婁娜, 李宏輝, 陳昊偉, 白廣華

(河南高速公路發(fā)展有限責(zé)任公司， 河南 鄭州 450000)

0 引言

在一套工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中，高速機(jī)電設(shè)備是生產(chǎn)控制的中心樞紐，它的質(zhì)量以及運(yùn)行狀態(tài)直接影響著整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高速機(jī)電設(shè)備的電路故障占整個(gè)設(shè)備故障的45%以上，因此檢測(cè)的難度也較大。

高速機(jī)電設(shè)備中的電路板規(guī)模和復(fù)雜性越來(lái)越突出，出現(xiàn)故障的頻率以及難度也越來(lái)越大。傳統(tǒng)的高速機(jī)電設(shè)備電路故障檢測(cè)主要是依靠人工排查方式，對(duì)設(shè)備電路板中可能出現(xiàn)電路故障的地方進(jìn)行人工檢測(cè)，這種方式檢測(cè)速度慢、故障類(lèi)型檢測(cè)不全面，而且對(duì)于故障檢測(cè)人員的技術(shù)條件要求較高[1]。傳統(tǒng)的故障檢測(cè)方法還有電流檢測(cè)法，主要通過(guò)對(duì)電路板中元件的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)高速機(jī)電設(shè)備的故障類(lèi)型做出判斷，這種傳統(tǒng)方法雖然能夠減少人工參與，但是當(dāng)高速機(jī)電設(shè)備中的電路板產(chǎn)生頻率變化時(shí)卻不能及時(shí)做出故障類(lèi)型判斷與檢測(cè)[2]。為了改善傳統(tǒng)方法中存在的缺陷，本文對(duì)基于人機(jī)交互的高速機(jī)電設(shè)備電路故障檢測(cè)進(jìn)行研究，引用人機(jī)交互技術(shù)將檢測(cè)電路故障的工作性質(zhì)提升到智能化層次，并通過(guò)人機(jī)交互手段快速地檢測(cè)與識(shí)別高速機(jī)電設(shè)備的電路故障，將故障定位到元件級(jí)。

本文引用的人機(jī)交互技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器與人之間的自然交互，采用機(jī)器獲取高速機(jī)電設(shè)備電路中的故障數(shù)據(jù)并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速上傳解析，較全面的檢測(cè)故障數(shù)據(jù)，并較快速地對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 基于人機(jī)交互的高速機(jī)電設(shè)備電路故障數(shù)據(jù)檢測(cè)

本文所采用的高速機(jī)電設(shè)備電路故障檢測(cè)工控主機(jī)能夠適應(yīng)多種軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)的Windows窗口，檢測(cè)操控人員可以通過(guò)顯示器中的控制按鈕、菜單、對(duì)話(huà)框等控件實(shí)現(xiàn)與機(jī)器之間的交互，控件應(yīng)用較為形象簡(jiǎn)單，便于操控人員的學(xué)習(xí)與交互控制[3]。

高速機(jī)電設(shè)備電路故障檢測(cè)工控主機(jī)建立在Windows操作系統(tǒng)之上，將單片機(jī)作為軟件程序的開(kāi)發(fā)對(duì)象，執(zhí)行語(yǔ)言采用執(zhí)行速度較快的C++語(yǔ)言作為人機(jī)交互頁(yè)面的編程語(yǔ)言[4]。根據(jù)不同頻率的參數(shù)變化作為頻率檢測(cè)支撐的計(jì)算式為式(1)。

(1)

式中，L代表故障點(diǎn)距離；U代表電路板額定電壓；I1、I2分別代表電路板與檢測(cè)裝置的線(xiàn)路電流；Z代表電路板阻抗。

在操作人員進(jìn)行電路故障數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)，需要根據(jù)高速機(jī)電設(shè)備電路板的功能要求啟動(dòng)不同類(lèi)型的電路故障檢測(cè)程序。當(dāng)電路故障數(shù)據(jù)檢測(cè)程序啟動(dòng)時(shí)，高速機(jī)電設(shè)備電路板中的歷史故障數(shù)據(jù)會(huì)被操作系統(tǒng)初始化，預(yù)防歷史數(shù)據(jù)對(duì)即將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾，操作系統(tǒng)初始化后便利用故障檢測(cè)設(shè)備對(duì)高速機(jī)電設(shè)備中的電路板進(jìn)行故障數(shù)據(jù)采集，操作系統(tǒng)若收到故障數(shù)據(jù)則確定數(shù)據(jù)的幀數(shù)是否完整，若操作系統(tǒng)沒(méi)有收到故障數(shù)據(jù)則再次向故障檢測(cè)設(shè)備獲取信息，當(dāng)故障數(shù)據(jù)幀數(shù)處于不完整狀態(tài)需要對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存處理，若故障數(shù)據(jù)的幀數(shù)完整，根據(jù)操作系統(tǒng)與故障檢測(cè)的工控主機(jī)確定故障位置并向高速機(jī)電設(shè)備串口發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢則結(jié)束故障數(shù)據(jù)采集流程[5]。故障數(shù)據(jù)的采集總流程圖，如圖1所示。

