一种用于监控间歇式凸轮分割器运行状况的方法与流程

1.本发明涉及控制、监控技术领域，且更确切地涉及一种用于监控间歇式凸轮分割器运行状况的方法。


背景技术：

2.凸轮分割器被广泛应用在了各行各业的机械自动化设备上了，这主要是因为它有着间歇分度功能，并且内部结构简单运行稳定，它主要结构包括入力凸轮轴或者转位凸轮，出力转塔间歇机构，滚针轴承，密封件等。间歇凸轮分割器在运动的状态下，入力轴进行连续旋转运动，由入力轴上的转位凸轮旋转带动与之啮合的滚子轴承，滚子轴承与出力分度机构及出力轴是一个组合机构，出力转塔带动出力轴实现分度动作。在凸轮滚子分度传动结束后，在肋与凸轮的平衡区域，处于静止状态，这种情况下，并不产生旋转运动，习惯上称之为静止角。
3.在分割器的间歇运动当中，凸轮滚子轴承属于受力体，凸轮滚子的数量与分割器的工位数量是一致的，凸轮分割器由于入力凸轮曲面是平滑的曲线结构，而且所传动的滚子也是由多个轴承组成，这种光滑的曲面加上利于传动的滚动轴承，比较利于传动，所以利用凸分割器进行传动的动能损失量也是较小的，非常便于在稳定的设备上应用。间歇凸轮分割器的运动原理有很多方式，其中分度传动是应用较广范的一种，也是自动化行业中需求较多的，要实现间歇式的机械运动目前从各种类型的间接传动部件来看分度传动是较稳定的，并且可以实现高速运转。在实现高速运转过程中，很容易出现工位数、运行分度角、停止角、冲击、噪声、磨损、发热、压力过紧、共振和啮合不准等多种故障数据信息，如何实现监控分析这些间歇式凸轮分割器运行状况是亟待解决的技术问题。常规技术通常通过ccd摄像头实现其运行状态的信息监控，但无法实现间歇式凸轮分割器运行状况的微观分析与监测。


技术实现要素：

4.针对上述技术的不足，本发明公开一种用于监控间歇式凸轮分割器运行状况的方法，能够实现间歇式凸轮分割器运行状况的监控和运行状况分析，提高间歇式凸轮分割器运行性能评估，提高间歇式凸轮分割器运行状况安全能力把控。
5.为了实现上述技术效果，本发明采用以下技术方案：一种用于监控间歇式凸轮分割器运行状况的方法，其中包括以下步骤：（s1）提取监控间歇式凸轮分割器运行状况数据信息，并将所提取到的凸轮分割器运行状况数据信息预处理和分类；数据信息为工位数、运行分度角、停止角、冲击、噪声、磨损、发热、压力过紧、共振和啮合不准；数据信息预处理方法为基于卡尔曼滤波的数据融合方法，其中：间歇式凸轮分割器运行状况数据信息线性常数离散信息表示为：
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（1）公式（1）中，表示所提取到的监控间歇式凸轮分割器运行状况数据信息，和分别表示凸轮分割器运行状况不同类型数据信息矩阵，表示间歇式凸轮分割器运行状况数据信息序列的线性常数离散信息，表示间歇式凸轮分割器运行状况数据信息线性常数离散信息，表示间歇式凸轮分割器运行状况数据信息序列，表示均值为0的系统白噪音；对公式（1）两边取期望得到：
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（2）公式（2）中，表示期望值，通过这种方法将不同属性的数据信息分离；（s2）通过监控装置控制间歇式凸轮分割器运行状况，以实时监控间歇式凸轮分割器运行状况信息；（s3）通过双曲运行评估算法对获取到的间歇式凸轮分割器运行状况进行评估，以实时监控间歇式凸轮分割器运行状况。
6.作为本发明进一步的技术方案，监控装置包括fpga模块和与所述fpga模块连接的at7022采集芯片，at7022采集芯片连接有电流互感器、电阻分压模块、电源模块和芯片处理器，其中电流互感器连接有rs-485通信模块，fpga模块连接有备用电源模块，所述fpga模块还连接有avr微控制器。
7.作为本发明进一步的技术方案，双曲运行评估算法为：对间歇式凸轮分割器运行状况信息提取，经过算法程序解析和波形的曲线化处理，变化规律函数如公式（3）所示：（3）公式（3）中，表示间歇式凸轮分割器运行状况信息在不同时段下的运行规律曲线，中的表示间歇式凸轮分割器运行状况信息中变化规律函数类型，表示间歇式凸轮分割器运行状况数据监控周期，表示监控过程消耗时间，表示双曲函数变量，表示函数曲线前置系数，表示函数曲线后置系数，表示影响因素变量函数；表示间歇式凸轮分割器运行状况数据信息线性常数离散信息；当的值大于设定阈值时，则表示间歇式凸轮分割器运行状况信息异常，当的值小于设定阈值时，则表示间歇式凸轮分割器运行状况信息正常。
