按钮开关接触可靠性研究及检测设备的实现

曲炳锋

（泰科电子科技（苏州工业园区）有限公司，江苏苏州215026）

0 引言

按钮开关作为一种典型的控制回路主令电器，在各种设备上得到了广泛的应用，其触点的接触可靠性直接关系到设备是否能可靠运行及停止，因而是产品质量控制的重要指标，也是产品设计的一项重要参数。在实际研发过程中，不仅要测试普通室温环境下的触点接触可靠性，还要测试产品在各种特殊使用场合下（如沙尘环境）的接触可靠性。通过合理分析，找到影响可靠性的主要原因，并基于此设计一台准确、智能的检测设备，有助于提高按钮开关的整体品质和控制水平。

1 按钮开关接触可靠性失效因素分析及检测标准

目前，关于低压断路器、接触器及继电器的可靠性及检测设备已有较多的研究及参考标准，相关测试方法和检测标准对按钮开关可靠性研究有借鉴意义，特别是可靠性的统计指标和统计方法，通常假定其接触电阻失效分布呈指数分布。相关标准一般均以失效率的高低作为可靠性指标，失效率是指产品工作到t时刻后单位时间内失效的概率，其衡量指标符合按钮开关作为一种控制类电器的应用特征。根据GB/T 14048.17—2008《低压开关设备和控制设备第5-4部分：控制电路电器和开关元件小容量触头的性能评定方法特殊试验》，失效率计算方法为0＜λ＜λc，其中λ为恒定失效率真值，λc为置信水平c下的失效率评定值（上限）。对于按钮开关触点的失效率λc的要求，可设定不小于10-6。

通常按钮开关按照结构可分为三个部分——触头块、操动头及卡装部件，根据其主体结构部件及其功能，利用故障树的分析方法，可以分析出主要的失效模式、失效结果及失效原因，总的分析框架图如图1所示。在检测设备实现过程中可以将这些失效分析集成进计算机的检测过程，并统计各个模式的失效比例，从而实现有针对性的产品设计和制程的优化。

接触可靠性的基本试验方法根据GB/T 14048.17—2008的基本要求，如图2所示。设备设置了两组16通道（触点）进行检测，两组通道应用同一设定电源信号，由于设定好的电流1 mA或5 mA是稳定的，那么通过实际测量触头两端的电压降，可以间接得到每次触头闭合的接触电阻，与设定好的接触电阻范围进行比较，超出范围即为失效。

2 检测设备的硬件实现

按钮开关接触可靠性检测设备的硬件主要包括工控机、控制和采集板块、信号调制电路、辅助触点测试电源、电磁阀控制电源及操动气缸、样品安装定位夹具等机械部分。设备的整体结构组成框图如图3所示。数据采集卡采用NI公司的PCI6023E型号，可同时实现对触点状态的检测及对气缸和操动部件位置的检测，保证了系统的兼容性和较高的性价比。同时，与外围电路的连接采用NI公司的SCB-68屏蔽式I/O接线盒，可将I/O信号连往配有68针连接端口的插入式数据采集（DAQ）设备，结合屏蔽式电缆，SCB-68可提供坚固且噪音极低的信号终端。

设备的电源包括两部分，第一部分为电源入口提供一个主负荷开关，分别连接到控制部分和工控机IPC电源，其中控制回路根据电磁阀的需要进行调制，同时控制回路将会被IPC监控，当诸如急停按钮动作等紧急情况发生时，IPC将立即检测到该情况，并触发控制回路中串联的接触器切断控制回路；第二部分为单独为辅助触点测试电路供电的调整电源，其通过高精密可调电阻来调制需要的17 V/5 mA以及5V/1 mA的测试信号。

图1 操作失效模式故障树

图2 试验设备功能图

图3 设备整体结构框图

辅助触点测试电源及信号调制电路：通过三端稳压模块7815及7805产生输出电压，利用R33和R34两个精密可调电阻调整管脚2端电位，得到精确的输出电压。通过IPC输出控制端的选择信号控制K1和K2进行两组检测信号的选择，再将信号反馈回DAQ端检测实际输出电压。利用精密可调电阻及二极管进行限流和稳压，从而得到需要的17 V/5 mA以及5 V/1 mA的测试信号。

