器复位，轴和电动机分离，摆杆自由摆下。

3.7 数显自动控制

设计采用单片机全自动控制，工作过程分两大步，第一步为自动运行 (摆锤按默认的速度和递增角度撞击)和设置运行(摆锤按用户设定的速度和递增角度撞击)，其工作原理为：第一步通过Atmega 16a单片机输出脉冲给步进电机，并通过控制信号使离合器吸合，使步进电机带动摆锤转到预设定好的角度，再使离合器释放，摆锤做单摆运动并撞击固定好的陶瓷样品。撞击反弹后，编码器判断方向，等待一段时间(大约1.5～2 s)后，离合器再次吸合，单片机输出脉冲给步进电机，这样做有角度增量的循环撞击运动。第二步为校正状态，其工作过程为：Atmega 16a通过控制信号使离合器吸合，并输出脉冲给步进电机，并使步进电机带动摆锤转到预设定好的角度(90°)，暂停1 s，再使离合器释放。同时，摆锤开始做单摆运动，直至液晶界面显示“校正完成”。设备控制图如图2所示。

图2 设备控制图

4 结语

本文采用单片机控制仪器自动进行撞击试验，夹具底板对开装置和摆锤上下调节装置，配合多样化的夹具，可适用于测试各种形状、大小的日用陶瓷器皿，使抗冲击检测产品的种类和测量精度大幅地提高。该仪器装置机构简单、成本低廉、性能稳定、测量精度高，已获得5项国家发明专利，在陶瓷抗冲击检测领域具有良好的应用前景。

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