基于LabVIEW 的中空結(jié)構(gòu)鋁合金高速銑削加工噪聲試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊發(fā)展 康魯?shù)?/p>

(①青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266033;②西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

高速動(dòng)車(chē)作為一種運(yùn)輸量大、方便、快捷的交通工具在人們的出行中扮演著越來(lái)越重要的作用［1］。而作為動(dòng)車(chē)車(chē)廂用材料的中空結(jié)構(gòu)鋁合金，由于在性能上具有結(jié)構(gòu)輕、強(qiáng)度高、力學(xué)性能穩(wěn)定和隔音效果好等突出優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用［2］。由于中空型材鋁合金具有薄壁、弱剛性和空腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致其在加工過(guò)程中產(chǎn)生嚴(yán)重的噪聲和振動(dòng)問(wèn)題，研究該類(lèi)材料加工中的噪聲激勵(lì)作用及其成因，并分析其特征具有重要意義。

虛擬儀器是以計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)為核心，以傳感器、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、數(shù)值分析等技術(shù)為支撐，以各專(zhuān)業(yè)學(xué)科為應(yīng)用背景的現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)，具有開(kāi)發(fā)周期短、可擴(kuò)展、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，使得虛擬儀器逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器［3］。LabVIEW 提供了工業(yè)界最大的儀器驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)，同時(shí)支持通過(guò)SQL 等交互式通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。利用LabVIEW 開(kāi)發(fā)振動(dòng)噪聲測(cè)試的虛擬儀器，可以探索虛擬儀器在振動(dòng)噪聲測(cè)試中的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的采集和分析。本文就加工中空結(jié)構(gòu)鋁合金高速銑削過(guò)程產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲信號(hào)，設(shè)計(jì)利用LabVIEW 虛擬儀器對(duì)加工信號(hào)進(jìn)行采集、分析，并通過(guò)對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行分析，查找其頻譜特性，探索抑制高強(qiáng)噪聲產(chǎn)生及傳播的策略和工藝方法，優(yōu)化和獲得穩(wěn)定低噪聲工況所需的工藝裝備及加工條件。

1 噪聲信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 傳感器

本課題中分別采用LC0101 內(nèi)裝IC 壓電加速度傳感器、TZ-2KA 型噪聲傳感器對(duì)振動(dòng)和噪聲信號(hào)進(jìn)行采集。

1.2 信號(hào)調(diào)理模塊

本測(cè)試系統(tǒng)利用LC0207 恒流源模塊對(duì)LC0101內(nèi)裝IC 壓電加速度傳感器輸出的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，TZ-2KA 型噪聲傳感器已自帶了信號(hào)調(diào)理模塊。

1.3 數(shù)據(jù)采集卡

本論文中采用NI 公司生產(chǎn)的PXI-6281 數(shù)據(jù)采集卡對(duì)振動(dòng)和噪聲信號(hào)進(jìn)行采集。

2 噪聲信號(hào)采集系統(tǒng)軟件

該系統(tǒng)以LabVIEW 為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)適用于機(jī)械加工工件的振動(dòng)噪聲信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)自動(dòng)處理與分析等功能。設(shè)計(jì)的該系統(tǒng)的功能模塊主要包括以下部分:數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理與分析模塊。結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)置

利用LabVIEW 自身的DAQ 數(shù)據(jù)采集助手，選用5個(gè)振動(dòng)加速度傳感器分別對(duì)應(yīng)于NI 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的0～4 通道，3 個(gè)噪聲傳感器對(duì)應(yīng)于0～2 通道;設(shè)置傳感器的激勵(lì)電流源類(lèi)型，振動(dòng)加速度傳感器為內(nèi)部電源，噪聲傳感器為外部電源;基于奈奎斯特定理確定本次試驗(yàn)的采樣率為1024 Hz，設(shè)定2 s 作為一個(gè)采集周期，即采樣點(diǎn)數(shù)為2048 Hz。

