導(dǎo)讀：批量生產(chǎn)按鍵開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，質(zhì)量檢測(cè)這個(gè)環(huán)節(jié)是相當(dāng)重要的，這里要用到一種儀器，叫“按鍵開(kāi)關(guān)荷重位移曲線儀”，就是二緯坐標(biāo)以X軸為行程,以Y軸為感應(yīng)力的大小變化形成的曲線測(cè)試儀器，專門來(lái)測(cè)量各種開(kāi)關(guān)，按鍵，彈片及一些帶有彈性的東西。而為什么叫荷重曲線儀呢？因?yàn)閮x器不單單是測(cè)試出各種需要測(cè)量的工件的力量，最主要的是可以看出開(kāi)關(guān)的受力過(guò)程，整個(gè)受力過(guò)程是通過(guò)曲線來(lái)表顯出來(lái)，非常直觀。但是，有關(guān)荷重曲線儀的資料非常少，所以在此我選擇了這個(gè)作為研究方向，為以后大家對(duì)“按鍵開(kāi)關(guān)荷重位移曲線儀”的相關(guān)信息有參考作用。
1引言
1.1 課題背景及研究意義
按鍵開(kāi)關(guān)在如今的應(yīng)用是相當(dāng)?shù)膹V泛，不只在產(chǎn)品生產(chǎn)中，在生活中也是無(wú)所不在。例如：手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)電話、各類遙控器、MP3/MP4、收音機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、學(xué)習(xí)機(jī)、游戲控制鍵盤、微波爐、汽車儀表板、望遠(yuǎn)鏡、玩具等。所以按鍵開(kāi)關(guān)的需求量也是非常的大，而批量生產(chǎn)按鍵開(kāi)關(guān)的過(guò)程中，質(zhì)量檢測(cè)這個(gè)環(huán)節(jié)是相當(dāng)重要的，這里要用到一種儀器，叫“按鍵開(kāi)關(guān)荷重位移曲線儀”，就是二緯坐標(biāo)以X軸為行程,以Y軸為感應(yīng)力的大小變化形成的曲線測(cè)試儀器，專門來(lái)測(cè)量各種開(kāi)關(guān)，按鍵，彈片及一些帶有彈性的東西。而為什么叫荷重曲線儀呢？因?yàn)閮x器不單單是測(cè)試出各種需要測(cè)量的工件的力量，最主要的是可以看出開(kāi)關(guān)的受力過(guò)程，整個(gè)受力過(guò)程是通過(guò)曲線來(lái)表顯出來(lái)，非常直觀。但是，有關(guān)荷重曲線儀的資料非常少，所以在此我選擇了這個(gè)作為研究方向，為以后大家對(duì)“按鍵開(kāi)關(guān)荷重位移曲線儀”的相關(guān)信息有參考作用。
1.2按鍵開(kāi)關(guān)荷重位移曲線儀的發(fā)展現(xiàn)狀
隨著電子技術(shù)與控制技術(shù)的快速發(fā)展，按鍵開(kāi)關(guān)荷重位移曲線儀也要跟上時(shí)代的步伐，從一開(kāi)始只能測(cè)出OF、OD和CK值發(fā)展到現(xiàn)在能同時(shí)測(cè)出23個(gè)參數(shù)，有PK，CK，RPK，RLK，LK等值，可以通過(guò)設(shè)定上下限來(lái)保護(hù)儀器被壓壞荷重感應(yīng)器。最小顯示行程也從1mm發(fā)展到現(xiàn)在的0.001mm，最小顯示荷重也從10克精度到現(xiàn)在的0.01克精度，界面設(shè)定也從嵌入式發(fā)展到現(xiàn)在利用WINDOWS中文視窗畫面設(shè)定，操作簡(jiǎn)單方便，且所有資料皆可儲(chǔ)存（試驗(yàn)條件、荷重曲線圖、測(cè)試結(jié)果、檢查報(bào)表…等等)。
