交流接觸器自動(dòng)振動(dòng)檢測設(shè)備

聶宗軍 王中林 賴鼎 楊金 陳鋒

摘? ?要： 研發(fā)一套交流接觸器自動(dòng)振動(dòng)檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)交流接觸器產(chǎn)品振動(dòng)性能的實(shí)時(shí)檢測。設(shè)備由輸送模組、檢測工位、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。在檢測工位中，集成了加速度傳感器、壓力傳感器等裝置，并對(duì)通電探針、測試狀態(tài)、防振動(dòng)泄漏、環(huán)境干擾隔離等進(jìn)行了設(shè)計(jì)，尤其是為加速度傳感器設(shè)計(jì)了一種彈性簧片，有效保留產(chǎn)品自身的振動(dòng)，使加速度數(shù)據(jù)得以有效采集。在數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)中，通過快速傅里葉變換（FFT）將時(shí)域波形轉(zhuǎn)化為頻譜，再根據(jù)帕斯瓦爾定理將頻譜數(shù)據(jù)換算為產(chǎn)品振動(dòng)能量值，與預(yù)先設(shè)定的閾值相比較，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行判斷。進(jìn)行人工檢測與機(jī)器檢測對(duì)比，表明機(jī)器檢測避免了人工檢測錯(cuò)判較多的問題，達(dá)到了無錯(cuò)判和誤判，檢測結(jié)果更為準(zhǔn)確。交流接觸器自動(dòng)振動(dòng)檢測設(shè)備符合使用要求，檢測的交流接觸器產(chǎn)品符合出廠標(biāo)準(zhǔn)，適合在智能制造車間投入使用。

關(guān)鍵詞： 交流接觸器;振動(dòng)檢測;加速度傳感器;帕斯瓦爾定理;產(chǎn)品振動(dòng)能量值;智能制造

引言

交流接觸器作為一種執(zhí)行元件，起到接通、分?jǐn)嗑€路的作用，被廣泛運(yùn)用于各類用電場合。交流接觸器工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)及噪聲，由于振動(dòng)或噪聲中蘊(yùn)含著重要的產(chǎn)品性能缺陷信息，所以在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，需要對(duì)其振動(dòng)或噪聲進(jìn)行檢測，篩選出符合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 7435-2006[1]中規(guī)定：當(dāng)交流接觸器以額定電壓Ue的85%～110%作為控制電源電壓正常工作時(shí)，在距離交流接觸器0.5 m處，噪聲強(qiáng)度應(yīng)在40 dB以下。電器噪聲的常規(guī)檢驗(yàn)方法包括監(jiān)聽法、振動(dòng)法等。監(jiān)聽法是檢驗(yàn)人員通過用耳聽來判斷電器噪聲是否超過規(guī)定值。振動(dòng)法是檢驗(yàn)人員通過用手觸摸電器來判定電器振動(dòng)是否超過規(guī)定值。這兩種方法過于依賴檢驗(yàn)人員的經(jīng)驗(yàn)，具有很大的主觀性，且測量結(jié)果一致性無法保證。文獻(xiàn)[2]利用加速度傳感器對(duì)電器產(chǎn)品振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集，并通過軟件算法對(duì)產(chǎn)品振動(dòng)性能進(jìn)行判斷，有效規(guī)避了監(jiān)聽法、振動(dòng)法等方法的局限性。

為了進(jìn)一步提高交流接觸器產(chǎn)品振動(dòng)性能檢測效率及一致性，浙江正泰智能制造裝備有限公司（以下簡稱“正泰”）研發(fā)出一臺(tái)適用于車間自動(dòng)化生產(chǎn)的交流接觸器自動(dòng)振動(dòng)檢測設(shè)備。該設(shè)備對(duì)檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將加速度傳感器、壓力傳感器等裝置有效地集成到了檢測工位中。此外，為加速度傳感器設(shè)計(jì)了一種彈性簧片，該簧片集彈性、剛性、強(qiáng)度于一體，既能保證加速度傳感器在檢測過程中貼緊產(chǎn)品，又不會(huì)抑制產(chǎn)品自身的振動(dòng)，使加速度數(shù)據(jù)得以有效采集。這一設(shè)備的研發(fā)突破了車間自動(dòng)化生產(chǎn)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了全制程自動(dòng)檢測、無人監(jiān)控的生產(chǎn)作業(yè)流程。

