基于LabVIEW的水切割機切割優化方法研究

曹淳

【摘 要】 針對切割聲音與切割速度的內在聯系，利用LabVIEW軟件設計了對切割聲音信號進行讀取、濾波、頻譜分析的程序，特別是利用小波變換的濾波方法，以此滿足水切割機切割過程優化控制的需求。

【關鍵詞】 水切割機 優化控制 LabVIEW 小波變換

在目前的水切割機研究領域，對切割過程進行優化控制是一個主要的研究方向。材料切割表面的平整光潔程度，與切割頭的行進速度密切相關。如果切割速度過快，高壓水的能量無法完全到達材料下層，材料的切割表面就容易形成“甩尾”狀的切割條紋；但如果為了保證切割質量，減慢切割速度，則勢必影響切割加工的效率。因此，需要進行大量的切割加工試驗，以尋求切割速度與切割質量的對應規律，找出最優化的切割速度。而目前的水切割機產品，切割頭的運動控制都是通過數控系統的程序代碼進行設定，切割速度只能采用人工記錄的方式進行采集，很不方便。

實際情況中，當采用不同的切割速度對同等條件下的材料進行切割時，切割發出的聲音信號是有所差別的。如果能夠建立起切割聲音與切割速度的對應關系，就能將尋求最佳切割速度的目的轉化為找出其對應的切割聲音信號值。而聲音信號易于通過硬件設備采集得到，這有助于建立起自動獲取并反饋最佳切割速度的控制系統[1]。

1 聲音信號的讀取

LabVIEW是一個工程軟件包，同時也是一種圖形化的編程語言，編程時基本不用寫程序代碼，取而代之的是程序框圖。LabVIEW可以增強用戶構建工程系統的能力，提供實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑，大大提高工作效率[2]。使用LabVIEW編寫的程序稱為虛擬儀器，簡稱為VI，一個VI由前面板、程序框圖、圖標和連線板等部分構成。

LabVIEW中帶有對音頻文件進行分析處理的相關VI，圖1和圖2分別是對先期在工作現場錄制的切割聲音信號進行讀取的程序框圖和前面板。

2 數字濾波

從圖2中可以看到，工作現場采集到的聲音信號包含著較多的背景噪聲，對原始信號進行數字濾波可以有效抑制背景噪聲、提取純粹的切割聲音信號。數字濾波的作用就是對信號進行篩選，只讓特定頻段的信號通過。

2.1 經典數字濾波

按照一定規律輸入的信號，其頻率基本保持在某個固定的區域；而工作現場環境所造成的噪聲所處的頻帶一般與之不同。因此，只需設計合適的帶通濾波器，便可有效去除信號中的干擾噪聲。經典的數字濾波器從實現方法上有IIR和FIR之分。IIR的主要缺點是相位特性不好控制，而FIR具有嚴格的線性相位特性[3]。此處預設輸入信號為正弦波，并加入一個白噪聲來模擬信號傳輸中的干擾信號。程序中設計了采樣點數、信號幅值、信號頻率、相位、采樣頻率等輸入控件來控制信號源的特性，而濾波器的設計則通過對濾波類型、濾波階次、低截止頻率、高截止頻率等輸入控件的控制來實現。程序中首先使用巴特沃斯低通濾波器濾除噪聲分量，從而達到提取正弦波的目的；再通過FIR加窗濾波器進行濾波，其中窗函數類型可選擇海明窗、漢寧窗、三角窗、平頂窗、矩形窗等。經典數字濾波器的程序框圖和前面板分別如圖3和圖4所示。

2.2 小波變換分析方法

傳統的基于FFT的分析方法是信號分析中最常用的分析方法，但其僅適用于較為平穩的信號。水切割機工作時，切割聲音信號在時域上的變化幅度很大，屬于非平穩信號，因此需要采用專門針對非平穩信號的分析方法。時頻分析方法是近幾年來涌現出來的新的分析方法，其中應用最為廣泛的是小波分析。小波分析以其良好的時頻局部化特性，可以有效地應用于非平穩信號的分析，成為工程領域廣泛應用的工具，在信號的多尺度分析、特征點檢測、降噪和壓縮等很多方面取得了成功。對于LabVIEW這樣一個主要用于測試領域的軟件，實現小波變換具有重要的實際意義。

