開縫襯套成形過(guò)程聲發(fā)射在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邱佳斌，黎向鋒，左敦穩(wěn)，康曉軍，龔靖平

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016)

為提高飛機(jī)緊固件的抗疲勞壽命，目前國(guó)際飛機(jī)制造、維修中廣泛采用開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化工藝技術(shù)[1－3]。在飛機(jī)起落架等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)緊固孔的開縫襯套冷擠壓強(qiáng)化工藝中，主要采用以特種不銹鋼(如0Cr15Ni7Mo2Al)為材料的開縫襯套。其制備工藝過(guò)程主要包括:剪切、線切割、去毛刺、滾彎、翻邊(根據(jù)襯套使用要求來(lái)確定有無(wú)翻邊)、校形和驗(yàn)收，而滾彎是其制備的核心工藝。該特種不銹鋼材料因具有較高的比強(qiáng)度和硬度，傳統(tǒng)的滾彎加工技術(shù)不能滿足開縫襯套的制備要求。雙軸柔性滾彎技術(shù)有效地解決了高比強(qiáng)度材料的加工難題，且能夠達(dá)到比較高的成形精度，在開縫襯套的制備應(yīng)用中取得了良好的效果[4－5]。

在制備開縫襯套的雙軸柔性滾彎成形過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)襯套直徑、圓度及其表面硬度等不符合要求的加工缺陷。為此，對(duì)其進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是減少這些加工缺陷的有效方法。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)開縫襯套雙軸柔性滾彎成形過(guò)程在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究還鮮見報(bào)道，因而開展開縫襯套雙軸柔性滾彎成形過(guò)程在線監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究很有必要。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者利用聲發(fā)射技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬材料塑性變形過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)[6－8]，為特種不銹鋼材料滾彎成形過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究提供了理論依據(jù)。鑒于此，文中將主要設(shè)計(jì)一套采用聲發(fā)射檢測(cè)法和虛擬儀器的開縫襯套的雙軸柔性滾彎成形過(guò)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)雙軸柔性滾彎過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)的采集、顯示、分析及存儲(chǔ)。

1 聲發(fā)射信號(hào)的獲得

圖1 雙軸柔性滾彎成形過(guò)程及裝置示意Fig.1 Sketch of the process and device of two-axle roll-bending

在開縫襯套的雙軸柔性滾彎成形過(guò)程(如圖1a所示)中，剛性軸相對(duì)橡膠輪有一定的進(jìn)給量，在主動(dòng)橡膠輪帶動(dòng)下，預(yù)先裁剪好的特種不銹鋼帶材由于摩擦力的作用從橡膠輪與剛性軸之間經(jīng)過(guò)，并受到來(lái)自橡膠輪的分布載荷P的作用，產(chǎn)生塑性變形，最終滾彎成形[9]。在此過(guò)程中，特種不銹鋼材料局部發(fā)生大量塑性變形，材料塑性變形區(qū)內(nèi)部形成劇烈的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，塑性變形區(qū)產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號(hào)，在介質(zhì)中以彈性波的形式向周圍傳播。利用聲發(fā)射傳感器可實(shí)時(shí)獲得由聲發(fā)射源處發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)，并將聲發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。該系統(tǒng)在雙軸柔性滾彎裝置(如圖1b所示)的夾具上安裝聲發(fā)射傳感器，在雙軸柔性滾彎過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)特種不銹鋼帶材塑性變形區(qū)發(fā)出的聲發(fā)射信號(hào)。

2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

開縫襯套的雙軸柔性滾彎成形過(guò)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由硬件和軟件這兩個(gè)部分構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。硬件部分主要包括聲發(fā)射傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和屏蔽同軸電纜等，其主要作用是將聲發(fā)射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)中。軟件部分主要包括基于LabVIEW2012開發(fā)的數(shù)據(jù)采集和顯示模塊、數(shù)據(jù)處理分析模塊和TDMS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，其主要作用是對(duì)采集卡輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理以及頻譜分析，并存儲(chǔ)原始信號(hào)。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of the system

