基于LabVIEW的新型下料機(jī)監(jiān)測(cè)方法研究*

張立軍 趙永瑞 趙升噸

（①中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)院，山東東營(yíng)257061;②西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710049）

為提高下料斷面質(zhì)量和效率，減少棒料所受外載荷和振動(dòng)、噪聲污染，筆者提出了一種“削強(qiáng)增脆，共振引導(dǎo)、控制裂紋擴(kuò)展”的精密下料思想，進(jìn)而發(fā)展出了一種基于裂紋技術(shù)、共振效應(yīng)和裂紋擴(kuò)展等機(jī)理于一體的新型共振誘導(dǎo)裂紋擴(kuò)展的下料方法。該方法首先用開槽機(jī)在金屬棒料表面上預(yù)制環(huán)狀V型槽，然后通過(guò)共振方法預(yù)制棒料V型槽尖端初始裂紋，再將棒料用夾緊缸夾緊，由送進(jìn)缸送入新型下料機(jī)中進(jìn)行低應(yīng)力精密下料［1－4］。在下料過(guò)程中，為了獲取下料機(jī)的共振特性，驗(yàn)證激振力與棒料撓度間的關(guān)系，需要對(duì)振動(dòng)體的加速度信號(hào)進(jìn)行在線采集，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和監(jiān)測(cè)。由于原來(lái)采用GeniDAQ編制的下料機(jī)控制系統(tǒng)，無(wú)法進(jìn)行高速采樣，功能模塊也不利于快速開發(fā)和改進(jìn)程序，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不是很準(zhǔn)確。為此本文利用LabVIEW軟件，研發(fā)出了基于虛擬儀器的新型下料機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并在軟硬件設(shè)計(jì)中采取了多種抑制干擾的措施，以提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

1 新型下料機(jī)的工作機(jī)理

新型下料機(jī)的共振系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)、激振塊、振動(dòng)體、動(dòng)模具、彈簧支撐及機(jī)座等6個(gè)部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。下料時(shí)，共振系統(tǒng)依靠電動(dòng)機(jī)1驅(qū)動(dòng)其兩端的激振塊2產(chǎn)生離心力，該力通過(guò)動(dòng)模具4施加給棒料，從而誘發(fā)棒料V型槽尖端裂紋萌生并使其有規(guī)律擴(kuò)展直至棒料斷裂。為了使負(fù)責(zé)給棒料加載的動(dòng)模具的初始位移在下料過(guò)程中既可變又可控，在該共振系統(tǒng)的機(jī)座6上安裝了對(duì)稱彈簧5。激振力、激振頻率和動(dòng)模具的初始位移都是通過(guò)變頻器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)共振的。加速度傳感器7用于測(cè)定該下料機(jī)的振動(dòng)狀態(tài)。

2 新型下料機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件布置

下料機(jī)的振動(dòng)信號(hào)由安裝在振動(dòng)體上的壓電加速度傳感器轉(zhuǎn)化為電荷信號(hào)，經(jīng)電荷放大器進(jìn)行歸一化、放大、濾波后送至PCL－818L的模擬量輸入口（AD1），最后采集到計(jì)算機(jī)中。本文采用YD42型通用壓電加速度傳感器，靈敏度為2 pC/（m/s）－2。由于該加速度傳感器輸出阻抗非常高（約108Ω），并且發(fā)出的電荷信號(hào)非常微弱［5］，因此需用前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)理，將高阻抗信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以記錄和測(cè)量的低阻抗信號(hào)，同時(shí)將信號(hào)放大。為了不考慮連接電纜的長(zhǎng)短問(wèn)題，本文采用了DHF－6A型電荷放大器。對(duì)于這種電荷放大器，加速度傳感器自身線路中的分流電容對(duì)電荷放大器線路的干擾可以忽略。

3 基于LabVIEW下料機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)采集

下料機(jī)的加載頻率在0～50 Hz間變化，根據(jù)奈奎斯特采樣定律，采樣頻率至少是信號(hào)最高頻率的2倍;另外，采用軟件觸發(fā)方式，即在程序中是通過(guò)控制采樣延時(shí)來(lái)進(jìn)行采樣的。綜合考慮采樣間隔設(shè)定為5 ms，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)定為256。

3.2 信號(hào)預(yù)處理

根據(jù)電荷放大器增益對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，該加速度傳感器靈敏度單位為pC/（m/s）－2，信號(hào)轉(zhuǎn)換公式為

式中:a為實(shí)際振動(dòng)加速度，m/s2;U為采集電壓，V;k為電荷放大器增益，V/（m/s2）。

為了去除系統(tǒng)中高頻干擾信號(hào)，以提高信噪比，調(diào)用了LabVIEW中的低通數(shù)字濾波器“Butterworth Filter.Vi”進(jìn)行高頻濾波。在加載頻率30 Hz，采樣頻率500 Hz，低通濾波器截止頻率50 Hz，濾波階次為2階的情況下，濾波前后的振動(dòng)體加速度信號(hào)波形如圖2所示，可見濾波效果十分明顯。

在數(shù)據(jù)處理時(shí)，為了測(cè)量下料機(jī)的加速度信號(hào)，必須將包含的趨勢(shì)項(xiàng)［6］消除。為此利用最小二乘法設(shè)計(jì)了一個(gè)“消除趨勢(shì)項(xiàng).vi”子程序，并用“Linear Fit.vi”函數(shù)對(duì)程序中的趨勢(shì)項(xiàng)進(jìn)行了曲線擬合。另外，由于環(huán)境溫度或者其他因素的干擾，導(dǎo)致加速度信號(hào)的曲線整體產(chǎn)生漂移［7］，進(jìn)而在振動(dòng)下料機(jī)未工作時(shí)，加速度傳感器就有電荷發(fā)出。因此，還對(duì)該加速度信號(hào)進(jìn)行了零均值化處理。設(shè)計(jì)的“消除趨勢(shì)項(xiàng).vi”和“零均值.vi”的LabVIEW程序框圖如圖3所示。

