唐 佳，李永菲，王玉國(guó)，譚正祥，薛宗淵

（1.無(wú)錫汽車(chē)工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校城軌工程系，江蘇無(wú)錫 214151；2.南京工程學(xué)院汽車(chē)與軌道交通學(xué)院，南京 211167）

0 引言

近年來(lái)智能制造不斷推廣，國(guó)內(nèi)的制造水平穩(wěn)步提升［1］。無(wú)錫雖然是我國(guó)制造業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展城市，但相當(dāng)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(jī)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(chē)間設(shè)備生產(chǎn)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)，有助于中小制造企業(yè)增效降本，對(duì)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(diǎn)問(wèn)題。如果直接引進(jìn)先進(jìn)設(shè)備，不僅成本較高，且后臺(tái)生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全性無(wú)法保障，不利于企業(yè)后期轉(zhuǎn)型升級(jí)［5］。

離散制造車(chē)間設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的信息量龐大，同時(shí)具有實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)性變化等特征，這使設(shè)備狀態(tài)信息采集的過(guò)程中增加了難度。韓國(guó)的Kim Dong Hoon 等［6］利用電機(jī)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(chǎng)的需求，研究開(kāi)發(fā)了一套U-Manufacturing系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)間內(nèi)數(shù)控設(shè)備加工狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。衢州學(xué)院的鄧小雷等［7］對(duì)現(xiàn)有的機(jī)床主軸系統(tǒng)采集多類信號(hào)，研發(fā)出多源異類信息采集試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控立式加工中心定轉(zhuǎn)速下的溫度、加速度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。重慶大學(xué)的劉飛等［8］基于功率電信號(hào)對(duì)生產(chǎn)車(chē)間數(shù)控設(shè)備實(shí)時(shí)采集，參考功率變化中的特征值，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

目前對(duì)機(jī)械加工設(shè)備的電氣信號(hào)進(jìn)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(jí)過(guò)渡。為了較低成本實(shí)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(chē)削組合加工工序?yàn)槔瑪?shù)據(jù)采集裝置采集加工過(guò)程中的電信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理，形成零件加工特征序列與標(biāo)準(zhǔn)特征序列庫(kù)匹配，驗(yàn)證生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)的可行性。

1 車(chē)間設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集

電信號(hào)數(shù)據(jù)采集設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)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(guò)USB接口與PC端連接，通過(guò)查詢可用COM 端口完成連接通信。

在制造車(chē)間以人工上下料的某數(shù)控機(jī)床為例，數(shù)據(jù)采集裝置在保障數(shù)控機(jī)床正常加工的情況下，進(jìn)行電信號(hào)采集。在實(shí)際安裝過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集裝置穿刺主軸電機(jī)線纜獲得電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電流、電壓、功率信號(hào)的采集。數(shù)據(jù)采集設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)接線如圖2 所示，打開(kāi)數(shù)控車(chē)床的背面PLC控制面板，找到對(duì)應(yīng)的線纜完成電信號(hào)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(shí)與PC端完成COM 端口測(cè)試，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件聯(lián)通。

圖1 電信號(hào)數(shù)據(jù)采集設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)接線

圖2 數(shù)據(jù)采集裝置現(xiàn)場(chǎng)采集

錠子軸加工為半自動(dòng)生產(chǎn)，需要人工進(jìn)行上下料，待加工時(shí)長(zhǎng)不固定。數(shù)控機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行測(cè)量，檢驗(yàn)是否為合格品，再將待加工的棒料放入數(shù)控機(jī)床中，完成作業(yè)目標(biāo)，流轉(zhuǎn)至下一道工序，是實(shí)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(hào)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)采集。錠子軸電流信號(hào)數(shù)據(jù)折線如圖4 所示，通過(guò)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)形成的圖像清晰可見(jiàn)，零件加工過(guò)程規(guī)律性很強(qiáng)，且存在待加工時(shí)間長(zhǎng)短不一的現(xiàn)象。因此，需要對(duì)曲線的特征進(jìn)一步分析，來(lái)實(shí)現(xiàn)錠子軸生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)。

