基于主振模態(tài)預(yù)測(cè)的帶鋸振動(dòng)主動(dòng)抑制系統(tǒng)

倪敬，王宏亮，劉湘琪，顧瞻華

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310018）

0 引言

金屬帶鋸床是取代老式弓鋸床的更新?lián)Q代產(chǎn)品，以其鋸切精度高、鋸縫小、高效節(jié)能等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鋸切各種金屬材料及非金屬材料等場(chǎng)合。在實(shí)際鋸切加工生產(chǎn)中，帶鋸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由于各種原因引起受迫振動(dòng)，帶鋸條振動(dòng)會(huì)引起材料損失，降低鋸條壽命，鋸材尺寸精度及加工面質(zhì)量差，而且會(huì)對(duì)金屬帶鋸床的生產(chǎn)效率有較大的影響。

目前，針對(duì)抑振的技術(shù)，有一種抑制帶鋼振動(dòng)的裝置［1］，其包含線圈，以及1個(gè)位移傳感器；該位移傳感器依次電路連接1個(gè)調(diào)理器、1個(gè)整流控制器；且該整流控制器的輸出端電路連接該線圈；該線圈、該位移傳感器安置于接近帶鋼附近并保持非接觸。其通過產(chǎn)生電磁力來抑制帶鋼振動(dòng)；還有一種非接觸帶鋼抑振裝置［2］，該裝置一方面在空氣箱體內(nèi)置入永磁鐵，利用永磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，對(duì)帶鋼產(chǎn)生吸引力。以上裝置可以有效地對(duì)帶鋼進(jìn)行抑振。但是其結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，且對(duì)裝置精密度要求高，在對(duì)于帶鋸抑振過程中不是必需如此繁瑣的裝置。因此不適合于金屬帶鋸床帶鋸抑振。

針對(duì)上述不足之處，本研究根據(jù)帶鋸條振動(dòng)調(diào)控精度高的性能要求，設(shè)計(jì)一種基于主振模態(tài)預(yù)測(cè)的帶鋸條振動(dòng)主動(dòng)抑制裝置。

1 工藝原理分析與性能指標(biāo)

1.1 工藝原理

本研究設(shè)計(jì)的基于主振模態(tài)預(yù)測(cè)的帶鋸條振動(dòng)主動(dòng)抑制裝置包括傳感器模塊、信號(hào)采集模塊、控制器模塊、液壓阻尼執(zhí)行器模塊及人機(jī)界面模塊，示意圖如圖1所示。傳感器模塊主要用于檢測(cè)帶鋸條橫向、縱向及扭轉(zhuǎn)方向的振動(dòng)；信號(hào)采集模塊主要用于采集帶鋸條橫向、縱向及扭轉(zhuǎn)方向上的振動(dòng)信號(hào)以及信號(hào)的處理；控制器模塊主要用于數(shù)字信號(hào)分析，并輸出模擬信號(hào)控制快速響應(yīng)閥。液壓阻尼執(zhí)行器模塊快速響應(yīng)控制器模塊的抑振控制信號(hào)，快速衰減帶鋸條振動(dòng)能量。人機(jī)界面模塊用于顯示帶鋸條當(dāng)前的振動(dòng)情況以及自整定參數(shù)的設(shè)定。

圖1 主動(dòng)抑制裝置示意圖

該系統(tǒng)的工作原理為：信號(hào)采集模塊通過傳感器模塊對(duì)帶鋸條橫向、縱向及扭轉(zhuǎn)方向上的多維度振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，傳入控制器模塊，在控制器模塊中，采用基于EMD篩分方法的主振型模態(tài)識(shí)別算法，并基于主振型模態(tài)參數(shù)構(gòu)建主振型模態(tài)的預(yù)測(cè)模型，輸出抑振控制參數(shù)，將輸出的數(shù)字信號(hào)通過模擬信號(hào)接口模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后傳至執(zhí)行器模塊。而液壓阻尼執(zhí)行器模塊快速響應(yīng)控制器模塊的抑振控制信號(hào)，快速衰減帶鋸條振動(dòng)能量。

1.2 主要性能指標(biāo)

具體帶鋸條振動(dòng)主動(dòng)抑制裝置的主要性能指標(biāo)為：

（1）橫向最大振幅≤0.2 mm；

（2）縱向最大振幅≤0.1 mm；

（3）扭轉(zhuǎn)方向最大振幅≤0.25 mm。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械系統(tǒng)原理介紹

根據(jù)帶鋸條抑振性能和工作要求，筆者設(shè)計(jì)的帶鋸抑振機(jī)械部分如圖2所示，傳感器模塊主要用于檢測(cè)帶鋸條橫向、縱向及扭轉(zhuǎn)方向的振動(dòng)，包括4套電渦流傳感器及2套電渦流傳感器，固定于安裝支架上，與安裝支架固連成一體；安裝支架固定左側(cè)導(dǎo)柱上，且傳感器豎直排列正對(duì)帶鋸條側(cè)面。1套電渦流傳感器固定于安裝支架上，與安裝支架固連成一體；安裝支架固定右側(cè)導(dǎo)柱上，且傳感器正對(duì)帶鋸條側(cè)面；最后1套電渦流傳感器固定于安裝支架上，與安裝支架固連成一體；所述的安裝支架固定于右側(cè)導(dǎo)柱上，且傳感器正對(duì)帶鋸條上方。

