冰箱風(fēng)扇振動(dòng)質(zhì)量在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

褚志剛，蔣忠翰，周亞男，王光建

(重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

冰箱正常工作時(shí)，風(fēng)扇對(duì)其內(nèi)部空氣流通及各部件的散熱發(fā)揮著十分重要的作用［1］。反映冰箱風(fēng)扇質(zhì)量的主要指標(biāo)包括其工作時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)量大小、風(fēng)壓大小和振動(dòng)噪聲水平等。由于冰箱風(fēng)扇生產(chǎn)過(guò)程中的模具精度、扇葉與軸裝夾過(guò)程中配合不足、過(guò)位、過(guò)緊等外界環(huán)境因素的影響，風(fēng)扇工作時(shí)將偏離理想狀態(tài)［2］，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)扇的振動(dòng)和噪聲［4］信號(hào)的特征亦發(fā)生變化。一般情況下，具有明顯缺陷或故障的冰箱風(fēng)扇通常其振動(dòng)量較大并伴隨有明顯噪聲，經(jīng)驗(yàn)豐富的檢測(cè)人員可以通過(guò)觸摸和傾聽(tīng)振動(dòng)強(qiáng)度和聲音特征就可以判斷出其合格性，但對(duì)于風(fēng)扇早期或特征不突出的缺陷和故障，人通常是無(wú)能為力。另一方面，檢測(cè)人員的工作質(zhì)量還受到其連續(xù)工作時(shí)間、心情等因素的顯著影響。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一套完整的風(fēng)扇振動(dòng)質(zhì)量生產(chǎn)線在線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

為能夠快速準(zhǔn)確的完成對(duì)冰箱風(fēng)扇振動(dòng)質(zhì)量的在線檢測(cè)，避免將有振動(dòng)質(zhì)量問(wèn)題的風(fēng)扇裝配于冰箱上，影響冰箱的質(zhì)量，且使企業(yè)檢測(cè)方便，自主研制了一套用于冰箱風(fēng)扇振動(dòng)測(cè)量及分析判定的在線檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)采集風(fēng)扇生產(chǎn)檢測(cè)線專用臺(tái)架上相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，基于該信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇振動(dòng)質(zhì)量的快速在線檢測(cè)判定，并給出風(fēng)扇振動(dòng)質(zhì)量合格性的判定結(jié)果。

1 檢測(cè)原理及技術(shù)問(wèn)題

1.1 檢測(cè)原理

系統(tǒng)總體構(gòu)造如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體構(gòu)造Fig.1 The construction of system

在線檢測(cè)系統(tǒng)包括風(fēng)扇安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、振動(dòng)信號(hào)采集及分析、合格性判斷及結(jié)果輸出三部分。

風(fēng)扇安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng):將扇葉與安裝于臺(tái)架相應(yīng)支撐上的風(fēng)扇電機(jī)底座進(jìn)行快速壓合形成成品，完成后接通風(fēng)扇電機(jī)啟動(dòng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)模擬風(fēng)扇位于冰箱內(nèi)工作狀況。

振動(dòng)信號(hào)采集及分析:風(fēng)扇啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)后，數(shù)據(jù)采集前端采集風(fēng)扇檢測(cè)臺(tái)上相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)該振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析。此外，數(shù)據(jù)采集及分析指令可通過(guò)監(jiān)測(cè)外部電路開(kāi)關(guān)控制PCI板卡相應(yīng)觸點(diǎn)產(chǎn)生的電位變化來(lái)獲得。

合格性判定及結(jié)果輸出:在線檢測(cè)軟件將上述頻譜數(shù)據(jù)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及允許容限進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而對(duì)風(fēng)扇振動(dòng)噪聲質(zhì)量進(jìn)行合格性判定;判定結(jié)果信號(hào)可通過(guò)PCI板卡驅(qū)動(dòng)外部電路進(jìn)行相應(yīng)的顯示輸出。

整個(gè)測(cè)量過(guò)程，數(shù)據(jù)分析軟件與在線檢測(cè)系統(tǒng)之間及在線檢測(cè)軟件模塊與PCI板卡之間數(shù)據(jù)可交互傳遞。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

