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摘要：冲压设备的安全事故频繁发生，生产安全的警钟长鸣。面对日新月异的市场需求发展，越来越多的异形材料需要使用冲压工艺来完成。原来的安全防护装置逐渐跟不上工人对机器快速生产的产量需求脚步。通过对人体生物阻抗特征的分析，提取出手指或人体组织器官部位等电学性质的物理量。信号采样层面以提高检测人体阻抗的测量电压为支点，配合无线电磁场藕合谐振的电路，将人体接触被测物体时的信号放大。由微电脑处理器将接收到的无线电谐振信号进行同步分离采样。快速识别出人体接触或接近被测量区域。用于冲压设备的人体手指或身体部件的安全检测系统。从而控制冲压设备禁止启动或回弹操作，实现保护工人手指或身体部位的作用。
关键词：冲压设备;生物阻抗;无线电磁场藕合谐振;同步分离采样
1、冲压安全的认知
冲压生产是五金及塑料制品最常见的加工方法。具有操作简单、成形质量高、工件尺寸稳定、精度较高等特点。特别是五金件铆接在汽车、电子工业、服装皮革、日用五金品的使用比率非常高。然而，冲压也是一种很容易产生安全事故的生产方式。冲压工作的事故比常规的机械制造业高三倍以上。央视记者曾对以生产开关电器名扬天下的某省一县级市进行过调查，并以《劣质冲床狂切5000打工之手》为题，披露该市的两个镇每年竟有5000例断手、断指者要到医院实施再植手术。原因是私企老板为了以最小投入获取最大回报，低价购进老式或二手的压力机。在无导向、无安全防护的简单敞开式冲模，完全靠手工送料进行冲压生产。多数打工者为农民工，技术素质差，对冲床和冲模的结构及工作特点缺乏深入了解，甚至一无所知，因此事故多发绝非偶然。
2、冲压安全的技术发展
冲压设备种类繁多。大型的加工设备，通常采用安全门的方式来杜绝人体进入冲压危险区域。但是小型冲压设备，特别是加工小工件时，安全门的方法就完全无法适应。使用小型冲压设备制造的工作，往往体积比较小。加工的单个工件利润有限。需要比较大的规模化生产，足够的生产数量才能产生相对较高的制造利润。加工企业为激励工人，采用计件方式生产。因此，工人也是尽量提高生产效率来提高个人收入。加工设备都是采用手、脚并用的协作式操作方式。双手放置工件，脚来启动设备冲压。在操作人员精神状态比较好的时间。操作者可以很快速的放置好工件，然后双手离开，接着脚再启动冲压。但是，当操作者身体不适或者疲劳操作以后，很容易发生双手还没有离开工作，脚就已经启动冲压开关了。这种情况下，很容易导致机器将手指压伤。造成生产事故。部分冲压设备厂商，在设备上安装了一些保护装置，如安装红外穿透式传感器来检测手指。当手指遮住红外线时，禁止机器启动。但当碰到服装类工件铆接的情况时，工件本身就遮住了红外线，导致安全检测系统无法正常工作。现场使用时，操作者被迫拆除安全装置来工作。还有一些厂商，会安装下压安全环来保护手指，当手指进入安全环下方时，由于手指档住安全环无法下压到工件底座，从而使机器无法启动。但是碰到需要手辅助定位的工件时，安全环就严重干涉到正常冲压。工人也会自行拆除来提高加工速度。目前最先进的解决方法是采用机械手臂或自动化生产线来批量生产。只是随着工业4.0的到来，个性化生产的需求慢慢越来越多。许多工厂为了个性化的生产，还必须使用非自动化的设备继续生产，因此，手指保护的装置仍然是很重要的技术课题。
3、人体生物阻抗特性
3.1人体生物阻抗的起源
生物医学测量方法与技术的发展历史可以迫溯到18世纪，1780年意大利神经生理学家Gavlain通过观察蛙的神经肌肉收缩现象，建立了生物电理论。最早开始研究生物组织阻抗的是德国科学家Hermann，1871年他成功地测量了骨骼肌的电阻，并发现电流沿不同方向通过骨骼肌时，呈现出不同的电阻值。1930年，Sapegno用交流电桥第一次测量出生物组织的电容。1944年美国Galifornia大学的CloeKS在总结前人工作的基础上，提出生物组织的阻抗可以用复平面上的一段圆弧来表示。后来CoeRH再进一步将其发展为Cole-Cole理论，并建立了生物組织的R、C三元件电路等效模型。1960年Schwan又成功地提出了频散理论（Dispersion），表明生物组织的电特性随频率在不同的频段呈显著变化.至此，生物组织电特性的理论基础基本形成。
