冰箱风扇振动质量在线检测系统设计

褚志刚，蒋忠翰，周亚男，王光建

(重庆大学 机械工程学院 机械传动国家重点实验室，重庆 400044)

冰箱正常工作时，风扇对其内部空气流通及各部件的散热发挥着十分重要的作用［1］。反映冰箱风扇质量的主要指标包括其工作时产生的风量大小、风压大小和振动噪声水平等。由于冰箱风扇生产过程中的模具精度、扇叶与轴装夹过程中配合不足、过位、过紧等外界环境因素的影响，风扇工作时将偏离理想状态［2］，进而导致风扇的振动和噪声［4］信号的特征亦发生变化。一般情况下，具有明显缺陷或故障的冰箱风扇通常其振动量较大并伴随有明显噪声，经验丰富的检测人员可以通过触摸和倾听振动强度和声音特征就可以判断出其合格性，但对于风扇早期或特征不突出的缺陷和故障，人通常是无能为力。另一方面，检测人员的工作质量还受到其连续工作时间、心情等因素的显著影响。因此，设计和开发一套完整的风扇振动质量生产线在线自动检测系统具有显著的现实意义和实用价值。

为能够快速准确的完成对冰箱风扇振动质量的在线检测，避免将有振动质量问题的风扇装配于冰箱上，影响冰箱的质量，且使企业检测方便，自主研制了一套用于冰箱风扇振动测量及分析判定的在线检测系统。该系统通过采集风扇生产检测线专用台架上相应测点的振动信号，基于该信号实现对风扇振动质量的快速在线检测判定，并给出风扇振动质量合格性的判定结果。

1 检测原理及技术问题

1.1 检测原理

系统总体构造如图1所示。

图1 系统总体构造Fig.1 The construction of system

在线检测系统包括风扇安装及运转驱动、振动信号采集及分析、合格性判断及结果输出三部分。

风扇安装及运转驱动:将扇叶与安装于台架相应支撑上的风扇电机底座进行快速压合形成成品，完成后接通风扇电机启动风扇运转，进而实现模拟风扇位于冰箱内工作状况。

振动信号采集及分析:风扇启动运转后，数据采集前端采集风扇检测台上相应测点的振动信号，并通过数据分析模块对该振动信号进行频谱分析。此外，数据采集及分析指令可通过监测外部电路开关控制PCI板卡相应触点产生的电位变化来获得。

合格性判定及结果输出:在线检测软件将上述频谱数据与技术标准及允许容限进行比对，进而对风扇振动噪声质量进行合格性判定;判定结果信号可通过PCI板卡驱动外部电路进行相应的显示输出。

整个测量过程，数据分析软件与在线检测系统之间及在线检测软件模块与PCI板卡之间数据可交互传递。

1.2 关键技术

设计在线检测系统的根本目的就是能够对风扇振动噪声质量作出快速、可靠的判断，排除不合格风扇，进而为整个冰箱的质量提供保障。实际上，风扇生产过程中的模具精度导致的风扇扇叶重量不等、在扇叶与轴配合过程中配合不到位或过位等外部因素的影响，使得同型号实测风扇的振动和噪声响应强度及特征不尽相同。本文对风扇产品振动噪声合格性判定的方式是将振动测点的测量值与技术标准和容差限值进行比较，当所检测风扇的振动特性偏离技术标准和超越容差限值时，即可判定其为不合格［3］。然而，企业初次制定设计的冰箱风扇并没有已知的相应风扇合格性检测技术标准，因此，如何设定产品的技术标准及容差限值则是本系统的关键技术问题之一。本文提出了两种建立参考标准和容差限值的方法，即峰值法和平均法。

风扇的振动信号从总值及窄带谱两个方面加以描述，窄带分辨率为Δf，频率数为n，相应得到第j个风扇振动信号的总值为Total(j)，窄带谱上各频率相应值为Gj(iΔf)，i=1，2，… ，n。

峰值法是以采集的大量相同型号的合格风扇的振动信号总值和频谱上各频率点对应谱值建立技术标准的上限，如式(1)，式(2)所示:

其中:若m为风扇数目。

生成的上限U_lim(Total)和U_lim(G(iΔf))，即为峰值法所建立的技术标准。后来的实测风扇通过与上限进行比较判定其合格性，若实测风扇振动信号相应的总值及频谱超出该上限则风扇为不合格产品。该方法具有测量精度高、能对风扇质量的稳定性进行严格控制等优点，但在企业尚没有判断标准情况下，若参与建立技术标准的风扇中存在有故障的风扇，该方法将导致在线检测系统对此故障类型存在漏判，进而无法准确的得到风扇的合格性。

平均法综合上述因素，为了能够涵盖大部分风扇振动频谱信息且减小用于建立标准的样品集中的不合格风扇的相对比准偏差，采取对各风扇振动信号的总值及频谱上每一频率点的谱值分别进行等权线性平均，并在此基础上，分别将其向上放宽适当容差量R，生成新的上限U_lim(Total)和U_lim(G(iΔf))。

其算法如下:

该上限则作为相应实测风扇实际参考标准，若超过该上限，则风扇不合格。该测试方法平稳有效、置信度高，能够降低和消除少量不合格风扇对建立技术标准和限值的影响，特别适用于新产品的初次检测。

此外，在线检测系统还可设置通过将上限减去一个动态范围得到相应下限L_lim(Total)和L_lim(G(iΔf))以防止没有对产品进行测量或由于传感器损坏或人为引起的不正常测量;通过设置切割水平线对风扇振动贡献小的频率范围进行过滤使其不参与比较及判定。其风扇合格性判定方式原理如图2所示。

图2 风扇合格性判定方式原理Fig.2 Principle to determine the eligibility of the fans

图3 测试台架示意图Fig.3 Schematic diagram of the test rig

此外，风扇的转速受到电机驱动电压，风扇运转空气阻力等变化而微小变化，该转速的变化可进一步对振动信号的频率结构造成影响，特别是其与转速相关的谐波频率发生漂移。所以在线检测系统在建立产品技术标准和振动的容差限值时应该能够适应上述频率漂移是又一关键技术问题。因此，本系统可将所测振动信号频谱上的峰值频率进行适当的上下拓宽，以避免上述峰值频率漂移的影响。

2 在线检测系统设计

2.1 硬件设计

考虑到适应冰箱安装流水线高效、便捷原则，采用一种既可以对冰箱风扇零件装配及安装，同时方便自动提取相应振动信号的测试台架。其台架示意图如图3所示:

特别指出，为了容易的采集到风扇产生的振动信号且能够表征出不同风扇间振动信号的微弱变化，当冰箱风扇扇叶压合完成后，扇叶座与扇叶支持框座自动分离，使风扇平置悬放于只沿轴向方向缩放的螺旋弹簧上的塑料薄板上，该塑料薄板易于固定加速度传感器，不仅能将风扇振动信号做相应放大，且避免了因为传感器重复安装而引起的测量误差;螺旋弹簧隔离生产线地面振动等外部干扰对测试台架的影响以提高测量精度;外部控制按钮可依次发出指令来控制风扇压合、驱动风扇电机转动及在线检测软件进行测量分析和判断，极大地提高了员工操作效率。

系统的数据采集硬件采用丹麦Brüel＆Kj ær公司的PULSE 3050A数据采集前端，该前端内置了相应的消除直流偏置和低频干扰的7 Hz高通滤波器和能够根据信号分析频率进行自适应调整的抗混叠滤波器。且由于该前端体积小，质量轻且本机噪声小测试干扰低，特别适用于在风扇生产线在线检测系统。振动信号的测量选用Brüel＆ Kj ær公司4507型单向恒流源驱动加速度传感器。

运用8通道继电器输出和8通道隔离开关量输入卡实现对系统控制信号的外部传递，该板卡可根据外部控制按钮相应电路触点的开关来控制风扇压合、风扇电机驱动及在线检测系统软件测量过程，并且将系统测量判定结果输出到外部电路，由电路中指示灯的颜色直观的显示出产品振动质量合格性的判定结果。

2.2 软件设计

在线检测系统中的振动信号的测量设置，分析方法，输出结果均在PULSE软件中设定完成，在软件设计时，首先设计了一个PULSE工程模板，再通过编制软件对该工程模板进行调用和控制，根据风扇实际测量的要求进一步对PULSE系统的FFT分析仪属性设置和测试数据采集等进行控制和库函数调用［4］。