LabVIEW軟件中直接實現小波變換的工具是外掛的LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit商品軟件。這個工具包中有聯合時頻分析、時間序列分析和小波分析等組件。其中小波分析工具提供了很多常用的基本小波，例如Morlet、Daubechies、Haar等。諸多小波分析VI都可以通過Wavelet參數選用這些基本小波。當這些基本小波不是很適合我們的信號時，LabVIEW還提供了小波設計工具，這就是Discrete Wavelet子選板中的Wavelet Design VI。這是一個Express VI，把它放進程序框圖時自動打開如圖5所示的小波設計面板。

由于Advanced Signal Processing Toolkit中的濾波器都是實值的有限沖擊響應濾波器，所以只需要在半個平面上進行以上的設計，可以根據顯示在設計面板下方的濾波器頻率響應函數和零點分布情況選擇各項參數，同時在設計面板右上部分觀察基本小波和尺度函數。

2.3 小波去噪仿真實例

水切割機工作時，純粹的切割聲音信號包含較多的頻率成分，如果采用傳統的數字濾波方法，其中與背景噪聲頻率較為接近的部分會被視作噪聲而濾除。利用小波變換多尺度分析的特點，對非平穩信號采用小波去噪方法，可以有效避免這一點。

在LabVIEW中，利用仿真信號VI產生一個正弦信號，同時在第250點處加入一個沖激信號，用來模擬實際工作中的突變信號，如圖6所示。

在正弦信號中加入高斯白噪聲，模擬實際工作中的噪聲干擾，如圖7所示。

利用經典數字濾波方法，對圖7中的信號作濾波處理，得到了較為平滑的波形圖，如圖8所示，但從圖中會發現原有的突變信號也伴隨噪聲被同時濾除。

利用小波去噪（Wavelet Denoise）VI對圖7中的信號進行去噪，得到如圖9所示的波形圖。

從圖9中可以看到，噪聲基本已被濾除，同時保留了第250點處的突變信號，含突變成分的原始信號被較好地還原。

小波去噪仿真的程序框圖如圖10所示。

3 頻譜分析

頻譜分析一般用于對動態信號的測試，將時域信號變換到頻域上加以分析，可以從頻率角度來反映和揭示信號的變化規律。對信號進行頻譜分析，比較常見的做法是對信號進行傅里葉變換，觀察其頻譜幅度和頻譜相位。這可以獲得許多有用信息，如求得動態信號中的各個頻率成分和頻率分布范圍，求出各個頻率成分的幅值分布和能量分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。傅里葉變換的實質是把信號波形分解成許多不同頻率的正弦波的疊加，由此可以將對時域信號的研究轉化為對其權系數的研究。傅里葉變換中，標準基由正弦波及其高次諧波組成，因此它在頻域內是局部化的。

圖11和圖12所示分別為LabVIEW中實現FFT分析的程序框圖和前面板界面，其中的時域波形由LabVIEW中的函數發生器VI生成。

4 結語

針對水切割機切割過程優化控制的需求，本文提出根據聲音特征建立反饋模型的方法，利用LabVIEW軟件設計了對切割聲音信號進行讀取、濾波、頻譜分析的程序，特別是利用小波變換的濾波方法。后續可以根據水切割機工作現場的工況條件，安裝實時采集聲音信號的硬件設備，結合LabVIEW快速分析處理的特點，搭建通過切割聲音信號反映切割質量的反饋平臺。

參考文獻：

[1]Azlan M Z，Habibollah H，Safian S.Estimation of the Minimum Machining Performance in the Abrasive Waterjet Machining Using Integrated ANN-SA[J].Expert Systems with Applications， 2011（38）.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].清華大學出版社，2007.