本文對(duì)正泰研發(fā)的交流接觸器自動(dòng)振動(dòng)檢測設(shè)備進(jìn)行介紹。首先，基于關(guān)鍵零部件選型及功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)檢測工位的整體設(shè)計(jì);然后，介紹交流接觸器自動(dòng)振動(dòng)檢測設(shè)備的總體組成及工作原理;最后，圍繞檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集分析功能，進(jìn)行產(chǎn)品實(shí)際檢測，論證檢測結(jié)果的可靠性。

1? 檢測工位設(shè)計(jì)

1.1? 產(chǎn)品檢測面

根據(jù)文獻(xiàn)[3]的描述，交流接觸器的振動(dòng)源是一個(gè)均勻舒展和收縮的球面聲源，聲源表面上的點(diǎn)沿徑向振動(dòng)。因此，為保證加速度數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性及多樣性，檢測工位中設(shè)置了3個(gè)位置的加速度傳感器，分別采集產(chǎn)品兩側(cè)面（A、B面）及底面（C面）的振動(dòng)數(shù)據(jù)，如圖1所示的檢測面分布。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)還在于能使產(chǎn)品在檢測過程中保持在穩(wěn)定的狀態(tài)。

1.2? 通電探針設(shè)計(jì)

章節(jié)1.1提到，交流接觸器產(chǎn)品的振動(dòng)以球面方式傳播，為使振動(dòng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，通電探針安裝位置需避開加速度傳感器。出于方便維護(hù)的考慮，將通電探針設(shè)置于產(chǎn)品上方。檢測機(jī)構(gòu)中的電極采用探針式電極，其具有彈性，可保證探針與產(chǎn)品通電端子在在測試過程中保持穩(wěn)定、可靠接觸。

此外，在通電探針座上嵌套軟橡膠，用于接觸產(chǎn)品上表面。軟橡膠的優(yōu)點(diǎn)在于其與產(chǎn)品接觸后，能吸收產(chǎn)品的振動(dòng)能量，不會(huì)對(duì)產(chǎn)品振動(dòng)的持續(xù)發(fā)出產(chǎn)生抑制作用，提高了檢測可靠性。

1.3? 測試狀態(tài)設(shè)計(jì)

正泰交流接觸器一般多以底面豎直狀態(tài)安裝后使用。為保證產(chǎn)品的振動(dòng)數(shù)據(jù)更貼近實(shí)際使用狀態(tài)，檢測工位中需要模擬產(chǎn)品的真實(shí)使用狀態(tài)，在產(chǎn)品底面保持豎直的狀態(tài)下測試。

由于產(chǎn)品是以底面水平狀態(tài)進(jìn)入設(shè)備的，故在檢測機(jī)構(gòu)中需要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從水平到豎直的翻轉(zhuǎn)。考慮檢測可靠性及實(shí)現(xiàn)成本問題，該檢測機(jī)構(gòu)中用氣缸+齒輪齒條的方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品翻轉(zhuǎn)。

1.4? 防振動(dòng)泄漏設(shè)計(jì)

為了減少測試過程中產(chǎn)品振動(dòng)能量所發(fā)生的泄漏，需減少非檢測部件與產(chǎn)品的接觸。故該檢測工位中將產(chǎn)品底座的承載板設(shè)計(jì)為浮動(dòng)式。測試過程中，承載板與產(chǎn)品底座不接觸，使產(chǎn)品僅與3個(gè)加速度傳感器、通電探針、軟橡膠接觸，從而保持測試過程穩(wěn)定性，提高測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

1.5? 壓力傳感器

在檢測過程中，加速度傳感器實(shí)時(shí)貼緊產(chǎn)品檢測面。為將加速度傳感器的貼緊力標(biāo)準(zhǔn)化，提升檢測準(zhǔn)確性、保證檢測良品率，需對(duì)貼緊力進(jìn)行量化統(tǒng)計(jì)。因此在檢測工位中增加壓力傳感器，實(shí)時(shí)記錄加速度傳感器貼緊力，并上傳數(shù)據(jù)庫。并行地，可以設(shè)定壓力閾值，以判斷檢測工位是否工作正常，即若壓力值不在閾值范圍內(nèi)，則可以判定該檢測工位加速度傳感器未能貼緊產(chǎn)品，該檢測工位檢測失效，并及時(shí)發(fā)出報(bào)警，以提高設(shè)備利用率。

