CN109444263B - 一种基于频响函数的装配质量检测系统及方法 - Google Patents

一种基于频响函数的装配质量检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于频响函数的装配质量检测系统及方法，包括：冲击激励单元、测量单元、分析单元以及输出显示单元；在被测衬板上设置至少一个测点，冲击激励单元在每一个测点位置产生振动信号；测量单元包括加速度传感器，在衬板上与冲击激励单元作用面相对的一面的每一个测点位置设置加速度传感器，采集加速度信号并传送至分析单元，所述分析单元对采集到的数据进行分析，判断装配质量是否合格；分析单元将分析结果传送至输出显示单元进行显示。本方案在检测衬板装配质量时不需要视觉系统，有效解决作业环境视觉遮挡、光线恶劣等问题；采用自动化方式实现检测分析，节约人力，减少工作人员工作量。

Description

一种基于频响函数的装配质量检测系统及方法
技术领域
本发明涉及球磨机筒体内衬板的装配质量检测技术领域，具体而言，涉及到一种基于频响函数的装配质量检测系统及方法。
背景技术
球磨机筒体内侧安装着各种各样的衬板，用来保护磨机，使用一段时间后就会产生不同程度的磨损，需要对其不定期更换。更换的衬板的装配质量，影响衬板的使用寿命。在磨机衬板装配过程中，由于装配力或其他不确定性因素，会导致装配质量不稳定。目前装配质量的检测方法大部分基于机器视觉的方法，但在视觉遮挡等情况下，不能很好的进行装配质量判别。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于频响函数(频率响应函数)的装配质量检测系统及方法，该系统及方法不需要视觉系统，有效解决作业环境视觉遮挡、光线恶劣等问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
在一个或多个实施方式中公开的一种基于频响函数的装配质量检测系统，包括：冲击激励单元、测量单元、分析单元以及输出显示单元；
在被测衬板上设置至少一个测点，冲击激励单元在每一个测点位置产生振动信号；测量单元包括加速度传感器，在衬板上与冲击激励单元作用面相对的一面的每一个测点位置设置加速度传感器，采集加速度信号并传送至分析单元，所述分析单元对采集到的数据进行分析，判断装配质量是否合格；分析单元将分析结果传送至输出显示单元进行显示。
进一步地，所述冲击激励单元包括：用于在测点位置产生振动信号的力锤或者振动台。
进一步地，所述测量单元还包括：依次串联连接的放大电路和AD转换电路，放大电路与加速度传感器连接，AD转换电路与分析单元连接。
进一步地，所述分析单元对各测点进行频响函数估计，根据估计的频响函数，求出幅频特性和相频特性，并根据幅频特性和相频特性计算相干函数，通过相干函数评定频响函数估计的可信度；将幅频特性、相频特性及相干函数曲线输入装配质量库，采用模板匹配法与装配装量对应的特性曲线进行匹配，如果匹配成功则装配质量合格，否则不合格。
在一个或多个实施方式中公开的一种基于频响函数的装配质量检测方法，包括：
以反映被测衬板的构型为原则，在被测衬板上布置合适的测点；
采集设定采样频率，采用多点冲击激励法，采集每一个测点的加速度信号；
根据采集到的加速度信号计算出真正作用于被测衬板上的作用力；
对各测点进行频响函数估计；
根据估计的频响函数，求出幅频特性和相频特性；
根据幅频特性和相频特性计算相干函数，通过相干函数评定频响函数估计的可信度；
将幅频特性、相频特性及相干函数曲线输入装配质量库，采用模板匹配法与装配装量对应的特性曲线进行匹配，如果匹配成功则装配质量合格，否则不合格。
进一步地，所述根据采集到的加速度信号计算出真正作用于被测衬板上的作用力ft，具体为：
Figure BDA0001882259270000021
其中，fm为实际施加在衬板上的激励力，
Figure BDA0001882259270000022
为三维力传感器的附加质量，
Figure BDA0001882259270000023
为激振系统引入的附加质量，a为三维力传感器附加质量
