LabVIEW在木工雕刻機(jī)主軸振動(dòng)分析與研究

麥啟明+陸賢芳+楊媚

摘 要： 設(shè)計(jì)采用LabVIEW軟件中集成的各種強(qiáng)大的虛擬儀器VI進(jìn)行計(jì)算，對(duì)加速度傳感器采集到的木工CNC雕刻機(jī)主軸電機(jī)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，初步解決了CNC雕刻機(jī)主軸電機(jī)工作壽命過低的問題。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，編程方便，可靠性好，可快速完成分析信號(hào)的任務(wù)，有較強(qiáng)的使用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： LabVIEW； 木工雕刻機(jī)； 振動(dòng)分析； 虛擬儀器

中圖分類號(hào)： TN911.7?34； TH17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）21?0156?03

LabVIEW?based analysis and research of woodworking engraving

machine spindle vibration

MAI Qi?ming， LU Xian?fang， YANG Mei

（Guangzhou College， South China University of Technology， Guangzhou 510800， China）

Abstract： The spindle vibration signal of the woodworking computer numerical control （CNC） engraving machine， which was collected by acceleration sensor， was analyzed and calculated via virtual instrument （VI） integrated in LabVIEW software produce by National Instruments Corporation. The low working life issue of spindle motor in the CNC engraving machine was solved preliminarily. The system can analyze the spindle vibration signal rapidly， It has simple structure， convenient programming and high reliability， so it have high practicability.

Keywords： LabVIEW； woodworking engraving machine； vibration analysis； virtual instrument

0 引 言

CNC（Computer Numerical Control）雕刻技術(shù)是傳統(tǒng)雕刻技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。CNC雕刻機(jī)集計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）技術(shù)、數(shù)控（NC）技術(shù)及精密制造技術(shù)于一體，是一種新型獨(dú)特先進(jìn)的數(shù)控加工機(jī)床[1]。隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展和成熟，雕刻機(jī)在木工方面的應(yīng)用也越來越廣泛，CNC雕刻機(jī)用于加工家居桌椅門窗、實(shí)木家具、板式家具、櫥柜、桌椅和樂器等。木工雕刻機(jī)能取代傳統(tǒng)的臺(tái)鋸、木工鏤銑機(jī)和臺(tái)鉆等木工設(shè)備。在單臺(tái)雕刻機(jī)設(shè)備上對(duì)一塊規(guī)格為1 220 mm×2 440 mm標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的顆粒密度板完成開料、鉆孔和開槽等加工工序，能減少加工時(shí)間，提高加工精度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)批量矩陣加工。雕刻機(jī)能提高生產(chǎn)效率，減少材料損耗和工人數(shù)量，所以雕刻機(jī)有很高的實(shí)用價(jià)值。

雕刻機(jī)主軸的健康情況直接影響著雕刻機(jī)整機(jī)的加工精度、穩(wěn)定性和加工質(zhì)量這些關(guān)鍵參數(shù)。在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，木材里的各種雜質(zhì)導(dǎo)致的加工刀具磨損等情況有著不確定性，所以有必要使用實(shí)時(shí)的檢測來監(jiān)控主軸的情況。針對(duì)以上問題，本文使用LabVIEW的VI（Virtual Instrument）實(shí)時(shí)振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，對(duì)木工雕刻機(jī)的主軸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析。該設(shè)計(jì)能應(yīng)用在雕刻機(jī)的加工調(diào)試和日常使用管理中，在提高加工速度的同時(shí)保證加工精度和機(jī)械的使用壽命。

1 LabVIEW信號(hào)采集系統(tǒng)

LabVIEW信號(hào)采集系統(tǒng)如圖1所示。IEPE加速度傳感器和信號(hào)采集卡使用SMA插頭的屏蔽信號(hào)線連接，信號(hào)采集卡使用USB接口與電腦相連。