8.作为本发明进一步的技术方案，双曲运行评估算法中影响因素变量函数表示如公式（4）所示：
（4）公式（4）中，表示影响因素变量函数，表示数据变化幅度，表示函数曲线前置系数，表示函数曲线后置系数。
9.作为本发明进一步的技术方案，双曲运行评估算法中数据变化幅度值的计算方法为：整体异常数据变化幅度范围在0~1之间，在不同情况下的幅度计算公式如公式（5）所示：（5）在公式（5）中，表示数据变化幅度，表示函数曲线前置系数，表示函数曲线后置系数，表示间歇式凸轮分割器运行状况数据监控周期；对于异常运行状态变化曲线，若变化幅度为0，则表示运行函数曲线稳定；若变化幅度部位0，则表示运行异常曲线的变化存在波动性，且不存在规律性，此时就需要进行监控规律性的调整。
10.作为本发明进一步的技术方案，双曲运行评估算法中映射数据信息的方法为：通过添加不对称变量和双曲变量实现数据信息的映射，如公式（6）所示：（6）公式（6）中，表示间歇式凸轮分割器运行状况信息调整后的监控规律函数式，表示不对称运行状况函数的运行状态变量，表示函数曲线前置系数，表示函数曲线后置系数，表示间歇式凸轮分割器运行状况数据监控周期，表示监控过程消耗时间，表示双曲函数变量，表示基准矩阵，表示间歇式凸轮分割器运行状况信息中变化规律函数类型。
11.作为本发明进一步的技术方案，凸轮分割器运行状况数据信息分类方法为决策树分类方法。
12.本发明积极有益效果在于:本发明提取监控间歇式凸轮分割器运行状况数据信息，并将所提取到的凸轮分割器运行状况数据信息预处理和分类；数据信息为工位数、运行分度角、停止角、冲击、噪声、磨损、发热、压力过紧、共振和啮合不准；通过监控装置控制间歇式凸轮分割器运行状况，以实时监控间歇式凸轮分割器运行状况信息；通过双曲运行评估算法对获取到的间歇式凸轮分割器运行状况进行评估，以实时监控间歇式凸轮分割器运行状况。本发明能够实现间歇式凸轮分割器运行状况的监控和运行状况分析，提高间歇式凸轮分割器运行性能评估，提高间歇式凸轮分割器运行状况安全能力把控。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1为本发明方法流程示意图；图2为本发明中监控装置示意图。
具体实施方式
14.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
15.如图1所示，用于监控间歇式凸轮分割器运行状况的方法，包括以下步骤：（s1）提取监控间歇式凸轮分割器运行状况数据信息，并将所提取到的凸轮分割器运行状况数据信息预处理和分类；数据信息为工位数、运行分度角、停止角、冲击、噪声、磨损、发热、压力过紧、共振和啮合不准；数据信息预处理方法为基于卡尔曼滤波的数据融合方法，其中：间歇式凸轮分割器运行状况数据信息线性常数离散信息表示为：
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（1）公式（1）中，表示所提取到的监控间歇式凸轮分割器运行状况数据信息，和分别表示凸轮分割器运行状况不同类型数据信息矩阵，表示间歇式凸轮分割器运行状况数据信息序列的线性常数离散信息，表示间歇式凸轮分割器运行状况数据信息线性常数离散信息，表示间歇式凸轮分割器运行状况数据信息序列，表示均值为0的系统白噪音；对公式（1）两边取期望得到：
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（2）公式（2）中，表示期望值，通过这种方法将不同属性的数据信息分离；（s2）通过监控装置控制间歇式凸轮分割器运行状况，以实时监控间歇式凸轮分割器运行状况信息；（s3）通过双曲运行评估算法对获取到的间歇式凸轮分割器运行状况进行评估，以实时监控间歇式凸轮分割器运行状况。
