唐 佳，李永菲，王玉國，譚正祥，薛宗淵

（1.無錫汽車工程高等職業(yè)技術(shù)學校城軌工程系，江蘇無錫 214151；2.南京工程學院汽車與軌道交通學院，南京 211167）

0 引言

近年來智能制造不斷推廣，國內(nèi)的制造水平穩(wěn)步提升［1］。無錫雖然是我國制造業(yè)的重點發(fā)展城市，但相當一部分制造企業(yè)處于產(chǎn)業(yè)鏈中下游，以中低端傳統(tǒng)家電、機械加工等離散為主［2-3］。在現(xiàn)有條件下根據(jù)需要融入制造車間設(shè)備生產(chǎn)監(jiān)測環(huán)節(jié)，有助于中小制造企業(yè)增效降本，對企業(yè)的決策和生產(chǎn)任務(wù)安排都能產(chǎn)生積極的影響［4］，其重要性一直是研究的熱點問題。如果直接引進先進設(shè)備，不僅成本較高，且后臺生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全性無法保障，不利于企業(yè)后期轉(zhuǎn)型升級［5］。

離散制造車間設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的信息量龐大，同時具有實時性、動態(tài)性變化等特征，這使設(shè)備狀態(tài)信息采集的過程中增加了難度。韓國的Kim Dong Hoon 等［6］利用電機電流與切削力矩存在必然聯(lián)系的特性，參考生產(chǎn)加工現(xiàn)場的需求，研究開發(fā)了一套U-Manufacturing系統(tǒng)，并設(shè)計了現(xiàn)場終端實現(xiàn)對車間內(nèi)數(shù)控設(shè)備加工狀態(tài)的監(jiān)測。衢州學院的鄧小雷等［7］對現(xiàn)有的機床主軸系統(tǒng)采集多類信號，研發(fā)出多源異類信息采集試驗平臺，實現(xiàn)對數(shù)控立式加工中心定轉(zhuǎn)速下的溫度、加速度動態(tài)監(jiān)測。重慶大學的劉飛等［8］基于功率電信號對生產(chǎn)車間數(shù)控設(shè)備實時采集，參考功率變化中的特征值，實現(xiàn)對數(shù)控設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測。

目前對機械加工設(shè)備的電氣信號進行采集，不依賴于數(shù)控系統(tǒng)，靈活選用傳感裝置，適用于中小型制造企業(yè)轉(zhuǎn)向智能制造升級過渡。為了較低成本實現(xiàn)信息化、數(shù)字化生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和設(shè)備綜合效率（OEE），本文以人工上下料的錠子軸數(shù)控車削組合加工工序為例，數(shù)據(jù)采集裝置采集加工過程中的電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理，形成零件加工特征序列與標準特征序列庫匹配，驗證生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)在線監(jiān)測的可行性。

1 車間設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集

電信號數(shù)據(jù)采集設(shè)備現(xiàn)場接線圖如圖1 所示，數(shù)據(jù)采集裝置外接220 V 的電源，其中，傳感裝置的三相分別為3 根紅線，與火線連接，數(shù)據(jù)采集裝置的21、22 端口與串口轉(zhuǎn)換器RS485 或RS232 端口連接。轉(zhuǎn)換的另一頭通過USB接口與PC端連接，通過查詢可用COM 端口完成連接通信。

在制造車間以人工上下料的某數(shù)控機床為例，數(shù)據(jù)采集裝置在保障數(shù)控機床正常加工的情況下，進行電信號采集。在實際安裝過程中，數(shù)據(jù)采集裝置穿刺主軸電機線纜獲得電壓信號，實現(xiàn)電流、電壓、功率信號的采集。數(shù)據(jù)采集設(shè)備現(xiàn)場接線如圖2 所示，打開數(shù)控車床的背面PLC控制面板，找到對應(yīng)的線纜完成電信號傳感裝置、數(shù)控采集裝置、電源等安裝，完成數(shù)據(jù)采集裝置接線，同時與PC端完成COM 端口測試，實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件聯(lián)通。

圖1 電信號數(shù)據(jù)采集設(shè)備現(xiàn)場接線

圖2 數(shù)據(jù)采集裝置現(xiàn)場采集

錠子軸加工為半自動生產(chǎn)，需要人工進行上下料，待加工時長不固定。數(shù)控機床現(xiàn)場加工如圖3 所示，生產(chǎn)加工人員需要將加工完成的錠子軸零件用檢具進行測量，檢驗是否為合格品，再將待加工的棒料放入數(shù)控機床中，完成作業(yè)目標，流轉(zhuǎn)至下一道工序，是實現(xiàn)制造執(zhí)行系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。

利用搭建的電信號數(shù)據(jù)采集平臺，完成數(shù)據(jù)采集。錠子軸電流信號數(shù)據(jù)折線如圖4 所示，通過數(shù)據(jù)采集點形成的圖像清晰可見，零件加工過程規(guī)律性很強，且存在待加工時間長短不一的現(xiàn)象。因此，需要對曲線的特征進一步分析，來實現(xiàn)錠子軸生產(chǎn)過程監(jiān)測。