[3]俞卞章.數字信號處理.西北工業大學出版社[M]，2002.endprint

【摘 要】 針對切割聲音與切割速度的內在聯系，利用LabVIEW軟件設計了對切割聲音信號進行讀取、濾波、頻譜分析的程序，特別是利用小波變換的濾波方法，以此滿足水切割機切割過程優化控制的需求。

【關鍵詞】 水切割機 優化控制 LabVIEW 小波變換

在目前的水切割機研究領域，對切割過程進行優化控制是一個主要的研究方向。材料切割表面的平整光潔程度，與切割頭的行進速度密切相關。如果切割速度過快，高壓水的能量無法完全到達材料下層，材料的切割表面就容易形成“甩尾”狀的切割條紋；但如果為了保證切割質量，減慢切割速度，則勢必影響切割加工的效率。因此，需要進行大量的切割加工試驗，以尋求切割速度與切割質量的對應規律，找出最優化的切割速度。而目前的水切割機產品，切割頭的運動控制都是通過數控系統的程序代碼進行設定，切割速度只能采用人工記錄的方式進行采集，很不方便。

實際情況中，當采用不同的切割速度對同等條件下的材料進行切割時，切割發出的聲音信號是有所差別的。如果能夠建立起切割聲音與切割速度的對應關系，就能將尋求最佳切割速度的目的轉化為找出其對應的切割聲音信號值。而聲音信號易于通過硬件設備采集得到，這有助于建立起自動獲取并反饋最佳切割速度的控制系統[1]。

1 聲音信號的讀取

LabVIEW是一個工程軟件包，同時也是一種圖形化的編程語言，編程時基本不用寫程序代碼，取而代之的是程序框圖。LabVIEW可以增強用戶構建工程系統的能力，提供實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑，大大提高工作效率[2]。使用LabVIEW編寫的程序稱為虛擬儀器，簡稱為VI，一個VI由前面板、程序框圖、圖標和連線板等部分構成。

LabVIEW中帶有對音頻文件進行分析處理的相關VI，圖1和圖2分別是對先期在工作現場錄制的切割聲音信號進行讀取的程序框圖和前面板。

2 數字濾波

從圖2中可以看到，工作現場采集到的聲音信號包含著較多的背景噪聲，對原始信號進行數字濾波可以有效抑制背景噪聲、提取純粹的切割聲音信號。數字濾波的作用就是對信號進行篩選，只讓特定頻段的信號通過。

2.1 經典數字濾波

按照一定規律輸入的信號，其頻率基本保持在某個固定的區域；而工作現場環境所造成的噪聲所處的頻帶一般與之不同。因此，只需設計合適的帶通濾波器，便可有效去除信號中的干擾噪聲。經典的數字濾波器從實現方法上有IIR和FIR之分。IIR的主要缺點是相位特性不好控制，而FIR具有嚴格的線性相位特性[3]。此處預設輸入信號為正弦波，并加入一個白噪聲來模擬信號傳輸中的干擾信號。程序中設計了采樣點數、信號幅值、信號頻率、相位、采樣頻率等輸入控件來控制信號源的特性，而濾波器的設計則通過對濾波類型、濾波階次、低截止頻率、高截止頻率等輸入控件的控制來實現。程序中首先使用巴特沃斯低通濾波器濾除噪聲分量，從而達到提取正弦波的目的；再通過FIR加窗濾波器進行濾波，其中窗函數類型可選擇海明窗、漢寧窗、三角窗、平頂窗、矩形窗等。經典數字濾波器的程序框圖和前面板分別如圖3和圖4所示。

2.2 小波變換分析方法

傳統的基于FFT的分析方法是信號分析中最常用的分析方法，但其僅適用于較為平穩的信號。水切割機工作時，切割聲音信號在時域上的變化幅度很大，屬于非平穩信號，因此需要采用專門針對非平穩信號的分析方法。時頻分析方法是近幾年來涌現出來的新的分析方法，其中應用最為廣泛的是小波分析。小波分析以其良好的時頻局部化特性，可以有效地應用于非平穩信號的分析，成為工程領域廣泛應用的工具，在信號的多尺度分析、特征點檢測、降噪和壓縮等很多方面取得了成功。對于LabVIEW這樣一個主要用于測試領域的軟件，實現小波變換具有重要的實際意義。

