礦用地震儀測(cè)試系統(tǒng)研制*

劉彥君

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

礦用地震儀是為煤礦井下含有瓦斯、煤塵爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境中探測(cè)含水和導(dǎo)水地質(zhì)小構(gòu)造而設(shè)計(jì)制造的勘探儀器。主要用于煤礦井下工作面的構(gòu)造彈性波探測(cè)、超前探測(cè)、“三帶”監(jiān)測(cè)以及礦震監(jiān)測(cè)[1-2]。地震儀由礦用本安型地震儀主機(jī)和地震檢波器兩部分組成，其中地震儀主機(jī)具有接收和存儲(chǔ)振動(dòng)信號(hào)的功能，同時(shí)與計(jì)算機(jī)在地面通過(guò)以太網(wǎng)口進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。

礦用地震儀是煤礦地震勘探中的主要設(shè)備，且施工過(guò)程中的儀器需求量大[3-4]，因此地震儀每年要投入大量的人力進(jìn)行生產(chǎn)和測(cè)試，單批次生產(chǎn)數(shù)量多，生產(chǎn)過(guò)程繁瑣，測(cè)試過(guò)程長(zhǎng)，測(cè)試合格率低，測(cè)試結(jié)果受人為測(cè)試條件等因素的影響較大，一臺(tái)礦用地震儀主機(jī)的生產(chǎn)測(cè)試時(shí)間大約為3天，耗費(fèi)大量的人工成本，因此實(shí)現(xiàn)礦用地震儀自動(dòng)化測(cè)試是非常有必要的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

礦用地震儀測(cè)試系統(tǒng)必須能夠提供20 Hz峰值為6 V和20 μV的正弦信號(hào)，能夠提供GPS時(shí)間信息給地震儀授時(shí)，能夠在地震儀外接觸點(diǎn)上輸入和輸出信號(hào)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)按鍵功能并自動(dòng)化測(cè)試。根據(jù)技術(shù)要求，為了完成測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試信號(hào)自動(dòng)輸入、自動(dòng)化檢測(cè)、檢測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳與分析、給出測(cè)試結(jié)論并提示用戶更換被測(cè)產(chǎn)品等功能[5]，將測(cè)試系統(tǒng)分為測(cè)試臺(tái)主機(jī)、顯示器、機(jī)械手臂和測(cè)試工裝4部分。其中測(cè)試臺(tái)主機(jī)完成測(cè)試系統(tǒng)供電、測(cè)試信號(hào)的自動(dòng)輸入、檢測(cè)數(shù)據(jù)的上傳分析、測(cè)試系統(tǒng)的電氣控制；機(jī)械手臂配合測(cè)試工裝完成自動(dòng)化檢測(cè)；顯示器顯示測(cè)試過(guò)程；測(cè)試工裝完成地震儀自動(dòng)上下料、固定礦用地震儀等功能。

測(cè)試臺(tái)主機(jī)內(nèi)嵌1套NI的PXI設(shè)備、2個(gè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、1個(gè)圖像處理器、1個(gè)機(jī)械手控制器、1個(gè)供電單元、1個(gè)PLC電氣控制單元和1個(gè)綜合控制器單元。整套設(shè)備的主要功能是為測(cè)試系統(tǒng)供電；為地震儀主機(jī)提供可靠的輸入信號(hào)；實(shí)現(xiàn)地震儀主機(jī)的測(cè)試信號(hào)切換；實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)中的電氣控制；實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)和按鍵；通過(guò)測(cè)試針床輸入測(cè)試信號(hào)，進(jìn)行GPS授時(shí)；通過(guò)網(wǎng)口讀取多臺(tái)地震儀主機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)；對(duì)地震儀主機(jī)的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，給出測(cè)試結(jié)論，輸出測(cè)試報(bào)表。

為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化，本測(cè)試系統(tǒng)采用機(jī)械手臂配合視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，避免人工干預(yù)測(cè)試?？紤]到機(jī)械手臂要完成物料抓取、按鍵、物料歸位等一系列動(dòng)作，而且每個(gè)產(chǎn)品上的按鍵位置都有差異性，機(jī)械手臂選用一款六軸機(jī)械手臂，并采用PLC電氣控制單元控制視覺(jué)定位系統(tǒng)和機(jī)械手控制器共同完成測(cè)試自動(dòng)化。