16.在上述实施例中，本发明主要运行过程为循环性的结构组成。首先就是对于凸轮分割器可能存在的运行问题进行收集监控，可能由回转不稳定、盘面自身故障、摩擦扭矩不稳等几种情况，通过收集监控后，将数据通过与管理人员发出请求处理的指令，接着进入状态解析部分进行判断当前运行故障可能导致的原因，通过外部接口和汇集数据的操作进入
判断针对性控制模块，通过该模块进行针对性的控制调整。数据的另一条走向就是进入异常数据库，该模块不仅可以作为临时数据的存储，也可以作为异常运行状态的大数据收集部分，该模块的数据会与系统预测的运行数据进行对比，对比后的数据若相差不大则会进入异常状态评估部分，然后评估后的数据规律信号会在此通过控制模块反馈进入采集传输硬件中。若差距较大，则通过进入重新采集指令的反馈进入异常运行状态数据传输部分，再次重新进行数据采集监控，确保数据方面的可靠性。
17.凸轮分割器工作原理简单且有着平稳的运动凸轮曲线，具有高速的机械性能等特点，在自动化组装机械行业，包装机械设备，食品行业设备里，药品装盒机械行业等到处都可以看见凸轮分割器的应用。
18.间歇凸轮分割器的工作原理是通过输入轴上的设定凸轮与输出轴上带有均匀分布的滚针轴承做无间隙垂直啮合，凸轮轮廓面的曲线段驱使分度盘上的滚针轴承带动分度盘转位，直线段使分度盘静止，并定位自锁。
19.卡尔曼滤波（kalman filtering）是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。
20.数据滤波是去除噪声还原真实数据的一种数据处理技术，kalman滤波在测量方差已知的情况下能够从一系列存在测量噪声的数据中，估计动态系统的状态。通过应用该算法能够将间歇式凸轮分割器现场采集的数据进行实时的更新和处理。
21.卡尔曼滤波不要求信号和噪声都是平稳过程的假设条件。对于每个时刻的系统扰动和观测误差（即噪声），只要对它们的统计性质作某些适当的假定，通过对含有噪声的观测信号进行处理，就能在平均的意义上，求得误差为最小的真实信号的估计值。在进行状态估计时，根据观测数据对随机量进行定量推断就是估计问题，特别是对动态行为的状态估计，它能实现实时运行状态的估计和预测功能。状态量是受噪声干扰的状态量是个随机量，不可能测得精确值，但可对它进行一系列观测，并依据一组观测值，按某种统计观点对它进行估计。使估计值尽可能准确地接近真实值，这就是最优估计。真实值与估计值之差称为估计误差。若估计值的数学期望与真实值相等，这种估计称为无偏估计。
22.本发明通过监控硬件设计和运行状况评估算法设计两部分进行，在硬件方面本发明基于现场可编程门阵列（field programmable gate array）fpga硬件运行状态监控传感及时的对于异常情况下的凸轮分割器运行状态进行及时的监控传感，对于需要检修的部分进行及时的信息传递，提高效率。在算法方面本发明基于双曲运行评估算法进行运行状态的规律预测，从而对于运行状态的监控效率进行针对性时间得提高。对于凸轮分割器运行状况的监控硬件设计部分，本发明基于fpga硬件，在该硬件中同时包含了at7022采集芯片，可以有效地的进行高精度的监控和异常运行状态数据的采集。
23.本发明所设计的硬件部分包括采集芯片部分和fpga部分，其中 fpga部分的数据通过采集芯片和系统调整进行的数据信号的输入，将所采集到的异常运行数据转换成可接收信号送入凸轮分割器控制单元，从而进行运行状态的及时调整。在时钟芯片部分该模块包括一个数字序列扩频基带调制器，采用atmel 8位avr微控制器。本发明的硬件部分整体表现出-1.5dbm的标称发射和-92dbm的控制信号传输接收灵敏度，以实现高精度的凸轮分割器运行状态辨识情况与系统的故障诊断。
24.at7022采集芯片中内部为fp封装型式，外围硬件电路主要包括电源、电压电流模拟信号输入、脉冲输出和spi (serial peripheral interface)串行通讯接口通信接口等电路，用来保证采集数据的传输。使监控传输数据时的误差减小到最低程度，考虑到spi接口可能受到异常信号干扰，本发明在硬件的spi信号线上串联一个小电阻。串联的电阻与ic输入端共同构成一个低通滤波器，可以消除spi接口信号上的振荡干扰，保证了在数据监控传输时的数据信号通畅。模拟输入引脚内部都有esd保护电路，从而提高硬件的抗干扰能力。
