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        電動(dòng)揚(yáng)聲器智能檢測(cè)與自動(dòng)分類(lèi)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2021-02-25 11:40:44張文斌景亞鵬蘇海濤
        儀表技術(shù)與傳感器 2021年1期
        關(guān)鍵詞:電聲焊點(diǎn)揚(yáng)聲器

        郭 慶,張文斌,景亞鵬,覃 暢,蘇海濤

        (1.桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動(dòng)化學(xué)院,廣西桂林 541004;2.廣西自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西桂林 541004)

        0 引言

        揚(yáng)聲器是一種直接把電能轉(zhuǎn)化成為聲音的換能器件[1]。隨著國(guó)內(nèi)電聲行業(yè)的飛速發(fā)展,揚(yáng)聲器也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展,但在揚(yáng)聲器設(shè)計(jì)、優(yōu)化等方面還與國(guó)外的揚(yáng)聲器生產(chǎn)廠(chǎng)商存在著一定差距[2]。這就要求揚(yáng)聲器生產(chǎn)廠(chǎng)商加強(qiáng)揚(yáng)聲器的出廠(chǎng)品控管理,在揚(yáng)聲器出廠(chǎng)前對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量[3]。

        國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)對(duì)揚(yáng)聲器數(shù)字測(cè)量技術(shù)上的研究起步尚晚。目前國(guó)內(nèi)揚(yáng)聲器企業(yè)中最常采用的揚(yáng)聲器檢測(cè)方法是人工試聽(tīng),并且依靠人工搬運(yùn)揚(yáng)聲器至檢測(cè)工位進(jìn)行檢測(cè)及分類(lèi),工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,企業(yè)生產(chǎn)成本高[4-6]。因此實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器的智能化檢測(cè)與自動(dòng)分類(lèi)對(duì)揚(yáng)聲器生產(chǎn)廠(chǎng)家有著重要作用。

        針對(duì)上述存在的問(wèn)題,本文提出將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與機(jī)械裝置相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器自動(dòng)化檢測(cè)與分類(lèi),并與揚(yáng)聲器電聲參數(shù)測(cè)量軟件共同搭建了揚(yáng)聲器的智能檢測(cè)與自動(dòng)分類(lèi)系統(tǒng)。

        1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)主要分為揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位模塊、揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊和電聲參數(shù)測(cè)量模塊,如圖1所示,揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位模塊由工業(yè)相機(jī)與圖像處理算法組成,用于識(shí)別揚(yáng)聲器焊點(diǎn)的準(zhǔn)確位置;揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊由機(jī)械裝置和主控電路等組成,其作用是調(diào)整揚(yáng)聲器焊點(diǎn)的位置,并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果分類(lèi)揚(yáng)聲器;電聲參數(shù)測(cè)量模塊是用來(lái)測(cè)量揚(yáng)聲器電聲參數(shù),由聲電轉(zhuǎn)化設(shè)備、信號(hào)調(diào)理電路和電聲參數(shù)測(cè)量軟件構(gòu)成。

        圖1 系統(tǒng)整體框圖

        系統(tǒng)的工作流程如圖2所示,由各個(gè)模塊相互配合完成,分為以下4步:

        (1)揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位模塊進(jìn)行揚(yáng)聲器的焊點(diǎn)定位,通過(guò)工業(yè)相機(jī)對(duì)待測(cè)揚(yáng)聲器拍照,接著利用圖像算法,識(shí)別與定位揚(yáng)聲器焊點(diǎn)相對(duì)位置,計(jì)算揚(yáng)聲器所需旋轉(zhuǎn)角度β;

        (2)旋轉(zhuǎn)角度β傳輸至揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊,主控電路控制機(jī)械裝置將待測(cè)揚(yáng)聲器焊點(diǎn)與測(cè)試探針接觸;

        (3)揚(yáng)聲器發(fā)聲,電聲參數(shù)測(cè)量模塊工作,處理?yè)P(yáng)聲器的電聲信號(hào),得出各類(lèi)電聲參數(shù);

        (4)將檢測(cè)完成的揚(yáng)聲器通過(guò)揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊進(jìn)行揚(yáng)聲器的分類(lèi)工作,送至目標(biāo)位置。

        圖2 系統(tǒng)工作流程

        2 揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位模塊設(shè)計(jì)

        揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位模塊的工業(yè)相機(jī)的像素為1 000萬(wàn),已知相機(jī)選型公式為

        F=FOV/D

        (1)

        式中:FOV為視野范圍;D為視覺(jué)模塊的識(shí)別精度;F為工業(yè)相機(jī)的像素[7]。

        該相機(jī)拍攝區(qū)域?yàn)?10 mm×297 mm,可得出識(shí)別精度D為0.006 237 mm,充分滿(mǎn)足了揚(yáng)聲器焊點(diǎn)的識(shí)別精度。