圖1 故障數(shù)據(jù)的采集總流程圖

檢測(cè)高速機(jī)電設(shè)備電路的故障并進(jìn)行精準(zhǔn)定位，首先需要在檢測(cè)機(jī)器的操作系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一套軟件流程頁(yè)面，能夠?qū)v史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化以及故障檢測(cè)類(lèi)型選擇，然后再根據(jù)高速機(jī)電設(shè)備中的電路板型號(hào)選擇相應(yīng)的子界面，實(shí)現(xiàn)任意一個(gè)電路板的故障數(shù)據(jù)檢測(cè)診斷[6-7]。操作系統(tǒng)的軟件流程頁(yè)面主要由電路板測(cè)試部分、操作幫助部分、數(shù)據(jù)庫(kù)三部分組成，操作系統(tǒng)的構(gòu)成框圖，如圖2所示。

圖2 操作系統(tǒng)的構(gòu)成框圖

在對(duì)高速機(jī)電設(shè)備電路板故障檢測(cè)過(guò)程中，被測(cè)電路板的實(shí)時(shí)界面將會(huì)被攝像裝置拍攝并呈現(xiàn)在操作人員所操作的系統(tǒng)顯示屏中，同時(shí)會(huì)將操作人員的操作流程在顯示屏中顯示，顯示屏還會(huì)為操作人員提供相應(yīng)的檢測(cè)信息參考數(shù)據(jù)，使故障數(shù)據(jù)的采集檢測(cè)流程更加直觀(guān)[8]。應(yīng)用人機(jī)交互技術(shù)對(duì)高速機(jī)電設(shè)備電路板數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)共有三種方法，分別為自動(dòng)檢測(cè)方法、手動(dòng)檢測(cè)方法、人工輔助檢測(cè)方法。自動(dòng)檢測(cè)方法是選擇了被測(cè)電路板的類(lèi)型后，高速機(jī)電設(shè)備電路故障檢測(cè)設(shè)備自動(dòng)對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)收集并進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存；手動(dòng)檢測(cè)方法是選擇了被測(cè)電路板的類(lèi)型后，操作人員按照系統(tǒng)提示步驟進(jìn)行故障檢測(cè)；人工輔助檢測(cè)方法主要通過(guò)邏輯筆等結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的可移動(dòng)檢測(cè)設(shè)備在高速機(jī)電設(shè)備的電路節(jié)點(diǎn)上測(cè)量故障范圍的性能與工作狀態(tài)，對(duì)電路板的故障進(jìn)行輔助檢測(cè)[9]。

電流檢測(cè)法應(yīng)用的計(jì)算式為式(2)。

(2)

式中，沒(méi)有阻抗作頻率限制工作，導(dǎo)致無(wú)法快速的切換檢測(cè)狀態(tài)，同式(1)一樣，L代表故障點(diǎn)距離;U代表電路板額定電壓;I1、I2分別代表電路板與檢測(cè)裝置的線(xiàn)路電流。

在對(duì)電路板檢測(cè)的過(guò)程中，需要對(duì)高速機(jī)電設(shè)備的電路板電源進(jìn)行檢測(cè)，分別檢測(cè)電路板電源的電壓值、電流值、電源特性[10]。為了能夠同時(shí)對(duì)這三方面進(jìn)行測(cè)試，本文設(shè)計(jì)了電源檢測(cè)體系，體系構(gòu)成如圖3所示。

圖3 電源檢測(cè)體系構(gòu)成圖

本文應(yīng)用時(shí)序電路檢測(cè)技術(shù)對(duì)高速機(jī)電設(shè)備的信號(hào)發(fā)出頻率不同的故障電路板進(jìn)行檢測(cè)，時(shí)序電路檢測(cè)技術(shù)主要通過(guò)高速機(jī)電設(shè)備中的單片機(jī)接口芯片實(shí)現(xiàn)，芯片的數(shù)字量輸入端口通過(guò)運(yùn)算將故障信號(hào)進(jìn)行調(diào)整，端口數(shù)據(jù)再進(jìn)入譯碼器對(duì)時(shí)序電路信號(hào)進(jìn)行控制檢測(cè)[11-12]。被測(cè)的電路板向時(shí)序電路檢測(cè)設(shè)備中發(fā)送檢測(cè)信號(hào)，由電路板數(shù)據(jù)接收端口檢測(cè)正常電路板的電壓與故障電路板的電壓差值，根據(jù)差值的范圍不同可以規(guī)劃多路信號(hào)的頻率變化[13]。時(shí)序電路檢測(cè)設(shè)備接線(xiàn)圖，如圖4所示。

