張 躍，孔 明

（中國(guó)計(jì)量大學(xué)計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

在當(dāng)今的國(guó)際包裝行業(yè)中，不斷提高包裝機(jī)械和系統(tǒng)的智能化和人性化變得尤為重要。薄膜包裝的缺點(diǎn)是其抗穿刺性和抗壓性較弱，在使用中會(huì)受到一定程度的限制，并且還會(huì)受到商品形狀、材料和彈性的影響[1]。不同的貨物具有不同的包裝方法和包裝要求，無(wú)法通過(guò)恒定的包裝過(guò)程參數(shù)來(lái)確定，使用相同包裝機(jī)和相同大小的緊固力的包裝效果也會(huì)不同，例如金屬物品包裝、彈性材料物品和易碎產(chǎn)品包裝，包裝的密封性和緊固力要求也不同。因此，對(duì)于大多數(shù)企業(yè)和工廠而言，他們無(wú)法確定包裝機(jī)所需的特定參數(shù)，大多都是根據(jù)工人主觀經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷是否符合要求，從而浪費(fèi)大量的人力和物力，或者纏繞匝數(shù)不足，無(wú)法滿(mǎn)足所需的束緊力要求，因此貨物不能很好的固定，造成倒垛現(xiàn)象，從而造成貨物損壞，給企業(yè)和工廠造成更大損失[2-3]，故在包裝過(guò)程中要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)主要是基于LabVIEW 和NIELVIS 數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行的。主要硬件包括壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集板卡，主要工作是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的濾波、數(shù)值轉(zhuǎn)換等處理之后，將其傳輸?shù)骄帉?xiě)的功能函數(shù)里進(jìn)行算法處理。整個(gè)系統(tǒng)主要包括：傳感器型號(hào)的選定、濾波器類(lèi)型的選定、電壓值/壓力值轉(zhuǎn)換、纏繞圈數(shù)的實(shí)時(shí)顯示等功能模塊，圖1 為系統(tǒng)整體組成。

圖1 系統(tǒng)整體組成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 壓力傳感器

壓力傳感器主要將物體上所受到的壓力轉(zhuǎn)換成可以直接測(cè)量的電壓信號(hào)[4-5]，有的傳感器還可以獲得被測(cè)物體的形狀和硬度。根據(jù)測(cè)量壓力的原理和類(lèi)型的不同，壓力傳感器可以分為差壓類(lèi)型、表壓類(lèi)型和絕對(duì)壓力類(lèi)型[6-7]。壓力傳感器的電阻值隨作用在其上的壓力大小而變化。柔性薄膜傳感器的傳感區(qū)域等效于兩端口的可變電阻，其電阻值由壓力控制，因此，開(kāi)關(guān)的閾值取決于傳感器的壓力值和性能參數(shù)，薄膜傳感器各項(xiàng)參數(shù)如表1 所示。傳感器電路具有一個(gè)靈敏度調(diào)節(jié)電阻RS和一個(gè)定值電阻R0，RS與R0串聯(lián)放置，并且在R0兩端測(cè)量輸出電壓。為了確保輸出電壓的準(zhǔn)確性，可變電阻器RS的值通常取為R0電阻值[8]的。同時(shí)，壓力傳感器還會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的誤差，例如靈敏度誤差、線(xiàn)性誤差和磁滯誤差，但是在大多數(shù)情況下，由于硅晶片具有很高的機(jī)械剛度，磁滯誤差可以完全忽略不計(jì)，僅當(dāng)壓力變化很大時(shí)才考慮滯后誤差，圖2 為傳感器的安裝固定方式。

表1 薄膜傳感器各項(xiàng)參數(shù)

圖2 傳感器的安裝固定方式

2.2 數(shù)據(jù)采集板卡NI ELVISⅡ

NI ELVIS Ⅱ數(shù)據(jù)采集板卡主要是和LabVIEW 相結(jié)合使用的，LabVIEW 提供了豐富的與數(shù)據(jù)采集板卡相配合使用的軟件資源，能夠方便地將現(xiàn)實(shí)世界中各種物理量通過(guò)傳感器檢測(cè)后，再由USB 連接線(xiàn)采集到計(jì)算機(jī)中，從而為計(jì)算機(jī)在測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮出其強(qiáng)大功能提供了更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[9-10]。

