摘要:沖壓設(shè)備的安全事故頻繁發(fā)生,生產(chǎn)安全的警鐘長(zhǎng)鳴。面對(duì)日新月異的市場(chǎng)需求發(fā)展,越來(lái)越多的異形材料需要使用沖壓工藝來(lái)完成。原來(lái)的安全防護(hù)裝置逐漸跟不上工人對(duì)機(jī)器快速生產(chǎn)的產(chǎn)量需求腳步。通過(guò)對(duì)人體生物阻抗特征的分析,提取出手指或人體組織器官部位等電學(xué)性質(zhì)的物理量。信號(hào)采樣層面以提高檢測(cè)人體阻抗的測(cè)量電壓為支點(diǎn),配合無(wú)線電磁場(chǎng)藕合諧振的電路,將人體接觸被測(cè)物體時(shí)的信號(hào)放大。由微電腦處理器將接收到的無(wú)線電諧振信號(hào)進(jìn)行同步分離采樣。快速識(shí)別出人體接觸或接近被測(cè)量區(qū)域。用于沖壓設(shè)備的人體手指或身體部件的安全檢測(cè)系統(tǒng)。從而控制沖壓設(shè)備禁止啟動(dòng)或回彈操作,實(shí)現(xiàn)保護(hù)工人手指或身體部位的作用。
關(guān)鍵詞:沖壓設(shè)備;生物阻抗;無(wú)線電磁場(chǎng)藕合諧振;同步分離采樣
1、沖壓安全的認(rèn)知
沖壓生產(chǎn)是五金及塑料制品最常見(jiàn)的加工方法。具有操作簡(jiǎn)單、成形質(zhì)量高、工件尺寸穩(wěn)定、精度較高等特點(diǎn)。特別是五金件鉚接在汽車(chē)、電子工業(yè)、服裝皮革、日用五金品的使用比率非常高。然而,沖壓也是一種很容易產(chǎn)生安全事故的生產(chǎn)方式。沖壓工作的事故比常規(guī)的機(jī)械制造業(yè)高三倍以上。央視記者曾對(duì)以生產(chǎn)開(kāi)關(guān)電器名揚(yáng)天下的某省一縣級(jí)市進(jìn)行過(guò)調(diào)查,并以《劣質(zhì)沖床狂切5000打工之手》為題,披露該市的兩個(gè)鎮(zhèn)每年竟有5000例斷手、斷指者要到醫(yī)院實(shí)施再植手術(shù)。原因是私企老板為了以最小投入獲取最大回報(bào),低價(jià)購(gòu)進(jìn)老式或二手的壓力機(jī)。在無(wú)導(dǎo)向、無(wú)安全防護(hù)的簡(jiǎn)單敞開(kāi)式?jīng)_模,完全靠手工送料進(jìn)行沖壓生產(chǎn)。多數(shù)打工者為農(nóng)民工,技術(shù)素質(zhì)差,對(duì)沖床和沖模的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)缺乏深入了解,甚至一無(wú)所知,因此事故多發(fā)絕非偶然。
2、沖壓安全的技術(shù)發(fā)展
沖壓設(shè)備種類(lèi)繁多。大型的加工設(shè)備,通常采用安全門(mén)的方式來(lái)杜絕人體進(jìn)入沖壓危險(xiǎn)區(qū)域。但是小型沖壓設(shè)備,特別是加工小工件時(shí),安全門(mén)的方法就完全無(wú)法適應(yīng)。使用小型沖壓設(shè)備制造的工作,往往體積比較小。加工的單個(gè)工件利潤(rùn)有限。需要比較大的規(guī)?;a(chǎn),足夠的生產(chǎn)數(shù)量才能產(chǎn)生相對(duì)較高的制造利潤(rùn)。加工企業(yè)為激勵(lì)工人,采用計(jì)件方式生產(chǎn)。因此,工人也是盡量提高生產(chǎn)效率來(lái)提高個(gè)人收入。加工設(shè)備都是采用手、腳并用的協(xié)作式操作方式。雙手放置工件,腳來(lái)啟動(dòng)設(shè)備沖壓。在操作人員精神狀態(tài)比較好的時(shí)間。操作者可以很快速的放置好工件,然后雙手離開(kāi),接著腳再啟動(dòng)沖壓。但是,當(dāng)操作者身體不適或者疲勞操作以后,很容易發(fā)生雙手還沒(méi)有離開(kāi)工作,腳就已經(jīng)啟動(dòng)沖壓開(kāi)關(guān)了。這種情況下,很容易導(dǎo)致機(jī)器將手指壓傷。造成生產(chǎn)事故。部分沖壓設(shè)備廠商,在設(shè)備上安裝了一些保護(hù)裝置,如安裝紅外穿透式傳感器來(lái)檢測(cè)手指。當(dāng)手指遮住紅外線時(shí),禁止機(jī)器啟動(dòng)。但當(dāng)碰到服裝類(lèi)工件鉚接的情況時(shí),工件本身就遮住了紅外線,導(dǎo)致安全檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作?,F(xiàn)場(chǎng)使用時(shí),操作者被迫拆除安全裝置來(lái)工作。