3.2人体电阻等值电路
测试人体电阻，不象测试动物电阻那样容易施加和获取较多的数学、物理参数。因而，不同的研究者由于其试验对象不同，得出的结论会有一定的差异，但有一点是相同的，即在工频（直流）情况下，均可视人体电阻为一无感阻抗。佛莱贝尔加提出的人体等值电路模型如图1所示。
3.3接触电压对人体电阻的影响
据佛莱贝尔加的实验结果，如图2中曲线所示，接触电压越高，人体电阻值随之降低。从曲线可以看出，在皮肤潮湿状态下，接触电压为50V时，人体电阻为1700欧姆;接触电压为300V时，人体电阻降为1000欧姆，变化比较显著。
4、测量电路的设计
4.1升压电路
工业传感器的供电通常为5V、12V、24V，为方便微电脑控制器的连接，系统采用5V供电。鉴于接触电压提高以后，可以有郊降低人体生物阻抗，利于检测电路的设计。如图3所示：系统采用高频变压器来实现电压的提升。使用开关变压器磁芯EE28骨架，设计了一款原边初级线圈为0.1mm线径30T，次线0.1mm线径2200T，并以20K频率的开关脉冲通过开关变压器T1。将信号检测的输出电压从5V提升到366V。考虑到人体的安全通过电流小于20mA。设计过程中必须验证计算变压器的最大输出电流：实测原边线圈的感抗为755uH，电感的感抗：=9.487欧姆，原边的最大功率=U*I=5*5/9.487=2.635W，得次级最大电流=P/U=2.635/366 =0.00719A≈7mA，远小于安全电流。实际应用中，高频变压器的输出被绝缘层包裹在中间，具体见图4的示意图。人体是无法直接接触的。信号检测端的电压是通过无线电的电磁感应得到。因此，系统工作时，不会出现人体触电的感觉。 人体触碰TP点以后，积累在TP点的感应电压会快速下降，给过电阻分压以后，再經过隔直电容C3送往后级的信号放大电路。一方面提高信号的检测幅值，另一方面通过运放电路来实现阻抗匹配与瞬间高压静电的隔离，避免人体静电带来的高压直接影响到MCU从而导致的损坏。
4.2无线发射、接收的安装
如图4所示：开关变压器T1的一个输出端通过导线连接到无线发射层。另一端连接到系统的电源地，并通过一个等电位电容C2连接到机壳外壳并连接到大地。图3中的信号检测输入端TP连接到无线接收层。在无线发射层与无线接收层和机壳之间均有一层绝缘层。实物中，无线发射层并未安装在工件支撑底座之下，而是安装在工件支撑底座的外侧。无线发射层与无线接收层之间产生一个固定的磁场。同时，无线发射层与屏蔽层之间也有一个固定的磁场。由于发射层的外层被大地层包裹，无线电信号经过屏蔽层时基本上被屏蔽掉，不会对空间产生大规模的空间辐射。
4.3无线电磁场藕合谐振
鉴于无线发射层与无线接收层和屏蔽层之间的绝缘介质是固定的。因此，三者之间的层间电感和电容是固定不变的。在信号检测的技术条件下分析，只有当无线发射与无线接收之间产生良好的同步效果，且处于谐振状态时。在没有人体介入的情况下，输出电压达到最大的幅值。如图，LC电路处于并联状态。根据谐振计算公式：，通过调整匹配电容、负载电阻、层间绝缘厚度和开关频率、开关变压器的感抗。来匹配最佳的谐振区域状态点。当人体手指或其它部分触摸到TP位置时。由于人体的生物电阻抗特点，TP位置也因为人体的介入而失去谐振状态。TP点的电压会大幅下降。如图5所示。
4.4同步分离采样
MCU根据开关变压器的驱动PWM频率，在PWM的开和关的瞬间，同步进行ADC的触发采样。在谐振的作用下，采样点与信号的波峰波谷基本重合。此时，采样到的信号峰峰值处于最大状态。当人体触碰以后，破坏了谐振状态，ADC的采样点采样到的信号也不是信号峰峰值最大的位置，等同于进一步以软件的方式分离出有无人体介入的情况。同时，由于人体对地电阻和电容的存在，信号的整体也缩小了很多。采样到的信号峰峰值比无人体触碰的时候小很多。软件通过简单的低通滤波后可以轻松的判断出是否有人体触碰。同步分离采用波形如图6所示。
参考文献
[1]唐敏.生物阻抗测量原理与测量技术[J].生物医学工程学杂志，1997，14（2）：152～155.