LabVIEW軟件中直接實現小波變換的工具是外掛的LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit商品軟件。這個工具包中有聯合時頻分析、時間序列分析和小波分析等組件。其中小波分析工具提供了很多常用的基本小波，例如Morlet、Daubechies、Haar等。諸多小波分析VI都可以通過Wavelet參數選用這些基本小波。當這些基本小波不是很適合我們的信號時，LabVIEW還提供了小波設計工具，這就是Discrete Wavelet子選板中的Wavelet Design VI。這是一個Express VI，把它放進程序框圖時自動打開如圖5所示的小波設計面板。

由于Advanced Signal Processing Toolkit中的濾波器都是實值的有限沖擊響應濾波器，所以只需要在半個平面上進行以上的設計，可以根據顯示在設計面板下方的濾波器頻率響應函數和零點分布情況選擇各項參數，同時在設計面板右上部分觀察基本小波和尺度函數。

2.3 小波去噪仿真實例

水切割機工作時，純粹的切割聲音信號包含較多的頻率成分，如果采用傳統的數字濾波方法，其中與背景噪聲頻率較為接近的部分會被視作噪聲而濾除。利用小波變換多尺度分析的特點，對非平穩信號采用小波去噪方法，可以有效避免這一點。

在LabVIEW中，利用仿真信號VI產生一個正弦信號，同時在第250點處加入一個沖激信號，用來模擬實際工作中的突變信號，如圖6所示。

在正弦信號中加入高斯白噪聲，模擬實際工作中的噪聲干擾，如圖7所示。

利用經典數字濾波方法，對圖7中的信號作濾波處理，得到了較為平滑的波形圖，如圖8所示，但從圖中會發現原有的突變信號也伴隨噪聲被同時濾除。

利用小波去噪（Wavelet Denoise）VI對圖7中的信號進行去噪，得到如圖9所示的波形圖。

從圖9中可以看到，噪聲基本已被濾除，同時保留了第250點處的突變信號，含突變成分的原始信號被較好地還原。

小波去噪仿真的程序框圖如圖10所示。

3 頻譜分析

頻譜分析一般用于對動態信號的測試，將時域信號變換到頻域上加以分析，可以從頻率角度來反映和揭示信號的變化規律。對信號進行頻譜分析，比較常見的做法是對信號進行傅里葉變換，觀察其頻譜幅度和頻譜相位。這可以獲得許多有用信息，如求得動態信號中的各個頻率成分和頻率分布范圍，求出各個頻率成分的幅值分布和能量分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。傅里葉變換的實質是把信號波形分解成許多不同頻率的正弦波的疊加，由此可以將對時域信號的研究轉化為對其權系數的研究。傅里葉變換中，標準基由正弦波及其高次諧波組成，因此它在頻域內是局部化的。

圖11和圖12所示分別為LabVIEW中實現FFT分析的程序框圖和前面板界面，其中的時域波形由LabVIEW中的函數發生器VI生成。

4 結語

針對水切割機切割過程優化控制的需求，本文提出根據聲音特征建立反饋模型的方法，利用LabVIEW軟件設計了對切割聲音信號進行讀取、濾波、頻譜分析的程序，特別是利用小波變換的濾波方法。后續可以根據水切割機工作現場的工況條件，安裝實時采集聲音信號的硬件設備，結合LabVIEW快速分析處理的特點，搭建通過切割聲音信號反映切割質量的反饋平臺。

參考文獻：

[1]Azlan M Z，Habibollah H，Safian S.Estimation of the Minimum Machining Performance in the Abrasive Waterjet Machining Using Integrated ANN-SA[J].Expert Systems with Applications， 2011（38）.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].清華大學出版社，2007.