根據(jù)檢測工位的工作要求，需對(duì)壓力傳感器的量程進(jìn)行計(jì)算。加速度傳感器貼緊力由兩部分組成，一是加速度傳感器及其附件運(yùn)動(dòng)載荷，二是氣缸輸出載荷。其中，加速度傳感器及其附件運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)載荷為

其中：

t—加速度傳感器動(dòng)作時(shí)間，滿足;

L—加速度傳感器動(dòng)作距離，設(shè)計(jì)距離L=3 mm;

—?dú)飧鬃畲筮\(yùn)動(dòng)速度，查手冊(cè)得=500 mm/s;

m—加速度傳感器機(jī)器附件質(zhì)量，設(shè)計(jì)質(zhì)量m=0.4 kg。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果及對(duì)壓力傳感器的設(shè)計(jì)要求，選用STB761A壓力傳感器。該傳感器量程為0～500 N，測量精度為0.1%，體積小巧，使用壽命300萬次以上，滿足設(shè)計(jì)要求。

1.6? 加速度傳感器

由于交流接觸器的振動(dòng)微小，因此若采用傳統(tǒng)的加速度傳感器安裝方式，容易將產(chǎn)品的振動(dòng)抑制，導(dǎo)致振動(dòng)數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)。通過對(duì)產(chǎn)品特性、加速度傳感器特性研究，設(shè)計(jì)出一種彈性簧片，作為加速度傳感器安裝件。彈性簧片可以有效促進(jìn)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集，且彈性簧片可以使加速度傳感器有一定的擺動(dòng)角度，有利于使加速度傳感器完全貼合產(chǎn)品檢測面。加速度傳感器安裝圖如圖2所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，加速度傳感器貼緊產(chǎn)品后，彈性簧片最大變形量為0.5 mm。根據(jù)彈性簧片外形尺寸、受力大小、受力位置、安裝方式，對(duì)其進(jìn)行仿真，以確定彈性簧片應(yīng)選用何種材料。

圖3所示的彈性簧片形變有限元仿真結(jié)果表明，需要選用彈性模量為206 GPa的合金鋼材料方可滿足要求，此處優(yōu)選60Si2Mn材料，其具有良好的力學(xué)性能，適用性好。

1.7? 環(huán)境干擾隔離設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的描述，該設(shè)備的使用環(huán)境復(fù)雜，包含大量的自動(dòng)化設(shè)備，振動(dòng)及噪聲干擾大。為了降低環(huán)境干擾，在測試工位上設(shè)置防振墊。測試表明，防振墊能有效隔離環(huán)境振動(dòng)，提高測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.8? 小結(jié)

根據(jù)章節(jié)1.1～1.7對(duì)測試工位關(guān)鍵零部件的選型及功能設(shè)計(jì)，該檢測工位的整體設(shè)計(jì)軸側(cè)圖如圖4所示。

2? 設(shè)備總體組成及工作原理

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中描述的流水線布局及使用要求，交流接觸器自動(dòng)振動(dòng)檢測設(shè)備主要由機(jī)架、輸送模組、自動(dòng)上下料模組、檢測工位、數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。具體介紹如下：

（1）機(jī)架作為設(shè)備主體，用于承載、固定各功能性組件。

（2）輸送模組主要包括主輸送線及不良品輸送機(jī)，其中主輸送線用于供料并將檢測后良品輸送至下道工序，不良品輸送機(jī)用于將檢測后的不良品排出。

（3）自動(dòng)上下料模組由擋分料組件、四軸機(jī)器人及掃碼器組成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品來料掃碼，掃碼后通過機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料功能。

（4）檢測工位主要由檢測臺(tái)、加速度傳感器、壓力傳感器等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)交流接觸器的實(shí)時(shí)在線振動(dòng)檢測，是本設(shè)備的關(guān)鍵部件，已在第1章介紹。