[2]张旭起，张正修，赵向珍.冲压安全技术发展的回顾与思考[J].金属加工，2009（19）：18～21.
[3]鲁建平.冲压生产安全问题的系统思考[J].南方农机，2019（17）：102～103.
[4]李其峰.我国冲压机机械伤害风险评价分析及对策研究[J].黑龙江科技信息，2017（16）：61.
[5]李英杰，翟瑞占，韩长伟.冲压机床安全危险因素与保护装置研究[J].装备制造技术，2014（11）：179～180.
[6]陈昌廷，刘甦民，陈华，李志湖.一种手动冲压线工作台运动区域安全防护系统[J].锻造与冲压2019（18）：53～54.
[7]席义安.人体电阻等值电路的分析[J].有色冶金节能，2008，24（5）：50～52，66.
[8]黄辉，黄学良，谭林林，丁晓辰.基于磁场谐振耦合的无线电力传输发射及接收装置的研究[J].电工电能新技术.2011（1）：32～35.
[9]李全，苏建徽，赖纪东，徐海波.LC并联谐振全桥直流变换器的研究[J].电力电子技术，2020（10）：90～93，98.
作者简介
张平（1980-），男，本科，台州凯斯拉智能科技有限公司技术员，研究方向为电子技术应用。
关键词：冲压设备;生物阻抗;无线电磁场藕合谐振;同步分离采样
1、冲压安全的认知
冲压生产是五金及塑料制品最常见的加工方法。具有操作简单、成形质量高、工件尺寸稳定、精度较高等特点。特别是五金件铆接在汽车、电子工业、服装皮革、日用五金品的使用比率非常高。然而，冲压也是一种很容易产生安全事故的生产方式。冲压工作的事故比常规的机械制造业高三倍以上。央视记者曾对以生产开关电器名扬天下的某省一县级市进行过调查，并以《劣质冲床狂切5000打工之手》为题，披露该市的两个镇每年竟有5000例断手、断指者要到医院实施再植手术。原因是私企老板为了以最小投入获取最大回报，低价购进老式或二手的压力机。在无导向、无安全防护的简单敞开式冲模，完全靠手工送料进行冲压生产。多数打工者为农民工，技术素质差，对冲床和冲模的结构及工作特点缺乏深入了解，甚至一无所知，因此事故多发绝非偶然。
2、冲压安全的技术发展
冲压设备种类繁多。大型的加工设备，通常采用安全门的方式来杜绝人体进入冲压危险区域。但是小型冲压设备，特别是加工小工件时，安全门的方法就完全无法适应。使用小型冲压设备制造的工作，往往体积比较小。加工的单个工件利润有限。需要比较大的规模化生产，足够的生产数量才能产生相对较高的制造利润。加工企业为激励工人，采用计件方式生产。因此，工人也是尽量提高生产效率来提高个人收入。加工设备都是采用手、脚并用的协作式操作方式。双手放置工件，脚来启动设备冲压。在操作人员精神状态比较好的时间。操作者可以很快速的放置好工件，然后双手离开，接着脚再启动冲压。但是，当操作者身体不适或者疲劳操作以后，很容易发生双手还没有离开工作，脚就已经启动冲压开关了。这种情况下，很容易导致机器将手指压伤。造成生产事故。部分冲压设备厂商，在设备上安装了一些保护装置，如安装红外穿透式传感器来检测手指。当手指遮住红外线时，禁止机器启动。但当碰到服装类工件铆接的情况时，工件本身就遮住了红外线，导致安全检测系统无法正常工作。现场使用时，操作者被迫拆除安全装置来工作。还有一些厂商，会安装下压安全环来保护手指，当手指进入安全环下方时，由于手指档住安全环无法下压到工件底座，从而使机器无法启动。但是碰到需要手辅助定位的工件时，安全环就严重干涉到正常冲压。工人也会自行拆除来提高加工速度。目前最先进的解决方法是采用机械手臂或自动化生产线来批量生产。只是随着工业4.0的到来，个性化生产的需求慢慢越来越多。许多工厂为了个性化的生产，还必须使用非自动化的设备继续生产，因此，手指保护的装置仍然是很重要的技术课题。