Figure BDA0001882259270000024
和激振系统引入的附加质量
Figure BDA0001882259270000025
所消耗的惯性加速度。
进一步地，所述对各测试的响应点进行频响函数估计，具体为：
设输入端激励力矩阵f(t)N×1，输出端响应矩阵x(t)O×1，对应频率域的激励力和响应力矩阵分别为F(f)N×1和X(f)O×1；
假设输入端的噪声矩阵m(t)N×1，对应测量单元输出端矩阵n(t)O×1，对应频率域输入噪声和输出噪声矩阵为M(f)N×1和N(f)O×1；
测量单元测得时域输入信号a(t)N×1，输出信号b(t)O×1，频域为A(f)N×1、B(f)O×1，则输入输出之间的关系为：
a(t)＝f(t)+m(t)
b(t)＝x(t)+n(t)
或者
A(f)＝F(f)+M(f)
B(f)＝X(f)+N(f)
则理想情况下，系统频响函数估计式为：X(f)＝H(f)F(f)；
当有噪声污染时，频响函数估计式为：
Figure BDA0001882259270000026
其中，H(f)、
Figure BDA0001882259270000031
分别是理想情况和有噪声污染时的单位激励响应。
进一步地，系统的频响函数估计模型根据H3估计法得到，即
Figure BDA0001882259270000032
Figure BDA0001882259270000033
其中，
H1(f)＝Gfx(f)Gff(f)-1
Figure BDA0001882259270000034
H2(f)＝Gxx(f)Gxf(f)-1
Figure BDA0001882259270000035
其中，Gfx(f)实测输入信号和实测输出信号的互谱均值，Gff(f)实测输入信号的的自谱均值，Gab(f)实测输入噪声信号的自谱均值，GaQ(f)系统输入噪声的自谱均值，Gxx(f)实测输出信号的自谱均值，Gxf(f)实测输出信号和实测输入信号的互谱均值，Gbb(f)实测输出噪声的自谱均值，GbQ(f)系统输出信号的自谱均值。
进一步地，根据估计的频响函数，求出幅频特性和相频特性，具体为：
Figure BDA0001882259270000036
θ(w)＝∠G(jw)；
其中，Φ(jw)为幅频特性、G(jw)为频率响应、X是信号的输入、Y是信号的输出、θ(w)信号的相频特性。
进一步地，根据幅频特性和相频特性计算相干函数，具体为：
Figure BDA0001882259270000037
其中，
Figure BDA0001882259270000038
Gx(f)输入谱、Gy(f)输出谱、Gxy(f)输入与输出的互谱、Sx(f)输入谱密度、Sy(f)输出谱密度、Sxy(f)条件谱密度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本方案在检测衬板装配质量时不需要视觉系统，有效解决作业环境视觉遮挡、光线恶劣等问题；采用自动化方式实现检测分析，节约人力，整个过程可在测量单元的提醒下完成，减少工作人员工作量。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是基于频响函数的装配质量检测系统示意图；
图2(a)-(b)分别是衬板测点布置示意图；
图3是冲击激励单元示意图；
图4是基于频响函数的装配质量检测方法流程图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中公开的一种基于频响函数的装配质量检测系统，如图1所示，包括：冲击激励单元、被测结构件、测量单元、分析单元及输出显示单元。
其中，冲击激励单元主要通过力锤或振动台等产生振动信号；
被测结构件是磨机衬板，包括长方形和三角形两种型号，如图2(a)和图2(b)所示，根据衬板的型号，在衬板上选择合适的测点；测点的选择以反映被测结构件的构型为原则。冲击激励单元在每一个测点产生冲击激励信号。
测量单元主要由传感器和调理电路组成；传感器为三轴加速度传感器，设置在每一个测点位置；调理电路包括信号放大电路和AD转换电路；将传感器采集到的信号放大、转换后送入分析单元；
