交流接觸器自動振動檢測設備

聶宗軍 王中林 賴鼎 楊金 陳鋒

摘? ?要： 研發一套交流接觸器自動振動檢測設備，實現交流接觸器產品振動性能的實時檢測。設備由輸送模組、檢測工位、數據采集分析系統、控制系統等組成。在檢測工位中，集成了加速度傳感器、壓力傳感器等裝置，并對通電探針、測試狀態、防振動泄漏、環境干擾隔離等進行了設計，尤其是為加速度傳感器設計了一種彈性簧片，有效保留產品自身的振動，使加速度數據得以有效采集。在數據采集分析系統中，通過快速傅里葉變換（FFT）將時域波形轉化為頻譜，再根據帕斯瓦爾定理將頻譜數據換算為產品振動能量值，與預先設定的閾值相比較，對產品質量進行判斷。進行人工檢測與機器檢測對比，表明機器檢測避免了人工檢測錯判較多的問題，達到了無錯判和誤判，檢測結果更為準確。交流接觸器自動振動檢測設備符合使用要求，檢測的交流接觸器產品符合出廠標準，適合在智能制造車間投入使用。

關鍵詞： 交流接觸器;振動檢測;加速度傳感器;帕斯瓦爾定理;產品振動能量值;智能制造

引言

交流接觸器作為一種執行元件，起到接通、分斷線路的作用，被廣泛運用于各類用電場合。交流接觸器工作時會產生振動及噪聲，由于振動或噪聲中蘊含著重要的產品性能缺陷信息，所以在產品生產過程中，需要對其振動或噪聲進行檢測，篩選出符合相關行業標準的產品。

機械行業標準JB/T 7435-2006[1]中規定：當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，在距離交流接觸器0.5 m處，噪聲強度應在40 dB以下。電器噪聲的常規檢驗方法包括監聽法、振動法等。監聽法是檢驗人員通過用耳聽來判斷電器噪聲是否超過規定值。振動法是檢驗人員通過用手觸摸電器來判定電器振動是否超過規定值。這兩種方法過于依賴檢驗人員的經驗，具有很大的主觀性，且測量結果一致性無法保證。文獻[2]利用加速度傳感器對電器產品振動信號進行采集，并通過軟件算法對產品振動性能進行判斷，有效規避了監聽法、振動法等方法的局限性。

為了進一步提高交流接觸器產品振動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”）研發出一臺適用于車間自動化生產的交流接觸器自動振動檢測設備。該設備對檢測機構進行了創新設計，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，為加速度傳感器設計了一種彈性簧片，該簧片集彈性、剛性、強度于一體，既能保證加速度傳感器在檢測過程中貼緊產品，又不會抑制產品自身的振動，使加速度數據得以有效采集。這一設備的研發突破了車間自動化生產瓶頸，實現了全制程自動檢測、無人監控的生產作業流程。

本文對正泰研發的交流接觸器自動振動檢測設備進行介紹。首先，基于關鍵零部件選型及功能設計，實現檢測工位的整體設計;然后，介紹交流接觸器自動振動檢測設備的總體組成及工作原理;最后，圍繞檢測設備的數據采集分析功能，進行產品實際檢測，論證檢測結果的可靠性。

1? 檢測工位設計

1.1? 產品檢測面

根據文獻[3]的描述，交流接觸器的振動源是一個均勻舒展和收縮的球面聲源，聲源表面上的點沿徑向振動。因此，為保證加速度數據采集的準確性及多樣性，檢測工位中設置了3個位置的加速度傳感器，分別采集產品兩側面（A、B面）及底面（C面）的振動數據，如圖1所示的檢測面分布。該設計的優點還在于能使產品在檢測過程中保持在穩定的狀態。

1.2? 通電探針設計

章節1.1提到，交流接觸器產品的振動以球面方式傳播，為使振動數據采集準確，通電探針安裝位置需避開加速度傳感器。出于方便維護的考慮，將通電探針設置于產品上方。檢測機構中的電極采用探針式電極，其具有彈性，可保證探針與產品通電端子在在測試過程中保持穩定、可靠接觸。

此外，在通電探針座上嵌套軟橡膠，用于接觸產品上表面。軟橡膠的優點在于其與產品接觸后，能吸收產品的振動能量，不會對產品振動的持續發出產生抑制作用，提高了檢測可靠性。

1.3? 測試狀態設計

正泰交流接觸器一般多以底面豎直狀態安裝后使用。為保證產品的振動數據更貼近實際使用狀態，檢測工位中需要模擬產品的真實使用狀態，在產品底面保持豎直的狀態下測試。

由于產品是以底面水平狀態進入設備的，故在檢測機構中需要實現產品從水平到豎直的翻轉?？紤]檢測可靠性及實現成本問題，該檢測機構中用氣缸+齒輪齒條的方式實現產品翻轉。