25.在上述实施例中，如图2所示，监控装置包括fpga模块和与所述fpga模块连接的at7022采集芯片，at7022采集芯片连接有电流互感器、电阻分压模块、电源模块和芯片处理器，其中电流互感器连接有rs-485通信模块，fpga模块连接有备用电源模块，所述fpga模块还连接有avr微控制器。
26.对于凸轮分割器运行状况评估的算法，本发明基于双曲运行评估算法进行运行状态的规律预测，从而对于运行状态的监控效率进行针对性时间得提高本发明的双曲评估算法主要针对于凸轮分割器的运行异常规律进行分析，通常程序产生运行异常情况时为固定的情况和时间，但在实际运行中，运行异常状态的出现往往是不规律的，所以针对实际异常状态变化函数，本发明利用不对称函数和双曲函数实现异常状态变化规律曲线的完美演绎，更好的反映出其时频变化规律。
27.在上述实施例中，双曲运行评估算法为：步骤一：首先对间歇式凸轮分割器运行状况信息提取，经过算法程序解析和波形的曲线化处理，变化规律函数如公式（3）所示：（3）公式（3）中，表示间歇式凸轮分割器运行状况信息在不同时段下的运行规律曲线，中的表示间歇式凸轮分割器运行状况信息中变化规律函数类型，表示间歇式凸轮分割器运行状况数据监控周期，表示监控过程消耗时间，表示双曲函数变量，表示函数曲线前置系数，表示函数曲线后置系数，表示影响因素变量函数；表示间歇式凸轮分割器运行状况数据信息线性常数离散信息；当的值大于设定阈值时，则表示间歇式凸轮分割器运行状况信息异常，当的值小于设定阈值时，则表示间歇式凸轮分割器运行状况信息正常；通过公式（3）中可以看出在当前情况下的运行数据曲线是否处于异常状态，其异常状态下的变化规律会受到多种因素影响，影响因素变量函数表示如公式（4）所示：（4）公式（4）中，表示影响因素变量函数，表示数据变化幅度，表示函数曲线前置系数，表示函数曲线后置系数；
通过该公式可以确定在当前情况下影响运行状态异常的原因；步骤二：计算数据变化幅度值；整体异常数据变化幅度范围在0~1之间，在不同情况下的幅度计算公式如公式（5）所示：（5）在公式（5）中，表示数据变化幅度，表示函数曲线前置系数，表示函数曲线后置系数，表示间歇式凸轮分割器运行状况数据监控周期；对于异常运行状态变化曲线，若变化幅度为0，则表示运行函数曲线稳定；若变化幅度部位0，则表示运行异常曲线的变化存在波动性，且不存在规律性，此时就需要进行监控规律性的调整；步骤三：通过添加不对称变量和双曲变量实现数据信息的映射，如公式（6）所示：（6）公式（6）中，表示间歇式凸轮分割器运行状况信息调整后的监控规律函数式，表示不对称运行状况函数的运行状态变量，表示函数曲线前置系数，表示函数曲线后置系数，表示间歇式凸轮分割器运行状况数据监控周期，表示监控过程消耗时间，表示双曲函数变量，表示基准矩阵，表示间歇式凸轮分割器运行状况信息中变化规律函数类型。
28.步骤四：输出间歇式凸轮分割器运行状况信息。
29.根据式（4）调整后的运行规律曲线进行监控，对于不同的凸轮分割器运行状况可以通过改进运行双曲变换进行规律把控，能够完美显示所监控的设备异常状态的变化规律，为后续的修正进行数据保障。
30.在具体实施例中，间歇式凸轮分割器运行状况受到多种数据信息的影响，其表现出来的运行状况包含有工位数、运行分度角、停止角、冲击、噪声、磨损、发热、压力过紧、共振和啮合不准等，这些数据信息的获取也是受到间歇式凸轮分割器不同运行下的影响。凸轮分割器，在工程上又称凸轮分度器、间歇分割器。该机器在运行过程中，比如当入力轴旋动时，凸轮滚子按照给定的位移曲线旋转出力转塔，而同时又沿肋的斜面滚动。在肋与凸轮的端面平衡的区域里，即在静态范围内，滚子接通其轴，但出力转塔本身并不旋转。锥度支撑肋通常与两个或三个凸轮滚子接触，以便入力轴的旋转可均匀地传送到出力轴。如果在锥度支撑肋的凸轮表面和凸轮滚子之间有不顺滑情况，则会损害分割器。通过调整轴之间的距离可消除旋转不顺畅的现象。可通过调整预负荷来接近凸轮滚子和凸轮的弹性区，从而加强分割器的刚性。其结构和功能是转位凸轮和凸轮滚子相结合的最佳性能，能进行高速操作。期间的运行参数通过函数表达式，能够提高数据信息分析能力。
31.虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。