分析单元主要通过计算机对采集来的信号进行分析处理；
输出显示单元主要包括显示器和打印机等，将分析单元输出的检测结果进行显示和打印。
在另外一些实施方式中，公开了一种基于频响函数的装配质量检测方法，如图4所示，包括以下步骤：
(1)以反映被测结构件的构型为原则，根据检测结构件布置合适的测点，见图二；
(2)安装力锤、三轴加速度传感器等，采用冲击激励法。由于衬板结构巨大，需要大的能量激励，采用多点激励法，如图3，设实际施加在结构上的激励力fm,真正作用于结构件上的作用力为ft,是扣除三维力传感器附加质量
Figure BDA0001882259270000051
和激振系统引入的附加质量
Figure BDA0001882259270000052
所消耗的惯性加速度a,即
Figure BDA0001882259270000053
(3)设定采样频率，采集加速度等信号，经放大器、AD卡等组成的调理电路转换后，上传到计算机系统；
(4)将采集来的加速度信号利用公式(1)计算出作用于结构件上的作用力，采用频响函数的方法对采集来的信号进行分析处理：
(4-1)对各测试的响应点进行频响函数(FRF)估计；
设系统输入端激励力矩阵f(t)N×1，输出端响应矩阵x(t)O×1，对应频率域的激励力和响应力矩阵分别为F(f)N×1和X(f)O×1。假设系统输入端的噪声矩阵m(t)N×1，对应测量系统输出端矩阵n(t)O×1，对应频率域输入噪声和输出噪声矩阵为M(f)N×1和N(f)O×1。测量系统测得时域输入信号a(t)N×1，输出信号b(t)O×1，频域为A(f)N×1、B(f)O×1，则输入输出之间的关系为：
a(t)＝f(t)+m(t) (2)
b(t)＝x(t)+n(t) (3)
或者是：
A(f)＝F(f)+M(f) (4)
B(f)＝X(f)+N(f) (5)
于是，理想情况下，系统频响函数估计式为
X(f)＝H(f)F(f) (6)
当有噪声污染时，频响函数估计式变为
Figure BDA0001882259270000061
将公式(4)(5)代入可得：
B(f)-N(f)＝H(f)(A(f)-M(f)) (8)
系统的频响函数估计模型可根据H3估计法得到，即
Figure BDA0001882259270000062
Figure BDA0001882259270000063
其中，
H1(f)＝Gfx(f)Gff(f)-1 (11)
Figure BDA0001882259270000064
H2(f)＝Gxx(f)Gxf(f)-1 (13)
Figure BDA0001882259270000065
G为激励信号和响应信号的各态历经随机信号。
(4-2)对频响函数进行幅频、相频及相干特性的分析；
(4-2-1)根据估计的频响函数，求出幅频特性和相频特性,公式(15)(16)，并根据幅频和相频曲线进行；
Figure BDA0001882259270000066
θ(w)＝∠G(jw) (16)
(4-2-2)计算相干函数，通过相干函数评定频响函数估计的可信度，可估算出在频域内总输出中真正输入信号产生的输出所占的比例。
Figure BDA0001882259270000067
其中，
Figure BDA0001882259270000068
Gx(f)、Gy(f)、Gxy(f)为频率f的实值函数，。
(4-2-3)将幅频特性、相频特性及相干特性曲线输入装配质量库，采用模板匹配法与装配装量对应的特性曲线进行判别。
(5)根据判别结果输出显示打印装配质量结果。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (2)

1.一种基于频响函数的装配质量检测方法，采用基于频响函数的装配质量检测系统，包括：冲击激励单元、测量单元、分析单元以及输出显示单元；在被测衬板上设置至少一个测点，冲击激励单元在每一个测点位置产生振动信号；测量单元包括加速度传感器，在衬板上与冲击激励单元作用面相对的一面的每一个测点位置设置加速度传感器，采集加速度信号并传送至分析单元，所述分析单元对采集到的数据进行分析，判断装配质量是否合格；分析单元将分析结果传送至输出显示单元进行显示；其特征在于，包括：