2.1 系統(tǒng)硬件方案

2.1.1 聲發(fā)射傳感器

特種不銹鋼帶材在柔性滾彎成形過(guò)程中局部發(fā)生大幅塑性變形，產(chǎn)生大量的聲發(fā)射信號(hào)，其頻率分布范圍處于50～700 kHz頻段。此外，傳播介質(zhì)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的吸收系數(shù)隨著信號(hào)頻率平方的增大而增大，即頻率越高，吸收系數(shù)越大，聲發(fā)射信號(hào)在傳播介質(zhì)中的衰減越厲害，因此該系統(tǒng)選用的聲發(fā)射傳感器為SR800型寬帶聲發(fā)射傳感器，其頻帶寬度為50～800 kHz，完全符合雙軸柔性滾彎聲發(fā)射信號(hào)頻段的技術(shù)要求，且又具有較高的靈敏度。選擇寬帶聲發(fā)射傳感器能夠獲得更為豐富的聲發(fā)射信號(hào)。

2.1.2 聲發(fā)射前置放大器

鑒于SR800型聲發(fā)射傳感器輸出信號(hào)具有低幅值、高頻率和寬頻帶的特點(diǎn)，應(yīng)選擇與其匹配的寬帶高增益前置放大器。該系統(tǒng)選用的聲發(fā)射前置放大器為PAI型，其帶寬為10 kHz～2 MHz，增益為40 dB，與SR800型聲發(fā)射傳感器通過(guò)屏蔽同軸電纜以及BNC接口實(shí)現(xiàn)緊密配合連接，對(duì)SR800型聲發(fā)射傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，以減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中的衰減。該前置放大器輸出是電壓與信號(hào)共線，故還應(yīng)選擇與PAI型前置放大器匹配的PPS2k型供電信號(hào)分離器。

2.1.3 數(shù)據(jù)采集卡

該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集功能主要通過(guò)研華公司的PCI-1714UL型數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)。PCI-1714UL型數(shù)據(jù)采集卡是一款基于32位PCI總線構(gòu)架的高性能數(shù)據(jù)采集卡，到主機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)傳輸具有連續(xù)、高速和流式數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)4通道同步10 MHz/s模擬量采集。每通道具有8 kbit的板載FIFO(快速輸入輸出存儲(chǔ)區(qū))，為高速采集時(shí)提供數(shù)據(jù)緩存，確保數(shù)據(jù)的高速傳輸以及數(shù)據(jù)完整性。該卡支持32位PCI總線控制DMA數(shù)據(jù)傳送模式，大大提高了數(shù)據(jù)采集卡與計(jì)算機(jī)內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸速度。

2.1.4 DMA 數(shù)據(jù)傳輸模式

DMA(Direct Memory Access，直接內(nèi)存存取)是一種高效的數(shù)據(jù)傳輸方式。DMA傳輸時(shí)，DMA控制器直接獲得總線控制權(quán)，整個(gè)傳輸過(guò)程由DMA控制器控制，使系統(tǒng)在對(duì)總線控制器進(jìn)行必要的初始化后可只進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和存儲(chǔ)，無(wú)需在數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸上浪費(fèi)大量的CPU資源，從而大大提高了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、分析和存儲(chǔ)的速度。

經(jīng)前置放大器放大后輸出的電壓信號(hào)到達(dá)PCI-1714UL數(shù)據(jù)采集卡后，該卡前端的衰減放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行第2次調(diào)理，調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡每個(gè)通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行高速轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)暫存在數(shù)據(jù)采集卡的8 k板載FIFO中，當(dāng)FIFO半滿或全滿時(shí)，向DMA控制器發(fā)送DMA請(qǐng)求，CPU響應(yīng)DMA請(qǐng)求后，DMA控制器取得總線控制權(quán)，使用直接內(nèi)存存取方式將數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線從板載FIFO輸出到內(nèi)部緩沖區(qū)中。32位33 M的PCI總線能達(dá)到132 Mb/s的傳輸帶寬，保證了10 MHz/s速率下的4通道同步采樣的實(shí)現(xiàn)，足以滿足對(duì)開縫襯套雙軸滾彎成形過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)高速采集的技術(shù)要求。

2.2 系統(tǒng)軟件方案

該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以美國(guó)NI公司(National Inrtruments)的LabVIEW2012作為開發(fā)平臺(tái)，在其圖形編程語(yǔ)言(G語(yǔ)言)開發(fā)環(huán)境下開發(fā)而成，分為系統(tǒng)操作界面和后臺(tái)程序2部分。