圖1 信號(hào)采集系統(tǒng)框圖

圖1是主軸系統(tǒng)信號(hào)采集系統(tǒng)的框圖，系統(tǒng)由軟件和硬件兩部分組成。硬件部分的IEPE（壓電集成電路）加速度傳感器型號(hào)為MPS?ACC01X，靈敏度為100 mV/g。傳感器通過M5螺紋固定在雕刻機(jī)主軸的側(cè)面，這種固定方法可以有效提高傳感器探測到的帶寬，從而提高測量精度。

振動(dòng)信號(hào)采集卡使用北京啟創(chuàng)的MPS?060602型16位信號(hào)采集卡。該卡自帶4 mA驅(qū)動(dòng)電流輸出，最高采樣率為450 kHz，最大信號(hào)放大倍數(shù)為10倍，最大測量范圍為±10 V。信號(hào)采集卡對(duì)加速度傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波、采樣、再放大，通過USB總線轉(zhuǎn)到PC機(jī)的LabVIEW軟件中分析和處理。

該軟件使用LabVIEW2012進(jìn)行開發(fā)，友好的圖形化界面不但利于開發(fā)且減少開發(fā)時(shí)間，節(jié)約人力。軟件分為前端VI界面和運(yùn)后臺(tái)算框圖兩大部分。對(duì)從USB總線傳回來的數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)電壓脈沖信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，最后使用圖形庫算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、功率譜分析；前端VI界面顯示出相關(guān)的頻譜圖，根據(jù)頻譜分析并參照ISO標(biāo)準(zhǔn)確定雕刻機(jī)能否繼續(xù)穩(wěn)定地工作。

1.1前端界面

振動(dòng)分析儀的前面板如圖2所示。主要分為時(shí)域圖、頻域圖、功率譜三大模塊，并可以選擇數(shù)據(jù)輸入通道、采樣率、增益等來獲得更加精確的分析結(jié)果。而對(duì)于某一頻率的幅值可以通過游標(biāo)來捕捉，并以數(shù)字形式顯示在界面上。

圖2 前端VI界面

1.2 信號(hào)處理

采集后的脈沖信號(hào)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換和加窗，即需先接上窗函數(shù)VI。該信號(hào)處理使用hamming窗，有效地增強(qiáng)了軟件的性能。信號(hào)分析主要進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、功率譜分析等功能。

時(shí)域分析是要顯示信號(hào)的時(shí)域特征，主要分析方法有波形分析、幅值分析和相關(guān)性分析等[2]。通過VI庫中的數(shù)據(jù)運(yùn)算對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行時(shí)間幅值處理，輸出使用DBL控件顯示波形。

采集到的數(shù)據(jù)通過下列計(jì)算就可以得出測量的實(shí)際電壓Voltage：

[Voltage=Vrange-ADcode216×2Vrange] （1）

式中：[Vrange]為量程；[ADcode]為A/D芯片測量到的數(shù)值；216中的指數(shù)16是因?yàn)椴捎?6位的A/D采樣。

后臺(tái)運(yùn)算如圖3所示，頻域分析使用快速傅里葉變換來實(shí)現(xiàn)，描述了信號(hào)的頻譜特征。通過對(duì)加窗后的輸入信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，然后與從VI庫引入的數(shù)組元素進(jìn)行除法運(yùn)算，再用顯示模塊顯示頻率譜。功率譜密度分析是在頻率域內(nèi)顯示多組采樣信號(hào)均方值的頻譜，先對(duì)輸入信號(hào)加窗處理并使用單功率譜VI進(jìn)行運(yùn)算，輸出單邊功率譜。

圖3 后臺(tái)運(yùn)算框圖

1 雕刻機(jī)

常見三軸雕刻機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 雕刻機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖

雕刻機(jī)三軸運(yùn)動(dòng)控制手柄系統(tǒng)是雕刻機(jī)的控制核心，手柄可將U盤和讀卡器等存儲(chǔ)設(shè)備內(nèi)的PLT格式的 G代碼拷貝至手柄自帶的Flash芯片處；G代碼指令經(jīng)過DSP（Digital Signal Processing，數(shù)字信號(hào)處理）芯片處理成控制[x，y]和[z]軸運(yùn)動(dòng)的電脈沖信號(hào)發(fā)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)處，電機(jī)驅(qū)動(dòng)根據(jù)細(xì)分?jǐn)?shù)來驅(qū)動(dòng)[x，y]和[z]軸的步進(jìn)電機(jī)。

