王會強，張佳偉，陳維華

（河北軟件職業(yè)技術學院計算機應用工程系，河北 保定 071000）

鋼絲繩具有高強度、重量輕、耐沖擊性、不易折斷等特性，被應用于制造橋梁、礦物、船舶、纜車、索具等機械控制等行業(yè)領域。盡管鋼絲繩的結構和尺寸各式各樣，使用環(huán)境不盡相同，但對抬舉、牽引、耐負荷等可起到改善作用。鋼絲繩的品質和安全性能指標的水平對于其應用領域的產(chǎn)品和行業(yè)安全性非常重要。檢測中心通過將鋼絲繩拆股，做拉力、扭轉、彎曲試驗，將實驗值與對應標準進行比對，檢驗該鋼絲繩是否符合標準，并出檢測報告。這項工作如果通過人工完成，是一項繁瑣復雜的工作，因而，需要軟件將檢測流程智能化，檢測數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)化，便于檢驗人員的工作。大數(shù)據(jù)技術作為一種新興的科學技術手段，隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)等移動技術的不斷發(fā)展已經(jīng)深入各項科技領域。鋼絲繩力學檢測智能處理系統(tǒng)是根據(jù)檢測中心的具體工作需要，針對我國和國際對于鋼絲繩的標準規(guī)定研發(fā)的一款鋼絲繩檢測系統(tǒng)，它很好地解決了檢測中心目前的一些問題，將鋼絲繩拆股檢測智能數(shù)據(jù)化，并且包含了最新的鋼絲繩檢測標準[1-2]。

本文主要反映以下實踐探索：基于其力學的相關特征進行檢測設備的設計開發(fā)，對鋼絲進行拉伸、扭轉、彎曲等力學性能指標進行檢測，通過物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)搭載智能檢測設備和計算機系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化檢測、顯示、自動保存、數(shù)據(jù)測試的集中管理，確保測試結果的正確性和可靠性，提高產(chǎn)品檢驗質量管理效率。

1 力學檢測研究的基本情況

國內外學者對鋼絲繩防震裝置的機械特性進行了很多實驗性研究。V.P.Manjari研究了在各種頻率激勵下在各種負荷方向上螺旋和拱形鋼絲繩振動裝置的滯后曲線。S.Singh研究了各種頻率和各種振幅激發(fā)信號對剪切方向振動同位器機械特性的影響。結果表明，振動同位素的力—位移曲線與激勵信號無關。王宏采用錘型測試法研究了無負荷和預負荷分離系統(tǒng)的沖擊特性，并將防震裝置的基準剛度和沖擊輸入力公式相適應。帕布羅研究了振動器在各種沖擊波形作用下的激勵特性，并提出了考慮到三次穩(wěn)定性振動的數(shù)學模型，并使用調和平衡法求解并建立了沖擊響應的數(shù)學模型。B.K.Gupta對鋼絲繩防振裝置實施沖擊特性測試，發(fā)現(xiàn)壓縮時防振裝置的剛性軟化，沖擊剛度低于靜態(tài)剛度和動態(tài)剛度。學者們主要研究了鋼絲繩力學特征的靜態(tài)和振動特性等屬性，我們將其力學特征屬性統(tǒng)計并通過大數(shù)據(jù)智能化地將數(shù)據(jù)集合起來統(tǒng)一處理[3-5]。

本項目鋼絲繩力學檢測系統(tǒng)的設計與開發(fā)，主要包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個部分。硬件系統(tǒng)可以實現(xiàn)鋼絲繩自動測試、實時顯示，智能存貯拉力、彎曲、扭轉三項力學試驗數(shù)據(jù)。實現(xiàn)拉力機、彎曲機、扭轉機，硬件系統(tǒng)實現(xiàn)功能通用。系統(tǒng)可以實現(xiàn)手動錄入鋼絲實測直徑，同時兼顧并行試驗順序和串行試驗順序、試驗失敗等一系列異常情況的處理。

檢測中心對鋼絲繩檢測的流程為：對鋼絲繩進行拆股，對拆股鋼絲進行拉力、扭轉、彎曲試驗，將機器的試驗結果記錄，并將試驗數(shù)值根據(jù)標準內規(guī)定的方式進行判定，判定鋼絲繩是否符合標準。利用5G傳感技術與手機互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術等相結合，將最終采集的數(shù)據(jù)和判定結果生成報告進行集中處理和自動管理[6]。在拉伸力收集過程中，由于傳感器的非線性輸出及其分散效果，系統(tǒng)會檢測出拉伸力值錯誤，將檢測結果設為非線性。為了提高系統(tǒng)檢測結果的精度和線性，需要校正張力檢測系統(tǒng)的傳感器。一般傳感器的非線性校準算法有三種方法：查找表法、內插法、長效擬合法。他們有自己的長處和短處，適合各種各樣的狀況。查找表方法不需要計算，但需要在整個測量范圍內執(zhí)行校準測試，測量大量測試數(shù)據(jù)，因此使用插值法校準系統(tǒng)的非線性。但是，傳感器輸出特性的曲率變化較大，非線性相對誤差大，測量范圍比較寬，因此難以滿足使用線性方程的修正的精度要求，因此提出采用劃分線性校正的方法。拉伸力檢測裝置的測量精度高，拉伸力誤差在所有測量范圍內必須小于1%。因此，在該項目中，在硬件設計中使用光電絕緣干擾防止及濾波電路，軟件使用移動平均濾波、峰值保持及段差校準模塊計劃確保張力檢測的穩(wěn)定性和精度。

