開縫襯套成形過程聲發射在線監測系統設計

邱佳斌，黎向鋒，左敦穩，康曉軍，龔靖平

(南京航空航天大學機電學院，南京 210016)

為提高飛機緊固件的抗疲勞壽命，目前國際飛機制造、維修中廣泛采用開縫襯套冷擠壓強化工藝技術[1－3]。在飛機起落架等關鍵結構緊固孔的開縫襯套冷擠壓強化工藝中，主要采用以特種不銹鋼(如0Cr15Ni7Mo2Al)為材料的開縫襯套。其制備工藝過程主要包括:剪切、線切割、去毛刺、滾彎、翻邊(根據襯套使用要求來確定有無翻邊)、校形和驗收，而滾彎是其制備的核心工藝。該特種不銹鋼材料因具有較高的比強度和硬度，傳統的滾彎加工技術不能滿足開縫襯套的制備要求。雙軸柔性滾彎技術有效地解決了高比強度材料的加工難題，且能夠達到比較高的成形精度，在開縫襯套的制備應用中取得了良好的效果[4－5]。

在制備開縫襯套的雙軸柔性滾彎成形過程中，難免會出現襯套直徑、圓度及其表面硬度等不符合要求的加工缺陷。為此，對其進行在線監測是減少這些加工缺陷的有效方法。目前國內外針對開縫襯套雙軸柔性滾彎成形過程在線監測技術的研究還鮮見報道，因而開展開縫襯套雙軸柔性滾彎成形過程在線監測技術的研究很有必要。國內外研究學者利用聲發射技術和虛擬儀器技術實現了對金屬材料塑性變形過程的在線監測[6－8]，為特種不銹鋼材料滾彎成形過程的在線監測技術研究提供了理論依據。鑒于此，文中將主要設計一套采用聲發射檢測法和虛擬儀器的開縫襯套的雙軸柔性滾彎成形過程在線監測系統，實現雙軸柔性滾彎過程聲發射信號的采集、顯示、分析及存儲。

1 聲發射信號的獲得

圖1 雙軸柔性滾彎成形過程及裝置示意Fig.1 Sketch of the process and device of two-axle roll-bending

在開縫襯套的雙軸柔性滾彎成形過程(如圖1a所示)中，剛性軸相對橡膠輪有一定的進給量，在主動橡膠輪帶動下，預先裁剪好的特種不銹鋼帶材由于摩擦力的作用從橡膠輪與剛性軸之間經過，并受到來自橡膠輪的分布載荷P的作用，產生塑性變形，最終滾彎成形[9]。在此過程中，特種不銹鋼材料局部發生大量塑性變形，材料塑性變形區內部形成劇烈的位錯運動，塑性變形區產生大量的聲發射信號，在介質中以彈性波的形式向周圍傳播。利用聲發射傳感器可實時獲得由聲發射源處發出的聲發射信號，并將聲發射信號轉換成電壓信號輸出。該系統在雙軸柔性滾彎裝置(如圖1b所示)的夾具上安裝聲發射傳感器，在雙軸柔性滾彎過程中，實時監測特種不銹鋼帶材塑性變形區發出的聲發射信號。

2 系統的總體結構

開縫襯套的雙軸柔性滾彎成形過程在線監測系統主要由硬件和軟件這兩個部分構成，其總體結構如圖2所示。硬件部分主要包括聲發射傳感器、前置放大器、數據采集卡、計算機和屏蔽同軸電纜等，其主要作用是將聲發射信號轉換成電壓信號輸入到計算機中。軟件部分主要包括基于LabVIEW2012開發的數據采集和顯示模塊、數據處理分析模塊和TDMS數據存儲模塊，其主要作用是對采集卡輸入的電壓信號進行實時顯示，對其進行預處理以及頻譜分析，并存儲原始信號。

圖2 系統總體結構Fig.2 Overall structure of the system

2.1 系統硬件方案

2.1.1 聲發射傳感器

特種不銹鋼帶材在柔性滾彎成形過程中局部發生大幅塑性變形，產生大量的聲發射信號，其頻率分布范圍處于50～700 kHz頻段。此外，傳播介質對聲發射信號的吸收系數隨著信號頻率平方的增大而增大，即頻率越高，吸收系數越大，聲發射信號在傳播介質中的衰減越厲害，因此該系統選用的聲發射傳感器為SR800型寬帶聲發射傳感器，其頻帶寬度為50～800 kHz，完全符合雙軸柔性滾彎聲發射信號頻段的技術要求，且又具有較高的靈敏度。選擇寬帶聲發射傳感器能夠獲得更為豐富的聲發射信號。