系統(tǒng)操作界面如圖3所示，主要包括采集參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)運(yùn)行的開始和結(jié)束控制、設(shè)備及通道設(shè)定、數(shù)據(jù)的時(shí)頻域?qū)崟r(shí)顯示以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模式設(shè)置等部分。后臺(tái)程序是在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的絕大部分工作。

圖3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面Fig.3 Interface of the on-line monitoring system

在該系統(tǒng)中，后臺(tái)程序采用生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型，以隊(duì)列作為主程序與子程序之間的通訊方式，主要包括數(shù)據(jù)的采集與顯示、處理分析以及高速存儲(chǔ)等3個(gè)模塊。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與顯示模塊

研華公司PCI-1714UL數(shù)據(jù)采集卡配套的Lab-VIEW驅(qū)動(dòng)程序?yàn)檐浖_發(fā)者提供了功能豐富的LabVIEWDAQ vi庫(kù)，子vi的使用大大提高了Lab-VIEW環(huán)境下編程的效率，并且可以很方便地實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示、分析和存儲(chǔ)等功能。該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集和顯示部分使用到的子vi主要有:SelectDevicePop，DeviceOpen，EnableEvent，AllocDSPBuf，MultiChannelDM-AExSetup， WaitFastAIOEvent， Buffer-ChangeHandler，Split1DArray，F(xiàn)AIStop，F(xiàn)reeINTBuf和DeviceClose。系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理分析模塊

圖4 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集顯示模塊流程Fig.4 Flow chart of the acquisition and display module of the on-line monitoring system

在開縫襯套雙軸柔性滾彎成形過(guò)程中，由于機(jī)床的振動(dòng)，儀器的電磁干擾以及傳輸過(guò)程的信號(hào)衰減等因素的影響，使所測(cè)得的聲發(fā)射信號(hào)中不可避免地夾雜各種干擾噪聲。為獲得更為準(zhǔn)確的在線監(jiān)測(cè)結(jié)果，在對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析前，必須盡量減少信號(hào)中噪聲的成分，提高信號(hào)的信噪比。系統(tǒng)采用帶通巴特沃斯(Butterworth)濾波器對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，以得到與聲發(fā)射傳感器頻寬一致的信號(hào)數(shù)據(jù)。

由于目前還沒(méi)有直接從開縫襯套雙軸柔性滾彎成形過(guò)程的聲源處測(cè)得聲發(fā)射信號(hào)的技術(shù)，聲發(fā)射信號(hào)在傳播過(guò)程中不可避免地存在衰減，聲發(fā)射傳感器所測(cè)得的聲發(fā)射信號(hào)非常微弱，在夾雜噪聲的情況下，最終到達(dá)采集系統(tǒng)的聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域上的幅值特征非常模糊，難以與噪聲區(qū)分。另外，特種不銹鋼開縫襯套材料在不同受力以及變形條件下，其聲發(fā)射信號(hào)的頻譜特征有著明顯的差異，因而對(duì)經(jīng)過(guò)帶通濾波后的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行頻譜分析可對(duì)特種不銹鋼的成形狀態(tài)進(jìn)行初步推斷，從而達(dá)到對(duì)開縫襯套柔性滾彎成形過(guò)程在線監(jiān)測(cè)的目的。為合理利用計(jì)算機(jī)CPU資源，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理分析模塊(如圖5所示)設(shè)計(jì)了單通道濾波與頻譜分析功能，可實(shí)時(shí)選擇所要進(jìn)行處理分析的通道。

2.2.3 TDMS 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

由于特種不銹鋼材料在發(fā)生塑性變形過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)頻帶在50～700 kHz，在滿足香農(nóng)(Shannon)采樣定理的前提下，為盡量保證采集的聲發(fā)射信號(hào)不失真，采用2 MHz的采樣頻率，因而系統(tǒng)工作時(shí)每個(gè)采樣通道會(huì)產(chǎn)生海量的采樣數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)和系統(tǒng)管理，采用TDMS(Technical Data Management Streaming，技術(shù)數(shù)據(jù)管理流)文件格式保存數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)據(jù)處理分析模塊Fig.5 Data analysis module