[3]俞卞章.數字信號處理.西北工業大學出版社[M]，2002.endprint

【摘 要】 針對切割聲音與切割速度的內在聯系，利用LabVIEW軟件設計了對切割聲音信號進行讀取、濾波、頻譜分析的程序，特別是利用小波變換的濾波方法，以此滿足水切割機切割過程優化控制的需求。

【關鍵詞】 水切割機 優化控制 LabVIEW 小波變換

在目前的水切割機研究領域，對切割過程進行優化控制是一個主要的研究方向。材料切割表面的平整光潔程度，與切割頭的行進速度密切相關。如果切割速度過快，高壓水的能量無法完全到達材料下層，材料的切割表面就容易形成“甩尾”狀的切割條紋；但如果為了保證切割質量，減慢切割速度，則勢必影響切割加工的效率。因此，需要進行大量的切割加工試驗，以尋求切割速度與切割質量的對應規律，找出最優化的切割速度。而目前的水切割機產品，切割頭的運動控制都是通過數控系統的程序代碼進行設定，切割速度只能采用人工記錄的方式進行采集，很不方便。

實際情況中，當采用不同的切割速度對同等條件下的材料進行切割時，切割發出的聲音信號是有所差別的。如果能夠建立起切割聲音與切割速度的對應關系，就能將尋求最佳切割速度的目的轉化為找出其對應的切割聲音信號值。而聲音信號易于通過硬件設備采集得到，這有助于建立起自動獲取并反饋最佳切割速度的控制系統[1]。

1 聲音信號的讀取

LabVIEW是一個工程軟件包，同時也是一種圖形化的編程語言，編程時基本不用寫程序代碼，取而代之的是程序框圖。LabVIEW可以增強用戶構建工程系統的能力，提供實現儀器編程和數據采集系統的便捷途徑，大大提高工作效率[2]。使用LabVIEW編寫的程序稱為虛擬儀器，簡稱為VI，一個VI由前面板、程序框圖、圖標和連線板等部分構成。

LabVIEW中帶有對音頻文件進行分析處理的相關VI，圖1和圖2分別是對先期在工作現場錄制的切割聲音信號進行讀取的程序框圖和前面板。

2 數字濾波

從圖2中可以看到，工作現場采集到的聲音信號包含著較多的背景噪聲，對原始信號進行數字濾波可以有效抑制背景噪聲、提取純粹的切割聲音信號。數字濾波的作用就是對信號進行篩選，只讓特定頻段的信號通過。

2.1 經典數字濾波

按照一定規律輸入的信號，其頻率基本保持在某個固定的區域；而工作現場環境所造成的噪聲所處的頻帶一般與之不同。因此，只需設計合適的帶通濾波器，便可有效去除信號中的干擾噪聲。經典的數字濾波器從實現方法上有IIR和FIR之分。IIR的主要缺點是相位特性不好控制，而FIR具有嚴格的線性相位特性[3]。此處預設輸入信號為正弦波，并加入一個白噪聲來模擬信號傳輸中的干擾信號。程序中設計了采樣點數、信號幅值、信號頻率、相位、采樣頻率等輸入控件來控制信號源的特性，而濾波器的設計則通過對濾波類型、濾波階次、低截止頻率、高截止頻率等輸入控件的控制來實現。程序中首先使用巴特沃斯低通濾波器濾除噪聲分量，從而達到提取正弦波的目的；再通過FIR加窗濾波器進行濾波，其中窗函數類型可選擇海明窗、漢寧窗、三角窗、平頂窗、矩形窗等。經典數字濾波器的程序框圖和前面板分別如圖3和圖4所示。

2.2 小波變換分析方法

傳統的基于FFT的分析方法是信號分析中最常用的分析方法，但其僅適用于較為平穩的信號。水切割機工作時，切割聲音信號在時域上的變化幅度很大，屬于非平穩信號，因此需要采用專門針對非平穩信號的分析方法。時頻分析方法是近幾年來涌現出來的新的分析方法，其中應用最為廣泛的是小波分析。小波分析以其良好的時頻局部化特性，可以有效地應用于非平穩信號的分析，成為工程領域廣泛應用的工具，在信號的多尺度分析、特征點檢測、降噪和壓縮等很多方面取得了成功。對于LabVIEW這樣一個主要用于測試領域的軟件，實現小波變換具有重要的實際意義。

