基于LabVIEW的新型下料机监测方法研究*

张立军 赵永瑞 赵升吨

（①中国石油大学（华东）机电工程学院，山东东营257061;②西安交通大学机械工程学院，陕西西安 710049）

为提高下料断面质量和效率，减少棒料所受外载荷和振动、噪声污染，笔者提出了一种“削强增脆，共振引导、控制裂纹扩展”的精密下料思想，进而发展出了一种基于裂纹技术、共振效应和裂纹扩展等机理于一体的新型共振诱导裂纹扩展的下料方法。该方法首先用开槽机在金属棒料表面上预制环状V型槽，然后通过共振方法预制棒料V型槽尖端初始裂纹，再将棒料用夹紧缸夹紧，由送进缸送入新型下料机中进行低应力精密下料［1－4］。在下料过程中，为了获取下料机的共振特性，验证激振力与棒料挠度间的关系，需要对振动体的加速度信号进行在线采集，并进行实时分析和监测。由于原来采用GeniDAQ编制的下料机控制系统，无法进行高速采样，功能模块也不利于快速开发和改进程序，导致监测数据不是很准确。为此本文利用LabVIEW软件，研发出了基于虚拟仪器的新型下料机监测系统，并在软硬件设计中采取了多种抑制干扰的措施，以提高整个系统的可靠性。

1 新型下料机的工作机理

新型下料机的共振系统主要由电动机、激振块、振动体、动模具、弹簧支撑及机座等6个部分构成，其结构如图1所示。下料时，共振系统依靠电动机1驱动其两端的激振块2产生离心力，该力通过动模具4施加给棒料，从而诱发棒料V型槽尖端裂纹萌生并使其有规律扩展直至棒料断裂。为了使负责给棒料加载的动模具的初始位移在下料过程中既可变又可控，在该共振系统的机座6上安装了对称弹簧5。激振力、激振频率和动模具的初始位移都是通过变频器控制电动机的转速来实现共振的。加速度传感器7用于测定该下料机的振动状态。

2 新型下料机监测系统的硬件布置

下料机的振动信号由安装在振动体上的压电加速度传感器转化为电荷信号，经电荷放大器进行归一化、放大、滤波后送至PCL－818L的模拟量输入口（AD1），最后采集到计算机中。本文采用YD42型通用压电加速度传感器，灵敏度为2 pC/（m/s）－2。由于该加速度传感器输出阻抗非常高（约108Ω），并且发出的电荷信号非常微弱［5］，因此需用前置放大器对信号进行适当调理，将高阻抗信号转换成可以记录和测量的低阻抗信号，同时将信号放大。为了不考虑连接电缆的长短问题，本文采用了DHF－6A型电荷放大器。对于这种电荷放大器，加速度传感器自身线路中的分流电容对电荷放大器线路的干扰可以忽略。

3 基于LabVIEW下料机监测系统软件设计

3.1 信号采集

下料机的加载频率在0～50 Hz间变化，根据奈奎斯特采样定律，采样频率至少是信号最高频率的2倍;另外，采用软件触发方式，即在程序中是通过控制采样延时来进行采样的。综合考虑采样间隔设定为5 ms，采样点数设定为256。

3.2 信号预处理

根据电荷放大器增益对信号进行转换，该加速度传感器灵敏度单位为pC/（m/s）－2，信号转换公式为

式中:a为实际振动加速度，m/s2;U为采集电压，V;k为电荷放大器增益，V/（m/s2）。

为了去除系统中高频干扰信号，以提高信噪比，调用了LabVIEW中的低通数字滤波器“Butterworth Filter.Vi”进行高频滤波。在加载频率30 Hz，采样频率500 Hz，低通滤波器截止频率50 Hz，滤波阶次为2阶的情况下，滤波前后的振动体加速度信号波形如图2所示，可见滤波效果十分明显。

