基于聲音—壓力的多通道角鋼材質(zhì)檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

郝孟娟 劉曉鵬 齊康花 秦志英 趙月靜

摘要：針對(duì)角鋼材質(zhì)混料造成的錯(cuò)用型號(hào)現(xiàn)象，利用不同材質(zhì)角鋼具有不同的沖孔聲音和剪切壓力的特性，研發(fā)了多通道角鋼材質(zhì)檢測系統(tǒng)。首先通過分析角鋼加工過程中的檢測原理，給出了角鋼材質(zhì)檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖；其次給出了硬件系統(tǒng)總體電路圖，選擇了硬件型號(hào)，合理布置了前面板接口和內(nèi)部線路，且對(duì)聲音-壓力多通道角鋼材質(zhì)檢測系統(tǒng)硬件進(jìn)行了封裝；最后，配合軟件系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場安裝測試。結(jié)果表明，該硬件系統(tǒng)能夠完成多通道信號(hào)采集、處理、分析、識(shí)別等在線檢測工作，對(duì)于提高角鋼的材質(zhì)檢測效率具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：信號(hào)檢測；角鋼材質(zhì)；多通道；沖孔聲音；剪切壓力

中圖分類號(hào)：TP274+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx04007

角鋼是鐵塔加工的必備原料，不同材質(zhì)的鋼材混用將對(duì)鐵塔的性能產(chǎn)生影響，可能會(huì)引發(fā)倒塔斷線事故，造成重大損失[1]。因而，對(duì)角鋼材質(zhì)的成分檢測尤為重要。而目前，鐵塔加工企業(yè)在對(duì)角鋼材質(zhì)進(jìn)行檢測時(shí)，主要通過取樣來檢測角鋼的力學(xué)性能和化學(xué)成分是否符合要求[2]。這些方法效率較低，安全系數(shù)低且較繁雜，難以適應(yīng)生產(chǎn)的需要。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，角鋼在沖孔等加工過程中會(huì)產(chǎn)生一定的聲音和剪切壓力。第4期郝孟娟，等：基于聲音-壓力的多通道角鋼材質(zhì)檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)河北工業(yè)科技第35卷聲音是人或物所固有的特征之一，且聲音數(shù)據(jù)的獲取具有非侵犯性[3]。文獻(xiàn)[4]提出了基于聲音信號(hào)的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，文獻(xiàn)[5]提出可以利用聲音信號(hào)檢測鋼材材質(zhì)，文獻(xiàn)[6]利用聲音信號(hào)能量比進(jìn)行在線識(shí)別鋼材材質(zhì)，VEISI等[7]利用聲音信號(hào)識(shí)別技術(shù)開發(fā)了聲音信號(hào)識(shí)別系統(tǒng)。所以，從角鋼加工過程中產(chǎn)生的沖孔聲音信號(hào)入手進(jìn)行分析是完全可行的。關(guān)于從剪切壓力信號(hào)方面進(jìn)行分析處理，文獻(xiàn)[8]指出壓力傳感器在測量過程中集成化比較簡捷方便，測量程序簡單，操作方式比較便捷，測量的數(shù)據(jù)具有很高的精準(zhǔn)度。其中外卡式壓力傳感器可以不用拆卸大型復(fù)雜裝備、不改變?cè)袡C(jī)件的工作狀態(tài)，只需要用傳感器本身的夾具即可將其夾持在需要測量的物體上，進(jìn)行壓力檢測[9]。文獻(xiàn)[10]提出了壓力傳感器在線狀態(tài)檢測的方法，而文獻(xiàn)[11]表明采用虛擬儀器技術(shù)，以LabVIEW為平臺(tái)，結(jié)合壓力傳感器特點(diǎn)，可以開發(fā)一套計(jì)算機(jī)輔助測試系統(tǒng)。至于多通道方面，文獻(xiàn)[12]提出了基于LabVIEW的高精度多通道測溫系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)6通道的溫度采集、顯示、繪圖、狀態(tài)檢測及數(shù)據(jù)保存。文獻(xiàn)[13—16]較系統(tǒng)地介紹了壓力傳感的多通道、觸聽視覺的多通道以及多通道數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集方法。