設(shè)計(jì)在線檢測(cè)系統(tǒng)的根本目的就是能夠?qū)︼L(fēng)扇振動(dòng)噪聲質(zhì)量作出快速、可靠的判斷，排除不合格風(fēng)扇，進(jìn)而為整個(gè)冰箱的質(zhì)量提供保障。實(shí)際上，風(fēng)扇生產(chǎn)過(guò)程中的模具精度導(dǎo)致的風(fēng)扇扇葉重量不等、在扇葉與軸配合過(guò)程中配合不到位或過(guò)位等外部因素的影響，使得同型號(hào)實(shí)測(cè)風(fēng)扇的振動(dòng)和噪聲響應(yīng)強(qiáng)度及特征不盡相同。本文對(duì)風(fēng)扇產(chǎn)品振動(dòng)噪聲合格性判定的方式是將振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和容差限值進(jìn)行比較，當(dāng)所檢測(cè)風(fēng)扇的振動(dòng)特性偏離技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和超越容差限值時(shí)，即可判定其為不合格［3］。然而，企業(yè)初次制定設(shè)計(jì)的冰箱風(fēng)扇并沒(méi)有已知的相應(yīng)風(fēng)扇合格性檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此，如何設(shè)定產(chǎn)品的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及容差限值則是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一。本文提出了兩種建立參考標(biāo)準(zhǔn)和容差限值的方法，即峰值法和平均法。

風(fēng)扇的振動(dòng)信號(hào)從總值及窄帶譜兩個(gè)方面加以描述，窄帶分辨率為Δf，頻率數(shù)為n，相應(yīng)得到第j個(gè)風(fēng)扇振動(dòng)信號(hào)的總值為Total(j)，窄帶譜上各頻率相應(yīng)值為Gj(iΔf)，i=1，2，… ，n。

峰值法是以采集的大量相同型號(hào)的合格風(fēng)扇的振動(dòng)信號(hào)總值和頻譜上各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)譜值建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的上限，如式(1)，式(2)所示:

其中:若m為風(fēng)扇數(shù)目。

生成的上限U_lim(Total)和U_lim(G(iΔf))，即為峰值法所建立的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。后來(lái)的實(shí)測(cè)風(fēng)扇通過(guò)與上限進(jìn)行比較判定其合格性，若實(shí)測(cè)風(fēng)扇振動(dòng)信號(hào)相應(yīng)的總值及頻譜超出該上限則風(fēng)扇為不合格產(chǎn)品。該方法具有測(cè)量精度高、能對(duì)風(fēng)扇質(zhì)量的穩(wěn)定性進(jìn)行嚴(yán)格控制等優(yōu)點(diǎn)，但在企業(yè)尚沒(méi)有判斷標(biāo)準(zhǔn)情況下，若參與建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)扇中存在有故障的風(fēng)扇，該方法將導(dǎo)致在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)此故障類型存在漏判，進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確的得到風(fēng)扇的合格性。

平均法綜合上述因素，為了能夠涵蓋大部分風(fēng)扇振動(dòng)頻譜信息且減小用于建立標(biāo)準(zhǔn)的樣品集中的不合格風(fēng)扇的相對(duì)比準(zhǔn)偏差，采取對(duì)各風(fēng)扇振動(dòng)信號(hào)的總值及頻譜上每一頻率點(diǎn)的譜值分別進(jìn)行等權(quán)線性平均，并在此基礎(chǔ)上，分別將其向上放寬適當(dāng)容差量R，生成新的上限U_lim(Total)和U_lim(G(iΔf))。

其算法如下:

該上限則作為相應(yīng)實(shí)測(cè)風(fēng)扇實(shí)際參考標(biāo)準(zhǔn)，若超過(guò)該上限，則風(fēng)扇不合格。該測(cè)試方法平穩(wěn)有效、置信度高，能夠降低和消除少量不合格風(fēng)扇對(duì)建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和限值的影響，特別適用于新產(chǎn)品的初次檢測(cè)。

此外，在線檢測(cè)系統(tǒng)還可設(shè)置通過(guò)將上限減去一個(gè)動(dòng)態(tài)范圍得到相應(yīng)下限L_lim(Total)和L_lim(G(iΔf))以防止沒(méi)有對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量或由于傳感器損壞或人為引起的不正常測(cè)量;通過(guò)設(shè)置切割水平線對(duì)風(fēng)扇振動(dòng)貢獻(xiàn)小的頻率范圍進(jìn)行過(guò)濾使其不參與比較及判定。其風(fēng)扇合格性判定方式原理如圖2所示。

圖2 風(fēng)扇合格性判定方式原理Fig.2 Principle to determine the eligibility of the fans

圖3 測(cè)試臺(tái)架示意圖Fig.3 Schematic diagram of the test rig

此外，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速受到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓，風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)空氣阻力等變化而微小變化，該轉(zhuǎn)速的變化可進(jìn)一步對(duì)振動(dòng)信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)造成影響，特別是其與轉(zhuǎn)速相關(guān)的諧波頻率發(fā)生漂移。所以在線檢測(cè)系統(tǒng)在建立產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和振動(dòng)的容差限值時(shí)應(yīng)該能夠適應(yīng)上述頻率漂移是又一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。因此，本系統(tǒng)可將所測(cè)振動(dòng)信號(hào)頻譜上的峰值頻率進(jìn)行適當(dāng)?shù)纳舷峦貙挘员苊馍鲜龇逯殿l率漂移的影響。