需要说明的是，由于DAQ采集卡需要将采集的模拟电压信号转换到需要的范围进行计算，故将触点两端的电压降进行分压后通过电压跟随电路进行隔离，确保采集信号的准确。电压跟随电路与DAQ采集卡之间利用56 Ω电阻将电流调节到NI采集卡允许的范围内，检测电压调整电路通过16组相同的电路完成。

最后，关于按钮检测动作的操动部分，需要说明的是，操动采用气缸进行，并在气缸推杆前端安装模拟实际操作的弹性材料，按钮按下后保持的时间足以覆盖设备的采样及数据处理的时间。控制信号通过电磁阀驱动气缸动作，通过调压阀的调整和节流阀的调整，使气缸的操动力及操作速度符合GB 14048.5—2008《低压开关设备和控制设备第5-1部分：控制电路电器和开关件机电式控制电路电器》中8.3.2对试验条件的规定。

3 检测设备的软件结构

按钮开关接触可靠性检测设备的软件由LabVIEW实现。LabVIEW作为近年来流行的仪器开发平台软件，能够以其直观简便的编程方式、众多的源码级的设备驱动程序、多种多样的分析和表达功能支持，为用户快捷地构筑自己实际所需要的仪器系统创造基础条件。

设备软件程序流程图如图4所示，通过导入设置文件，设定基本触点接触压降参考数值范围及软件的数据存储方式。

设备的人机界面（前面板）分为参数设置区域和数据显示区域。参数设置区域根据用户需求对基本参数进行设置，包括预设次数、操作频率、检测电压、失效等级和试验开始/暂停按钮。数据显示区域可以直观地显示已设定参数和测试结果，测试结果简单显示了16个测试通道当前的测试次数及失效测试，点击对应通道可以打开新的窗口，详细显示该通道的失效细节、每次失效的类别，如触点未闭合、触点未分断、气缸未动作等及对应的触头压降值，同时可以显示该通道各个失效类别的比例情况。通过数据查看功能可以更加准确地了解失效发生的情况及概率，该查看功能可以在试验运行过程中进行操作，也可以在暂停当前试验的情况下操作。

关于采集控制卡的读写功能，在LabVIEW环境下应用需要专门的驱动程序对其进行识别和访问。由于应用中的读写要求为立即性，当调用数字I/O函数后立即更新或读取数据为某一路或端口的状态。使用高级DIO.VI子程序可以更高效地执行数字I/O的读写工作，DIO Port Read.VI和DIO Port Write.VI允许使用通道屏蔽技术更新某一端口中数个DI/O通道而无需更新整个端口，根据高级VI提供的错误信息可以同步开发相关错误处理程序。为了在传输数据时不占用计算机资源，应用缓冲DIO.VI程序，实现大量数据传输的非同步中断驱动式传输。

为了检测试验设备的准确性，分别在第2、3、5通道设置了三种不同的失效状况，通过表1中的测试结果，可以看出设备能够准确地捕捉到对应的失效状况并进行记录。

图4 检测设备的软件流程图

表1 检测结果统计

4 结语

按钮开关作为控制电路中最常见、最重要的低压电器之一，其接触可靠性是评价产品性能和反映产品质量的重要参数。近年来，国内对电磁接触器、继电器的接触可靠性及其检测设备的研究已经比较成熟，对按钮开关的接触可靠性具有一定的通用性和指导作用。但是按钮开关具体的失效模式、测试方法和设备设计还是具有一定的独特性，本文系统介绍了其主要的失效模式及基于LabVIEW系统的可靠性智能控制检测设备，有助于提高对按钮开关接触可靠性的认识。该检测设备在实际产品设计中取得了很好的使用效果，对相关产品的开发设计及质量控制有一定参考价值。

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