礦用地震儀測試系統(tǒng)研制*

劉彥君

(中煤科工集團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、煤塵爆炸性危險環(huán)境中探測含水和導(dǎo)水地質(zhì)小構(gòu)造而設(shè)計制造的勘探儀器。主要用于煤礦井下工作面的構(gòu)造彈性波探測、超前探測、“三帶”監(jiān)測以及礦震監(jiān)測[1-2]。地震儀由礦用本安型地震儀主機和地震檢波器兩部分組成，其中地震儀主機具有接收和存儲振動信號的功能，同時與計算機在地面通過以太網(wǎng)口進行通信和數(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行生產(chǎn)和測試，單批次生產(chǎn)數(shù)量多，生產(chǎn)過程繁瑣，測試過程長，測試合格率低，測試結(jié)果受人為測試條件等因素的影響較大，一臺礦用地震儀主機的生產(chǎn)測試時間大約為3天，耗費大量的人工成本，因此實現(xiàn)礦用地震儀自動化測試是非常有必要的。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

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

測試臺主機內(nèi)嵌1套NI的PXI設(shè)備、2個函數(shù)信號發(fā)生器、1個圖像處理器、1個機械手控制器、1個供電單元、1個PLC電氣控制單元和1個綜合控制器單元。整套設(shè)備的主要功能是為測試系統(tǒng)供電；為地震儀主機提供可靠的輸入信號；實現(xiàn)地震儀主機的測試信號切換；實現(xiàn)測試系統(tǒng)中的電氣控制；實現(xiàn)機械手臂運動和按鍵；通過測試針床輸入測試信號，進行GPS授時；通過網(wǎng)口讀取多臺地震儀主機的測試數(shù)據(jù)；對地震儀主機的測試數(shù)據(jù)進行分析計算，給出測試結(jié)論，輸出測試報表。

為了實現(xiàn)測試自動化，本測試系統(tǒng)采用機械手臂配合視覺識別系統(tǒng)來實現(xiàn)，避免人工干預(yù)測試。考慮到機械手臂要完成物料抓取、按鍵、物料歸位等一系列動作，而且每個產(chǎn)品上的按鍵位置都有差異性，機械手臂選用一款六軸機械手臂，并采用PLC電氣控制單元控制視覺定位系統(tǒng)和機械手控制器共同完成測試自動化。

測試系統(tǒng)一次要完成5臺地震儀主機的自動化測試，就需要一個專用的測試工裝來完成地震儀主機的卡位。同時需要一個可以自動上下物料的托架來輔助自動化測試。測試工裝由產(chǎn)品定位臺架、背板針床兩部分組成。產(chǎn)品定位臺架是一個可以放置5臺地震儀主機的弧形定位板，上面設(shè)計有5個卡位，可以將5臺地震儀主機定位鎖緊，機械手放置在產(chǎn)品定位臺架的圓心位置，確保到每臺地震儀主機的距離相等，方便機械手操作地震儀主機的面板按鍵；背板針床是定位臺架后背板上的針床設(shè)備，針床對應(yīng)地震儀主機后背板上的4個網(wǎng)口通信點、6個信號輸入點和3個GPS授時點，地震儀主機卡位鎖緊與地震儀主機緊密接觸好后可以將輸入信號接入系統(tǒng)，也可以通過網(wǎng)口將測試數(shù)據(jù)上傳測試臺主機。上下料托架用于放置被測產(chǎn)品或存放測試完的產(chǎn)品，方便機械手抓取物料或?qū)⑽锪蠚w位。機械手臂在其下方的轉(zhuǎn)動盤上按照設(shè)定的角度轉(zhuǎn)動，完成一臺地震儀主機的定位放置、按鍵操作、物料分類歸位，隨后轉(zhuǎn)向下一個卡位操作下一臺地震儀主機。

測試臺主機內(nèi)部的2臺函數(shù)信號發(fā)生器為地震儀主機提供地震儀主機所需的輸入信號；PXI設(shè)備按照要求進行信號切換，同時獲取5臺地震儀主機采集的測試數(shù)據(jù)，并對測試數(shù)據(jù)進行分析計算；圖像處理控制器和機械手控制器聯(lián)合控制機械手的動作，PLC電氣控制單元控制圖像處理器和機械手控制器的指令傳輸以及測試工裝上的氣缸、電動機、傳動軸等電氣設(shè)備的動作；顯示器顯示測試過程和結(jié)果。測試系統(tǒng)的工作示意圖如圖1所示。

2 地震儀測試主機設(shè)計

地震儀測試臺主機由NI的PXI設(shè)備、函數(shù)信號發(fā)生器、圖像處理控制器、機械手控制器、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，同時通過網(wǎng)口讀取各個被測產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù)，并對測試數(shù)據(jù)進行分析計算；PLC電氣控制單元控制圖像處理器、機械手控制器的指令傳輸，同時控制氣缸、電動機、傳動軸等電氣設(shè)備的工作；綜合控制器單元負責(zé)整個測試系統(tǒng)各個子設(shè)備之間的信息交互和數(shù)據(jù)傳輸；供電單元為整個測試系統(tǒng)供電；函數(shù)信號發(fā)生器為地震儀主機提供信號輸入。