測(cè)試系統(tǒng)一次要完成5臺(tái)地震儀主機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試，就需要一個(gè)專(zhuān)用的測(cè)試工裝來(lái)完成地震儀主機(jī)的卡位。同時(shí)需要一個(gè)可以自動(dòng)上下物料的托架來(lái)輔助自動(dòng)化測(cè)試。測(cè)試工裝由產(chǎn)品定位臺(tái)架、背板針床兩部分組成。產(chǎn)品定位臺(tái)架是一個(gè)可以放置5臺(tái)地震儀主機(jī)的弧形定位板，上面設(shè)計(jì)有5個(gè)卡位，可以將5臺(tái)地震儀主機(jī)定位鎖緊，機(jī)械手放置在產(chǎn)品定位臺(tái)架的圓心位置，確保到每臺(tái)地震儀主機(jī)的距離相等，方便機(jī)械手操作地震儀主機(jī)的面板按鍵；背板針床是定位臺(tái)架后背板上的針床設(shè)備，針床對(duì)應(yīng)地震儀主機(jī)后背板上的4個(gè)網(wǎng)口通信點(diǎn)、6個(gè)信號(hào)輸入點(diǎn)和3個(gè)GPS授時(shí)點(diǎn)，地震儀主機(jī)卡位鎖緊與地震儀主機(jī)緊密接觸好后可以將輸入信號(hào)接入系統(tǒng)，也可以通過(guò)網(wǎng)口將測(cè)試數(shù)據(jù)上傳測(cè)試臺(tái)主機(jī)。上下料托架用于放置被測(cè)產(chǎn)品或存放測(cè)試完的產(chǎn)品，方便機(jī)械手抓取物料或?qū)⑽锪蠚w位。機(jī)械手臂在其下方的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)上按照設(shè)定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一臺(tái)地震儀主機(jī)的定位放置、按鍵操作、物料分類(lèi)歸位，隨后轉(zhuǎn)向下一個(gè)卡位操作下一臺(tái)地震儀主機(jī)。

測(cè)試臺(tái)主機(jī)內(nèi)部的2臺(tái)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器為地震儀主機(jī)提供地震儀主機(jī)所需的輸入信號(hào)；PXI設(shè)備按照要求進(jìn)行信號(hào)切換，同時(shí)獲取5臺(tái)地震儀主機(jī)采集的測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算；圖像處理控制器和機(jī)械手控制器聯(lián)合控制機(jī)械手的動(dòng)作，PLC電氣控制單元控制圖像處理器和機(jī)械手控制器的指令傳輸以及測(cè)試工裝上的氣缸、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸等電氣設(shè)備的動(dòng)作；顯示器顯示測(cè)試過(guò)程和結(jié)果。測(cè)試系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。

2 地震儀測(cè)試主機(jī)設(shè)計(jì)

地震儀測(cè)試臺(tái)主機(jī)由NI的PXI設(shè)備、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、圖像處理控制器、機(jī)械手控制器、供電單元、PLC電氣控制單元和綜合控制器單元組成[6-7]。其中，PXI設(shè)備控制其內(nèi)部板卡間的通信和命令交互，同時(shí)通過(guò)網(wǎng)口讀取各個(gè)被測(cè)產(chǎn)品的測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算；PLC電氣控制單元控制圖像處理器、機(jī)械手控制器的指令傳輸，同時(shí)控制氣缸、電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸等電氣設(shè)備的工作；綜合控制器單元負(fù)責(zé)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)各個(gè)子設(shè)備之間的信息交互和數(shù)據(jù)傳輸；供電單元為整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)供電；函數(shù)信號(hào)發(fā)生器為地震儀主機(jī)提供信號(hào)輸入。

地震儀主機(jī)在測(cè)試過(guò)程中需要根據(jù)不同的測(cè)試要求，將輸入信號(hào)進(jìn)行短接，這就需要一塊矩陣開(kāi)關(guān)板來(lái)進(jìn)行信號(hào)切換。本測(cè)試系統(tǒng)的矩陣開(kāi)關(guān)選擇了NI的PXI-2532B。PXI-2532B是一款多配置、高密度PXI矩陣開(kāi)關(guān)模塊，可使用不同的接線盒配件，將其配置為1線4×128、8×64、2組4×64、2組8×32、2組16×16以及4組4×32。2線配置包括4×64、8×32、16×16和4組4×32?？墒褂枚ㄖ七B接解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)其他拓?fù)?。測(cè)試完成后，PXI主控制器通過(guò)測(cè)試工裝上每個(gè)地震儀主機(jī)的網(wǎng)口，將測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)PXI設(shè)備上的交換機(jī)板傳送到主控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析計(jì)算，并得出測(cè)試結(jié)論。測(cè)試工裝上設(shè)計(jì)有設(shè)備在位檢測(cè)裝置，測(cè)試前先檢測(cè)地震儀主機(jī)是否安裝到位，測(cè)試完成后提示用戶更換新的被測(cè)產(chǎn)品，設(shè)備在位檢測(cè)裝置由PXI設(shè)備上的數(shù)字IO板控制。