本文提出了基于聲音-壓力的多通道角鋼材質(zhì)檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路。首先由傳感器采集沖孔時(shí)的聲音信號(hào)和剪切壓力信號(hào)，其中壓力信號(hào)經(jīng)信號(hào)隔離器濾波，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，排除低頻噪聲干擾，獲取更準(zhǔn)確的信號(hào)。然后，將兩路聲音信號(hào)和一路轉(zhuǎn)換成電壓型的壓力信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集卡，完成多通道信號(hào)的采集。而后，數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換輸送到上位機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、頻譜特征提取、模式識(shí)別、數(shù)據(jù)庫的建立更新。最后，根據(jù)對(duì)聲音和壓力信號(hào)的處理結(jié)果與模板進(jìn)行相似度匹配，當(dāng)發(fā)現(xiàn)不合格角鋼時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示，完成角鋼材質(zhì)的識(shí)別任務(wù)。

1材質(zhì)在線檢測原理

在企業(yè)中，通常采用數(shù)控型鋼聯(lián)合生產(chǎn)線加工鐵塔用角鋼，這是一種對(duì)角鋼進(jìn)行夾緊、沖孔、剪切以及全自動(dòng)生產(chǎn)的專用設(shè)備，圖1為角鋼加工示意圖。

在對(duì)角鋼進(jìn)行沖孔加工時(shí)會(huì)發(fā)出一定的聲音，且不同材質(zhì)的角鋼沖孔時(shí)發(fā)出的聲音是不同的，人耳可以分別，因此提出了用聲音傳感器以替代人耳實(shí)現(xiàn)對(duì)沖孔聲音的實(shí)時(shí)檢測。在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)不同角鋼剪斷時(shí)也會(huì)引起液壓回路壓力值的變化，所以為了進(jìn)一步提高檢測識(shí)別的準(zhǔn)確率，增加了剪切壓力作為實(shí)時(shí)檢測信號(hào)。為了對(duì)角鋼兩側(cè)分別沖孔，加工設(shè)備設(shè)有左右兩排沖頭，提出的設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

該系統(tǒng)通過兩路聲音傳感器、一路壓力傳感器來分別檢測左右沖頭沖孔時(shí)的聲音和剪切裝置剪斷時(shí)的壓力，實(shí)現(xiàn)多路檢測信號(hào)的信息融合及綜合識(shí)別。為了更精確地采集信號(hào)、去除背景干擾，每個(gè)傳感器配置了2個(gè)電磁開關(guān)，以保證加工動(dòng)作發(fā)生時(shí)才開始采集信號(hào)，而加工動(dòng)作結(jié)束時(shí)同時(shí)結(jié)束采集信號(hào)。

2多通道系統(tǒng)設(shè)計(jì)及封裝

2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2所示系統(tǒng)方案框圖，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路圖如圖3所示，其中數(shù)據(jù)采集卡是系統(tǒng)核心部分，只要確定了數(shù)據(jù)采集卡的類型，就可以確定其與計(jì)算機(jī)之間的接口，以及與數(shù)字量和模擬量之間的接口。

該系統(tǒng)選用了USB-DAQV5.0型數(shù)據(jù)采集卡，其驅(qū)動(dòng)安裝的上位機(jī)的操作環(huán)境可以是常用的Win2000/XP/Win7系統(tǒng)，并適用于LabVIEW，VB.Net，C++Builder，Matlab和VC等常用編程語言提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫，函數(shù)接口簡單易用，便于寫入程序和二次開發(fā)。采集卡的驅(qū)動(dòng)安裝簡單，采用隔離USB通信，插拔便捷。采取單獨(dú)供電降低對(duì)上位機(jī)的依賴性。采集卡和計(jì)算機(jī)之間存在的保護(hù)電壓可瞬間承受5 kV。采集卡的輸入和輸出接口都配備了光電模塊，可使采集卡與輸入輸出信號(hào)的電壓大小相匹配，起到安全防護(hù)作用。

2.2系統(tǒng)硬件選擇

在數(shù)據(jù)采集卡確定之后，主要選擇模擬信號(hào)傳感器、電磁開關(guān)等作為系統(tǒng)硬件。經(jīng)市場調(diào)研和實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)各部件主要包括Android聲音傳感器、美控MIK-P300壓力傳感器、NPN型電磁開關(guān)等。各部件的選擇依據(jù)如下。

1）Android聲音傳感器的靈敏度高且性能穩(wěn)定，峰值完全，顯示易于區(qū)分，增益可調(diào)且成本低，故檢測系統(tǒng)的聲音采集使用該類型傳感器。為了獲取更加準(zhǔn)確的聲音信號(hào)，可將2個(gè)傳感器分別安裝在機(jī)床的A，B面沖頭附近。