地震儀主機在測試過程中需要根據(jù)不同的測試要求，將輸入信號進行短接，這就需要一塊矩陣開關(guān)板來進行信號切換。本測試系統(tǒng)的矩陣開關(guān)選擇了NI的PXI-2532B。PXI-2532B是一款多配置、高密度PXI矩陣開關(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。可使用定制連接解決方案來實現(xiàn)其他拓撲。測試完成后，PXI主控制器通過測試工裝上每個地震儀主機的網(wǎng)口，將測試數(shù)據(jù)通過PXI設(shè)備上的交換機板傳送到主控制器，進行數(shù)據(jù)分析計算，并得出測試結(jié)論。測試工裝上設(shè)計有設(shè)備在位檢測裝置，測試前先檢測地震儀主機是否安裝到位，測試完成后提示用戶更換新的被測產(chǎn)品，設(shè)備在位檢測裝置由PXI設(shè)備上的數(shù)字IO板控制。

3 地震儀測試系統(tǒng)自動控制設(shè)計

為了實現(xiàn)測試自動化，本測試系統(tǒng)采用機械手臂配合視覺識別系統(tǒng)來實現(xiàn)，避免人工干預(yù)測試[8-10]。機械手臂選用一款六軸機械手臂，并采用視覺定位系統(tǒng)配合機械手控制器共同完成測試自動化。

機械手放置在測試臺架的圓心位置，確保到每臺地震儀主機的距離相等，機械手臂在其下方的轉(zhuǎn)動盤上按照設(shè)定的角度轉(zhuǎn)動，完成一臺地震儀主機的定位放置、按鍵操作后轉(zhuǎn)向下一個卡位操作下一臺地震儀主機。待5臺地震儀主機均測試完成后再從第1臺設(shè)備開始下載測試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)下載完成后，將產(chǎn)品歸位，再抓取新的被測品放置到第1個卡位上，開始下一輪產(chǎn)品的定位放置、按鍵操作等一系列動作。

4 地震儀測試工裝的設(shè)計

為了實現(xiàn)自動化測試，需要將5臺地震儀主機的位置固定，并有效接觸地震儀主機后側(cè)的觸點，需要設(shè)計一個測試工裝。測試工裝包含產(chǎn)品定位臺架和背板針床。測試工裝示意圖如圖2所示。

產(chǎn)品定位臺架是一個可放置5臺地震儀主機的弧形定位板，上面設(shè)計有5個產(chǎn)品定位夾具，每個夾具上有3個位置固定的水平定位塊，產(chǎn)品放置時緊挨定位塊放置，然后由水平鎖緊氣缸推動水平鎖緊器將產(chǎn)品水平鎖緊；再轉(zhuǎn)動兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)氣缸將產(chǎn)品垂直鎖緊。產(chǎn)品鎖緊后，再由針床推進氣缸推動背板針床，讓針床上的觸針與產(chǎn)品后側(cè)的信號觸點緊密接觸。每個卡位下方設(shè)計有設(shè)備在位檢測裝置，可以檢測被測產(chǎn)品是否安裝到位，并在測試完成后通知客戶更換產(chǎn)品。

5 地震儀測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

地震儀測試系統(tǒng)軟件按功能分為兩部分：一部分是產(chǎn)品測試軟件，主要完成地震儀主機的功能測試，讀取采集數(shù)據(jù)，并對采集數(shù)據(jù)進行分析計算，得出測試結(jié)論并輸出測試報表；另一部分是進行測試系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)信息管理，測試系統(tǒng)內(nèi)部有PLC電氣控制信息、視頻監(jiān)控信息、機械手的運動信息及視覺識別信息等，所有的信息需要進行統(tǒng)一管理。

產(chǎn)品測試軟件是基于LabVIEW平臺開發(fā)的，其系統(tǒng)具有體積小巧、功能強大、處理速度快等優(yōu)點。其設(shè)計模式是基于事件結(jié)構(gòu)的人機界面(UI EventLoop)，即用控件的事件結(jié)構(gòu)來響應(yīng)用戶操作。它可以避免因輪詢導(dǎo)致的CPU浪費，而且會自動產(chǎn)生事件隊列，從而避免丟失事件。事件結(jié)構(gòu)不僅使軟件變得簡單，也大大提高了CPU的利用率，而且可以使幾個子軟件同時運行，從而在LabVIEW中實現(xiàn)多線程操作模式。產(chǎn)品測試軟件流程如圖3所示。

6 結(jié)語

礦用地震儀測試系統(tǒng)的硬件與軟件采用模塊化設(shè)計思想，使用機械臂完成了地震儀的自動抓取，測試工裝完成了多臺地震儀的固定，測試主機通過輸出不同測試信號與內(nèi)部切換完成不同信號的采集測試，同時引入了自動化測試設(shè)計，并采用了隔離、安全性、熱設(shè)計等可靠性設(shè)計方法，方案合理可行，提高了地震儀測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性。使用該測試系統(tǒng)，單臺測試時間為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)。