3、人体生物阻抗特性
3.1人体生物阻抗的起源
生物医学测量方法与技术的发展历史可以迫溯到18世纪，1780年意大利神经生理学家Gavlain通过观察蛙的神经肌肉收缩现象，建立了生物电理论。最早开始研究生物组织阻抗的是德国科学家Hermann，1871年他成功地测量了骨骼肌的电阻，并发现电流沿不同方向通过骨骼肌时，呈现出不同的电阻值。1930年，Sapegno用交流电桥第一次测量出生物组织的电容。1944年美国Galifornia大学的CloeKS在总结前人工作的基础上，提出生物组织的阻抗可以用复平面上的一段圆弧来表示。后来CoeRH再进一步将其发展为Cole-Cole理论，并建立了生物組织的R、C三元件电路等效模型。1960年Schwan又成功地提出了频散理论（Dispersion），表明生物组织的电特性随频率在不同的频段呈显著变化.至此，生物组织电特性的理论基础基本形成。
3.2人体电阻等值电路
测试人体电阻，不象测试动物电阻那样容易施加和获取较多的数学、物理参数。因而，不同的研究者由于其试验对象不同，得出的结论会有一定的差异，但有一点是相同的，即在工频（直流）情况下，均可视人体电阻为一无感阻抗。佛莱贝尔加提出的人体等值电路模型如图1所示。
3.3接触电压对人体电阻的影响
据佛莱贝尔加的实验结果，如图2中曲线所示，接触电压越高，人体电阻值随之降低。从曲线可以看出，在皮肤潮湿状态下，接触电压为50V时，人体电阻为1700欧姆;接触电压为300V时，人体电阻降为1000欧姆，变化比较显著。
4、测量电路的设计
4.1升压电路
工业传感器的供电通常为5V、12V、24V，为方便微电脑控制器的连接，系统采用5V供电。鉴于接触电压提高以后，可以有郊降低人体生物阻抗，利于检测电路的设计。如图3所示：系统采用高频变压器来实现电压的提升。使用开关变压器磁芯EE28骨架，设计了一款原边初级线圈为0.1mm线径30T，次线0.1mm线径2200T，并以20K频率的开关脉冲通过开关变压器T1。将信号检测的输出电压从5V提升到366V。考虑到人体的安全通过电流小于20mA。设计过程中必须验证计算变压器的最大输出电流：实测原边线圈的感抗为755uH，电感的感抗：=9.487欧姆，原边的最大功率=U*I=5*5/9.487=2.635W，得次级最大电流=P/U=2.635/366 =0.00719A≈7mA，远小于安全电流。实际应用中，高频变压器的输出被绝缘层包裹在中间，具体见图4的示意图。人体是无法直接接触的。信号检测端的电压是通过无线电的电磁感应得到。因此，系统工作时，不会出现人体触电的感觉。 人体触碰TP点以后，积累在TP点的感应电压会快速下降，给过电阻分压以后，再經过隔直电容C3送往后级的信号放大电路。一方面提高信号的检测幅值，另一方面通过运放电路来实现阻抗匹配与瞬间高压静电的隔离，避免人体静电带来的高压直接影响到MCU从而导致的损坏。
