殷 銘，王平平

（蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 蘇州215404）

0 引言

數(shù)據(jù)是這個時代最核心的資源，這個概念得到了廣泛的認識。數(shù)據(jù)就是這個數(shù)字時代的“石油”。作為智能制造的重要基礎(chǔ)，工業(yè)大數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)和挖掘工作就非常重要和必要。

目前制造業(yè)的生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。其中切削過程中會產(chǎn)生大量的噪音和振動。如果將其進行大量的收集和處理，就可以將振動和噪音變成有非常有用的資源，提供給神經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，可以對切削加工的情況進行實施檢測和判斷，也可以一定程度上預測后續(xù)切削的情況，為預防性維護提供更合理的建議。

傳統(tǒng)的振動信息采集需要非常專業(yè)化的設(shè)備和技術(shù)。常見的配置由振動傳感器、電荷放大器、數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成，成本高昂且數(shù)據(jù)通用性和可開發(fā)性比較差。

本次開發(fā)的目標是進行振動數(shù)據(jù)的采集并存儲到數(shù)據(jù)庫中，為了達到壓縮開發(fā)成本，便于實施和管理?？紤]使用通用ardunio技術(shù)平臺進行實驗性開發(fā)。

1 硬件選用

整個裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由CM-01B振動傳感器、AD620信號放大器、Ardunio UNO模塊、LCD 5110顯示單元、W5110以太網(wǎng)絡模塊5個主要部分組成，另將采集的數(shù)據(jù)存儲在遠程數(shù)據(jù)云中，供計算和分析中心計算機使用。

硬件開發(fā)平臺使用Ardunio UNO，如圖2所示，這一塊以ATmega328P為核心的開源軟硬體平臺，可以方便的完成各類模擬和數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)采集，還可以進行初步的數(shù)據(jù)計算和處理。硬件平臺對應的開發(fā)工具是Ardunio IDE.

圖2 Ardunio UNO開發(fā)板

振動傳感器采用CM-01B高靈敏度接觸式拾音器，該傳感器具有頻帶寬、靈敏度高、抗沖擊性能良好、重量輕和體積小等優(yōu)點而且成本低廉。其內(nèi)部由PVDF壓電薄膜振動傳感器結(jié)合了一個低噪音的前置放大電路組成，輸出信號50～200 mV.測頭是一個連接內(nèi)部傳感器的橡膠墊，能有效降低噪音干擾并吸收一定的沖擊。

2 程序編寫

開發(fā)工具采用的是Ardunio IDE，Arduino語言基于wiring語言開發(fā)，是對AVRGCC庫的二次封裝，該開發(fā)平臺在Windows上開發(fā)Atmel AVR系列RISC微控制器十分方便，裝置關(guān)鍵技術(shù)要點如下：

2.1 信號高速采樣

振動頻率的測試需要有高的采樣速度，ATmega 328P其默認是10位精度，外部頻率16 MHz，分頻默認為128.默認情況下經(jīng)過分頻后16 MHz/128=125 kHz，一次ADC轉(zhuǎn)換需要13個clock，采樣率約9 600 Hz.為了提高采樣頻率可以將ADCSRA設(shè)置為100將分離頻由默認的128改為16，這樣大約可以提高8倍的采樣速度，頻率可以提高至約58 kHz此時analogRead（）函數(shù)讀取模擬量時每次耗費時間約0.115 ms，約10 kHz，可以滿足對振動數(shù)據(jù)高速采樣的要求。

2.2 具體采樣程序

為了后期計算最少要采樣到2個周期的數(shù)據(jù)方便后續(xù)計算頻率和振幅，連續(xù)采樣根據(jù)振動頻率的不同，調(diào)節(jié)采樣時間間隔，在此每次采樣200次數(shù)據(jù)放入緩沖數(shù)組，同時記錄數(shù)據(jù)采集循環(huán)耗時。

void collectData（）{

begt=micros（）；

for（i=0；i<200；i++）{

vdata[i]=analogRead（A0）；

delayMicroseconds（60）；

}

runt=micros（）-begt；

}

2.3 數(shù)據(jù)初步計算處理

對采集到的緩沖數(shù)組數(shù)據(jù)進行分析，通過冒泡算法找到最大最小值，得到波形的幅值，計算得到中職值。再進行比較判斷兩個波形之間的采集節(jié)拍數(shù)，然后根據(jù)數(shù)據(jù)采集時的每節(jié)拍時間作為單位算出波形數(shù)據(jù)的周期和頻率，得到當前振動數(shù)據(jù)采集的頻率和振幅兩個關(guān)鍵數(shù)據(jù)。其程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

然后將得到的數(shù)據(jù)顯示至LED 5110上方便觀察。通過同時定時將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡推送至網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中，方便高性能計算機和數(shù)據(jù)分析軟件進行數(shù)據(jù)深度處理。

3 振動數(shù)據(jù)采集裝置的測試應用

將傳感器放置到安裝支架上和手機接觸，將手機調(diào)成振動，對手機的振動情況進行采集。如圖4所示。測試裝置由成品磁力座、連接支架（3D打印PLA）構(gòu)成。傳感器安裝在連接支架中，連接支架安裝在磁力座上，方便以后吸附到機床設(shè)備上。

圖4 裝置測試狀態(tài)

由示波器檢測到振動傳感器輸出如圖5所示，頻率193.1 Hz，振幅290 mm，裝置探測手機的振動數(shù)據(jù)直接顯示在LED5110上，情況如圖6所示，頻率194 Hz，幅度511 mm，兩者頻率數(shù)據(jù)基本吻合，振幅數(shù)據(jù)有效。

圖5 示波器檢測到振動傳感器輸出圖

圖6 采集裝置的測試結(jié)果

為了便于數(shù)據(jù)的采集和儲存，使用了mysql數(shù)據(jù)庫進行存儲，檢測數(shù)據(jù)以3 min的刷新速度提交到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中，如圖表1所示。從而實現(xiàn)的數(shù)據(jù)的采集和保存。

表1 每3min提交到網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫中檢測數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

通過單片機的開發(fā)進行數(shù)據(jù)采集是進行智能制造在工業(yè)數(shù)據(jù)采集的一種方法。通過數(shù)據(jù)庫等技術(shù)進行數(shù)據(jù)積累，然后進行數(shù)據(jù)挖掘，或提供給TensorFlow等人工智能框架進行大數(shù)據(jù)分析和人工智能訓練?？梢灾悄芑瘜崟r預測刀具和切削失效情況，從而實現(xiàn)切削加工過程的智能化控制。