2 在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

考慮到適應(yīng)冰箱安裝流水線高效、便捷原則，采用一種既可以對(duì)冰箱風(fēng)扇零件裝配及安裝，同時(shí)方便自動(dòng)提取相應(yīng)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)試臺(tái)架。其臺(tái)架示意圖如圖3所示:

特別指出，為了容易的采集到風(fēng)扇產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)且能夠表征出不同風(fēng)扇間振動(dòng)信號(hào)的微弱變化，當(dāng)冰箱風(fēng)扇扇葉壓合完成后，扇葉座與扇葉支持框座自動(dòng)分離，使風(fēng)扇平置懸放于只沿軸向方向縮放的螺旋彈簧上的塑料薄板上，該塑料薄板易于固定加速度傳感器，不僅能將風(fēng)扇振動(dòng)信號(hào)做相應(yīng)放大，且避免了因?yàn)閭鞲衅髦貜?fù)安裝而引起的測(cè)量誤差;螺旋彈簧隔離生產(chǎn)線地面振動(dòng)等外部干擾對(duì)測(cè)試臺(tái)架的影響以提高測(cè)量精度;外部控制按鈕可依次發(fā)出指令來(lái)控制風(fēng)扇壓合、驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)及在線檢測(cè)軟件進(jìn)行測(cè)量分析和判斷，極大地提高了員工操作效率。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集硬件采用丹麥Brüel＆Kj ?r公司的PULSE 3050A數(shù)據(jù)采集前端，該前端內(nèi)置了相應(yīng)的消除直流偏置和低頻干擾的7 Hz高通濾波器和能夠根據(jù)信號(hào)分析頻率進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整的抗混疊濾波器。且由于該前端體積小，質(zhì)量輕且本機(jī)噪聲小測(cè)試干擾低，特別適用于在風(fēng)扇生產(chǎn)線在線檢測(cè)系統(tǒng)。振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量選用Brüel＆ Kj ?r公司4507型單向恒流源驅(qū)動(dòng)加速度傳感器。

運(yùn)用8通道繼電器輸出和8通道隔離開(kāi)關(guān)量輸入卡實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)控制信號(hào)的外部傳遞，該板卡可根據(jù)外部控制按鈕相應(yīng)電路觸點(diǎn)的開(kāi)關(guān)來(lái)控制風(fēng)扇壓合、風(fēng)扇電機(jī)驅(qū)動(dòng)及在線檢測(cè)系統(tǒng)軟件測(cè)量過(guò)程，并且將系統(tǒng)測(cè)量判定結(jié)果輸出到外部電路，由電路中指示燈的顏色直觀的顯示出產(chǎn)品振動(dòng)質(zhì)量合格性的判定結(jié)果。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在線檢測(cè)系統(tǒng)中的振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量設(shè)置，分析方法，輸出結(jié)果均在PULSE軟件中設(shè)定完成，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，首先設(shè)計(jì)了一個(gè)PULSE工程模板，再通過(guò)編制軟件對(duì)該工程模板進(jìn)行調(diào)用和控制，根據(jù)風(fēng)扇實(shí)際測(cè)量的要求進(jìn)一步對(duì)PULSE系統(tǒng)的FFT分析儀屬性設(shè)置和測(cè)試數(shù)據(jù)采集等進(jìn)行控制和庫(kù)函數(shù)調(diào)用［4］。

軟件系統(tǒng)采用面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言 Visual Basic 6.0進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，并根據(jù)功能和測(cè)量參數(shù)的不同，對(duì)程序進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，這種模塊化的設(shè)計(jì)便于進(jìn)行軟件系統(tǒng)的完善與修改軟件［5－6］。系統(tǒng)包括如下幾個(gè)模塊，即:圖形顯示模塊、容限制作模塊、數(shù)據(jù)保存及歷史查詢模塊、屬性設(shè)置模塊、測(cè)量及數(shù)據(jù)提取模塊、軟件狀態(tài)及判斷結(jié)果展示模塊。

(1)圖形顯示模塊:實(shí)時(shí)顯示實(shí)測(cè)冰箱風(fēng)扇振動(dòng)信號(hào)頻譜及容限頻譜曲線。

(2)容限制作模塊:制作容限范圍，可人為設(shè)置容限制作方式，包括選取數(shù)據(jù)數(shù)目，峰值拓寬范圍。

(3)數(shù)據(jù)保存及歷史查詢模塊:包括測(cè)量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，歷史數(shù)據(jù)總值、曲線查詢，產(chǎn)品篩選，歷史數(shù)據(jù)與判定結(jié)果查詢。