2.2 具體設(shè)計(jì)

液壓阻尼執(zhí)行器模塊快速響應(yīng)控制器模塊的抑振控制信號(hào)，快速衰減帶鋸條振動(dòng)能量，包括快速響應(yīng)閥、薄壁液壓缸及液壓缸安裝架。所述的快速響應(yīng)閥與帶鋸床的油源通過油管相連。圖2中，所述的液壓缸安裝在液壓缸安裝架上，液壓缸活塞桿頂部滾輪正對(duì)帶鋸條側(cè)面，液壓缸與快速響應(yīng)閥通過油管相連。液壓缸安裝架安裝在帶鋸床床身上。快速響應(yīng)閥接收來自控制器模塊的信號(hào)，調(diào)整液壓缸活塞桿滾輪與帶鋸條側(cè)面的距離，達(dá)到控制帶鋸條振動(dòng)的目的。

圖2 傳感器及薄壁液壓缸安裝示意圖

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電氣系統(tǒng)原理介紹

電氣系統(tǒng)主要包括模擬量輸入模塊、信號(hào)放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊及FIFO模塊［3］。電渦流傳感器檢測(cè)帶鋸條顫振偏移后，輸出模擬（電流）信號(hào)至前置放大器的信號(hào)輸入端口，前置放大器的信號(hào)輸出端口與轉(zhuǎn)換板模塊的模擬量輸入端口相連，具體連接方式為單端連接。輸入轉(zhuǎn)換板模塊的模擬信號(hào)通過外接電纜直接傳輸至采集卡，進(jìn)行模擬信號(hào)的高速A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過PCI接口傳輸至工控機(jī)內(nèi)。

3.2 信號(hào)采集模塊電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信號(hào)采集模塊和控制器模塊示意圖如圖3所示，信號(hào)采集模塊電路主要包括模擬量輸入模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、高速計(jì)數(shù)器模塊及FIFO模塊。經(jīng)上述的電渦流傳感器2、3、9、13采集的帶鋸條顫振模擬（電流）信號(hào)1～4輸入至轉(zhuǎn)換板模塊的模擬量輸入端口，具體連接方式為單端連接的信號(hào)轉(zhuǎn)換模式。

圖3 信號(hào)采集模塊和控制器模塊示意圖

采集卡通過外接電纜，接收輸入轉(zhuǎn)換板模塊的模擬信號(hào)，并進(jìn)行模擬信號(hào)的高速A/D轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換開始之前，采集卡還要進(jìn)行通道掃描及增益運(yùn)算處理，最后將經(jīng)過采集卡初步轉(zhuǎn)換及運(yùn)算后的數(shù)字信號(hào)傳輸至控制器模塊。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 軟件系統(tǒng)原理介紹

信號(hào)處理方法如圖4所示，可大致分為以下幾步：

（1）數(shù)據(jù)的采集、放大及A/D轉(zhuǎn)換：在帶鋸床運(yùn)行過程中，所述的電渦流傳感器2、3、9、13檢測(cè)帶鋸條橫向、縱向及扭矩方向上的顫振偏移量，分別輸出模擬量信號(hào)值p1(t)、q1(t)、x1(t)、y1(t)。采集卡通過外接電纜，接收轉(zhuǎn)換板的模擬信號(hào)，并進(jìn)行模擬信號(hào)的高速A/D轉(zhuǎn)換，輸出的數(shù)字信號(hào)為p2(t)、q2(t)、x2(t)、y2(t)。

（2）提取主振型模態(tài)參數(shù)［4-7］：該步主要分為窗函數(shù)截?cái)?、EMD篩分、FFT變換。以x2(t)為例：

在將x2(t)用窗函數(shù)截?cái)嗪筮M(jìn)行EMD篩分：

式中：u1(t)—用3次樣條曲線連接x2(t)的所有極大值點(diǎn)構(gòu)成上包絡(luò)線，d1(t)—用極小值點(diǎn)構(gòu)造出下包絡(luò)線。

且：

若h1滿足IMF的兩個(gè)條件，那么h1就是x2(t)的第一個(gè)分量。

兩個(gè)條件分別是：

（a）IMF的波形必須足局部對(duì)稱的，即IMF信號(hào)的由極大值點(diǎn)構(gòu)成的上包絡(luò)線和由極小位點(diǎn)構(gòu)成的下包絡(luò)線在任意時(shí)刻的均值都為零。

（b）要求整個(gè)IMF信號(hào)中，過零點(diǎn)的個(gè)數(shù)與極點(diǎn)個(gè)數(shù)相等或最多相差一個(gè)。

如果h1不滿足IMF的條件，把h1視為原始數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟（1），得到上下包絡(luò)線的平均值m11，求h11：