软件系统采用面向对象编程语言 Visual Basic 6.0进行编程设计，并根据功能和测量参数的不同，对程序进行模块化设计，这种模块化的设计便于进行软件系统的完善与修改软件［5－6］。系统包括如下几个模块，即:图形显示模块、容限制作模块、数据保存及历史查询模块、属性设置模块、测量及数据提取模块、软件状态及判断结果展示模块。

(1)图形显示模块:实时显示实测冰箱风扇振动信号频谱及容限频谱曲线。

(2)容限制作模块:制作容限范围，可人为设置容限制作方式，包括选取数据数目，峰值拓宽范围。

(3)数据保存及历史查询模块:包括测量数据储存，历史数据总值、曲线查询，产品筛选，历史数据与判定结果查询。

(4)属性设置模块:是整个软件人机界面层的核心模块，包括技术标准选取，容限、切割水平、过滤频带设置，通道选择及测量模板选取等。

(5)测量及数据提取模块:控制软件测量，自动提取PULSE软件的实测数据。

(6)软件状态及判断结果展示模块:展示软件工作状态，并将判断结果信号输出给PCI板卡进而控制外部电路。

软件的主工作程序首先对系统进行初始化，获取配置文件中的相应参数，即属性设置中保存的默认值。在线检测系统软件通过发出相应的指示命令使PULSE系统开始测量，获得测量数据后，首先对风扇测量通道的选择进行判定，然后依次将所选通道测得信号的频谱总值及频谱有效值与其容限值进行对比，对风扇的合格性进行判定，并对检测风扇的总数及合格数进行数据统计。判定完成后，由计算机显示出所选各通道振动信号的测量曲线和容限曲线，给出各通道数据的对比结果、风扇振动噪声质量合格性的判定结果及检测风扇的相关统计数据，同时将判定的结果转换为相应的信号输出给PCI板卡的相应触点以控制外部电路。主程序流程图如图5所示。

图4 属性设置界面Fig.4 Property setup interface

图5 主程序流程图Fig.5 Flow chart of main program

将本系统用于某冰箱企业生产线中，运用1.2中所述的平均法建立相应的风扇技术标准，在此基础上，对冰箱风扇进行在线检测。通过检测，某实测风扇振动信号的总值及频谱上有效频率点的谱值均在容限范围以内，进而判断该风扇为合格品并给出相应的合格性的判定结果。图6为检测该风扇时的软件界面显示，其界面图形显示区域内蓝色曲线为频谱上容限，红色曲线为频谱下容限，黑色曲线为实测风扇频谱，水平蓝色直线为切割水平线。

图6 检测时软件主界面Fig.6 Software graphical user interface

3 结论

本文详细阐述了冰箱风扇振动质量及分析判定在线检测系统的设计与实现，并实际应用于某冰箱企业生产线中。实际使用表明:在线检测系统能够快速准确地完成对相应测点振动信号的测量、自动对测量数据进行比对并直观地给出风扇振动质量合格性的判定结果，极大地提高了生产效率。另外，该系统所采用的模块化设计可随时根据用户需要进行增减，具有极强的扩展性，能满足用户进一步的多样化需求。

［1］ 苏秀平，陈江平，陈芝之，等.间冷式冰箱风扇区域流场的数值模拟和优化［J］.上海交通大学学报，2003，37(7):1134－1136.

［2］ 李学聪，华伦次，万 频，等.散热风扇质量检测分析系统［J］.计算机工程与应用，2009，45(36):219－221.

［3］ 王 瑞.产品标准文本的合格性［J］.企业标准化，2003，3:35－36.

［4］ 朱德寿.基于PULSE系统的声级计自动检定测试系统［J］.标准与检测，2006(9):67－69.

［5］ 刘丙全，王 弘，肖 彪，等.基于Web的冰箱故障诊断信息系统研究［J］.华中科技大学学报(自然科学版)，2002，30(11):69－70.

［6］ 于洪光.Visual Basic程序设计教程［M］.上海:上海交通大学出版社，2006.