2.3 多通道的采樣方式

通用數(shù)據(jù)采集卡通常具有多個(gè)模擬輸入通道，但是大多數(shù)采集卡沒(méi)有為每個(gè)通道都配置一個(gè)D/A 轉(zhuǎn)換器，而是幾個(gè)輸入通道共享一個(gè)轉(zhuǎn)換器[11]。通過(guò)采樣與保持之間的切換可以實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)采集。從多個(gè)通道采樣數(shù)據(jù)時(shí)，采集卡將在掃描時(shí)采樣并掃描所有可用通道一次。采樣速率是板卡每秒可進(jìn)行掃描的頻率。同時(shí)，采樣方法分為三種：循環(huán)采樣、同步采樣和間隔采樣，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要確定使用哪種多通道采樣方法。在大多數(shù)情況下，通常使用間隔采樣，但是如果要求信號(hào)精確同步，則必須考慮使用具有同步采樣功能的采樣卡。當(dāng)對(duì)同步的程度沒(méi)有特殊要求的話(huà)，可選用循環(huán)采樣。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 虛擬儀器簡(jiǎn)介

虛擬儀器[12-13]的硬件部分主要用來(lái)解決信號(hào)的分析處理以及輸入輸出等方面的問(wèn)題，軟件主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的讀取并控制相關(guān)的硬件部分等功能，組建方案如圖3 所示。與傳統(tǒng)意義上的測(cè)量?jī)x器相比較，虛擬儀器具有以下特點(diǎn)：

圖3 虛擬儀器的組建方案

1）虛擬儀器的軟件和硬件系統(tǒng)具有更加開(kāi)放性、互換性和可重復(fù)使用等特點(diǎn)；

2）在用戶(hù)搭建起通用的硬件平臺(tái)之后，儀器的功能主要是由用戶(hù)編寫(xiě)的軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；

3）具體功能是用戶(hù)依照他們?cè)趯?shí)際應(yīng)用過(guò)程中的需要進(jìn)行定義和搭建的，而不是由生產(chǎn)商在進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)就已經(jīng)確定好的。

3.2 濾波器的選擇

結(jié)合本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行采集濾波，因此選擇巴特沃斯型傳感器，它的頻率響應(yīng)更加近似于理想的低通濾波器，在它的通帶頻域響應(yīng)內(nèi)最大限度的平滑，并且使用LabVIEW 進(jìn)行設(shè)計(jì)的巴特沃斯濾波器更加方便和快捷[14]。巴特沃斯型濾波器的傳遞函數(shù)表達(dá)式如下：

式中：n為階數(shù)，并且默認(rèn)是1；ω是角頻率；ωc是截止頻率。

通過(guò)把某一個(gè)單元的壓力信息數(shù)據(jù)采集之后經(jīng)快速傅里葉變換得到它的頻譜，并且提取出有效壓力信號(hào)，從而來(lái)確定截止頻率，通過(guò)濾波器濾除掉高頻信號(hào)。圖4 為濾波器程序框圖，濾波前后效果對(duì)比如圖5所示。

圖4 濾波器程序框圖

圖5 濾波前后效果對(duì)比

3.3 三維圖像顯示

三維模型的可視化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能以及要求如下：

1）可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的通道參數(shù)配置，即能夠十分靈活地設(shè)定采集信息的物理通道、接線(xiàn)方式、添加或減少測(cè)量通道等。同時(shí)硬件采集板卡可以按照新的配置文件進(jìn)行配置。

2）可以實(shí)現(xiàn)更加多樣化的三維模型實(shí)時(shí)操作功能。用戶(hù)可以隨意地對(duì)三維圖形進(jìn)行縮放、移動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)等。

3）可以實(shí)現(xiàn)傳感器的拾取功能。操作方式是在三維圖形地顯示界面下面，將鼠標(biāo)移動(dòng)到傳感器電上，可以實(shí)時(shí)顯示傳感器的相關(guān)參數(shù)和采集到的電壓值。