（5）數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)用于采集檢測過程中加速度、壓力原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行在線數(shù)據(jù)處理，并將測結(jié)果與良品/不良品判定閾值進(jìn)行比對(duì)，以判定產(chǎn)品為良品或不良品，將在第3章詳細(xì)介紹。

（6）控制系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器（PLC）及各功能模塊組成，在實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)通信的同時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)作。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、故障率低、維護(hù)方便的特點(diǎn)[5-6]。配合使用運(yùn)動(dòng)控制模塊、通信模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)軟件的信號(hào)交互，控制機(jī)械結(jié)構(gòu)按設(shè)定動(dòng)作運(yùn)動(dòng)。通過使用觸摸屏，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的人機(jī)交互，如設(shè)備手/自動(dòng)功能切換，參數(shù)設(shè)置、設(shè)備產(chǎn)量顯示、故障統(tǒng)計(jì)等，大大提高生產(chǎn)、調(diào)試效率。

設(shè)備總體布局如圖5所示。設(shè)備工作時(shí)，待檢產(chǎn)品從主輸送線進(jìn)入設(shè)備，擋分料組件將產(chǎn)品分料并由掃碼器對(duì)分料后產(chǎn)品進(jìn)行掃碼。掃碼后，機(jī)器人根據(jù)控制指令將產(chǎn)品取放至檢測工位進(jìn)行檢測。檢測過程中，通過數(shù)據(jù)采集卡及壓力變送器對(duì)檢測過程中的加速度、壓力數(shù)值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，通過算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線分析，并根據(jù)設(shè)定閾值進(jìn)行良品/不良品判定。判定結(jié)果與產(chǎn)品條碼綁定，并由機(jī)器人將產(chǎn)品取放至下料工位。

根據(jù)振動(dòng)測試要求，單工位振動(dòng)檢測節(jié)拍時(shí)間無法滿足設(shè)備使用要求。為提高設(shè)備檢測效率，在設(shè)備上設(shè)置4個(gè)檢測工位，實(shí)現(xiàn)多只產(chǎn)品同時(shí)檢測，提升設(shè)備檢測效率。

3? 數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)

3.1? 理論構(gòu)建

根據(jù)文獻(xiàn)[7]，交流接觸器自動(dòng)振動(dòng)檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)需結(jié)合車間生產(chǎn)情況及檢測要求進(jìn)行定制開發(fā)。設(shè)備的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)主要由加速度傳感器、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、壓力變送器、工控機(jī)、上位機(jī)等組成。

通過加速度傳感器檢測交流接觸器外殼傳導(dǎo)的振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)，將采集到的加速度數(shù)據(jù)與時(shí)間數(shù)據(jù)相匹配，形成一個(gè)時(shí)域波形曲線，如圖6所示。

在理想環(huán)境下，加速度數(shù)據(jù)的有效值與交流接觸器振動(dòng)大小值對(duì)應(yīng)。但考慮車間實(shí)際生產(chǎn)情況存在的大量環(huán)境干擾，如環(huán)境噪聲、設(shè)備抖動(dòng)、車間地面振動(dòng)等，采樣到的加速度時(shí)域波形中混入了大量并非來自產(chǎn)品本身的振動(dòng)數(shù)據(jù)。此時(shí)，若直接采用加速度時(shí)域有效值判定產(chǎn)品振動(dòng)，則會(huì)導(dǎo)致檢測結(jié)果與實(shí)際情況具有較大偏差，無法達(dá)到檢測目的?；谏鲜銮闆r，需要對(duì)加速度時(shí)域波形進(jìn)行拆分，并將干擾數(shù)據(jù)過濾掉。但是，由于時(shí)域波形各點(diǎn)疊加了大量干擾因素，直接對(duì)其進(jìn)行拆分難度大、效率低。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，可以通過快速傅里葉變換[9]（FFT）將時(shí)域波形轉(zhuǎn)為頻譜圖，再根據(jù)譜線能量大小對(duì)干擾源進(jìn)行過濾。對(duì)交流接觸器產(chǎn)品的大量現(xiàn)場振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣后發(fā)現(xiàn)，交流接觸器振動(dòng)相對(duì)集中于幾個(gè)特定頻率點(diǎn)，這為濾除干擾和設(shè)計(jì)針對(duì)性的振動(dòng)檢測算法提供了可能。圖7為產(chǎn)品振動(dòng)頻譜圖，可以發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)品振動(dòng)對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)上，幅值譜線高且單一，反映了產(chǎn)品在這幾個(gè)頻率點(diǎn)上的特異性，而環(huán)境干擾則無規(guī)律地分布在底層，且存在大量泄漏。