3.3 信號(hào)頻域分析

為了降低信號(hào)被截?cái)嗪螽a(chǎn)生泄露，造成頻譜的褶皺效應(yīng)，使頻譜失真，利用“Hanning Window.vi”進(jìn)行加窗處理［8］。為了準(zhǔn)確識(shí)別激振頻率值，調(diào)用 Lab-VIEW中提取單邊功率譜“Array Subset.vi”和最大功率處所在頻率估計(jì)“Power＆ Frequency Estimate.vi”的子程序，其流程框圖如圖4所示。

3.4 信號(hào)時(shí)域分析

為了從經(jīng)過(guò)預(yù)處理后得到的加速度信號(hào)中獲取速度信號(hào)、位移信號(hào)和下料機(jī)的工作特性，并對(duì)其振幅進(jìn)行計(jì)算，需要進(jìn)行加速度信號(hào)時(shí)域分析。由加速度信號(hào)求取速度信號(hào)，采用“Integral x（t）.vi”進(jìn)行一次積分求解。為了減少測(cè)試過(guò)程中外界干擾或者系統(tǒng)硬件本身導(dǎo)致的累計(jì)誤差，本文根據(jù)最大功率所在頻率值將預(yù)處理過(guò)的加速度信號(hào)進(jìn)行分段，然后對(duì)每段序列分別進(jìn)行積分，并進(jìn)行零均值、消除趨勢(shì)項(xiàng)、剔除奇異點(diǎn)［9］等處理進(jìn)而獲取速度信號(hào)和位移信號(hào)。由分段積分處理方式獲得的振動(dòng)體的加速度信號(hào)、速度信號(hào)和位移信號(hào)如圖5所示。依據(jù)下料機(jī)的實(shí)際工作機(jī)理，由圖5可知，采用分段積分得到的位移、速度和加速度信號(hào)能真正反映下料過(guò)程的實(shí)際情況。激振力很小，這在下料過(guò)程中沒有實(shí)際意義。10 Hz左右是下料機(jī)的固有頻率，這與理論計(jì)算所獲得的下料機(jī)固有頻率9.79［10］是較吻合的。下料機(jī)若在該固有頻率下開始工作，將產(chǎn)生共振效應(yīng)，進(jìn)而加速裂紋萌生，減少下料時(shí)間和激振力。（2）過(guò)了共振區(qū)后，對(duì)于每組曲線，整體上隨著激振頻率的增大，位移幅值均不斷減小，而且過(guò)了30 Hz后位移幅值均較穩(wěn)定，只有少許下降，這一段作為裂紋擴(kuò)展區(qū)是十分有益的。（3）隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，棒料所需的激振力必須有規(guī)律減小，進(jìn)而激振頻率減小，此時(shí)可以選取23 Hz作為下料機(jī)的終止頻率，再次利用共振效應(yīng)加快棒料的斷裂。（4）隨著調(diào)節(jié)片數(shù)量的增加，位移振幅曲線整體上移，說(shuō)明調(diào)節(jié)片既增大了激振力，也相應(yīng)增加了位移振幅。因此對(duì)高強(qiáng)度材料的下料，一方面要增加調(diào)節(jié)片的數(shù)量，另一方面也要相應(yīng)提高激振頻率，以免過(guò)大的位移振幅導(dǎo)致材料脆性斷裂提前、穩(wěn)定擴(kuò)展區(qū)減小，斷面質(zhì)量下降。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用

為了更好地實(shí)現(xiàn)精密下料，實(shí)驗(yàn)中將圖1中的整體式扇形激振塊2設(shè)計(jì)成一個(gè)較大的激振塊（母體）外加幾片小的調(diào)節(jié)片的形式。利用本文的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得出的振動(dòng)下料機(jī)的幅頻特性曲線如圖6所示。從圖6中可以看出:（1）每個(gè)曲線均有3個(gè)峰值，一個(gè)在4 Hz附近，一個(gè)在10 Hz附近，一個(gè)在23 Hz附近。4 Hz左右是振動(dòng)下料機(jī)在低頻下的振動(dòng)點(diǎn)，特點(diǎn)是位移大而

5 結(jié)語(yǔ)

（1）基于LabVIEW的新型下料機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括PCL－818L多功能數(shù)據(jù)采集卡、YD42壓電加速度傳感器、電荷放大器以及PCLD－8115接線端子板等硬件組成。振動(dòng)加速度信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡的模擬量輸入端口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

（2）為了抑制高頻干擾，在軟件設(shè)計(jì)中，采取了零均值化處理、低通濾波、加窗處理、分段積分等措施由下料機(jī)振動(dòng)加速度信號(hào)得出了實(shí)際位移振幅。理論分析表明，這些措施是切實(shí)有效的，而且是必要的。

（3）利用該新型下料機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，可較容易地獲得下料機(jī)的固有頻率。下料機(jī)的起始加載頻率最好選在10 Hz附近，終止頻率定在振動(dòng)體的固有頻率23 Hz附近，這主要是利用共振效應(yīng)來(lái)減少下料時(shí)間、降低棒料所需外載荷。

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