力學檢測研究系統(tǒng)的目的是將上述流程簡單化，實現(xiàn)完全智能化試驗操作，良好的人機交互界面，高清液晶觸屏顯示，能夠無線數(shù)據(jù)傳輸并且實現(xiàn)有伺服電機控制功能（適合于電子拉力機）。連接電子拉力機時可實現(xiàn)快速張緊，慢速拉伸，自動回程，快速試驗功能。軟件系統(tǒng)能夠實現(xiàn)用戶管理權限分級。管理員級和操作員級，操作員權限：下委托單，錯誤數(shù)據(jù)修改，生成并提交報告，清除無用數(shù)據(jù)。管理員權限：增加和刪除用戶的權利，修改操作員提交的報告，試驗機的編制。能夠完成自動判別試驗數(shù)據(jù)，輸出檢驗報告。實現(xiàn)成品鋼絲的數(shù)據(jù)處理：根據(jù)相關企業(yè)標準自動判級，并生成電子版檢測原始記錄（Excel格式），可在企業(yè)網(wǎng)內部傳輸、共享、復制和打印。能夠實現(xiàn)成品鋼絲繩的數(shù)據(jù)處理：根據(jù)客戶要求的產(chǎn)品驗收標準、強度等級自動判別是否合格，并生成電子版檢測原始記錄和報告、質量證明書等，能夠實現(xiàn)移動端操作和查詢功能，并且具備完善文檔自動生成系統(tǒng)和智能系統(tǒng)幫助[7]。

2 智能系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

鋼絲繩力學檢測智能處理系統(tǒng)由三部分組成，分別為硬件儀表、桌面程序、檢測軟件。硬件儀表安裝于鋼絲的試驗設備上，當使用試驗設備對鋼絲進行試驗時，當前設備上的儀表會記錄設備的試驗結果值；桌面程序主要用于儀表與檢測軟件之間的數(shù)據(jù)通信，儀表將試驗數(shù)據(jù)發(fā)出，鋼絲繩力學檢測智能處理系統(tǒng)是一個軟硬件相結合的綜合系統(tǒng)，所應用的技術比較廣泛。桌面程序采用編程語言編寫，通過串口與儀表進行數(shù)據(jù)通信，兼容性高，運行速度快且穩(wěn)定，桌面程序通過串口接收試驗數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中，檢測軟件系統(tǒng)采用網(wǎng)絡版，系統(tǒng)應用數(shù)據(jù)庫進行了數(shù)據(jù)的存儲，將數(shù)據(jù)分表保存，增加了速度，并提高了靈活性。檢測軟件采用了Springboot+mybatis框架，這是一個成熟的技術，性能穩(wěn)定，擴展性很高，維護性強，配置部署方便，運行環(huán)境比較簡單。后臺采用了開源框架平臺，便于系統(tǒng)擴展?？蛻舳瞬捎肳eb和移動手機客戶端，方便操作使用；服務器端采用開源數(shù)據(jù)庫，維護方便，使用簡單。服務程序部署到中心服務器上，通過網(wǎng)絡各個終端輸入正確的賬戶密碼后，在網(wǎng)絡上進行系統(tǒng)操作。管理員登錄后可以根據(jù)匯總數(shù)據(jù)生成報表。超級管理員可以對權限進行劃分并匯總各個數(shù)據(jù)生成報表。通過權限管理，配置管理功能。對各個操作人員的分配。在數(shù)據(jù)庫中讀取桌面程序存入的數(shù)據(jù)，如此便完成了硬件儀表與檢測軟件的數(shù)據(jù)通信，成功地將設備的試驗數(shù)據(jù)傳輸給檢測軟件。檢測軟件根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，對鋼絲繩或鋼絲進行檢測[8-10]。

系統(tǒng)的主要檢測業(yè)務均在檢測軟件上體現(xiàn)，下面著重介紹檢測軟件的功能。鋼絲繩力學檢測智能處理系統(tǒng)檢測軟件部分主要有以下幾個功能：機器管理、數(shù)據(jù)管理、鋼絲檢測、鋼絲繩檢測、報告統(tǒng)計、用戶管理，檢測流程如圖1所示。

