倪敬，湯海天，劉湘琪，劉曉晨

(1.杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江杭州310018;2.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

金屬帶鋸床是一種下料工序主要設(shè)備，以其鋸切精度高、鋸縫小，具有高效節(jié)能等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鋼鐵、機(jī)械、汽車、船舶、石油和航空航天等行業(yè)［1］。在實(shí)際鋸切加工生產(chǎn)中，隨著加工工件截面積無序變化、加工工件材質(zhì)硬度突變、鋸齒齒刃磨損等復(fù)雜工況的出現(xiàn)，金屬帶鋸條鋸切負(fù)載參數(shù)會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生變化［2］，對(duì)后續(xù)工藝的加工精度、加工效率有著較大的影響。

目前，針對(duì)機(jī)床在線檢測開展了相關(guān)研究，如某專利(專利號(hào)為CN101135899)公開了一種精密數(shù)控機(jī)床在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線串口通訊方式，可實(shí)時(shí)檢測數(shù)控機(jī)床工作狀況，能在一定程度上對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行誤差補(bǔ)償，提高機(jī)床工作精度［3］。但該系統(tǒng)缺乏連續(xù)分析大量顫振信號(hào)的能力，無法應(yīng)用于復(fù)雜工況的工作環(huán)境，無法對(duì)工作狀況進(jìn)行智能決策及分析，因此，并不適用于基于金屬帶鋸條顫振特性的鋸切負(fù)載檢測要求。針對(duì)注水機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)開展的相關(guān)研究，如某專利(專利號(hào)為CN201010102851.9)公開了一種注水機(jī)組振動(dòng)狀態(tài)的點(diǎn)檢方法及檢測裝置。該裝置可以較為全面地針對(duì)機(jī)床運(yùn)行過程中的狀況進(jìn)行比對(duì)分析，基于數(shù)據(jù)庫信號(hào)管理處理也提高了檢測系統(tǒng)的自適應(yīng)能力［4］。但這種裝置成本較高，且采用聲學(xué)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，主觀判斷成分較大，不利于客觀分析。

因此，針對(duì)以上不足，本研究根據(jù)金屬帶鋸床鋸切的高精度、高效率等要求設(shè)計(jì)帶鋸床鋸切負(fù)載檢測系統(tǒng)。

1 工藝原理分析與性能指標(biāo)

1.1 系統(tǒng)工作原理

帶鋸床鋸切負(fù)載檢測系統(tǒng)如圖1所示。它主要由電渦流傳感器模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、智能決策模塊組成。其中，電渦流傳感器模塊由電渦流傳感器和安裝支架組成，該模塊的作用是測定帶鋸工作時(shí)工件兩側(cè)鋸切產(chǎn)生的帶鋸顫振偏移量;信號(hào)采集模塊由前置放大器、轉(zhuǎn)換板、數(shù)據(jù)采集卡組成，它采用轉(zhuǎn)換板及采集卡，包含了高速A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字輸入輸出等功能;信號(hào)處理模塊及智能決策模塊均通過C++Builder編程集成于工控機(jī)內(nèi)，可以對(duì)采集卡所采集的帶鋸顫振偏移量信號(hào)進(jìn)行信號(hào)處理，并基于故障診斷學(xué)中的專家系統(tǒng)理論，參考基于知識(shí)庫的診斷模型，對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行基于粗糙集的邏輯推理，實(shí)時(shí)檢測金屬帶鋸床鋸切負(fù)載變化。

帶鋸床鋸切負(fù)載檢測系統(tǒng)工作原理為:由電渦流傳感器采集的帶鋸鋸切的振動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過過前置放大器進(jìn)行信號(hào)放大，放大后的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換板及數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行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)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理提取特征值，并通過專家系統(tǒng)對(duì)鋸切負(fù)載進(jìn)行智能識(shí)別。

1.2 主要性能指標(biāo)和參數(shù)

主要性能指標(biāo)和參數(shù)如下:

(1)振動(dòng)測量精度為＜±2 mm;

(2)負(fù)載檢測識(shí)別范圍為200 N～2 000 N;

(3)振動(dòng)采集頻率范圍為0～1 000 Hz;