現(xiàn)在按鍵開(kāi)關(guān)荷重位移曲線儀的特點(diǎn)：Peak Force、ReturnForce、Distance及Click率等皆可直接在圖上顯示數(shù)值，不須人工計(jì)算；測(cè)量曲線圖由電腦記憶，可隨時(shí)放大、縮小，一張A4紙可任意指定放置N個(gè)曲線圖；測(cè)定項(xiàng)目可輸入上、下限規(guī)格值，測(cè)定結(jié)果可自動(dòng)判定OK或NO；可輸入最大測(cè)定行程及荷重，電腦自動(dòng)控制；荷重單位顯示N、Ib、gf、kgf可自由切換；電腦直接列印及儲(chǔ)存荷重-行程曲線圖、檢查報(bào)表（不需要方格紙，一般A4紙即可）；測(cè)試資料儲(chǔ)存于硬盤（每一筆資料皆可儲(chǔ)存，不限次數(shù)）；測(cè)試條件皆由電腦畫面設(shè)定（含測(cè)試行程、速度、次數(shù)、空壓、暫停時(shí)間等等）；檢驗(yàn)報(bào)表抬頭內(nèi)容可隨時(shí)修改（中英文皆可）；檢驗(yàn)報(bào)表可自動(dòng)產(chǎn)生，不須再作輸入；檢驗(yàn)報(bào)表可轉(zhuǎn)換為Excel等文書(shū)報(bào)表格式。
按鍵開(kāi)關(guān)荷重位移曲線儀的原理：用高精度的伺服馬達(dá)保證顯示行程與儀器實(shí)際走的行程一一對(duì)應(yīng)；用高精度的力量傳感器感應(yīng)力大小的變化；并經(jīng)過(guò)電腦處理得到完全準(zhǔn)確的荷重曲線實(shí)驗(yàn)的儀器，由此也稱全自動(dòng)荷重行程曲線測(cè)試儀。
1.3 開(kāi)關(guān)發(fā)展歷史及發(fā)展歷程
我們接觸過(guò)的開(kāi)關(guān)所發(fā)展的歷史，大致經(jīng)歷了拉線、小按鈕、大翹板、電子式四類。不論拉線開(kāi)關(guān)、小按鈕開(kāi)關(guān)還是大翹板開(kāi)關(guān)，都屬于機(jī)械式開(kāi)關(guān)，通過(guò)機(jī)械控制導(dǎo)體接觸分?jǐn)喽鴮?shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的功能。而電子式開(kāi)關(guān)，一般是以弱電信號(hào)進(jìn)行控制，現(xiàn)在的應(yīng)用也越來(lái)越廣。一方面電子式開(kāi)關(guān)接觸到的電流極微，對(duì)用戶安全有保證；另一方面電子式也較能和今后家居網(wǎng)絡(luò)智能化系統(tǒng)兼容。
1.4 開(kāi)關(guān)的種類與按鍵開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)
開(kāi)關(guān)分為輕觸開(kāi)關(guān)、滑動(dòng)開(kāi)關(guān)、多向開(kāi)關(guān)、按鍵開(kāi)關(guān)、感應(yīng)開(kāi)關(guān)、撥碼開(kāi)關(guān)等，種類異常繁多，在各個(gè)領(lǐng)域里各施其職。本文主要討論的是針對(duì)按鍵開(kāi)關(guān)的荷重位移曲線儀，所以下面重點(diǎn)說(shuō)說(shuō)按鍵開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)原理。如圖1.1按鍵開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)3D立體圖所示，從上到下的構(gòu)件分別為：第一個(gè)是金屬固定架，材質(zhì)一般為不銹鋼，作用是固定好按鍵帽與圓形金屬?gòu)椘ㄒ步绣佔(zhàn)衅?