3 地震儀測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試自動(dòng)化，本測(cè)試系統(tǒng)采用機(jī)械手臂配合視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，避免人工干預(yù)測(cè)試[8-10]。機(jī)械手臂選用一款六軸機(jī)械手臂，并采用視覺(jué)定位系統(tǒng)配合機(jī)械手控制器共同完成測(cè)試自動(dòng)化。

機(jī)械手放置在測(cè)試臺(tái)架的圓心位置，確保到每臺(tái)地震儀主機(jī)的距離相等，機(jī)械手臂在其下方的轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)上按照設(shè)定的角度轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一臺(tái)地震儀主機(jī)的定位放置、按鍵操作后轉(zhuǎn)向下一個(gè)卡位操作下一臺(tái)地震儀主機(jī)。待5臺(tái)地震儀主機(jī)均測(cè)試完成后再?gòu)牡?臺(tái)設(shè)備開(kāi)始下載測(cè)試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載完成后，將產(chǎn)品歸位，再抓取新的被測(cè)品放置到第1個(gè)卡位上，開(kāi)始下一輪產(chǎn)品的定位放置、按鍵操作等一系列動(dòng)作。

4 地震儀測(cè)試工裝的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試，需要將5臺(tái)地震儀主機(jī)的位置固定，并有效接觸地震儀主機(jī)后側(cè)的觸點(diǎn)，需要設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)試工裝。測(cè)試工裝包含產(chǎn)品定位臺(tái)架和背板針床。測(cè)試工裝示意圖如圖2所示。

產(chǎn)品定位臺(tái)架是一個(gè)可放置5臺(tái)地震儀主機(jī)的弧形定位板，上面設(shè)計(jì)有5個(gè)產(chǎn)品定位夾具，每個(gè)夾具上有3個(gè)位置固定的水平定位塊，產(chǎn)品放置時(shí)緊挨定位塊放置，然后由水平鎖緊氣缸推動(dòng)水平鎖緊器將產(chǎn)品水平鎖緊；再轉(zhuǎn)動(dòng)兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)氣缸將產(chǎn)品垂直鎖緊。產(chǎn)品鎖緊后，再由針床推進(jìn)氣缸推動(dòng)背板針床，讓針床上的觸針與產(chǎn)品后側(cè)的信號(hào)觸點(diǎn)緊密接觸。每個(gè)卡位下方設(shè)計(jì)有設(shè)備在位檢測(cè)裝置，可以檢測(cè)被測(cè)產(chǎn)品是否安裝到位，并在測(cè)試完成后通知客戶更換產(chǎn)品。

5 地震儀測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

地震儀測(cè)試系統(tǒng)軟件按功能分為兩部分：一部分是產(chǎn)品測(cè)試軟件，主要完成地震儀主機(jī)的功能測(cè)試，讀取采集數(shù)據(jù)，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得出測(cè)試結(jié)論并輸出測(cè)試報(bào)表；另一部分是進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息管理，測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部有PLC電氣控制信息、視頻監(jiān)控信息、機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)信息及視覺(jué)識(shí)別信息等，所有的信息需要進(jìn)行統(tǒng)一管理。

產(chǎn)品測(cè)試軟件是基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)的，其系統(tǒng)具有體積小巧、功能強(qiáng)大、處理速度快等優(yōu)點(diǎn)。其設(shè)計(jì)模式是基于事件結(jié)構(gòu)的人機(jī)界面(UI EventLoop)，即用控件的事件結(jié)構(gòu)來(lái)響應(yīng)用戶操作。它可以避免因輪詢導(dǎo)致的CPU浪費(fèi)，而且會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生事件隊(duì)列，從而避免丟失事件。事件結(jié)構(gòu)不僅使軟件變得簡(jiǎn)單，也大大提高了CPU的利用率，而且可以使幾個(gè)子軟件同時(shí)運(yùn)行，從而在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)多線程操作模式。產(chǎn)品測(cè)試軟件流程如圖3所示。

6 結(jié)語(yǔ)

礦用地震儀測(cè)試系統(tǒng)的硬件與軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，使用機(jī)械臂完成了地震儀的自動(dòng)抓取，測(cè)試工裝完成了多臺(tái)地震儀的固定，測(cè)試主機(jī)通過(guò)輸出不同測(cè)試信號(hào)與內(nèi)部切換完成不同信號(hào)的采集測(cè)試，同時(shí)引入了自動(dòng)化測(cè)試設(shè)計(jì)，并采用了隔離、安全性、熱設(shè)計(jì)等可靠性設(shè)計(jì)方法，方案合理可行，提高了地震儀測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使用該測(cè)試系統(tǒng)，單臺(tái)測(cè)試時(shí)間為3 min，降低了人力成本，提高了生產(chǎn)效率，為地震儀的生產(chǎn)提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。