還有一些廠商,會(huì)安裝下壓安全環(huán)來(lái)保護(hù)手指,當(dāng)手指進(jìn)入安全環(huán)下方時(shí),由于手指檔住安全環(huán)無(wú)法下壓到工件底座,從而使機(jī)器無(wú)法啟動(dòng)。但是碰到需要手輔助定位的工件時(shí),安全環(huán)就嚴(yán)重干涉到正常沖壓。工人也會(huì)自行拆除來(lái)提高加工速度。目前最先進(jìn)的解決方法是采用機(jī)械手臂或自動(dòng)化生產(chǎn)線來(lái)批量生產(chǎn)。只是隨著工業(yè)4.0的到來(lái),個(gè)性化生產(chǎn)的需求慢慢越來(lái)越多。許多工廠為了個(gè)性化的生產(chǎn),還必須使用非自動(dòng)化的設(shè)備繼續(xù)生產(chǎn),因此,手指保護(hù)的裝置仍然是很重要的技術(shù)課題。
3、人體生物阻抗特性
3.1人體生物阻抗的起源
生物醫(yī)學(xué)測(cè)量方法與技術(shù)的發(fā)展歷史可以迫溯到18世紀(jì),1780年意大利神經(jīng)生理學(xué)家Gavlain通過(guò)觀察蛙的神經(jīng)肌肉收縮現(xiàn)象,建立了生物電理論。最早開(kāi)始研究生物組織阻抗的是德國(guó)科學(xué)家Hermann,1871年他成功地測(cè)量了骨骼肌的電阻,并發(fā)現(xiàn)電流沿不同方向通過(guò)骨骼肌時(shí),呈現(xiàn)出不同的電阻值。1930年,Sapegno用交流電橋第一次測(cè)量出生物組織的電容。1944年美國(guó)Galifornia大學(xué)的CloeKS在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,提出生物組織的阻抗可以用復(fù)平面上的一段圓弧來(lái)表示。后來(lái)CoeRH再進(jìn)一步將其發(fā)展為Cole-Cole理論,并建立了生物組織的R、C三元件電路等效模型。1960年Schwan又成功地提出了頻散理論(Dispersion),表明生物組織的電特性隨頻率在不同的頻段呈顯著變化.至此,生物組織電特性的理論基礎(chǔ)基本形成。
3.2人體電阻等值電路
測(cè)試人體電阻,不象測(cè)試動(dòng)物電阻那樣容易施加和獲取較多的數(shù)學(xué)、物理參數(shù)。因而,不同的研究者由于其試驗(yàn)對(duì)象不同,得出的結(jié)論會(huì)有一定的差異,但有一點(diǎn)是相同的,即在工頻(直流)情況下,均可視人體電阻為一無(wú)感阻抗。佛萊貝爾加提出的人體等值電路模型如圖1所示。
3.3接觸電壓對(duì)人體電阻的影響
據(jù)佛萊貝爾加的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖2中曲線所示,接觸電壓越高,人體電阻值隨之降低。從曲線可以看出,在皮膚潮濕狀態(tài)下,接觸電壓為50V時(shí),人體電阻為1700歐姆;接觸電壓為300V時(shí),人體電阻降為1000歐姆,變化比較顯著。
4、測(cè)量電路的設(shè)計(jì)
4.1升壓電路
工業(yè)傳感器的供電通常為5V、12V、24V,為方便微電腦控制器的連接,系統(tǒng)采用5V供電。鑒于接觸電壓提高以后,可以有郊降低人體生物阻抗,利于檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。如圖3所示:系統(tǒng)采用高頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓的提升。使用開(kāi)關(guān)變壓器磁芯EE28骨架,設(shè)計(jì)了一款原邊初級(jí)線圈為0.1mm線徑30T,次線0.1mm線徑2200T,并以20K頻率的開(kāi)關(guān)脈沖通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器T1。將信號(hào)檢測(cè)的輸出電壓從5V提升到366V??紤]到人體的安全通過(guò)電流小于20mA。設(shè)計(jì)過(guò)程中必須驗(yàn)證計(jì)算變壓器的最大輸出電流:實(shí)測(cè)原邊線圈的感抗為755uH,電感的感抗:=9.487歐姆,原邊的最大功率=U*I=5*5/9.487=2.635W,得次級(jí)最大電流=P/U=2.635/366 =0.00719A≈7mA,遠(yuǎn)小于安全電流。實(shí)際應(yīng)用中,高頻變壓器的輸出被絕緣層包裹在中間,具體見(jiàn)圖4的示意圖。人體是無(wú)法直接接觸的。信號(hào)檢測(cè)端的電壓是通過(guò)無(wú)線電的電磁感應(yīng)得到。因此,系統(tǒng)工作時(shí),不會(huì)出現(xiàn)人體觸電的感覺(jué)。