TDMS是一種適用于高速測(cè)試測(cè)量的二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件類型，支持?jǐn)?shù)據(jù)流高速寫入模式，具有存儲(chǔ)速度快和占磁盤空間小等優(yōu)點(diǎn)，由文件、組和通道等3個(gè)層次結(jié)構(gòu)組成?；赥DMS層次結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)方式會(huì)將所有測(cè)試數(shù)據(jù)都保存在單個(gè)TDMS文件內(nèi)，使得TDMS文件過(guò)于龐大，極大地降低了后續(xù)在Matlab環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和分析處理的效率。為了提高后續(xù)TDMS文件的讀取和處理速度，該系統(tǒng)每次測(cè)量時(shí)都為每個(gè)通道生成一個(gè)TDMS測(cè)量文件，TDMS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊如圖6所示。

圖6 TDMS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊Fig.6 TDMS data storing module

2.3 基于Matlab的TDMS文件的讀取

在利用Matlab軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能對(duì)采集到的聲發(fā)射信號(hào)做進(jìn)一步的分析之前，需要對(duì)TDMS文件中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并將其讀入到系統(tǒng)內(nèi)。在TDMS文件的讀取過(guò)程中，借助于NI公司提供的nilibdcc.dll文件，采用基于動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL的Matlab讀取方法。首先在Matlab中通過(guò)loadlibrary函數(shù)載入動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件nilibddc.dll和頭文件nilibddc_m.h，其次在對(duì)話框函數(shù)uigetfile中選取需要在Matlab中讀取的TDMS文件，最后通過(guò)calllib函數(shù)調(diào)用DDC_GetDataValues函數(shù)就可得到雙軸柔性滾彎成形過(guò)程的原始采集數(shù)據(jù)，并將該原始采集數(shù)據(jù)讀入到Matlab環(huán)境中，從而最終實(shí)現(xiàn)在Matlab中對(duì)所測(cè)得的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行深入分析處理[10]。

3 系統(tǒng)的運(yùn)行與分析

該系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于開縫襯套雙軸柔性滾彎成形過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)。雙軸柔性滾彎成形實(shí)驗(yàn)在雙軸柔性滾彎成形專用機(jī)床上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中特種不銹鋼帶材送料線速度為83.8 mm/s，剛性軸進(jìn)給量為4 mm，整個(gè)雙軸柔性滾彎成形過(guò)程持續(xù)時(shí)間為15 s，包括準(zhǔn)備階段、塑性成形階段和結(jié)束階段。在雙軸柔性滾彎成形過(guò)程中，成形過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)頻譜特征表現(xiàn)較為明顯。準(zhǔn)備階段機(jī)床正常運(yùn)行時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)頻譜如圖7a所示，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)頻譜幅值相對(duì)較小，在頻域上分布比較均勻，其中在60 kHz左右頻段出現(xiàn)的部分推測(cè)為機(jī)床噪聲;塑性變形階段的聲發(fā)射信號(hào)頻譜如圖7b所示，可以看出，在雙軸柔性滾彎過(guò)程中，特種不銹鋼材料發(fā)生塑性變形的聲發(fā)射信號(hào)的頻譜特征相對(duì)明顯，處于50～450 kHz頻帶內(nèi)，中心頻率約為120 Hz。由于高頻聲發(fā)射信號(hào)的衰減率比低頻聲發(fā)射信號(hào)高，推斷實(shí)際特種不銹鋼塑性變形聲發(fā)射信號(hào)基頻大于120 Hz。實(shí)際應(yīng)用表明，在高速采集模式下，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)開縫襯套雙軸柔性滾彎成形過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)的實(shí)時(shí)采集、顯示、濾波、頻譜分析和存儲(chǔ)。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test results of the system

4 結(jié)語(yǔ)

基于虛擬儀器技術(shù)和聲發(fā)射技術(shù)，完成了以特種不銹鋼為材料的開縫襯套的雙軸柔性滾彎成形過(guò)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)采集特種不銹鋼材料加工過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)，還具有數(shù)據(jù)顯示、濾波、頻譜分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能，響應(yīng)效率高，高速采集數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，能夠?yàn)楹罄m(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析提供完整的數(shù)據(jù)，具有開發(fā)周期短，成本低，操作方便，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)雙軸柔性滾彎成形過(guò)程聲發(fā)射信號(hào)的在線監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性和可靠性。

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