(4)鋸切進(jìn)給速度為0.2 mm/s。

2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)帶鋸床鋸切性能和工作要求，本研究設(shè)計(jì)的帶鋸鋸切負(fù)載檢測的機(jī)械部分如圖1所示。主要包括傳感器安裝支架和固定螺栓。該機(jī)械裝置與帶鋸床機(jī)構(gòu)裝配簡單，對(duì)實(shí)際的鋸切加工影響較小。

如圖1所示，電渦流傳感器的探頭固定安裝在支架上，安裝支架通過螺栓固定于金屬帶鋸床的導(dǎo)向裝置上。在進(jìn)行鋸切檢測時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)傳感器安裝支架的伸展姿態(tài)，使得電渦流傳感器的探頭垂直正對(duì)于金屬帶鋸條的鋸帶部分。當(dāng)帶鋸工作時(shí)，帶鋸條會(huì)產(chǎn)生基于平衡位置的橫向顫振偏移，其偏移值的大小經(jīng)由電渦流傳感轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)變化量，提供系統(tǒng)進(jìn)一步分析處理。

圖1 帶鋸鋸切負(fù)載檢測系統(tǒng)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)原理如圖2所示，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。電渦流傳感器檢測帶鋸條顫振偏移后，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)。

圖2 電氣系統(tǒng)原理圖

3.2 硬件選型與設(shè)計(jì)

本研究選取電氣元件如下:

(1)數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)與選型數(shù)據(jù)采集卡采用研華PCI-1716L，并選擇PCLD-8710接線端子模塊。

(2)監(jiān)控計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與選型工控機(jī)采用研華IPC-610MB-L。

(3)傳感器設(shè)計(jì)與選型傳感器采用TR81系列電渦流傳感器。

3.3 電控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3.1 原理介紹

帶鋸鋸切負(fù)載檢測軟件的具體工作原理如圖3所示，經(jīng)信號(hào)采集模塊A/D轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字信號(hào)值x(t)至信號(hào)處理模塊，為了便于分析計(jì)算，將轉(zhuǎn)換采樣后信號(hào)的時(shí)間序列截取有限長的一段進(jìn)行計(jì)算，其余部分視為零不予分析，即采用窗函數(shù)w(t)去乘采樣信號(hào)(時(shí)間序列)，x(t)·w(t)，其頻譜函數(shù)為［X(f)·W(f)］。然后采用快速傅里葉變換算法(FFT)，將離散的時(shí)間序列x(t)·w(t)變換成離散頻率序列，輸出結(jié)果X(f)p=［X(f)·W(f)］·D(f)［5］。隨后應(yīng)用相關(guān)性分析提取帶鋸振動(dòng)特征值，即應(yīng)用自相關(guān)函數(shù)區(qū)別周期函數(shù)，衰減寬帶隨機(jī)噪聲，并可確定周期因素的頻率，由此測得帶鋸?fù)稽c(diǎn)的固定頻率隨時(shí)間及工況變化而發(fā)生的相應(yīng)關(guān)系。

圖3 鋸切負(fù)載識(shí)別原理圖

本研究提取的帶鋸振動(dòng)特征值輸入到專家系統(tǒng)中，經(jīng)過專家系統(tǒng)進(jìn)行智能識(shí)別，能夠?qū)︿徢泄r進(jìn)行在線智能決策。專家系統(tǒng)由數(shù)據(jù)庫、知識(shí)庫、粗糙集推理機(jī)、人機(jī)接口及預(yù)測模型組成。知識(shí)庫是專家系統(tǒng)中的專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)與書本知識(shí)、常識(shí)的存儲(chǔ)器［6］，可以通過軟件的專家系統(tǒng)知識(shí)庫模塊，將帶鋸的運(yùn)行顫振曲線簇及相關(guān)頻譜分析信息作為專家知識(shí)導(dǎo)入知識(shí)庫;數(shù)據(jù)庫是專家系統(tǒng)中用于存放反映系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的事實(shí)數(shù)據(jù)的場所，經(jīng)數(shù)字信號(hào)處理提取的特征值作為系統(tǒng)的輸入信息，暫存于數(shù)據(jù)庫中;預(yù)測模型能夠根據(jù)當(dāng)前數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，利用知識(shí)庫中的知識(shí)，按一定的推理策略進(jìn)行對(duì)比分析，提出問題的分類。此時(shí)系統(tǒng)提出的問題分類是比較繁雜的，有一些只是存在于理論情況中。因此，基于實(shí)際系統(tǒng)，需要經(jīng)過粗糙集(RSDA)對(duì)問題分類進(jìn)行約簡。