具體操作為：將STL 類(lèi)型的文件導(dǎo)入到LabVIEW中，在三維模型里放置傳感器，并且保證傳感器的位置和數(shù)量同實(shí)際中放置的相一致，且在這個(gè)過(guò)程中可以根據(jù)實(shí)際的情況進(jìn)行添加或減少傳感器的數(shù)量和放置的位置，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將傳感器的壓力值與不同的顏色值相綁定，根據(jù)傳感器輸出壓力值的不同，物體會(huì)在相應(yīng)位置突顯出不同的顏色，從而用戶(hù)可以十分直觀地進(jìn)行了解和觀測(cè)包裝的進(jìn)度以及不同位置受力的情況。圖6 為三維模型上的傳感器配置。

圖6 三維模型上的傳感器配置

4 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

基于LabVIEW 的包裝機(jī)束緊力檢測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的壓力信息、纏繞圈數(shù)、波形圖的實(shí)時(shí)顯示以及各項(xiàng)參數(shù)同標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)相對(duì)比等問(wèn)題，并且針對(duì)不同的包裝物體可以方便快捷地進(jìn)行包裝參數(shù)以及包裝類(lèi)型的切換等?？梢允种庇^清晰地幫助用戶(hù)實(shí)時(shí)了解包裝過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，以方便用戶(hù)做出進(jìn)一步的處理[15]。

顯示界面的視覺(jué)效果是人機(jī)交互界面最終視覺(jué)效果的具體體現(xiàn)，普通的單調(diào)文本和黑白色調(diào)很容易使用戶(hù)產(chǎn)生疲勞，帶有鮮艷色彩、動(dòng)畫(huà)的界面可以在很大程度上改善這些，同時(shí)還可以使圖像具有更加方便、直觀等優(yōu)點(diǎn)。在本次設(shè)計(jì)使用了如波形保存、數(shù)據(jù)下載等模塊，開(kāi)/關(guān)按鈕表示程序的運(yùn)行和停止，擋位切換按鈕用來(lái)切換不同采集程序，因?yàn)獒槍?duì)不同類(lèi)型的貨物需要采取不同的包裝形式，那么包裝參數(shù)也就不一樣，因此可以用這個(gè)按鈕進(jìn)行模式的切換和選擇，還擁有一些數(shù)值實(shí)時(shí)顯示模塊，用于實(shí)時(shí)顯示傳感器的壓力值和轉(zhuǎn)換后的電壓值，方便用戶(hù)實(shí)時(shí)了解機(jī)械包裝過(guò)程是否正常運(yùn)行。同時(shí)，還放置了兩個(gè)固定的數(shù)值顯示模塊，用來(lái)幫助工人了解包裝機(jī)械實(shí)時(shí)的包裝進(jìn)度，方便他們采取下一步相應(yīng)的操作，同時(shí)在界面中放置了指示燈以及蜂鳴器部件，當(dāng)包裝機(jī)械對(duì)物體產(chǎn)生的束緊力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)要求時(shí)，就會(huì)使指示燈變亮并且蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，圖7 為人機(jī)交互界面。

圖7 人機(jī)交互界面

5 結(jié) 論

本文主要實(shí)現(xiàn)了包裝機(jī)束緊力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)相應(yīng)的硬件以及軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的功能都能實(shí)現(xiàn)?；贚abVIEW 的包裝機(jī)束緊力檢測(cè)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)數(shù)據(jù)采集過(guò)程中的壓力信息、纏繞圈數(shù)、波形圖的實(shí)時(shí)顯示以及各項(xiàng)參數(shù)同標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)相對(duì)比等問(wèn)題進(jìn)行分析，同時(shí)系統(tǒng)中添加了指示燈和蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)束緊力達(dá)到所設(shè)定的參數(shù)時(shí)，會(huì)觸發(fā)指示燈變化以及蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效果，可以很大程度減少工人的工作量。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還能減少塑料袋的使用，具有較大的社會(huì)效益。