圖1 鋼絲繩力學檢測智能處理系統(tǒng)流程圖

機器管理是指對試驗機器的管理，它主要是便于將試驗數(shù)據(jù)同機器編號一一對應，將機器編號、機器類型等數(shù)據(jù)添加到系統(tǒng)中，軟件即可監(jiān)測該設備儀表的運行情況，當設備儀表發(fā)送試驗數(shù)據(jù)的時候，軟件即可收取試驗數(shù)據(jù)，管理員可修改、刪除該機器。軟件可監(jiān)測設備儀表的運行狀態(tài)，并實時顯示，以便于管理員查看設備狀態(tài)。

數(shù)據(jù)管理是對試驗數(shù)據(jù)的管理，做鋼絲試驗時，將一批鋼絲試驗作為一個批次。數(shù)據(jù)管理分為試驗數(shù)據(jù)查詢和錯誤數(shù)據(jù)處理兩個功能，試驗數(shù)據(jù)查詢即管理員可根據(jù)批次號、試驗類型、機器編號查詢試驗數(shù)據(jù)；錯誤處理是對試驗中可能出現(xiàn)錯誤的一種處理方式，工作人員在做試驗時，可能會將批次號或者試樣編號輸入錯誤，錯誤處理是對其的一種更正，管理員可以修改試驗數(shù)據(jù)的批次號和試樣編號來更正數(shù)據(jù)。

鋼絲檢測是對制繩前鋼絲的檢測，檢測鋼絲的抗拉強度級別和用途。對一批鋼絲進行拉力、扭轉、彎曲試驗，將試驗數(shù)據(jù)根據(jù)批次號組合調入到系統(tǒng)中，由工作人員輸入鋼絲對應的原直徑和公稱直徑等數(shù)據(jù)，即可對這批鋼絲進行判定。鋼絲是根據(jù)《J&L 10302-2018制繩用鋼絲》和《54402.1鋼絲及鋼絲繩檢驗試驗規(guī)程》兩個文件中的標準以及規(guī)定進行判定的。鋼絲判定完畢后可生成鋼絲判定結果報告并打印[8-9]。報告統(tǒng)計功能是對系統(tǒng)中生成的鋼絲繩的報告的管理，管理員可以查看系統(tǒng)中生成的鋼絲繩報告。管理員可以選擇一個或者多個報告導出到電腦中。用戶管理是對使用系統(tǒng)的用戶的全方面管理，管理員可隨時進行添加、修改、刪除用戶，并限制用戶的權限。圖2顯示鋼絲繩力學檢測智能處理系統(tǒng)偽代碼截圖。

圖2 鋼絲繩力學檢測智能處理系統(tǒng)偽代碼示意圖

3 硬件處理與實現(xiàn)

針對企業(yè)需要，我們對鋼絲繩的三種力學性能參數(shù)：扭曲性能、彎轉性能、拉力性能進行了測量，如圖3所示。

圖3 鋼絲繩力學檢測智能處理系統(tǒng)關鍵硬件部分設計示意圖

在鋼絲繩力學檢測智能處理系統(tǒng)中其鋼絲繩3種力學性能參數(shù)檢測中，檢測是使用Keli的PST電阻橋傳感器來實現(xiàn)的。電阻橋傳感器是將電阻信號轉換成電信號，傳感器的靈敏度為0.002mc/V[10-13]，采用5V電源供電、10mV的比例輸出電壓信號、OmV-10mV的弱電信號，為了放大OV-5V的電壓信號需要通過放大器電路，為了取得和處理數(shù)據(jù)需要發(fā)送到測量電路。同時，由于干擾信號被放大后疊加在張力信號上，系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)定性降低，無法正常檢測張力值。因此，濾波和放大電路的設計非常重要。這里使用符合EC-00100標準的橋接式汽車壓力傳感器信號調整用的高集成專用芯片NS9260設計電路。

鋼絲繩力學檢測智能處理系統(tǒng)界面簡潔易懂，操作簡單方便，系統(tǒng)的主要功能為用戶可添加、刪除機器，系統(tǒng)可監(jiān)控機器的在線狀態(tài)，系統(tǒng)中可查看試驗數(shù)據(jù)，并對錯誤的試驗數(shù)據(jù)的批次號和試樣編號進行修改，機器編號可填入做試驗的機器編號，可調入對應批次鋼絲繩的試驗數(shù)據(jù)，對鋼絲繩進行判定，即顯示系統(tǒng)中所有的鋼絲繩報告。如表1所示，管理員可管理系統(tǒng)中的用戶，可添加、修改、刪除用戶并將鋼絲繩檢測報告導出。

表1 鋼絲繩檢測報告示意表

4 小結

針對企業(yè)需要，應用于鋼絲繩力學檢測智能處理系統(tǒng)的設計與改進在傳統(tǒng)力學基礎上，實現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)技術中新技術上的設計和應用；社會效益體現(xiàn)在項目研發(fā)過程中解決了企業(yè)信息化建設中的重要內容，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)自動檢測、實時顯示、自動保存、集中管理，確保測試結果的實時性和可靠性，減輕測試負責人的勞動強度，提高產(chǎn)品檢查的工作效率和質量管理水平。