圖4 時(shí)序電路檢測(cè)設(shè)備接線(xiàn)圖

2 基于人機(jī)交互的高速機(jī)電設(shè)備電路故障數(shù)據(jù)分析

對(duì)人機(jī)交互的高速機(jī)電設(shè)備故障數(shù)據(jù)分析類(lèi)型主要分為兩種，其一為人機(jī)交互的高速機(jī)電設(shè)備電路故障數(shù)據(jù)的診斷分析，目的是確定故障的范圍以及故障的類(lèi)型等；其二是分析用戶(hù)的交互任務(wù)，目的是為故障檢測(cè)操作人員提供操作界面，顯示故障數(shù)據(jù)的傳輸類(lèi)型和故障范圍顯示等，這部分的分析內(nèi)容實(shí)用性較強(qiáng)，能夠?yàn)椴僮魅藛T帶來(lái)更佳的操作體驗(yàn)感[14]。選擇的數(shù)據(jù)庫(kù)分析模式，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫(kù)分析模式圖

對(duì)故障數(shù)據(jù)的診斷分析主要是應(yīng)用電路板中的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)和JHA狀態(tài)數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，當(dāng)兩種數(shù)據(jù)的類(lèi)型有差異時(shí)則確定高速機(jī)電設(shè)備的電路板產(chǎn)生故障，需要將故障數(shù)據(jù)定位到故障源點(diǎn)，將故障源點(diǎn)的位置通過(guò)交互技術(shù)顯示出來(lái)便可以找到發(fā)生故障的電路板元件[15]。

故障數(shù)據(jù)的診斷通常是比較故障數(shù)據(jù)的狀態(tài)差異，通過(guò)差異在邏輯上判斷故障元件，當(dāng)需要確定高速機(jī)電設(shè)備電路中的故障范圍時(shí)，需要將故障數(shù)據(jù)范圍擴(kuò)大，當(dāng)故障范圍擴(kuò)大到與JHA數(shù)據(jù)狀態(tài)一致時(shí)，方可確定故障的范圍，根據(jù)故障數(shù)據(jù)分析電路板的故障范圍設(shè)備檢測(cè)接線(xiàn)原理圖，如圖6所示。

圖6 故障數(shù)據(jù)分析電路板故障范圍設(shè)備檢測(cè)接線(xiàn)原理圖

本文中的人機(jī)交互主要是通過(guò)操作鍵盤(pán)和LCD顯示來(lái)進(jìn)行的，本文中的人機(jī)交互界面采用數(shù)據(jù)窗口設(shè)計(jì)，每個(gè)窗口的彈出均涉及到故障數(shù)據(jù)的處理函數(shù)，在界面中可以同時(shí)兼容150個(gè)故障數(shù)據(jù)函數(shù)，操作人員可以對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行選擇、編輯，所有的故障數(shù)據(jù)還可以歸屬于同一個(gè)窗口，方便響應(yīng)操作人員的命令[16]。人機(jī)交互的顯示界面中主要通過(guò)故障數(shù)據(jù)的打點(diǎn)與方向進(jìn)行控制，界面所顯示的圖形均需要依靠點(diǎn)數(shù)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如式(3)。

(3)

式中，x、y分別代表顯示界面中的坐標(biāo)點(diǎn)；n代表故障數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)；v代表電路板中的故障范圍[17]。由于系統(tǒng)中沒(méi)有字庫(kù)，因此本文應(yīng)用陣列的方式，通過(guò)屏幕像素顯示的方式完成人機(jī)交流之間的交互便于對(duì)故障數(shù)據(jù)的分析，通常的陣列節(jié)點(diǎn)有12×12和24×24兩種型號(hào)的陣列模式，高速機(jī)電設(shè)備中電路板所產(chǎn)生的故障數(shù)據(jù)完全可以通過(guò)12×12模式下的陣列顯示，同時(shí)為了避免采用更高模式下的顯示陣列會(huì)對(duì)故障的數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生卡頓影響，所以本文應(yīng)用12×12模式陣列顯示界面，在12×12模式陣列中的故障定位點(diǎn)的顯示區(qū)域圖，如圖7所示。

圖7 在12×12模式陣列中的故障定位點(diǎn)的顯示區(qū)域圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證本文采用的基于人機(jī)交互的高速機(jī)電設(shè)備電路故障檢測(cè)方法能夠更加精準(zhǔn)快速地完成故障檢測(cè)，并且能夠適應(yīng)高速機(jī)電設(shè)備在頻率變化的狀態(tài)下進(jìn)行故障檢測(cè)，本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明本文方法在故障檢測(cè)精準(zhǔn)度方面優(yōu)于參考文獻(xiàn)[1]引出的方法，在變頻故障檢測(cè)方面優(yōu)于參考文獻(xiàn)[2]引出的傳統(tǒng)方法。