2）美控MIK-P300壓力傳感器的精度等級(jí)高、穩(wěn)定性好，采用低壓直流電，工作量程大，受周圍環(huán)境溫度影響較小。對(duì)不同型號(hào)角鋼進(jìn)行沖孔加工時(shí)，油缸內(nèi)的壓力值有所不同，經(jīng)現(xiàn)場觀察，壓力傳感器適宜安裝在油缸出口的鋼管上。

3）NPN型電磁開關(guān)的感應(yīng)距離較小， 可以成功地避免干擾，考慮到安裝接近開關(guān)的數(shù)控加工設(shè)備的空間較為狹小，采用NPN型電磁開關(guān)作為該檢測系統(tǒng)的開關(guān)。

2.3系統(tǒng)封裝

在硬件型號(hào)選定之后，按照?qǐng)D4把主要的電器元件固定，把多個(gè)聲音傳感器通過四芯防干擾線直接與數(shù)據(jù)采集卡的模擬接口相接，壓力傳感器先與信號(hào)隔離器連接，再與采集卡的模擬接口連接，繼電器的輸入端接電磁開關(guān)，輸出端接數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)字接口，最后經(jīng)采集卡的USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)中，而多個(gè)聲音傳感器、壓力傳感器、多個(gè)電磁開關(guān)、信號(hào)隔離器和數(shù)據(jù)采集卡由電源模塊按各元件的電壓要求統(tǒng)一供電。傳感器的外部接線如圖5所示。

3多通道系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝與測試

硬件設(shè)計(jì)完成后，需要根據(jù)被測對(duì)象現(xiàn)場安裝傳感器，然后通過現(xiàn)場測試來檢驗(yàn)整套軟硬件系統(tǒng)，以進(jìn)行調(diào)整和修改，使整套系統(tǒng)更加完善，提高檢測系統(tǒng)識(shí)別的可行性和準(zhǔn)確率。

如圖6 a）所示，加工角鋼的數(shù)控機(jī)床有A，B兩排沖頭，分別對(duì)角鋼的A，B兩面進(jìn)行沖孔操作。為了更準(zhǔn)確地采集沖孔聲音，要弱化其他噪音干擾，在每排沖頭附近均安裝了聲音傳感器，從而保證每一排沖頭工作時(shí)，對(duì)應(yīng)的聲音傳感器均可以較準(zhǔn)確地采集到?jīng)_孔聲音，起到從源頭上凈化信號(hào)的作用。而為了感知沖頭位置從而控制沖頭的沖孔和復(fù)位，該數(shù)控機(jī)床的每排沖頭均配備了2個(gè)電磁開關(guān)。如圖6 b）所示，剪切操作的動(dòng)力由位于數(shù)控機(jī)床上方的油缸提供，壓力傳感器用來采集油缸內(nèi)不同的剪切壓力值，故在油缸出口的鋼管上加工了對(duì)應(yīng)的螺紋孔，用來安裝壓力傳感器。各傳感器與檢測系統(tǒng)硬件的接線如圖6 c）所示。

現(xiàn)場安裝完成后，啟動(dòng)檢測系統(tǒng)軟件，檢測結(jié)果如圖7所示，證明系統(tǒng)硬件達(dá)到要求，可以實(shí)現(xiàn)與軟件穩(wěn)定接口，能準(zhǔn)確采集加工過程中的聲音和壓力信號(hào)。

4結(jié)語

利用角鋼加工過程中的沖孔聲音信號(hào)和剪切壓力信號(hào)對(duì)角鋼材質(zhì)進(jìn)行識(shí)別，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多通道角鋼材質(zhì)檢測系統(tǒng)。首先，在對(duì)角鋼加工過程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，介紹了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的框圖，繪制了總體電路圖。其次，對(duì)硬件型號(hào)進(jìn)行了選擇，通過合理布置前面板接口和內(nèi)部元件，對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行了整體封裝。最后，介紹了傳感器的現(xiàn)場安裝，通過與系統(tǒng)軟件連接調(diào)試，驗(yàn)證了硬件系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，證明能夠完成對(duì)應(yīng)信號(hào)的采集與處理工作。后續(xù)配合檢測軟件的算法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同角鋼材質(zhì)的識(shí)別功能。較傳統(tǒng)的人工方法而言，該系統(tǒng)能夠提高角鋼材質(zhì)檢測的效率，有一定的實(shí)用價(jià)值。

本文只是針對(duì)在一定厚度和寬度范圍內(nèi)的角鋼進(jìn)行檢測識(shí)別，而當(dāng)角鋼較窄、較薄時(shí)，識(shí)別率要低一些，未來需要針對(duì)更多規(guī)格型號(hào)的角鋼進(jìn)行深入研究。

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