雕刻機(jī)的回零開關(guān)和對(duì)刀塊負(fù)責(zé)主軸回零，x軸和y軸的回零開關(guān)確定各自的坐標(biāo)零點(diǎn)，z軸坐標(biāo)零點(diǎn)則由對(duì)刀塊來確定，z軸的回零開關(guān)用作最大位移的硬限位。x軸和y軸由手柄的軟限位功能來限制主軸的最大位移。

采用三軸控制的龍門式結(jié)構(gòu)，x和y軸采用齒條傳動(dòng)，z軸采用絲桿傳動(dòng)，工件采用真空吸附固定。

CNC雕刻機(jī)刀具路徑的編程很方便也非常成熟，常用的CAM 軟件（如Type3、文泰、Artcam、UG、Pro/E、MasterCAM、Cimatron等）都可以生成PLT格式的G代碼，最后通過U盤將G代碼文件拷貝到雕刻機(jī)手柄處。

2.1 雕刻機(jī)主軸電機(jī)

主軸電機(jī)是雕刻機(jī)最核心的部分，主軸的穩(wěn)定性和工作壽命直接影響雕刻機(jī)的加工精度和機(jī)械壽命。主軸電機(jī)分風(fēng)冷和水冷兩種，水冷主軸電機(jī)功率較小，使用水泵抽水散熱；5 kW以上的大功率主軸采用風(fēng)冷散熱，轉(zhuǎn)子采用陶瓷軸承載。主軸通過變頻器控制轉(zhuǎn)速，風(fēng)冷電主軸轉(zhuǎn)速為7 000～24 000 r/min；轉(zhuǎn)速過低時(shí)會(huì)影響電機(jī)后面的同軸風(fēng)扇的散熱功能。刀具通過彈簧夾頭和螺母直接固定在主軸前端，使用硬質(zhì)合金做成兩刃直刀，加工高密度纖維板、夾板和樺木板等材料。

本例以意大利ELTE品牌的TMPE4 14.2 5.6 kW的風(fēng)冷電機(jī)進(jìn)行分析。

主軸振動(dòng)信號(hào)如圖5所示。由于測量到的主軸振動(dòng)信號(hào)通常含有大量噪聲，而且無明顯的周期性沖擊現(xiàn)象，所以有必要對(duì)信號(hào)進(jìn)行先驗(yàn)分析和頻譜轉(zhuǎn)換：主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置在18 000 r/min的最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)，即內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率[fi]為300 Hz。

圖5 主軸振動(dòng)時(shí)域信號(hào)

表1 常用軸承振動(dòng)頻率計(jì)算公式

[特征頻率＼&公式＼&內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)頻率＼&[fi=N60]＼&[Z]個(gè)滾動(dòng)體在內(nèi)圈軌道上的通過頻率＼&[fBPFI=Z2fi1+dDcosα]＼&[Z]個(gè)滾動(dòng)體在外圈軌道上的通過頻率＼&[fBPFO=Z2fi1-dDcosα]＼&滾動(dòng)體上某一點(diǎn)通過軌道上的通過頻率＼&[fBFS=D2dfi1-dDcosα2]＼&保持架旋轉(zhuǎn)頻率＼&[fFTF=12fi1-dDcosα]＼&]

表1公式中，[N]是主軸的轉(zhuǎn)速（單位：r/min）；[d]是滾珠直徑；[D]是節(jié)圓直徑；[α]是接觸角。

通過表中公式計(jì)算旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障頻率，將檢測到的某個(gè)頻率的譜線和先驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，確定故障位置和檢測結(jié)果。知道軸承的以上信息就可求出該軸承的特征頻率，在工程上通常使用經(jīng)驗(yàn)公式初步判斷特征頻率的頻譜，對(duì)于8～12個(gè)滾珠的軸承：[fBPFO]通常等于滾珠數(shù)量的0.4倍，[fBPFI]是滾珠數(shù)量的0.6倍，滾珠數(shù)量等于[fBPFI]與[fBPFO]的和，而[fFTF]等于[0.4fi。]