2.1.2 聲發射前置放大器

鑒于SR800型聲發射傳感器輸出信號具有低幅值、高頻率和寬頻帶的特點，應選擇與其匹配的寬帶高增益前置放大器。該系統選用的聲發射前置放大器為PAI型，其帶寬為10 kHz～2 MHz，增益為40 dB，與SR800型聲發射傳感器通過屏蔽同軸電纜以及BNC接口實現緊密配合連接，對SR800型聲發射傳感器輸出的微弱電信號進行放大，以減少信號在傳輸過程中的衰減。該前置放大器輸出是電壓與信號共線，故還應選擇與PAI型前置放大器匹配的PPS2k型供電信號分離器。

2.1.3 數據采集卡

該在線監測系統數據采集功能主要通過研華公司的PCI-1714UL型數據采集卡實現。PCI-1714UL型數據采集卡是一款基于32位PCI總線構架的高性能數據采集卡，到主機內存數據傳輸具有連續、高速和流式數據的特點，可實現4通道同步10 MHz/s模擬量采集。每通道具有8 kbit的板載FIFO(快速輸入輸出存儲區)，為高速采集時提供數據緩存，確保數據的高速傳輸以及數據完整性。該卡支持32位PCI總線控制DMA數據傳送模式，大大提高了數據采集卡與計算機內存之間的數據傳輸速度。

2.1.4 DMA 數據傳輸模式

DMA(Direct Memory Access，直接內存存取)是一種高效的數據傳輸方式。DMA傳輸時，DMA控制器直接獲得總線控制權，整個傳輸過程由DMA控制器控制，使系統在對總線控制器進行必要的初始化后可只進行數據的分析和存儲，無需在數據采集卡和計算機內存之間的數據傳輸上浪費大量的CPU資源，從而大大提高了數據實時采集、分析和存儲的速度。

經前置放大器放大后輸出的電壓信號到達PCI-1714UL數據采集卡后，該卡前端的衰減放大電路對信號進行第2次調理，調理后的信號進入數據采集卡每個通道的模數轉換器進行高速轉換。轉換后的數據暫存在數據采集卡的8 k板載FIFO中，當FIFO半滿或全滿時，向DMA控制器發送DMA請求，CPU響應DMA請求后，DMA控制器取得總線控制權，使用直接內存存取方式將數據通過PCI總線從板載FIFO輸出到內部緩沖區中。32位33 M的PCI總線能達到132 Mb/s的傳輸帶寬，保證了10 MHz/s速率下的4通道同步采樣的實現，足以滿足對開縫襯套雙軸滾彎成形過程聲發射信號高速采集的技術要求。

2.2 系統軟件方案

該在線監測系統以美國NI公司(National Inrtruments)的LabVIEW2012作為開發平臺，在其圖形編程語言(G語言)開發環境下開發而成，分為系統操作界面和后臺程序2部分。

系統操作界面如圖3所示，主要包括采集參數設置、系統運行的開始和結束控制、設備及通道設定、數據的時頻域實時顯示以及數據存儲模式設置等部分。后臺程序是在線監測系統的核心，承擔著系統運行時的絕大部分工作。

圖3 在線監測系統界面Fig.3 Interface of the on-line monitoring system

在該系統中，后臺程序采用生產者-消費者模型，以隊列作為主程序與子程序之間的通訊方式，主要包括數據的采集與顯示、處理分析以及高速存儲等3個模塊。

2.2.1 數據采集與顯示模塊

研華公司PCI-1714UL數據采集卡配套的Lab-VIEW驅動程序為軟件開發者提供了功能豐富的LabVIEWDAQ vi庫，子vi的使用大大提高了Lab-VIEW環境下編程的效率，并且可以很方便地實現信號的實時顯示、分析和存儲等功能。該系統在數據采集和顯示部分使用到的子vi主要有:SelectDevicePop，DeviceOpen，EnableEvent，AllocDSPBuf，MultiChannelDM-AExSetup， WaitFastAIOEvent， Buffer-ChangeHandler，Split1DArray，FAIStop，FreeINTBuf和DeviceClose。系統程序流程如圖4所示。

2.2.2 數據處理分析模塊

圖4 在線監測系統數據采集顯示模塊流程Fig.4 Flow chart of the acquisition and display module of the on-line monitoring system

在開縫襯套雙軸柔性滾彎成形過程中，由于機床的振動，儀器的電磁干擾以及傳輸過程的信號衰減等因素的影響，使所測得的聲發射信號中不可避免地夾雜各種干擾噪聲。為獲得更為準確的在線監測結果，在對采集到的數據進行分析前，必須盡量減少信號中噪聲的成分，提高信號的信噪比。系統采用帶通巴特沃斯(Butterworth)濾波器對采集到的信號進行數字濾波處理，以得到與聲發射傳感器頻寬一致的信號數據。