圖3 數(shù)控機床現(xiàn)場加工

2 車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)預(yù)處理算法研究

傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展為離散制造車間設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)提供頻率保障，但在采集過程中原始信號存在各種噪聲，如刀具進給的快慢、零件過程中的振動、供給電壓不穩(wěn)定產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素。針對原始數(shù)據(jù)存在大量噪聲的問題，提出對原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理的方法，實現(xiàn)了準確描述零件加工過程的特征信息和減小生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測的輸出結(jié)果誤差。將常用的降噪濾波如移動平均濾波、高斯濾波和小波降噪等，用信噪比（SNR）、均方根誤差（RMSE）來評價降噪效果［9］，比較得出適合錠子軸的數(shù)據(jù)預(yù)處理方式。

2.1 移動平均濾波

在信號處理的時候，常用到移動平均濾波進行降噪處理［10］：

式中：x為輸入值；y為輸出值；n ≥N。

2.2 高斯濾波

高斯濾波是一種根據(jù)高斯函數(shù)的形狀來選擇權(quán)值的線性平滑處理［11］。其公式為：

高斯濾波相比于移動平均濾波，特點在于：數(shù)據(jù)中離某一點越近的點對其產(chǎn)生的影響越大，讓其權(quán)重大。相反，相離越遠的點對其產(chǎn)生的影響越小，權(quán)重也越小。

2.3 小波閾值降噪

小波降噪不僅能保留原始數(shù)據(jù)中的特征值，還能消除采集過程中的噪聲。設(shè)含有噪聲的離散信號為g（x），其公式為：

式中：f（x）為原始信號；n（x）為N（0，σ2）的高斯白噪聲。

噪聲不僅干擾實際信號，還會增加后期數(shù)據(jù)處理的任務(wù)量和計算時間?；谛〔ǚ纸獾墓?，可以對實際原始信號變換進行分解與重構(gòu)，信號的快速正交小波變化為：

式中：cjk為信號的尺度系數(shù)；djk為小波系數(shù)；j為信號分解層數(shù)。

確定高斯白噪聲在小波系數(shù)中的閾值，需要閾值函數(shù)對含有噪聲系數(shù)的小波系數(shù)進行過濾，常用的閾值函數(shù)有軟閾值和硬閾值［12］。

硬閾值絕對值大于小波系數(shù)x 時，其值不變。硬閾值絕對值小于等于小波系數(shù)時，其值為0。在降噪過程中，硬閾值處理閾值點處存在不連續(xù)的情況，且會對數(shù)據(jù)產(chǎn)生振蕩信號。硬閾值的形式為：

另一種為軟閾值降噪。小波系數(shù)的絕對值大于或者等于所設(shè)定閾值λ 時，小波系數(shù)的值不保留，以平滑的方式體現(xiàn)。小波系數(shù)絕對值小于閾值其值為0，形式為：

小波降噪的主要影響因素為基函數(shù)的選取、分解層數(shù)的確立、閾值方法的選取和值的確定。在實際應(yīng)用中沒有固定統(tǒng)一的選取標準，針對不同的信號選取不同的方案，其降噪效果也有所不同。

信噪比是評價降噪性能的標準，將降噪信號表示為標準信號f（n）、原始信號s（n）、信號長度L，信噪比（SNR）公式定義［13］為：

均方根誤差是原始信號與降噪處理后的信號之間的，其中s（i）為原始信號，f（i）是降噪后的信號，公式定義為：

為了評價移動平均值濾波、高斯濾波、小波軟硬閾值降噪算法的效果。一般采用的信噪比（SNR）、均方根誤差（RMSE）來評價降噪的優(yōu)劣。由式（7）和（8）可知信噪比（SNR）越高，均方根誤差（RMSE）越小，降噪處理后的信號越接近原始信號，保留其特征值的效果越好［14］。

4 種濾波降噪處理結(jié)果如圖5 可以看出，原始數(shù)據(jù)存在大量的噪聲，經(jīng)過不同降噪處理效果不同。原始數(shù)據(jù)經(jīng)高斯濾波、移動平均值濾波、小波軟閾值處理、硬閾值降噪處理，在不同程度上減少了對離散車間設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測信號的干擾。從4 種不同的數(shù)據(jù)預(yù)處理方式和處理結(jié)果來看，高斯濾波的信噪比最大，且均方根誤差最小。高斯濾波在數(shù)據(jù)預(yù)處理整體效果相比移動平均值濾波、小波降噪處理更好。因此，選用高斯濾波作為數(shù)據(jù)預(yù)處理的方式。

