基于LabVIEW的新型下料機監測方法研究*

張立軍 趙永瑞 趙升噸

（①中國石油大學（華東）機電工程學院，山東東營257061;②西安交通大學機械工程學院，陜西西安 710049）

為提高下料斷面質量和效率，減少棒料所受外載荷和振動、噪聲污染，筆者提出了一種“削強增脆，共振引導、控制裂紋擴展”的精密下料思想，進而發展出了一種基于裂紋技術、共振效應和裂紋擴展等機理于一體的新型共振誘導裂紋擴展的下料方法。該方法首先用開槽機在金屬棒料表面上預制環狀V型槽，然后通過共振方法預制棒料V型槽尖端初始裂紋，再將棒料用夾緊缸夾緊，由送進缸送入新型下料機中進行低應力精密下料［1－4］。在下料過程中，為了獲取下料機的共振特性，驗證激振力與棒料撓度間的關系，需要對振動體的加速度信號進行在線采集，并進行實時分析和監測。由于原來采用GeniDAQ編制的下料機控制系統，無法進行高速采樣，功能模塊也不利于快速開發和改進程序，導致監測數據不是很準確。為此本文利用LabVIEW軟件，研發出了基于虛擬儀器的新型下料機監測系統，并在軟硬件設計中采取了多種抑制干擾的措施，以提高整個系統的可靠性。

1 新型下料機的工作機理

新型下料機的共振系統主要由電動機、激振塊、振動體、動模具、彈簧支撐及機座等6個部分構成，其結構如圖1所示。下料時，共振系統依靠電動機1驅動其兩端的激振塊2產生離心力，該力通過動模具4施加給棒料，從而誘發棒料V型槽尖端裂紋萌生并使其有規律擴展直至棒料斷裂。為了使負責給棒料加載的動模具的初始位移在下料過程中既可變又可控，在該共振系統的機座6上安裝了對稱彈簧5。激振力、激振頻率和動模具的初始位移都是通過變頻器控制電動機的轉速來實現共振的。加速度傳感器7用于測定該下料機的振動狀態。

2 新型下料機監測系統的硬件布置

下料機的振動信號由安裝在振動體上的壓電加速度傳感器轉化為電荷信號，經電荷放大器進行歸一化、放大、濾波后送至PCL－818L的模擬量輸入口（AD1），最后采集到計算機中。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），并且發出的電荷信號非常微弱［5］，因此需用前置放大器對信號進行適當調理，將高阻抗信號轉換成可以記錄和測量的低阻抗信號，同時將信號放大。為了不考慮連接電纜的長短問題，本文采用了DHF－6A型電荷放大器。對于這種電荷放大器，加速度傳感器自身線路中的分流電容對電荷放大器線路的干擾可以忽略。

3 基于LabVIEW下料機監測系統軟件設計

3.1 信號采集

下料機的加載頻率在0～50 Hz間變化，根據奈奎斯特采樣定律，采樣頻率至少是信號最高頻率的2倍;另外，采用軟件觸發方式，即在程序中是通過控制采樣延時來進行采樣的。綜合考慮采樣間隔設定為5 ms，采樣點數設定為256。

3.2 信號預處理

根據電荷放大器增益對信號進行轉換，該加速度傳感器靈敏度單位為pC/（m/s）－2，信號轉換公式為

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

為了去除系統中高頻干擾信號，以提高信噪比，調用了LabVIEW中的低通數字濾波器“Butterworth Filter.Vi”進行高頻濾波。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，濾波前后的振動體加速度信號波形如圖2所示，可見濾波效果十分明顯。

在數據處理時，為了測量下料機的加速度信號，必須將包含的趨勢項［6］消除。為此利用最小二乘法設計了一個“消除趨勢項.vi”子程序，并用“Linear Fit.vi”函數對程序中的趨勢項進行了曲線擬合。另外，由于環境溫度或者其他因素的干擾，導致加速度信號的曲線整體產生漂移［7］，進而在振動下料機未工作時，加速度傳感器就有電荷發出。因此，還對該加速度信號進行了零均值化處理。設計的“消除趨勢項.vi”和“零均值.vi”的LabVIEW程序框圖如圖3所示。

3.3 信號頻域分析

為了降低信號被截斷后產生泄露，造成頻譜的褶皺效應，使頻譜失真，利用“Hanning Window.vi”進行加窗處理［8］。為了準確識別激振頻率值，調用 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“Power＆ Frequency Estimate.vi”的子程序，其流程框圖如圖4所示。

3.4 信號時域分析

為了從經過預處理后得到的加速度信號中獲取速度信號、位移信號和下料機的工作特性，并對其振幅進行計算，需要進行加速度信號時域分析。由加速度信號求取速度信號，采用“Integral x（t）.vi”進行一次積分求解。為了減少測試過程中外界干擾或者系統硬件本身導致的累計誤差，本文根據最大功率所在頻率值將預處理過的加速度信號進行分段，然后對每段序列分別進行積分，并進行零均值、消除趨勢項、剔除奇異點［9］等處理進而獲取速度信號和位移信號。由分段積分處理方式獲得的振動體的加速度信號、速度信號和位移信號如圖5所示。依據下料機的實際工作機理，由圖5可知，采用分段積分得到的位移、速度和加速度信號能真正反映下料過程的實際情況。激振力很小，這在下料過程中沒有實際意義。10 Hz左右是下料機的固有頻率，這與理論計算所獲得的下料機固有頻率9.79［10］是較吻合的。下料機若在該固有頻率下開始工作，將產生共振效應，進而加速裂紋萌生，減少下料時間和激振力。（2）過了共振區后，對于每組曲線，整體上隨著激振頻率的增大，位移幅值均不斷減小，而且過了30 Hz后位移幅值均較穩定，只有少許下降，這一段作為裂紋擴展區是十分有益的。（3）隨著裂紋的不斷擴展，棒料所需的激振力必須有規律減小，進而激振頻率減小，此時可以選取23 Hz作為下料機的終止頻率，再次利用共振效應加快棒料的斷裂。（4）隨著調節片數量的增加，位移振幅曲線整體上移，說明調節片既增大了激振力，也相應增加了位移振幅。因此對高強度材料的下料，一方面要增加調節片的數量，另一方面也要相應提高激振頻率，以免過大的位移振幅導致材料脆性斷裂提前、穩定擴展區減小，斷面質量下降。

4 實驗驗證與應用

為了更好地實現精密下料，實驗中將圖1中的整體式扇形激振塊2設計成一個較大的激振塊（母體）外加幾片小的調節片的形式。利用本文的監測系統得出的振動下料機的幅頻特性曲線如圖6所示。從圖6中可以看出:（1）每個曲線均有3個峰值，一個在4 Hz附近，一個在10 Hz附近，一個在23 Hz附近。4 Hz左右是振動下料機在低頻下的振動點，特點是位移大而

5 結語

（1）基于LabVIEW的新型下料機監測系統主要包括PCL－818L多功能數據采集卡、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。振動加速度信號由數據采集卡的模擬量輸入端口進行數據采集。

（2）為了抑制高頻干擾，在軟件設計中，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振動加速度信號得出了實際位移振幅。理論分析表明，這些措施是切實有效的，而且是必要的。

（3）利用該新型下料機監控系統，可較容易地獲得下料機的固有頻率。下料機的起始加載頻率最好選在10 Hz附近，終止頻率定在振動體的固有頻率23 Hz附近，這主要是利用共振效應來減少下料時間、降低棒料所需外載荷。

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