        利用工業(yè)相機(jī)識(shí)別揚(yáng)聲器焊點(diǎn),及定位其中心點(diǎn)位置,根據(jù)反三角函數(shù),計(jì)算出揚(yáng)聲器所需旋轉(zhuǎn)的角度β值,從而實(shí)現(xiàn)探針與焊點(diǎn)的對(duì)接,示意圖如圖3所示。

        圖3 焊點(diǎn)與探針位置關(guān)系示意圖

        對(duì)圖像建立像素坐標(biāo)系,揚(yáng)聲器所需旋轉(zhuǎn)的角度β值共有4種情況,假設(shè)揚(yáng)聲器中心a點(diǎn)像素坐標(biāo)為(m,n),焊點(diǎn)中心b點(diǎn)像素坐標(biāo)為(x,y),各情況對(duì)應(yīng)不同β值,如圖4所示。

        系統(tǒng)采用LabVIEW軟件處理捕獲圖像,主要分為2個(gè)部分,圖像預(yù)處理與焊點(diǎn)定位信息的提取,圖像處理流程圖如圖5所示。

        圖5 揚(yáng)聲器焊點(diǎn)的圖像處理流程圖

        圖像預(yù)處理部分主要是提取焊點(diǎn)圖像。對(duì)圖像進(jìn)行ROI區(qū)域選擇,以避免其他無(wú)關(guān)圖像對(duì)目標(biāo)圖像干擾;對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行灰度化處理,方便后續(xù)的分析與處理工作;在一定光強(qiáng)變化范圍內(nèi),采用自適應(yīng)最大類(lèi)間方差法來(lái)確定最佳閾值,并消除圖像噪聲,使焊點(diǎn)圖像識(shí)別無(wú)誤。

        完成目標(biāo)和背景分離后,對(duì)焊點(diǎn)圖像進(jìn)行最小外接矩陣,獲取焊點(diǎn)中心定位信息,并根據(jù)焊點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)值,計(jì)算揚(yáng)聲器所需調(diào)整角度β。圖6所示為圖像的算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

        3 揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊設(shè)計(jì)

        揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊的結(jié)構(gòu)框圖,如圖7所示。通過(guò)RS232串口,將圖像處理結(jié)果與揚(yáng)聲器分類(lèi)結(jié)果傳至MCU處理,以控制機(jī)械裝置完成揚(yáng)聲器焊點(diǎn)接入測(cè)試端口及結(jié)果分類(lèi)。

        圖7 揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊結(jié)構(gòu)框圖

        根據(jù)合作企業(yè)的要求,設(shè)計(jì)了揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊的布局方案,如圖8所示,圖中可旋轉(zhuǎn)的連桿將揚(yáng)聲器從待檢測(cè)位置送至檢測(cè)位置檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,將揚(yáng)聲器放置在不同等級(jí)(A、B、C)的對(duì)應(yīng)位置,從而實(shí)現(xiàn)了待測(cè)對(duì)象的分類(lèi)。

        機(jī)械裝置包括底座、揚(yáng)聲器位置調(diào)整裝置、揚(yáng)聲器探針通訊裝置。如圖9所示,揚(yáng)聲器位置調(diào)整裝置由一號(hào)電機(jī)、二號(hào)電機(jī)、三號(hào)絲桿電機(jī)和吸盤(pán)等組成,揚(yáng)聲器探針通訊裝置由探針與四號(hào)絲桿電機(jī)組成。各電機(jī)與硬件系統(tǒng)內(nèi)的主控電路連接,探針與硬件系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)調(diào)理電路連接[8-9]。

        其工作原理主要為3部分。首先,主控電路驅(qū)動(dòng)一號(hào)步進(jìn)電機(jī),帶動(dòng)同步輪與皮帶轉(zhuǎn)動(dòng),從而使連桿旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)位置,實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器位置的準(zhǔn)確調(diào)整。其次,當(dāng)連桿帶動(dòng)吸盤(pán)轉(zhuǎn)至待檢測(cè)位置正上方時(shí),三號(hào)絲桿電機(jī)正向工作,促使吸盤(pán)向下運(yùn)動(dòng),直至吸盤(pán)貼合揚(yáng)聲器的中心位置。啟動(dòng)氣泵,吸盤(pán)吸住揚(yáng)聲器后,

        (a)揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊工作臺(tái)俯視圖

        (b)揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊各部分連接示意圖圖8 揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊整體布局示意圖