LabVIEW軟件中直接實現小波變換的工具是外掛的LabVIEW Advanced Signal Processing Toolkit商品軟件。這個工具包中有聯合時頻分析、時間序列分析和小波分析等組件。其中小波分析工具提供了很多常用的基本小波，例如Morlet、Daubechies、Haar等。諸多小波分析VI都可以通過Wavelet參數選用這些基本小波。當這些基本小波不是很適合我們的信號時，LabVIEW還提供了小波設計工具，這就是Discrete Wavelet子選板中的Wavelet Design VI。這是一個Express VI，把它放進程序框圖時自動打開如圖5所示的小波設計面板。

由于Advanced Signal Processing Toolkit中的濾波器都是實值的有限沖擊響應濾波器，所以只需要在半個平面上進行以上的設計，可以根據顯示在設計面板下方的濾波器頻率響應函數和零點分布情況選擇各項參數，同時在設計面板右上部分觀察基本小波和尺度函數。

2.3 小波去噪仿真實例

水切割機工作時，純粹的切割聲音信號包含較多的頻率成分，如果采用傳統的數字濾波方法，其中與背景噪聲頻率較為接近的部分會被視作噪聲而濾除。利用小波變換多尺度分析的特點，對非平穩信號采用小波去噪方法，可以有效避免這一點。

在LabVIEW中，利用仿真信號VI產生一個正弦信號，同時在第250點處加入一個沖激信號，用來模擬實際工作中的突變信號，如圖6所示。

在正弦信號中加入高斯白噪聲，模擬實際工作中的噪聲干擾，如圖7所示。

利用經典數字濾波方法，對圖7中的信號作濾波處理，得到了較為平滑的波形圖，如圖8所示，但從圖中會發現原有的突變信號也伴隨噪聲被同時濾除。

利用小波去噪（Wavelet Denoise）VI對圖7中的信號進行去噪，得到如圖9所示的波形圖。

從圖9中可以看到，噪聲基本已被濾除，同時保留了第250點處的突變信號，含突變成分的原始信號被較好地還原。

小波去噪仿真的程序框圖如圖10所示。

3 頻譜分析

頻譜分析一般用于對動態信號的測試，將時域信號變換到頻域上加以分析，可以從頻率角度來反映和揭示信號的變化規律。對信號進行頻譜分析，比較常見的做法是對信號進行傅里葉變換，觀察其頻譜幅度和頻譜相位。這可以獲得許多有用信息，如求得動態信號中的各個頻率成分和頻率分布范圍，求出各個頻率成分的幅值分布和能量分布，從而得到主要幅度和能量分布的頻率值。傅里葉變換的實質是把信號波形分解成許多不同頻率的正弦波的疊加，由此可以將對時域信號的研究轉化為對其權系數的研究。傅里葉變換中，標準基由正弦波及其高次諧波組成，因此它在頻域內是局部化的。

圖11和圖12所示分別為LabVIEW中實現FFT分析的程序框圖和前面板界面，其中的時域波形由LabVIEW中的函數發生器VI生成。

4 結語

針對水切割機切割過程優化控制的需求，本文提出根據聲音特征建立反饋模型的方法，利用LabVIEW軟件設計了對切割聲音信號進行讀取、濾波、頻譜分析的程序，特別是利用小波變換的濾波方法。后續可以根據水切割機工作現場的工況條件，安裝實時采集聲音信號的硬件設備，結合LabVIEW快速分析處理的特點，搭建通過切割聲音信號反映切割質量的反饋平臺。

參考文獻：

[1]Azlan M Z，Habibollah H，Safian S.Estimation of the Minimum Machining Performance in the Abrasive Waterjet Machining Using Integrated ANN-SA[J].Expert Systems with Applications， 2011（38）.

[2]陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M].清華大學出版社，2007.

[3]俞卞章.數字信號處理.西北工業大學出版社[M]，2002.endprint