以反映被测衬板的构型为原则，在被测衬板上布置合适的测点；其中，所述衬板为球磨机筒体内的衬板；
设定采集采样频率，采用多点冲击激励法，采集每一个测点的加速度信号；
根据采集到的加速度信号计算出真正作用于被测衬板上的作用力；
对各测点进行频响函数估计；
根据估计的频响函数，求出幅频特性和相频特性；
根据幅频特性和相频特性计算相干函数，通过相干函数评定频响函数估计的可信度；
将幅频特性、相频特性及相干函数曲线输入装配质量库，采用模板匹配法与装配质量对应的特性曲线进行匹配，如果匹配成功则装配质量合格，否则不合格；
根据幅频特性和相频特性计算相干函数，具体为：
Figure FDA0003008424950000011
其中，
Figure FDA0003008424950000012
G x (f)输入谱、G y (f)输出谱、G xy (f)输入与输出的互谱、
S x (f)输入谱密度、S y (f)输出谱密度、S xy (f)条件谱密度；
所述对各测点进行频响函数估计，具体为：
设输入端激励力矩阵f(t) N×1 ，输出端响应矩阵x(t) O×1 ，对应频率域的激励力和响应力矩阵分别为F(f) N×1 和X(f) O×1 ；
假设输入端的噪声矩阵m(t) N×1 ，对应测量单元输出端矩阵n(t) O×1 ，对应频率域输入噪声和输出噪声矩阵为M(f) N×1 和N(f) O×1 ；
测量单元测得时域输入信号a(t) N×1 ，输出信号b(t) O×1 ，频域为A(f) N×1 、B(f) O×1 ，则输入输出之间的关系为：
a(t)＝f(t)+m(t)
b(t)＝x(t)+n(t)
或者
A(f)＝F(f)+M(f)
B(f)＝X(f)+N(f)
则理想情况下，系统频响函数估计式为：X(f)＝H(f)F(f)；
当有噪声污染时，频响函数估计式为：
Figure FDA0003008424950000021
其中，H(f)、
Figure FDA0003008424950000022
分别是理想情况和有噪声污染时的单位激励响应；
系统的频响函数估计模型根据H3估计法得到，即
Figure FDA0003008424950000023
Figure FDA0003008424950000024
其中，
H 1 (f)＝G fx (f)G ff (f) -1
Figure FDA0003008424950000025
H 2 (f)＝G xx (f)G xf (f) -1
Figure FDA0003008424950000026
其中，G fx (f)实测输入信号和实测输出信号的互谱均值，G ff (f)实测输入信号的的自谱均值，G ab (f)实测输入噪声信号的自谱均值，G aQ (f)系统输入噪声的自谱均值，G xx (f)实测输出信号的自谱均值，G xf (f)实测输出信号和实测输入信号的互谱均值，G bb (f)实测输出噪声的自谱均值，G bQ (f)系统输出信号的自谱均值；
根据估计的频响函数，求出幅频特性和相频特性，具体为：
Figure FDA0003008424950000027
θ(w)＝∠G(jw)
其中，Φ(jw)为幅频特性、G(jw)为频率响应、X是信号的输入、Y是信号的输出、θ(w)是信号的相频特性。
2.如权利要求1所述的一种基于频响函数的装配质量检测方法，其特征在于，所述根据采集到的加速度信号计算出真正作用于被测衬板上的作用力f t ，具体为
Figure FDA0003008424950000031
其中，f m 为实际施加在衬板上的激励力，
Figure FDA0003008424950000032
为三维力传感器的附加质量，
Figure FDA0003008424950000033
为激振系统引入的附加质量，a为三维力传感器附加质量
Figure FDA0003008424950000034
和激振系统引入的附加质量
Figure FDA0003008424950000035
所消耗的惯性加速度。
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