1.4? 防振動泄漏設計

為了減少測試過程中產品振動能量所發生的泄漏，需減少非檢測部件與產品的接觸。故該檢測工位中將產品底座的承載板設計為浮動式。測試過程中，承載板與產品底座不接觸，使產品僅與3個加速度傳感器、通電探針、軟橡膠接觸，從而保持測試過程穩定性，提高測試數據準確性。

1.5? 壓力傳感器

在檢測過程中，加速度傳感器實時貼緊產品檢測面。為將加速度傳感器的貼緊力標準化，提升檢測準確性、保證檢測良品率，需對貼緊力進行量化統計。因此在檢測工位中增加壓力傳感器，實時記錄加速度傳感器貼緊力，并上傳數據庫。并行地，可以設定壓力閾值，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，則可以判定該檢測工位加速度傳感器未能貼緊產品，該檢測工位檢測失效，并及時發出報警，以提高設備利用率。

根據檢測工位的工作要求，需對壓力傳感器的量程進行計算。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動載荷，二是氣缸輸出載荷。其中，加速度傳感器及其附件運動過程中的動載荷為

其中：

t—加速度傳感器動作時間，滿足;

L—加速度傳感器動作距離，設計距離L=3 mm;

—氣缸最大運動速度，查手冊得=500 mm/s;

m—加速度傳感器機器附件質量，設計質量m=0.4 kg。

根據上述計算結果及對壓力傳感器的設計要求，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，滿足設計要求。

1.6? 加速度傳感器

由于交流接觸器的振動微小，因此若采用傳統的加速度傳感器安裝方式，容易將產品的振動抑制，導致振動數據采集不準。通過對產品特性、加速度傳感器特性研究，設計出一種彈性簧片，作為加速度傳感器安裝件。彈性簧片可以有效促進振動數據的采集，且彈性簧片可以使加速度傳感器有一定的擺動角度，有利于使加速度傳感器完全貼合產品檢測面。加速度傳感器安裝圖如圖2所示。

根據設計要求，加速度傳感器貼緊產品后，彈性簧片最大變形量為0.5 mm。根據彈性簧片外形尺寸、受力大小、受力位置、安裝方式，對其進行仿真，以確定彈性簧片應選用何種材料。

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

1.7? 環境干擾隔離設計

根據文獻[4]的描述，該設備的使用環境復雜，包含大量的自動化設備，振動及噪聲干擾大。為了降低環境干擾，在測試工位上設置防振墊。測試表明，防振墊能有效隔離環境振動，提高測試數據的準確性。

1.8? 小結

根據章節1.1～1.7對測試工位關鍵零部件的選型及功能設計，該檢測工位的整體設計軸側圖如圖4所示。

2? 設備總體組成及工作原理

根據文獻[4]中描述的流水線布局及使用要求，交流接觸器自動振動檢測設備主要由機架、輸送模組、自動上下料模組、檢測工位、數據采集分析系統、控制系統等組成。具體介紹如下：

（1）機架作為設備主體，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，其中主輸送線用于供料并將檢測后良品輸送至下道工序，不良品輸送機用于將檢測后的不良品排出。

（3）自動上下料模組由擋分料組件、四軸機器人及掃碼器組成，實現產品來料掃碼，掃碼后通過機器人實現自動上下料功能。

（4）檢測工位主要由檢測臺、加速度傳感器、壓力傳感器等組成，實現對交流接觸器的實時在線振動檢測，是本設備的關鍵部件，已在第1章介紹。

（5）數據采集分析系統用于采集檢測過程中加速度、壓力原始數據并進行在線數據處理，并將測結果與良品/不良品判定閾值進行比對，以判定產品為良品或不良品，將在第3章詳細介紹。

（6）控制系統主要由可編程邏輯控制器（PLC）及各功能模塊組成，在實現與上位機通信的同時，驅動機械結構動作。PLC具有可靠性高、抗干擾能力強、故障率低、維護方便的特點[5-6]。配合使用運動控制模塊、通信模塊實現與上位機軟件的信號交互，控制機械結構按設定動作運動。通過使用觸摸屏，實現生產過程中的人機交互，如設備手/自動功能切換，參數設置、設備產量顯示、故障統計等，大大提高生產、調試效率。