圖3 數(shù)控機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)加工

2 車(chē)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(chē)間設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供頻率保障，但在采集過(guò)程中原始信號(hào)存在各種噪聲，如刀具進(jìn)給的快慢、零件過(guò)程中的振動(dòng)、供給電壓不穩(wěn)定產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素。針對(duì)原始數(shù)據(jù)存在大量噪聲的問(wèn)題，提出對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理的方法，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確描述零件加工過(guò)程的特征信息和減小生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的輸出結(jié)果誤差。將常用的降噪濾波如移動(dòng)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(lái)評(píng)價(jià)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(dòng)平均濾波

在信號(hào)處理的時(shí)候，常用到移動(dòng)平均濾波進(jìn)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(lái)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(dòng)平均濾波，特點(diǎn)在于：數(shù)據(jù)中離某一點(diǎn)越近的點(diǎn)對(duì)其產(chǎn)生的影響越大，讓其權(quán)重大。相反，相離越遠(yuǎn)的點(diǎn)對(duì)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(guò)程中的噪聲。設(shè)含有噪聲的離散信號(hào)為g（x），其公式為：

式中：f（x）為原始信號(hào)；n（x）為N（0，σ2）的高斯白噪聲。

噪聲不僅干擾實(shí)際信號(hào)，還會(huì)增加后期數(shù)據(jù)處理的任務(wù)量和計(jì)算時(shí)間?；谛〔ǚ纸獾墓?，可以對(duì)實(shí)際原始信號(hào)變換進(jìn)行分解與重構(gòu)，信號(hào)的快速正交小波變化為：

式中：cjk為信號(hào)的尺度系數(shù)；djk為小波系數(shù)；j為信號(hào)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(duì)含有噪聲系數(shù)的小波系數(shù)進(jìn)行過(guò)濾，常用的閾值函數(shù)有軟閾值和硬閾值［12］。

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

另一種為軟閾值降噪。小波系數(shù)的絕對(duì)值大于或者等于所設(shè)定閾值λ 時(shí)，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(duì)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(shí)際應(yīng)用中沒(méi)有固定統(tǒng)一的選取標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同的信號(hào)選取不同的方案，其降噪效果也有所不同。

信噪比是評(píng)價(jià)降噪性能的標(biāo)準(zhǔn)，將降噪信號(hào)表示為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)f（n）、原始信號(hào)s（n）、信號(hào)長(zhǎng)度L，信噪比（SNR）公式定義［13］為：

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

為了評(píng)價(jià)移動(dòng)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(lái)評(píng)價(jià)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(hào)越接近原始信號(hào)，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(guò)不同降噪處理效果不同。原始數(shù)據(jù)經(jīng)高斯濾波、移動(dòng)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(duì)離散車(chē)間設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)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(lái)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(dòng)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(cè)算法研究

通過(guò)高斯濾波的方式完成原始數(shù)據(jù)預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)錠子軸曲線特征生成特征序列，與標(biāo)準(zhǔn)特征序列庫(kù)匹配識(shí)別得到錠子軸的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，完成錠子軸的生產(chǎn)過(guò)程在線監(jiān)測(cè)。以某制造車(chē)間內(nèi)，數(shù)控機(jī)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(chē)內(nèi)孔、小孔倒圓角和大孔倒圓角。如圖6 所示，標(biāo)準(zhǔn)特征序列標(biāo)定則通過(guò)多次人工暫停的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)每道工序與電信號(hào)一一對(duì)應(yīng)，形成標(biāo)準(zhǔn)特征序列庫(kù)。

圖6 某錠子軸零件工序流程

某錠子軸一個(gè)完整加工過(guò)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(shí)間，連續(xù)采集離散制造車(chē)間設(shè)備中加工與待加工的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件加工各個(gè)工序、完整加工過(guò)程、待加工過(guò)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(biāo)準(zhǔn)特征序列庫(kù)。