粗糙集推理機(jī)工作原理圖如圖4所示，粗糙集(RSDA)是一種分析數(shù)據(jù)之間相關(guān)性和依賴性的一種符號(hào)方法，利用RSDA從數(shù)據(jù)中提取規(guī)則、尋找關(guān)鍵屬性和屬性值，進(jìn)行預(yù)測和決策［7-10］。由于規(guī)則的產(chǎn)生完全從數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，基于粗糙集推理機(jī)的專家系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自診斷的功能。

粗糙集推理機(jī)主要實(shí)現(xiàn)過程如下:

(1)數(shù)據(jù)的離散化處理。即對(duì)連續(xù)的輸入變量進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮^(qū)間劃分。

(2)基于粗糙集的數(shù)據(jù)分析。采用二值化數(shù)據(jù)方法［11］對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，并得到簡化的規(guī)則和重要的屬性值。

(3)模糊變量辨識(shí)和優(yōu)化劃分。

(4)綜合決策。對(duì)經(jīng)過一系列處理的輸入變量進(jìn)行綜合決策，輸出綜合決策結(jié)果。

圖4 粗糙集推理機(jī)工作原理圖

經(jīng)過專家系統(tǒng)的診斷和決策，最終通過軟件的鋸切監(jiān)控模塊，輸出帶鋸鋸切的參數(shù)及當(dāng)前的鋸切工況，并通過鋸切負(fù)載曲線模塊，將當(dāng)前的鋸切負(fù)載值以曲線的形式實(shí)時(shí)顯示出來。

3.3.2 具體軟件設(shè)計(jì)

帶鋸鋸切負(fù)載檢測系統(tǒng)的軟件采用Borland C++Builder 6.0編寫，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)雽?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)檢測識(shí)別出鋸切異常時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)報(bào)警。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

圖5 系統(tǒng)軟件界面

為了增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的可靠性，驗(yàn)證帶鋸床鋸切負(fù)載檢測系統(tǒng)的識(shí)別準(zhǔn)確率及響應(yīng)速度，本研究隨機(jī)選取3個(gè)工況條件進(jìn)行分析，具體取值如下:

(1)工況一，進(jìn)給速度40 mm/s，鋸切速度100 mm/s;

(2)工況二，進(jìn)給速度50 mm/s，鋸切速度120 mm/s;

(3)工況三，進(jìn)給速度60 mm/s，鋸切速度140 mm/s。

經(jīng)過近10次實(shí)際測試，本研究得到了在3種不同工況下系統(tǒng)的響應(yīng)速度及檢測準(zhǔn)確率。系統(tǒng)響應(yīng)速度曲線如圖6所示，系統(tǒng)在3種不同工況下的響應(yīng)速度均小于0.07 s，系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確率如圖7所示，系統(tǒng)在3種不同工況下檢測的準(zhǔn)確率分別為96%、97%、95%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶鋸床鋸切負(fù)載檢測系統(tǒng)在不同工況下均具有較好的響應(yīng)速度及識(shí)別準(zhǔn)確率，可以較好地滿足帶鋸床鋸切負(fù)載在線識(shí)別監(jiān)控的需要。

圖6 系統(tǒng)響應(yīng)曲線

5 結(jié)束語

針對(duì)金屬帶鋸床鋸切的高精度、高效率等要求，基于機(jī)械、電氣及軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本研究研制了帶鋸床鋸切負(fù)載檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由電渦流傳感器模塊、信號(hào)采集模塊、信號(hào)處理模塊、智能決策模塊組成。

圖7 系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確率

實(shí)際研究結(jié)果表明，該鋸切負(fù)載檢測系統(tǒng)在不同的工況下均具有識(shí)別準(zhǔn)確率高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，其檢測精度可以達(dá)到負(fù)載檢測量程的1‰，可以較好地滿足帶鋸床鋸切負(fù)載在線識(shí)別監(jiān)控的需要，改善帶鋸床鋸切的精度，提高鋸切的效率。

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