人體觸碰TP點(diǎn)以后,積累在TP點(diǎn)的感應(yīng)電壓會(huì)快速下降,給過(guò)電阻分壓以后,再經(jīng)過(guò)隔直電容C3送往后級(jí)的信號(hào)放大電路。一方面提高信號(hào)的檢測(cè)幅值,另一方面通過(guò)運(yùn)放電路來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配與瞬間高壓靜電的隔離,避免人體靜電帶來(lái)的高壓直接影響到MCU從而導(dǎo)致的損壞。
4.2無(wú)線發(fā)射、接收的安裝
如圖4所示:開(kāi)關(guān)變壓器T1的一個(gè)輸出端通過(guò)導(dǎo)線連接到無(wú)線發(fā)射層。另一端連接到系統(tǒng)的電源地,并通過(guò)一個(gè)等電位電容C2連接到機(jī)殼外殼并連接到大地。圖3中的信號(hào)檢測(cè)輸入端TP連接到無(wú)線接收層。在無(wú)線發(fā)射層與無(wú)線接收層和機(jī)殼之間均有一層絕緣層。實(shí)物中,無(wú)線發(fā)射層并未安裝在工件支撐底座之下,而是安裝在工件支撐底座的外側(cè)。無(wú)線發(fā)射層與無(wú)線接收層之間產(chǎn)生一個(gè)固定的磁場(chǎng)。同時(shí),無(wú)線發(fā)射層與屏蔽層之間也有一個(gè)固定的磁場(chǎng)。由于發(fā)射層的外層被大地層包裹,無(wú)線電信號(hào)經(jīng)過(guò)屏蔽層時(shí)基本上被屏蔽掉,不會(huì)對(duì)空間產(chǎn)生大規(guī)模的空間輻射。
4.3無(wú)線電磁場(chǎng)藕合諧振
鑒于無(wú)線發(fā)射層與無(wú)線接收層和屏蔽層之間的絕緣介質(zhì)是固定的。因此,三者之間的層間電感和電容是固定不變的。在信號(hào)檢測(cè)的技術(shù)條件下分析,只有當(dāng)無(wú)線發(fā)射與無(wú)線接收之間產(chǎn)生良好的同步效果,且處于諧振狀態(tài)時(shí)。在沒(méi)有人體介入的情況下,輸出電壓達(dá)到最大的幅值。如圖,LC電路處于并聯(lián)狀態(tài)。根據(jù)諧振計(jì)算公式:,通過(guò)調(diào)整匹配電容、負(fù)載電阻、層間絕緣厚度和開(kāi)關(guān)頻率、開(kāi)關(guān)變壓器的感抗。來(lái)匹配最佳的諧振區(qū)域狀態(tài)點(diǎn)。當(dāng)人體手指或其它部分觸摸到TP位置時(shí)。由于人體的生物電阻抗特點(diǎn),TP位置也因?yàn)槿梭w的介入而失去諧振狀態(tài)。TP點(diǎn)的電壓會(huì)大幅下降。如圖5所示。
4.4同步分離采樣
MCU根據(jù)開(kāi)關(guān)變壓器的驅(qū)動(dòng)PWM頻率,在PWM的開(kāi)和關(guān)的瞬間,同步進(jìn)行ADC的觸發(fā)采樣。在諧振的作用下,采樣點(diǎn)與信號(hào)的波峰波谷基本重合。此時(shí),采樣到的信號(hào)峰峰值處于最大狀態(tài)。當(dāng)人體觸碰以后,破壞了諧振狀態(tài),ADC的采樣點(diǎn)采樣到的信號(hào)也不是信號(hào)峰峰值最大的位置,等同于進(jìn)一步以軟件的方式分離出有無(wú)人體介入的情況。同時(shí),由于人體對(duì)地電阻和電容的存在,信號(hào)的整體也縮小了很多。采樣到的信號(hào)峰峰值比無(wú)人體觸碰的時(shí)候小很多。軟件通過(guò)簡(jiǎn)單的低通濾波后可以輕松的判斷出是否有人體觸碰。同步分離采用波形如圖6所示。
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作者簡(jiǎn)介
張平(1980-),男,本科,臺(tái)州凱斯拉智能科技有限公司技術(shù)員,研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)應(yīng)用。