4.2无线发射、接收的安装
如图4所示：开关变压器T1的一个输出端通过导线连接到无线发射层。另一端连接到系统的电源地，并通过一个等电位电容C2连接到机壳外壳并连接到大地。图3中的信号检测输入端TP连接到无线接收层。在无线发射层与无线接收层和机壳之间均有一层绝缘层。实物中，无线发射层并未安装在工件支撑底座之下，而是安装在工件支撑底座的外侧。无线发射层与无线接收层之间产生一个固定的磁场。同时，无线发射层与屏蔽层之间也有一个固定的磁场。由于发射层的外层被大地层包裹，无线电信号经过屏蔽层时基本上被屏蔽掉，不会对空间产生大规模的空间辐射。
4.3无线电磁场藕合谐振
鉴于无线发射层与无线接收层和屏蔽层之间的绝缘介质是固定的。因此，三者之间的层间电感和电容是固定不变的。在信号检测的技术条件下分析，只有当无线发射与无线接收之间产生良好的同步效果，且处于谐振状态时。在没有人体介入的情况下，输出电压达到最大的幅值。如图，LC电路处于并联状态。根据谐振计算公式：，通过调整匹配电容、负载电阻、层间绝缘厚度和开关频率、开关变压器的感抗。来匹配最佳的谐振区域状态点。当人体手指或其它部分触摸到TP位置时。由于人体的生物电阻抗特点，TP位置也因为人体的介入而失去谐振状态。TP点的电压会大幅下降。如图5所示。
4.4同步分离采样
MCU根据开关变压器的驱动PWM频率，在PWM的开和关的瞬间，同步进行ADC的触发采样。在谐振的作用下，采样点与信号的波峰波谷基本重合。此时，采样到的信号峰峰值处于最大状态。当人体触碰以后，破坏了谐振状态，ADC的采样点采样到的信号也不是信号峰峰值最大的位置，等同于进一步以软件的方式分离出有无人体介入的情况。同时，由于人体对地电阻和电容的存在，信号的整体也缩小了很多。采样到的信号峰峰值比无人体触碰的时候小很多。软件通过简单的低通滤波后可以轻松的判断出是否有人体触碰。同步分离采用波形如图6所示。
参考文献
[1]唐敏.生物阻抗测量原理与测量技术[J].生物医学工程学杂志，1997，14（2）：152～155.
[2]张旭起，张正修，赵向珍.冲压安全技术发展的回顾与思考[J].金属加工，2009（19）：18～21.
[3]鲁建平.冲压生产安全问题的系统思考[J].南方农机，2019（17）：102～103.
[4]李其峰.我国冲压机机械伤害风险评价分析及对策研究[J].黑龙江科技信息，2017（16）：61.
[5]李英杰，翟瑞占，韩长伟.冲压机床安全危险因素与保护装置研究[J].装备制造技术，2014（11）：179～180.
[6]陈昌廷，刘甦民，陈华，李志湖.一种手动冲压线工作台运动区域安全防护系统[J].锻造与冲压2019（18）：53～54.
[7]席义安.人体电阻等值电路的分析[J].有色冶金节能，2008，24（5）：50～52，66.
[8]黄辉，黄学良，谭林林，丁晓辰.基于磁场谐振耦合的无线电力传输发射及接收装置的研究[J].电工电能新技术.2011（1）：32～35.
[9]李全，苏建徽，赖纪东，徐海波.LC并联谐振全桥直流变换器的研究[J].电力电子技术，2020（10）：90～93，98.
作者简介
张平（1980-），男，本科，台州凯斯拉智能科技有限公司技术员，研究方向为电子技术应用。