；第二個(gè)是按鍵帽，材質(zhì)一般為塑料，作用是方便按鍵動(dòng)作的操作，只需在上面一按開(kāi)關(guān)即可閉合；第三個(gè)是按鍵開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)里面最重要的構(gòu)件，叫金屬?gòu)椘ㄒ步绣佔(zhàn)衅粋€(gè)按鍵使用的壽命的長(zhǎng)短和質(zhì)量的好壞都與鍋?zhàn)衅兄苯雨P(guān)系，目前的金屬?gòu)椘鶕?jù)其形狀主要分為四大類：圓形、十字形/四角、三角形和腰圓/橢圓，直徑從3mm,4mm,5mm等常規(guī)，同時(shí)也有各種特殊規(guī)格如十字形7mm、14mm、20mm等，力度從80克到500克。圖1.2所示的是三角形鍋?zhàn)衅慕Y(jié)構(gòu)圖。圓形鍋?zhàn)衅ń饘購(gòu)椘┦亲钇毡榈膹椘_(kāi)關(guān)，按通用材質(zhì)分為兩種：不銹鋼（SUS301/SUS304）和磷青銅（單面附銀）。目前最小可以做到3MM，最大可以做到12MM，其他常用直徑為：3mm-12mm。力度可做到80G-500G。因其結(jié)構(gòu)較為規(guī)則，產(chǎn)品在沖壓過(guò)程中受破壞性比較小，因此壽命能夠達(dá)到較為理想狀態(tài)（100萬(wàn)次)。
通過(guò)對(duì)彈片進(jìn)行不同程度的表面處理，能夠達(dá)到不同程度的阻抗效力，依其達(dá)到阻抗力由小到大的表面處理方式依次為：不銹鋼原材料，電鍍鎳，電鍍銀，電鍍金。
圓形系列鍋?zhàn)衅?金屬?gòu)椘譃閮煞N：無(wú)中米和有中米（中米也叫“點(diǎn)”—Dimple），其特點(diǎn)依次為：
一、無(wú)中米結(jié)構(gòu)是早期常見(jiàn)和應(yīng)用的一種，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、輕觸開(kāi)關(guān)等精密電子儀器按鍵開(kāi)關(guān)之內(nèi)
二、有中米結(jié)構(gòu)是無(wú)中米升級(jí)版，這種結(jié)構(gòu)的誕生很好地解決了無(wú)米位導(dǎo)通不穩(wěn)定時(shí)發(fā)生的各種不良現(xiàn)象。其外形特點(diǎn)表現(xiàn)為以無(wú)中米結(jié)構(gòu)為原型的圓形彈片主界面中心位置增加一個(gè)垂直向下的凹點(diǎn)（也即是Dimple）。凹點(diǎn)的存在很好地加強(qiáng)了彈片與主體產(chǎn)品界面的接觸性，從而達(dá)到了更穩(wěn)定的導(dǎo)通效果。該產(chǎn)品同樣被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、輕觸開(kāi)關(guān)、遙控器、MP4、數(shù)碼相機(jī)、薄膜開(kāi)關(guān)等按鍵開(kāi)關(guān)之內(nèi)；第四個(gè)是按鍵開(kāi)關(guān)的底座，決定該開(kāi)關(guān)尺寸大小和框定開(kāi)關(guān)的作用，底座內(nèi)往往裝有FPC（軟性線路板）線路板，當(dāng)受到按壓時(shí)，彈片的中心點(diǎn)下凹，接觸到FPC上的線路,從而形成回路，電流通過(guò)。
1.6按鍵開(kāi)關(guān)的工作原理
工作原理：薄膜按鍵上的金屬?gòu)椘挥贔PC（軟性線路板）板上的導(dǎo)電部位(大部分位于線路板上的金手指上方），當(dāng)受到按壓時(shí)，彈片的中心點(diǎn)下凹，接觸到PCB上的線路,從而形成回路，電流通過(guò)，整個(gè)產(chǎn)品就得以正常工作。按鍵開(kāi)關(guān)從按下去到復(fù)位，這個(gè)過(guò)程也叫一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作，會(huì)產(chǎn)生如圖 3所示的曲線，圖1.3是按鍵開(kāi)關(guān)一個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的荷重曲線圖，X軸為行程，單位mm；Y軸為感應(yīng)力，單位g。圖中有兩個(gè)極值點(diǎn)，一個(gè)極大值OF，一個(gè)極小值OD，這兩個(gè)值作為判斷按鍵開(kāi)關(guān)質(zhì)量好壞的重要參數(shù)。