由于目前還沒有直接從開縫襯套雙軸柔性滾彎成形過程的聲源處測得聲發射信號的技術，聲發射信號在傳播過程中不可避免地存在衰減，聲發射傳感器所測得的聲發射信號非常微弱，在夾雜噪聲的情況下，最終到達采集系統的聲發射信號在時域上的幅值特征非常模糊，難以與噪聲區分。另外，特種不銹鋼開縫襯套材料在不同受力以及變形條件下，其聲發射信號的頻譜特征有著明顯的差異，因而對經過帶通濾波后的聲發射信號進行頻譜分析可對特種不銹鋼的成形狀態進行初步推斷，從而達到對開縫襯套柔性滾彎成形過程在線監測的目的。為合理利用計算機CPU資源，系統的數據處理分析模塊(如圖5所示)設計了單通道濾波與頻譜分析功能，可實時選擇所要進行處理分析的通道。

2.2.3 TDMS 數據存儲模塊

由于特種不銹鋼材料在發生塑性變形過程中產生的聲發射信號頻帶在50～700 kHz，在滿足香農(Shannon)采樣定理的前提下，為盡量保證采集的聲發射信號不失真，采用2 MHz的采樣頻率，因而系統工作時每個采樣通道會產生海量的采樣數據。為了實現數據的高速存儲和系統管理，采用TDMS(Technical Data Management Streaming，技術數據管理流)文件格式保存數據。

圖5 數據處理分析模塊Fig.5 Data analysis module

TDMS是一種適用于高速測試測量的二進制數據存儲文件類型，支持數據流高速寫入模式，具有存儲速度快和占磁盤空間小等優點，由文件、組和通道等3個層次結構組成?；赥DMS層次結構的存儲方式會將所有測試數據都保存在單個TDMS文件內，使得TDMS文件過于龐大，極大地降低了后續在Matlab環境下進行數據讀取和分析處理的效率。為了提高后續TDMS文件的讀取和處理速度，該系統每次測量時都為每個通道生成一個TDMS測量文件，TDMS數據存儲模塊如圖6所示。

圖6 TDMS數據存儲模塊Fig.6 TDMS data storing module

2.3 基于Matlab的TDMS文件的讀取

在利用Matlab軟件強大的數據分析功能對采集到的聲發射信號做進一步的分析之前，需要對TDMS文件中的二進制數據進行解析，并將其讀入到系統內。在TDMS文件的讀取過程中，借助于NI公司提供的nilibdcc.dll文件，采用基于動態鏈接庫DLL的Matlab讀取方法。首先在Matlab中通過loadlibrary函數載入動態鏈接庫文件nilibddc.dll和頭文件nilibddc_m.h，其次在對話框函數uigetfile中選取需要在Matlab中讀取的TDMS文件，最后通過calllib函數調用DDC_GetDataValues函數就可得到雙軸柔性滾彎成形過程的原始采集數據，并將該原始采集數據讀入到Matlab環境中，從而最終實現在Matlab中對所測得的聲發射信號進行深入分析處理[10]。

3 系統的運行與分析

該系統已經實際應用于開縫襯套雙軸柔性滾彎成形過程聲發射信號的在線監測。雙軸柔性滾彎成形實驗在雙軸柔性滾彎成形專用機床上進行。實驗中特種不銹鋼帶材送料線速度為83.8 mm/s，剛性軸進給量為4 mm，整個雙軸柔性滾彎成形過程持續時間為15 s，包括準備階段、塑性成形階段和結束階段。在雙軸柔性滾彎成形過程中，成形過程的聲發射信號頻譜特征表現較為明顯。準備階段機床正常運行時的聲發射信號頻譜如圖7a所示，可以發現此時的聲發射信號頻譜幅值相對較小，在頻域上分布比較均勻，其中在60 kHz左右頻段出現的部分推測為機床噪聲;塑性變形階段的聲發射信號頻譜如圖7b所示，可以看出，在雙軸柔性滾彎過程中，特種不銹鋼材料發生塑性變形的聲發射信號的頻譜特征相對明顯，處于50～450 kHz頻帶內，中心頻率約為120 Hz。由于高頻聲發射信號的衰減率比低頻聲發射信號高，推斷實際特種不銹鋼塑性變形聲發射信號基頻大于120 Hz。實際應用表明，在高速采集模式下，在線監測系統能夠高效地實現對開縫襯套雙軸柔性滾彎成形過程聲發射信號的實時采集、顯示、濾波、頻譜分析和存儲。

圖7 系統測試結果Fig.7 Test results of the system

4 結語

基于虛擬儀器技術和聲發射技術，完成了以特種不銹鋼為材料的開縫襯套的雙軸柔性滾彎成形過程在線監測系統的設計。該在線監測系統不僅能夠實時采集特種不銹鋼材料加工過程的聲發射信號，還具有數據顯示、濾波、頻譜分析和數據存儲的功能，響應效率高，高速采集數據不會丟失，能夠為后續的數據處理和分析提供完整的數據，具有開發周期短，成本低，操作方便，可靠性高等優點。通過對雙軸柔性滾彎成形過程聲發射信號的在線監測，驗證了系統的有效性和可靠性。

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