看h11是否滿足IMF的條件，如不滿足，則重循環(huán)k次，直到得到的基本滿足IMF的條件時(shí)，得到c1=h1k為x2(t)的一個(gè)IMF分量。

則：

圖4 信號(hào)處理原理框圖

判斷r1是否還能繼續(xù)分解，如果不能，篩分結(jié)朿；如果能繼續(xù)分解，則把r1作為原始數(shù)據(jù)重復(fù)步驟①、②，得到x2(t)的第2 IMF分量C2，如此重復(fù)n次，得到n個(gè)滿足IMF條件的分量。

當(dāng)rn的上下包絡(luò)線均值曲線為一單調(diào)函數(shù)時(shí)，不能再從中提取滿足IMF條件的分量，篩分循環(huán)結(jié)束，可得：

如此EMD篩分結(jié)束，從c1至cn中選擇周期最大的一組函數(shù)cj作為主振型，對(duì)cj做FFT變換得cj(f)，從其幅頻特性中選擇最大的幅值，并記為s3。所得s3即為x2(t)對(duì)應(yīng)的主振型模態(tài)參數(shù)。

以此類推可分別求得p2(t)、q2(t)、x2(t)、y2(t)的主振型模態(tài)參數(shù)s1、s2、s3、s4。

（3）計(jì)算抑振控制參數(shù)：基于上述的主振型模態(tài)參數(shù)，采用PID控制算法［8-9］，計(jì)算控制抑制參數(shù)。

第k次采樣，其計(jì)算公式為：

式中：k1，k3，k4—自整定參數(shù)，分別代表帶鋸條扭矩方向、橫向及縱向振動(dòng)的控制比例參數(shù)。

假設(shè)該次試驗(yàn)以控制帶鋸條橫向振動(dòng)為主，扭矩方向和縱向的振動(dòng)為輔，則設(shè)定k3為1，k1為0.1，k4為0.2。

且：

式中:s(k)—第k次采樣的抑振控制輸出；e(k-1)—第k-1次采樣計(jì)算所得值，當(dāng)k-1＜1，則e(k-1)=0；kp，ki，kd—自整定參數(shù)，需用戶根據(jù)帶鋸床運(yùn)行情況自行調(diào)整。

（4）抑振控制：將抑振控制參數(shù)通過模擬信號(hào)接口模塊輸入到快速響應(yīng)閥，通過快速響應(yīng)閥控制液壓缸活塞的進(jìn)給量，從而達(dá)到抑振的目的。

4.2 人機(jī)界面模塊設(shè)計(jì)

帶鋸鋸切負(fù)載檢測(cè)系統(tǒng)的軟件采用Borland C++Builder 6.0編寫［10］，主要完成對(duì)帶鋸鋸切負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)處理及智能識(shí)別工作，其主要界面如圖5所示，主要包括以下幾個(gè)模塊：

（1）專家系統(tǒng)知識(shí)庫：能夠?qū)?導(dǎo)出帶鋸鋸切的運(yùn)行顫振曲線簇及相關(guān)頻譜分析信息；

（2）歷史數(shù)據(jù)模塊：能夠保存和讀取帶鋸鋸切的歷史數(shù)據(jù)；

（3）鋸切監(jiān)控模塊：監(jiān)控鋸切過程的參數(shù)變化，顯示當(dāng)前的鋸切工況；

（4）鋸切負(fù)載曲線模塊：實(shí)時(shí)顯示鋸切負(fù)載曲線變化；

（5）系統(tǒng)報(bào)警模塊：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)識(shí)別出鋸切異常時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警。

圖5 控制界面

人機(jī)界面模塊可接收來自控制器模塊的信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)控帶鋸條各方向的振動(dòng)情況，并可將帶鋸條橫向、縱向及扭轉(zhuǎn)方向的振動(dòng)狀況以曲線的形式表示出來，同時(shí)可通過修改界面上的自整定參數(shù)控制帶鋸條各方向的振動(dòng)。圖5中，k1、k3、k4分別用于控制扭轉(zhuǎn)方向、橫向以及縱向的振動(dòng)，其數(shù)值越大，對(duì)應(yīng)方向的抑振效果越好。kp用于控制振幅，ki用于防止振動(dòng)突變（一般設(shè)為0），kd用于讓振動(dòng)趨于平穩(wěn)。振幅曲線圖可在繪制曲線按鈕按下后繪制當(dāng)前設(shè)置數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的振動(dòng)曲線。此外還具有數(shù)據(jù)保存功能。

5 結(jié)束語

經(jīng)試驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，在相同條件下，將以上方案設(shè)計(jì)的帶鋸振動(dòng)主動(dòng)抑制系統(tǒng)用于實(shí)際帶鋸床，帶鋸橫向、縱向、扭轉(zhuǎn)方向的最大振幅由原先的1 mm、0.3 mm、1.2 mm降至0.2 mm、0.1 mm、0.3 mm以內(nèi)，較好地解決了帶鋸條的振動(dòng)問題，提高了帶鋸條的使用壽命以及帶鋸床的切削精度和切削面加工質(zhì)量，改善了帶鋸床的性能。

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