3 測試結(jié)果

該主軸裝的加工刀具是直徑為3/8英寸（9.52 mm）的兩刃直銑刀，單功率頻譜密度測試結(jié)果如圖6所示。能量主要集中在[fi=]300 Hz，[2fi=]600 Hz和[4fi=]1.2 kHz的等低頻段，高頻的能量很少。[fi=]300 Hz處出現(xiàn)最大的幅值，是主軸不平衡的現(xiàn)象；而[2fi]和[4fi]處出現(xiàn)的頻率分量是因?yàn)檗D(zhuǎn)子不對(duì)中而產(chǎn)生的。主軸處在穩(wěn)定工作期，參照GB6075.1?1999標(biāo)準(zhǔn)，該主軸處在C類合格的狀態(tài)，可以繼續(xù)在監(jiān)測中長期工作。

圖6 單功率譜密度圖

通過長時(shí)間的生產(chǎn)現(xiàn)場總結(jié)，生產(chǎn)中對(duì)主軸造成沖擊通常有以下原因：

（1） 余料脫落：加工時(shí)的小件已切除余料，無法被負(fù)壓吸附，而被主軸刀具鉆穿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 解決方法是更改刀具路徑，提高空行抬刀高度，避開細(xì)小的余料。

（2） 刀具崩刃：刀具在加工密度板時(shí)，會(huì)撞上密度板上的砂子和鐵釘?shù)扔捕容^大的雜質(zhì)，造成刀具快速磨損甚至崩刃，這時(shí)主軸處在偏心的狀態(tài)下繼續(xù)加工，對(duì)軸承產(chǎn)生徑向沖擊造成損壞。解決方法是降低加工速度，對(duì)加工時(shí)發(fā)生的異響及時(shí)停機(jī)檢查，通過頻譜分析觀察主軸特征頻率頻譜是否有改變。

（3） 動(dòng)平衡：刀具、彈簧夾頭和螺母是否有損壞，如有，及時(shí)更換。

（4） 軸向沖擊：因?yàn)殡p刃銑刀的鉆加工能力較低，加工速度過高或刀具磨損后容易造成軸向的沖擊力過大。解決方法是降低鉆加工速度。

（5） 加工加速度：加工加速度同速度相關(guān)，若加工速度在10 m/min內(nèi)，加速度可在300～600 mm/s2。

4 結(jié) 語

本文使用LabVIEW軟件建立了振動(dòng)測試平臺(tái)，并在生產(chǎn)環(huán)境中使用，總結(jié)出幾種主軸壽命減少的情況。如果在生產(chǎn)時(shí)減少這幾種情況的發(fā)生，可以在一定程度增加主軸的壽命。

參考文獻(xiàn)

[1] 周景斌，胡波，姚鵬. CNC雕刻機(jī)及其在木門生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2010（38）：40?42.

[2] 李立銘.基于LabVIEW的振動(dòng)測試系統(tǒng)研究[J].儀表技術(shù)，2013（2）：5?8.

[3] 范忠鋒.旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械常見故障的振動(dòng)特征及診斷方法[J].木材加工機(jī)械，2010，21（6）：45?46.

[4] 陳科山，崔興斌，陶冬，等.基于虛擬儀器的振動(dòng)信號(hào)采集與處理系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（34）：144?146.

[5] 趙武.基于振動(dòng)測試的礦井提升機(jī)故障診斷[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011（3）：49?52.

[6] 穆立茂，黃海英，張靖. LabVIEW在貨運(yùn)車箱振動(dòng)自功率譜密度函數(shù)分析中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（1）：115?117.