圖7 某錠子軸完整加工過(guò)程

在持續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)控機(jī)床過(guò)程中，設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不斷進(jìn)行工序匹配識(shí)別判定零件加工是否正常，同時(shí)累加零件加工個(gè)數(shù)、加工時(shí)長(zhǎng)和待加工時(shí)長(zhǎng)，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(chē)間設(shè)備工序監(jiān)測(cè)流程如圖8 所示，檢測(cè)是否與終端設(shè)備連接成功，實(shí)時(shí)獲取電流數(shù)據(jù)，進(jìn)行高斯濾波處理，首件檢查。將首件檢測(cè)合格的特征數(shù)據(jù)錄入標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成標(biāo)準(zhǔn)特征，工序換刀過(guò)程的時(shí)間為T(mén)，將收到的第一特征序列與換刀標(biāo)準(zhǔn)序列比對(duì)。其中第一特征序列由工序持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、電流幅值與方差3 個(gè)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(guò)程截?cái)?，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(biāo)準(zhǔn)序列比對(duì)，輸出相對(duì)應(yīng)的加工工序且為加工狀態(tài)，記錄加工時(shí)長(zhǎng)。如果匹配失敗，再將待判定工序X 按照單位時(shí)間劃分為A 段，將A段電信號(hào)數(shù)據(jù)的第二特征序列分別與單位時(shí)間內(nèi)待加工標(biāo)準(zhǔn)特征序列進(jìn)行比對(duì)，若能完成匹配，則將該電信號(hào)段標(biāo)識(shí)為待加工狀態(tài)，記錄待加工時(shí)長(zhǎng)。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(biāo)識(shí)為異常狀態(tài)保存在本地存儲(chǔ)。在現(xiàn)場(chǎng)終端顯示屏中，實(shí)時(shí)顯示目前的車(chē)間設(shè)備生產(chǎn)狀態(tài)信息，處于加工狀態(tài)顯示當(dāng)前加工工序，處于待加工狀態(tài)記錄待加工時(shí)長(zhǎng)。能夠進(jìn)一步得到該車(chē)間加工設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，其中包括零件加工個(gè)數(shù)X、加工時(shí)長(zhǎng)T、待加工時(shí)長(zhǎng)TD和異常數(shù)據(jù)Y。

圖8 離散車(chē)間設(shè)備工序在線監(jiān)測(cè)流程

由于生產(chǎn)加工方式不同，無(wú)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(jìn)行上下料檢測(cè)，待加工時(shí)間不確定。需要對(duì)單位時(shí)間內(nèi)電信號(hào)進(jìn)行逐一匹配，累加單位時(shí)間得到待加工時(shí)長(zhǎng)，完成對(duì)待加工狀態(tài)匹配。對(duì)自動(dòng)上料的生產(chǎn)設(shè)備，加工節(jié)拍固定，待加工時(shí)長(zhǎng)也固定，對(duì)此類的加工設(shè)備待加工狀態(tài)和時(shí)長(zhǎng)匹配較半自動(dòng)化加工較易。生產(chǎn)信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將提供車(chē)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(bào)產(chǎn)量和管理人員對(duì)人員、設(shè)備、工序、訂單等精益化管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以人工上下料的錠子軸數(shù)控車(chē)削組合加工工序?yàn)槔?，將采集的電信?hào)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在很強(qiáng)的規(guī)律性。利用4 種不同的濾波方式，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理減少結(jié)果誤差，采用信噪比和均方根誤差來(lái)評(píng)價(jià)，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(biāo)準(zhǔn)曲線特征，按照離散車(chē)間設(shè)備工序在線監(jiān)測(cè)流程，輸出車(chē)間設(shè)備的加工狀態(tài)、零件數(shù)量、加工時(shí)長(zhǎng)、待加工時(shí)長(zhǎng)等核心數(shù)據(jù)流，完成對(duì)制造車(chē)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，幫助企業(yè)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃、訂單、設(shè)備、員工等精益化管理。基于電信號(hào)的車(chē)間設(shè)備監(jiān)測(cè)方法應(yīng)用范圍廣，可以較低成本助力無(wú)錫中小型制造企業(yè)“智改數(shù)轉(zhuǎn)”的發(fā)展。