設備總體布局如圖5所示。設備工作時，待檢產品從主輸送線進入設備，擋分料組件將產品分料并由掃碼器對分料后產品進行掃碼。掃碼后，機器人根據控制指令將產品取放至檢測工位進行檢測。檢測過程中，通過數據采集卡及壓力變送器對檢測過程中的加速度、壓力數值進行實時采集，通過算法對采集的數據進行實時在線分析，并根據設定閾值進行良品/不良品判定。判定結果與產品條碼綁定，并由機器人將產品取放至下料工位。

根據振動測試要求，單工位振動檢測節拍時間無法滿足設備使用要求。為提高設備檢測效率，在設備上設置4個檢測工位，實現多只產品同時檢測，提升設備檢測效率。

3? 數據采集分析系統

3.1? 理論構建

根據文獻[7]，交流接觸器自動振動檢測設備的數據采集分析系統需結合車間生產情況及檢測要求進行定制開發。設備的數據采集分析系統主要由加速度傳感器、壓力傳感器、數據采集卡、壓力變送器、工控機、上位機等組成。

通過加速度傳感器檢測交流接觸器外殼傳導的振動加速度數據，將采集到的加速度數據與時間數據相匹配，形成一個時域波形曲線，如圖6所示。

在理想環境下，加速度數據的有效值與交流接觸器振動大小值對應。但考慮車間實際生產情況存在的大量環境干擾，如環境噪聲、設備抖動、車間地面振動等，采樣到的加速度時域波形中混入了大量并非來自產品本身的振動數據。此時，若直接采用加速度時域有效值判定產品振動，則會導致檢測結果與實際情況具有較大偏差，無法達到檢測目的?；谏鲜銮闆r，需要對加速度時域波形進行拆分，并將干擾數據過濾掉。但是，由于時域波形各點疊加了大量干擾因素，直接對其進行拆分難度大、效率低。

根據文獻[8]，可以通過快速傅里葉變換[9]（FFT）將時域波形轉為頻譜圖，再根據譜線能量大小對干擾源進行過濾。對交流接觸器產品的大量現場振動數據進行采樣后發現，交流接觸器振動相對集中于幾個特定頻率點，這為濾除干擾和設計針對性的振動檢測算法提供了可能。圖7為產品振動頻譜圖，可以發現，在產品振動對應的頻率點上，幅值譜線高且單一，反映了產品在這幾個頻率點上的特異性，而環境干擾則無規律地分布在底層，且存在大量泄漏。

根據各種信號譜線能量值的不同，利用算法將干擾數據剝離，求解產品振動能量值，并與人工設定的閾值進行比對。若能量值在設定閾值范圍內，則產品判定為良品，否則產品判定為不良品。根據帕斯瓦爾定理[10]及FFT公式計算頻域振動能量，有

綜上所述，結合產品特性，構建出一套適合交流接觸器的數據采集分析系統，其理論框架如圖8所示。

3.2? 數據處理

根據圖8構建的理論框架，對車間交流接觸器產品進行在線檢測。檢測結果如圖9所示，矩形框內數據為產品振動能量值。

為直觀顯示產品振動能量值的波動情況，隨機抽取50只合格品及3只不合格品的檢測數據，并以圖表形式表現，如圖10所示。其中，人工設定的閾值范圍為（0， 150），、、分別表示產品的A、B、C面振動能量值?？梢园l現，合格品的3個面的振動能量值均在閾值范圍，而不合格品的振動能量值遠遠超出閾值上限。

3.3? 實際檢測

為確定交流接觸器自動振動檢測設備測試結果的可靠性，評估設備投入生產的風險性，需對設備檢測后的產品進行不間斷抽檢，表1所示為其中一組檢測結果的比對。

隨機抽檢1 200只產品進行人工、機器檢測，并將檢測結果進行橫向比對。具體步驟為：首先，人工檢測1 200只產品，統計合格率、錯判率、誤判率;然后，將這1 200只產品放入設備進行檢測，同樣統計上述數據。從表1中可以看出，人工檢測存在較多錯判，錯判率為1.5%，機器檢測無錯判、誤判，檢測結果更為準確。因此該檢測設備在車間投入使用是可行的，能夠更有效地確保檢測結果達到產品出廠標準。

4? 結論

本文介紹了正泰研發的交流接觸器自動振動檢測設備，取得的主要成效有：

（1）在檢測工位中，為加速度傳感器設計了彈性簧片，并對產品底座的承載板進行了浮動式設計，有效保留了產品自身的振動，減少了測試過程中振動能量泄漏，提高了采集數據的可靠性;

（2）在頻率域設計了一種數據采集分析算法，將振動能量值作為產品是否合格的參考指標，行之有效;

（3）實現了交流接觸器的實時檢測，以機器檢測替代人工，提升了檢測準確性和效率，檢測結果符合產品出廠標準。

參考文獻

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