(4)屬性設(shè)置模塊:是整個(gè)軟件人機(jī)界面層的核心模塊，包括技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選取，容限、切割水平、過(guò)濾頻帶設(shè)置，通道選擇及測(cè)量模板選取等。

(5)測(cè)量及數(shù)據(jù)提取模塊:控制軟件測(cè)量，自動(dòng)提取PULSE軟件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

(6)軟件狀態(tài)及判斷結(jié)果展示模塊:展示軟件工作狀態(tài)，并將判斷結(jié)果信號(hào)輸出給PCI板卡進(jìn)而控制外部電路。

軟件的主工作程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，獲取配置文件中的相應(yīng)參數(shù)，即屬性設(shè)置中保存的默認(rèn)值。在線檢測(cè)系統(tǒng)軟件通過(guò)發(fā)出相應(yīng)的指示命令使PULSE系統(tǒng)開(kāi)始測(cè)量，獲得測(cè)量數(shù)據(jù)后，首先對(duì)風(fēng)扇測(cè)量通道的選擇進(jìn)行判定，然后依次將所選通道測(cè)得信號(hào)的頻譜總值及頻譜有效值與其容限值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)風(fēng)扇的合格性進(jìn)行判定，并對(duì)檢測(cè)風(fēng)扇的總數(shù)及合格數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。判定完成后，由計(jì)算機(jī)顯示出所選各通道振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量曲線和容限曲線，給出各通道數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果、風(fēng)扇振動(dòng)噪聲質(zhì)量合格性的判定結(jié)果及檢測(cè)風(fēng)扇的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，同時(shí)將判定的結(jié)果轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的信號(hào)輸出給PCI板卡的相應(yīng)觸點(diǎn)以控制外部電路。主程序流程圖如圖5所示。

圖4 屬性設(shè)置界面Fig.4 Property setup interface

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

將本系統(tǒng)用于某冰箱企業(yè)生產(chǎn)線中，運(yùn)用1.2中所述的平均法建立相應(yīng)的風(fēng)扇技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)冰箱風(fēng)扇進(jìn)行在線檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)，某實(shí)測(cè)風(fēng)扇振動(dòng)信號(hào)的總值及頻譜上有效頻率點(diǎn)的譜值均在容限范圍以內(nèi)，進(jìn)而判斷該風(fēng)扇為合格品并給出相應(yīng)的合格性的判定結(jié)果。圖6為檢測(cè)該風(fēng)扇時(shí)的軟件界面顯示，其界面圖形顯示區(qū)域內(nèi)藍(lán)色曲線為頻譜上容限，紅色曲線為頻譜下容限，黑色曲線為實(shí)測(cè)風(fēng)扇頻譜，水平藍(lán)色直線為切割水平線。

圖6 檢測(cè)時(shí)軟件主界面Fig.6 Software graphical user interface

3 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了冰箱風(fēng)扇振動(dòng)質(zhì)量及分析判定在線檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并實(shí)際應(yīng)用于某冰箱企業(yè)生產(chǎn)線中。實(shí)際使用表明:在線檢測(cè)系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地完成對(duì)相應(yīng)測(cè)點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)的測(cè)量、自動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)并直觀地給出風(fēng)扇振動(dòng)質(zhì)量合格性的判定結(jié)果，極大地提高了生產(chǎn)效率。另外，該系統(tǒng)所采用的模塊化設(shè)計(jì)可隨時(shí)根據(jù)用戶需要進(jìn)行增減，具有極強(qiáng)的擴(kuò)展性，能滿足用戶進(jìn)一步的多樣化需求。

［1］ 蘇秀平，陳江平，陳芝之，等.間冷式冰箱風(fēng)扇區(qū)域流場(chǎng)的數(shù)值模擬和優(yōu)化［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37(7):1134－1136.

［2］ 李學(xué)聰，華倫次，萬(wàn) 頻，等.散熱風(fēng)扇質(zhì)量檢測(cè)分析系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45(36):219－221.

［3］ 王 瑞.產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)文本的合格性［J］.企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化，2003，3:35－36.

［4］ 朱德壽.基于PULSE系統(tǒng)的聲級(jí)計(jì)自動(dòng)檢定測(cè)試系統(tǒng)［J］.標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)，2006(9):67－69.

［5］ 劉丙全，王 弘，肖 彪，等.基于Web的冰箱故障診斷信息系統(tǒng)研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，30(11):69－70.

［6］ 于洪光.Visual Basic程序設(shè)計(jì)教程［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2006.