1.6.1按鍵開(kāi)關(guān)荷重曲線的形成原理
彈片自由狀態(tài)時(shí),支撐點(diǎn)為P1,當(dāng)外力“F”開(kāi)始向下施力時(shí),彈片開(kāi)始變形及位移,此時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生曲線。在以P1為支撐點(diǎn)時(shí),外力“F”造成彈片變形,會(huì)產(chǎn)生最小的R1,此時(shí)的外力“F”即為彈片的OF值。過(guò)了彈片OF值位置時(shí),支撐點(diǎn)P1會(huì)開(kāi)始向P2位移,只要P1一位移,則R1又會(huì)變大,造成OF值變小,此時(shí)曲線即產(chǎn)生向下曲線(CK)。當(dāng)達(dá)到P2時(shí),即為P2支撐之最大R2,此時(shí)即達(dá)到彈片的BP點(diǎn)(最小OD點(diǎn))。若此時(shí)外力“F”繼續(xù)施力,則曲線又會(huì)向上產(chǎn)生曲線，上述過(guò)程如圖1.4所示。
圖1.5所示是現(xiàn)有荷重曲線儀所測(cè)的數(shù)據(jù)，由左至右1底座段差剛好同彈片的BP點(diǎn)，2 底座段差大于彈片的BP點(diǎn)，3底座段差遠(yuǎn)大于彈片的BP點(diǎn)，荷重測(cè)試機(jī)所繪的曲線在OF及OD上都會(huì)有+記號(hào)。尾段急速上升的直線 若是剛好在+記號(hào)上,即為立即導(dǎo)通的曲線BP點(diǎn)是針對(duì)彈片本身而定,而OD點(diǎn)是針對(duì)成品來(lái)討論。
1.7 按鍵開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)
按鍵開(kāi)關(guān)的鍋?zhàn)衅?MetaldomeSwitch)，它是一塊包含金屬?gòu)椘?鍋?zhàn)衅?的PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，為高聚合物）薄片、用在PCB或FPC等線路板上作為開(kāi)關(guān)使用，在使用者與儀器之間起到一個(gè)重要的觸感型開(kāi)關(guān)的作用。與傳統(tǒng)的硅膠按鍵相比，薄膜按鍵具有更好的手感、更長(zhǎng)的壽命、也可以間接地提高使用導(dǎo)電膜的各類型開(kāi)關(guān)的生產(chǎn)效率。
2 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
2.1系統(tǒng)功能描述
本系統(tǒng)分為機(jī)械按鍵動(dòng)作裝置和高速A/D采集處理電路兩大部分。機(jī)械按鍵動(dòng)作裝置主要作用是模擬按鍵開(kāi)關(guān)的動(dòng)作過(guò)程，使按鍵按下去的速度和受力都均勻，這樣按鍵開(kāi)關(guān)一個(gè)按鍵動(dòng)作所形成的壓力變化曲線是穩(wěn)定而且準(zhǔn)確的，倘若不用機(jī)械裝置，用手按按鍵開(kāi)關(guān)的話，每次按按鍵開(kāi)關(guān)的受力和速度都不均勻也不一樣，可能導(dǎo)致在A/D采樣區(qū)間內(nèi)采集不到極值點(diǎn)，造成誤判。高速A/D采集處理電路主要是設(shè)置相關(guān)參數(shù)、顯示相關(guān)數(shù)據(jù)、控制A/D進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集和判斷按鍵開(kāi)關(guān)的好壞。
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