在数据处理时，为了测量下料机的加速度信号，必须将包含的趋势项［6］消除。为此利用最小二乘法设计了一个“消除趋势项.vi”子程序，并用“Linear Fit.vi”函数对程序中的趋势项进行了曲线拟合。另外，由于环境温度或者其他因素的干扰，导致加速度信号的曲线整体产生漂移［7］，进而在振动下料机未工作时，加速度传感器就有电荷发出。因此，还对该加速度信号进行了零均值化处理。设计的“消除趋势项.vi”和“零均值.vi”的LabVIEW程序框图如图3所示。

3.3 信号频域分析

为了降低信号被截断后产生泄露，造成频谱的褶皱效应，使频谱失真，利用“Hanning Window.vi”进行加窗处理［8］。为了准确识别激振频率值，调用 Lab-VIEW中提取单边功率谱“Array Subset.vi”和最大功率处所在频率估计“Power＆ Frequency Estimate.vi”的子程序，其流程框图如图4所示。

3.4 信号时域分析

为了从经过预处理后得到的加速度信号中获取速度信号、位移信号和下料机的工作特性，并对其振幅进行计算，需要进行加速度信号时域分析。由加速度信号求取速度信号，采用“Integral x（t）.vi”进行一次积分求解。为了减少测试过程中外界干扰或者系统硬件本身导致的累计误差，本文根据最大功率所在频率值将预处理过的加速度信号进行分段，然后对每段序列分别进行积分，并进行零均值、消除趋势项、剔除奇异点［9］等处理进而获取速度信号和位移信号。由分段积分处理方式获得的振动体的加速度信号、速度信号和位移信号如图5所示。依据下料机的实际工作机理，由图5可知，采用分段积分得到的位移、速度和加速度信号能真正反映下料过程的实际情况。激振力很小，这在下料过程中没有实际意义。10 Hz左右是下料机的固有频率，这与理论计算所获得的下料机固有频率9.79［10］是较吻合的。下料机若在该固有频率下开始工作，将产生共振效应，进而加速裂纹萌生，减少下料时间和激振力。（2）过了共振区后，对于每组曲线，整体上随着激振频率的增大，位移幅值均不断减小，而且过了30 Hz后位移幅值均较稳定，只有少许下降，这一段作为裂纹扩展区是十分有益的。（3）随着裂纹的不断扩展，棒料所需的激振力必须有规律减小，进而激振频率减小，此时可以选取23 Hz作为下料机的终止频率，再次利用共振效应加快棒料的断裂。（4）随着调节片数量的增加，位移振幅曲线整体上移，说明调节片既增大了激振力，也相应增加了位移振幅。因此对高强度材料的下料，一方面要增加调节片的数量，另一方面也要相应提高激振频率，以免过大的位移振幅导致材料脆性断裂提前、稳定扩展区减小，断面质量下降。

4 实验验证与应用

为了更好地实现精密下料，实验中将图1中的整体式扇形激振块2设计成一个较大的激振块（母体）外加几片小的调节片的形式。利用本文的监测系统得出的振动下料机的幅频特性曲线如图6所示。从图6中可以看出:（1）每个曲线均有3个峰值，一个在4 Hz附近，一个在10 Hz附近，一个在23 Hz附近。4 Hz左右是振动下料机在低频下的振动点，特点是位移大而

5 结语

（1）基于LabVIEW的新型下料机监测系统主要包括PCL－818L多功能数据采集卡、YD42压电加速度传感器、电荷放大器以及PCLD－8115接线端子板等硬件组成。振动加速度信号由数据采集卡的模拟量输入端口进行数据采集。

（2）为了抑制高频干扰，在软件设计中，采取了零均值化处理、低通滤波、加窗处理、分段积分等措施由下料机振动加速度信号得出了实际位移振幅。理论分析表明，这些措施是切实有效的，而且是必要的。

（3）利用该新型下料机监控系统，可较容易地获得下料机的固有频率。下料机的起始加载频率最好选在10 Hz附近，终止频率定在振动体的固有频率23 Hz附近，这主要是利用共振效应来减少下料时间、降低棒料所需外载荷。

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