圖6 單功率譜密度圖

通過長時(shí)間的生產(chǎn)現(xiàn)場總結(jié)，生產(chǎn)中對(duì)主軸造成沖擊通常有以下原因：

（1） 余料脫落：加工時(shí)的小件已切除余料，無法被負(fù)壓吸附，而被主軸刀具鉆穿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 解決方法是更改刀具路徑，提高空行抬刀高度，避開細(xì)小的余料。

（2） 刀具崩刃：刀具在加工密度板時(shí)，會(huì)撞上密度板上的砂子和鐵釘?shù)扔捕容^大的雜質(zhì)，造成刀具快速磨損甚至崩刃，這時(shí)主軸處在偏心的狀態(tài)下繼續(xù)加工，對(duì)軸承產(chǎn)生徑向沖擊造成損壞。解決方法是降低加工速度，對(duì)加工時(shí)發(fā)生的異響及時(shí)停機(jī)檢查，通過頻譜分析觀察主軸特征頻率頻譜是否有改變。

（3） 動(dòng)平衡：刀具、彈簧夾頭和螺母是否有損壞，如有，及時(shí)更換。

（4） 軸向沖擊：因?yàn)殡p刃銑刀的鉆加工能力較低，加工速度過高或刀具磨損后容易造成軸向的沖擊力過大。解決方法是降低鉆加工速度。

（5） 加工加速度：加工加速度同速度相關(guān)，若加工速度在10 m/min內(nèi)，加速度可在300～600 mm/s2。

4 結(jié) 語

本文使用LabVIEW軟件建立了振動(dòng)測試平臺(tái)，并在生產(chǎn)環(huán)境中使用，總結(jié)出幾種主軸壽命減少的情況。如果在生產(chǎn)時(shí)減少這幾種情況的發(fā)生，可以在一定程度增加主軸的壽命。

參考文獻(xiàn)

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[6] 穆立茂，黃海英，張靖. LabVIEW在貨運(yùn)車箱振動(dòng)自功率譜密度函數(shù)分析中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（1）：115?117.

圖6 單功率譜密度圖

通過長時(shí)間的生產(chǎn)現(xiàn)場總結(jié)，生產(chǎn)中對(duì)主軸造成沖擊通常有以下原因：

（1） 余料脫落：加工時(shí)的小件已切除余料，無法被負(fù)壓吸附，而被主軸刀具鉆穿作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 解決方法是更改刀具路徑，提高空行抬刀高度，避開細(xì)小的余料。

（2） 刀具崩刃：刀具在加工密度板時(shí)，會(huì)撞上密度板上的砂子和鐵釘?shù)扔捕容^大的雜質(zhì)，造成刀具快速磨損甚至崩刃，這時(shí)主軸處在偏心的狀態(tài)下繼續(xù)加工，對(duì)軸承產(chǎn)生徑向沖擊造成損壞。解決方法是降低加工速度，對(duì)加工時(shí)發(fā)生的異響及時(shí)停機(jī)檢查，通過頻譜分析觀察主軸特征頻率頻譜是否有改變。

（3） 動(dòng)平衡：刀具、彈簧夾頭和螺母是否有損壞，如有，及時(shí)更換。

（4） 軸向沖擊：因?yàn)殡p刃銑刀的鉆加工能力較低，加工速度過高或刀具磨損后容易造成軸向的沖擊力過大。解決方法是降低鉆加工速度。

（5） 加工加速度：加工加速度同速度相關(guān)，若加工速度在10 m/min內(nèi)，加速度可在300～600 mm/s2。

4 結(jié) 語

本文使用LabVIEW軟件建立了振動(dòng)測試平臺(tái)，并在生產(chǎn)環(huán)境中使用，總結(jié)出幾種主軸壽命減少的情況。如果在生產(chǎn)時(shí)減少這幾種情況的發(fā)生，可以在一定程度增加主軸的壽命。

參考文獻(xiàn)

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[5] 趙武.基于振動(dòng)測試的礦井提升機(jī)故障診斷[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011（3）：49?52.

[6] 穆立茂，黃海英，張靖. LabVIEW在貨運(yùn)車箱振動(dòng)自功率譜密度函數(shù)分析中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（1）：115?117.