圖5 4 種濾波處理結(jié)果

3 在線監(jiān)測算法研究

通過高斯濾波的方式完成原始數(shù)據(jù)預(yù)處理，實現(xiàn)錠子軸曲線特征生成特征序列，與標準特征序列庫匹配識別得到錠子軸的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，完成錠子軸的生產(chǎn)過程在線監(jiān)測。以某制造車間內(nèi)，數(shù)控機床加工錠子軸為例共有5 道工序，分別為小孔平端面、大孔平端面、車內(nèi)孔、小孔倒圓角和大孔倒圓角。如圖6 所示，標準特征序列標定則通過多次人工暫停的方式，實現(xiàn)對每道工序與電信號一一對應(yīng)，形成標準特征序列庫。

圖6 某錠子軸零件工序流程

某錠子軸一個完整加工過程如圖7 所示，將預(yù)處理后的曲線特征段與加工工序?qū)?yīng)。相鄰兩道加工工序間存在換刀等待時間，連續(xù)采集離散制造車間設(shè)備中加工與待加工的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對零件加工各個工序、完整加工過程、待加工過程中的數(shù)據(jù)做特征提取作為特征序列，形成該零件的標準特征序列庫。

圖7 某錠子軸完整加工過程

在持續(xù)監(jiān)測數(shù)控機床過程中，設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)不斷進行工序匹配識別判定零件加工是否正常，同時累加零件加工個數(shù)、加工時長和待加工時長，形成一組設(shè)備生產(chǎn)信息特征集，并向制造執(zhí)行系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)［15］。離散車間設(shè)備工序監(jiān)測流程如圖8 所示，檢測是否與終端設(shè)備連接成功，實時獲取電流數(shù)據(jù)，進行高斯濾波處理，首件檢查。將首件檢測合格的特征數(shù)據(jù)錄入標準數(shù)據(jù)庫，形成標準特征，工序換刀過程的時間為T，將收到的第一特征序列與換刀標準序列比對。其中第一特征序列由工序持續(xù)時長、電流幅值與方差3 個特征值組成，這些特征值可以較好地描述各工序之間的差異。如果匹配成功，將此加工過程截斷，得到一段X的待判定序列，將待判定序列與零件各加工工序的標準序列比對，輸出相對應(yīng)的加工工序且為加工狀態(tài)，記錄加工時長。如果匹配失敗，再將待判定工序X 按照單位時間劃分為A 段，將A段電信號數(shù)據(jù)的第二特征序列分別與單位時間內(nèi)待加工標準特征序列進行比對，若能完成匹配，則將該電信號段標識為待加工狀態(tài)，記錄待加工時長。待加工狀態(tài)下電流值相較于加工工序變化平穩(wěn)，可用平均值作為第二特征序列。若不能完成匹配，則將該特征序列標識為異常狀態(tài)保存在本地存儲。在現(xiàn)場終端顯示屏中，實時顯示目前的車間設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)信息，處于加工狀態(tài)顯示當前加工工序，處于待加工狀態(tài)記錄待加工時長。能夠進一步得到該車間加工設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，其中包括零件加工個數(shù)X、加工時長T、待加工時長TD和異常數(shù)據(jù)Y。

圖8 離散車間設(shè)備工序在線監(jiān)測流程

由于生產(chǎn)加工方式不同，無錫中小型制造企業(yè)的生產(chǎn)加工設(shè)備大多需要人工進行上下料檢測，待加工時間不確定。需要對單位時間內(nèi)電信號進行逐一匹配，累加單位時間得到待加工時長，完成對待加工狀態(tài)匹配。對自動上料的生產(chǎn)設(shè)備，加工節(jié)拍固定，待加工時長也固定，對此類的加工設(shè)備待加工狀態(tài)和時長匹配較半自動化加工較易。生產(chǎn)信息監(jiān)測系統(tǒng)將提供車間生產(chǎn)基礎(chǔ)信息且能完成數(shù)據(jù)反饋，從而杜絕員工謊報產(chǎn)量和管理人員對人員、設(shè)備、工序、訂單等精益化管理。

4 結(jié)束語

本文以人工上下料的錠子軸數(shù)控車削組合加工工序為例，將采集的電信號進行分析，發(fā)現(xiàn)存在很強的規(guī)律性。利用4 種不同的濾波方式，對原始數(shù)據(jù)進行降噪處理減少結(jié)果誤差，采用信噪比和均方根誤差來評價，得出高斯濾波去噪效果最佳。將預(yù)處理后的曲線與錠子軸加工工序匹配，形成標準曲線特征，按照離散車間設(shè)備工序在線監(jiān)測流程，輸出車間設(shè)備的加工狀態(tài)、零件數(shù)量、加工時長、待加工時長等核心數(shù)據(jù)流，完成對制造車間實時監(jiān)測，幫助企業(yè)對生產(chǎn)計劃、訂單、設(shè)備、員工等精益化管理?；陔娦盘柕能囬g設(shè)備監(jiān)測方法應(yīng)用范圍廣，可以較低成本助力無錫中小型制造企業(yè)“智改數(shù)轉(zhuǎn)”的發(fā)展。