        圖9 機(jī)械裝置示意圖

        三號(hào)絲桿電機(jī)反向工作,揚(yáng)聲器與吸盤(pán)向上運(yùn)動(dòng),即揚(yáng)聲器被拾取。然后驅(qū)動(dòng)一號(hào)電機(jī)工作,將揚(yáng)聲器懸空于仿真耳上,二號(hào)步進(jìn)電機(jī)控制揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)動(dòng),使揚(yáng)聲器的焊點(diǎn)位置對(duì)準(zhǔn)探針;在三號(hào)絲桿電機(jī)正向工作時(shí),揚(yáng)聲器放置在仿真耳上,此時(shí)揚(yáng)聲器與探針處于同一平面。最后,啟動(dòng)四號(hào)絲桿步進(jìn)電機(jī),使探針向前運(yùn)動(dòng),從而觸碰揚(yáng)聲器的焊點(diǎn),實(shí)現(xiàn)揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊和電聲參數(shù)測(cè)量模塊的無(wú)縫對(duì)接。最后根據(jù)電聲參數(shù)測(cè)量模塊的檢測(cè)結(jié)果,一號(hào)電機(jī)工作,將揚(yáng)聲器送至目標(biāo)位置。

        4 揚(yáng)聲器電聲參數(shù)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)

        揚(yáng)聲器電聲參數(shù)測(cè)量模塊的結(jié)構(gòu)框圖,如圖10所示。聲卡的LINE OUT L接口發(fā)出連續(xù)對(duì)數(shù)掃頻信號(hào),信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大模塊后,分為2路信號(hào):第1路信號(hào)通過(guò)電流檢測(cè)模塊,再通過(guò)LINE IN R返回,即為電學(xué)信號(hào);第2路信號(hào)激勵(lì)待測(cè)電動(dòng)揚(yáng)聲器,并通過(guò)聲電轉(zhuǎn)化設(shè)備采集揚(yáng)聲器的聲音響應(yīng),通過(guò)LINE IN L返回,即為聲學(xué)信號(hào)[10]。對(duì)采集的電聲信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,經(jīng)測(cè)量算法[11-13]計(jì)算后,得到所需要的電聲參數(shù)。

        圖10 電聲參數(shù)測(cè)量模塊結(jié)構(gòu)框圖

        為了使廠(chǎng)家方便使用測(cè)量系統(tǒng),設(shè)計(jì)了如圖11所示的測(cè)量軟件界面,界面由菜單欄、測(cè)量模式選擇、相機(jī)與串口選擇、測(cè)量參數(shù)結(jié)果顯示等組成,界面簡(jiǎn)潔,操作簡(jiǎn)單,并且用戶(hù)可以根據(jù)需求設(shè)置測(cè)試信號(hào)參數(shù)與靈敏度分檔數(shù)值區(qū)間,如圖12所示。

        圖11 揚(yáng)聲器電聲參數(shù)測(cè)量軟件界面

        圖12 測(cè)量軟件設(shè)置界面

        5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        為檢驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性,搭建了電動(dòng)揚(yáng)聲器智能檢測(cè)與自動(dòng)分類(lèi)系統(tǒng),并進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),圖13為系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖。

        圖13 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

        為了驗(yàn)證圖像算法的可靠性,在不同光強(qiáng)度下,對(duì)多角度擺放的揚(yáng)聲器進(jìn)行拍照及圖像處理,獲取其焊點(diǎn)中心像素并與理論值進(jìn)行比較。表1為揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位誤差測(cè)試結(jié)果,最大誤差為-0.068 61 mm,滿(mǎn)足焊點(diǎn)定位精度要求,表明圖像算法穩(wěn)定可靠。

        表1 揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位誤差測(cè)試結(jié)果

        揚(yáng)聲器焊點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)誤差直接影響揚(yáng)聲器焊點(diǎn)能否與探針接觸,因此需要對(duì)二號(hào)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度與圖像處理所得角度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。測(cè)量設(shè)備使用ZKP3808-001G-2000BZ1-12-24C半空增量式旋轉(zhuǎn)編碼器和其配套的ECC3810編碼器采集卡。測(cè)量方法是將編碼器與步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行同軸連接,步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)編碼器同步轉(zhuǎn)動(dòng),最后編碼器采集卡采集步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度并發(fā)送給計(jì)算機(jī)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)得出焊點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差在±1°內(nèi),焊點(diǎn)與探針即可接觸無(wú)誤。表2為部分揚(yáng)聲器焊點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差測(cè)試結(jié)果。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        本文完成了各功能模塊設(shè)計(jì),給出了焊點(diǎn)定位模塊、揚(yáng)聲器位置調(diào)整與分類(lèi)模塊和電聲參數(shù)測(cè)量模塊的軟硬件設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,揚(yáng)聲器焊點(diǎn)定位最大誤差為-0.068 61 mm,焊點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差在±1°內(nèi),系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高,測(cè)量軟件操作簡(jiǎn)單,使用方便,為揚(yáng)聲器自動(dòng)化檢測(cè)提供了切實(shí)可行的方案。

        表2 揚(yáng)聲器焊點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)誤差測(cè)試結(jié)果

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