根據(jù)各種信號(hào)譜線能量值的不同，利用算法將干擾數(shù)據(jù)剝離，求解產(chǎn)品振動(dòng)能量值，并與人工設(shè)定的閾值進(jìn)行比對(duì)。若能量值在設(shè)定閾值范圍內(nèi)，則產(chǎn)品判定為良品，否則產(chǎn)品判定為不良品。根據(jù)帕斯瓦爾定理[10]及FFT公式計(jì)算頻域振動(dòng)能量，有

綜上所述，結(jié)合產(chǎn)品特性，構(gòu)建出一套適合交流接觸器的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，其理論框架如圖8所示。

3.2? 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)圖8構(gòu)建的理論框架，對(duì)車間交流接觸器產(chǎn)品進(jìn)行在線檢測。檢測結(jié)果如圖9所示，矩形框內(nèi)數(shù)據(jù)為產(chǎn)品振動(dòng)能量值。

為直觀顯示產(chǎn)品振動(dòng)能量值的波動(dòng)情況，隨機(jī)抽取50只合格品及3只不合格品的檢測數(shù)據(jù)，并以圖表形式表現(xiàn)，如圖10所示。其中，人工設(shè)定的閾值范圍為（0， 150），、、分別表示產(chǎn)品的A、B、C面振動(dòng)能量值。可以發(fā)現(xiàn)，合格品的3個(gè)面的振動(dòng)能量值均在閾值范圍，而不合格品的振動(dòng)能量值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出閾值上限。

3.3? 實(shí)際檢測

為確定交流接觸器自動(dòng)振動(dòng)檢測設(shè)備測試結(jié)果的可靠性，評(píng)估設(shè)備投入生產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)性，需對(duì)設(shè)備檢測后的產(chǎn)品進(jìn)行不間斷抽檢，表1所示為其中一組檢測結(jié)果的比對(duì)。

隨機(jī)抽檢1 200只產(chǎn)品進(jìn)行人工、機(jī)器檢測，并將檢測結(jié)果進(jìn)行橫向比對(duì)。具體步驟為：首先，人工檢測1 200只產(chǎn)品，統(tǒng)計(jì)合格率、錯(cuò)判率、誤判率;然后，將這1 200只產(chǎn)品放入設(shè)備進(jìn)行檢測，同樣統(tǒng)計(jì)上述數(shù)據(jù)。從表1中可以看出，人工檢測存在較多錯(cuò)判，錯(cuò)判率為1.5%，機(jī)器檢測無錯(cuò)判、誤判，檢測結(jié)果更為準(zhǔn)確。因此該檢測設(shè)備在車間投入使用是可行的，能夠更有效地確保檢測結(jié)果達(dá)到產(chǎn)品出廠標(biāo)準(zhǔn)。

4? 結(jié)論

本文介紹了正泰研發(fā)的交流接觸器自動(dòng)振動(dòng)檢測設(shè)備，取得的主要成效有：

（1）在檢測工位中，為加速度傳感器設(shè)計(jì)了彈性簧片，并對(duì)產(chǎn)品底座的承載板進(jìn)行了浮動(dòng)式設(shè)計(jì)，有效保留了產(chǎn)品自身的振動(dòng)，減少了測試過程中振動(dòng)能量泄漏，提高了采集數(shù)據(jù)的可靠性;

（2）在頻率域設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)采集分析算法，將振動(dòng)能量值作為產(chǎn)品是否合格的參考指標(biāo)，行之有效;

（3）實(shí)現(xiàn)了交流接觸器的實(shí)時(shí)檢測，以機(jī)器檢測替代人工，提升了檢測準(zhǔn)確性和效率，檢測結(jié)果符合產(chǎn)品出廠標(biāo)準(zhǔn)。

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