實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中需要一定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)的軟件環(huán)境支撐，本文設(shè)定兩套實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別作為本文方法與傳統(tǒng)方法之間的對(duì)比環(huán)境，本文方法與參考文獻(xiàn)[1]中引用的人工故障檢測(cè)法對(duì)比實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表1所示。

表1 本文方法與參考文獻(xiàn)[1]對(duì)比實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

本文方法與參考文獻(xiàn)[2]中引用的電流故障檢測(cè)法對(duì)比實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表2所示。

表2 本文方法與參考文獻(xiàn)[2]對(duì)比實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

實(shí)驗(yàn)參數(shù)中CMT主要用于支持高速機(jī)電設(shè)備電路故障數(shù)據(jù)的采集檢測(cè)功能，Open NI主要為操作人員提供電路板中故障所在范圍的三維圖像。

本實(shí)驗(yàn)的人機(jī)交互對(duì)象主要由6個(gè)自由控制機(jī)器人組成，操控人員通過(guò)對(duì)機(jī)器人的自由操控獲取高速機(jī)電設(shè)備電路板中的電路故障數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中首先將機(jī)器人的攝影組成部分投放到高速機(jī)電設(shè)備的電路板中，機(jī)器人應(yīng)用邏輯筆將電路板中的故障數(shù)據(jù)范圍確定后，將數(shù)據(jù)通過(guò)顯示屏以圖像的方式傳達(dá)給操作人員，操作人員再進(jìn)行故障數(shù)據(jù)分析，當(dāng)電路板工作頻率變化時(shí)操作人員啟動(dòng)時(shí)序電路故障檢測(cè)程序，再次對(duì)不同頻率的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。

為本文方法與參考文獻(xiàn)[1]中引出的人工故障檢測(cè)法的故障檢測(cè)精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)比較圖，如圖8所示。

圖8 本文方法與文獻(xiàn)[1]偏差值檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖8可知，采用人工故障檢測(cè)方法進(jìn)行故障檢測(cè)偏差值波動(dòng)較大，范圍在-0.015 mm到0.015 mm之間，采用本文檢測(cè)方法進(jìn)行故障檢測(cè)偏差值波動(dòng)較小，范圍在-0.010 mm 到0.010 mm之間。通過(guò)對(duì)比可知，采用本文檢測(cè)方法進(jìn)行故障檢測(cè)比人工故障檢測(cè)方法精準(zhǔn)度更高，所以，應(yīng)該多采用本文方法進(jìn)行故障檢測(cè)。

本文方法與參考文獻(xiàn)[2]中引出的電流故障檢測(cè)法的電路板變頻故障檢測(cè)效果對(duì)比圖，如圖9所示。

圖9 本文方法與文獻(xiàn)[2]偏差值檢測(cè)偏差值實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖中的對(duì)比結(jié)果可知，采用本文方法進(jìn)行電路板變頻故障檢測(cè)偏差值波動(dòng)較大，范圍在-0.012到0.016之間，采用電流故障檢測(cè)法進(jìn)行電路板變頻故障檢測(cè)偏差值波動(dòng)較小，范圍在-0.002到0.002之間，由此可以看出，與電流故障檢測(cè)法相比，本文方法精準(zhǔn)度更高。本文方法采用人機(jī)交互的模式，利用邏輯筆對(duì)人工難以檢測(cè)的部分進(jìn)行故障檢測(cè)，并且本文方法可以將故障狀態(tài)以圖像的形式傳達(dá)給操作人員，方便人與機(jī)器之間的互動(dòng)。高速機(jī)電設(shè)備電路板進(jìn)行變頻時(shí)，電流故障檢測(cè)法不能及時(shí)地切換故障檢測(cè)方式，需要一定的過(guò)渡時(shí)間，本文方法可以通過(guò)操作人員的程序啟動(dòng)進(jìn)行時(shí)序電路故障檢測(cè)法，及時(shí)地對(duì)不同頻率的電路板故障進(jìn)行檢測(cè)。

4 總結(jié)

高速機(jī)電設(shè)備是否正常運(yùn)行關(guān)乎著整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)的運(yùn)作狀態(tài)，面對(duì)高速機(jī)電設(shè)備中故障發(fā)生率最高的電路故障，本文對(duì)人機(jī)交互的高速機(jī)電設(shè)備電路故障檢測(cè)進(jìn)行研究，通過(guò)機(jī)器對(duì)人工不能檢測(cè)到的部分進(jìn)行拓展檢測(cè)，應(yīng)用時(shí)序電路故障檢測(cè)法改善了對(duì)變頻電路板的故障檢測(cè)，完善了高速機(jī)電設(shè)備的電路故障檢測(cè)領(lǐng)域。