數(shù)據(jù)采集模塊利用while 循環(huán)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)噪聲信號(hào)的連續(xù)采集、自動(dòng)創(chuàng)建文件路徑并順序存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)本試驗(yàn)每次銑削采集8 組數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的中空結(jié)構(gòu)鋁合金高速銑削噪聲信號(hào)采集系統(tǒng)的程序如圖2。

設(shè)計(jì)的該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)以下參數(shù)顯示:初始化采集參數(shù)、采樣通道、采樣頻率、采樣數(shù)等。設(shè)計(jì)的采集系統(tǒng)可將采集到的數(shù)據(jù)傳送到虛擬儀器面板上進(jìn)行波形顯示，顯示當(dāng)前時(shí)間和采集所用時(shí)間。系統(tǒng)可自動(dòng)保存數(shù)據(jù)和當(dāng)前圖像，供后續(xù)數(shù)據(jù)回放、處理與分析。

2.2 數(shù)據(jù)分析與處理模塊

通過(guò)分析和處理數(shù)字信號(hào)，從振動(dòng)、噪聲中分離出有用的信息，以利于實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高加工效率，改善加工環(huán)境。并對(duì)數(shù)據(jù)分析與處理模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析和其他分析，并通過(guò)SQL建立數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)的信號(hào)分析與處理模塊如圖3 所示。

在程序開(kāi)發(fā)中運(yùn)用Matlab 腳本，對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT);其他分析主要是小波包分析模塊，提取信號(hào)局部時(shí)間段的頻域信息進(jìn)行分析處理。

3 高速銑削實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)材料為中空結(jié)構(gòu)鋁合金(型號(hào)為6N01)，材料尺寸長(zhǎng)寬高分別為800 mm×390 mm×50 mm，材料的截面形狀如圖4 所示，材料的力學(xué)性能如表1 所示。高速銑削試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如下:設(shè)計(jì)軸向切深恒定為37 mm，走刀速度為600 mm/min 工況下，按照以下參數(shù)依次進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 鋁合金材料6N01 的物理參數(shù)

刀具選擇直徑為20mm 的WC-Co 硬質(zhì)合金刀具，刀具的螺旋角為45°;加工參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 加工參數(shù)設(shè)置

8 個(gè)傳感器的空間位置設(shè)置如圖5 所示(其中位于操作者處的噪聲傳感器未給出，設(shè)計(jì)在機(jī)床操作面板處)，其中5 個(gè)振動(dòng)加速度傳感器隨著加工位置不斷變化，以最大限度地保證傳感器與加工位置相對(duì)位置。

4 噪聲信號(hào)采集與處理

程序的前面板主要顯示參數(shù)控件、路徑控件、信號(hào)波形圖顯示控件、頻譜圖等。圖6 為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中獲得的信號(hào)波形圖和頻譜圖。從圖6 中可以看出，設(shè)計(jì)的該系統(tǒng)能夠有效地檢測(cè)加工中的振動(dòng)信息。

本文以均方根、聲壓級(jí)、頻率特性作為測(cè)試項(xiàng)目，檢測(cè)系統(tǒng)的有效性。

如圖7 所示，分析在不同轉(zhuǎn)速下，比較振動(dòng)加速度均方根的大小。圖7a 表明3500 r/min左右時(shí)振動(dòng)相對(duì)比較小，保持在0.04，而4500 r/min時(shí)均方根保持在0.12 左右，所以在保證加工效率的基礎(chǔ)上，保障工作人員的身體健康，應(yīng)該選用3500 r/min左右的轉(zhuǎn)速最佳;圖7b 表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速為4000 r/min時(shí)，徑向切寬為10～15mm 時(shí)，振動(dòng)的均方根最大為0.1，趨近于15 mm時(shí)，最小能達(dá)到0.04，而當(dāng)切寬為5 mm時(shí)，加工過(guò)程中存在較大波動(dòng)，最大能達(dá)到0.19，不適合用作加工參數(shù)。這與當(dāng)切寬接近刀具半徑時(shí)，效率較高，振動(dòng)較小的客觀事實(shí)吻合。

圖8a 表明，轉(zhuǎn)速為4000 r/min時(shí)，兩齒銑刀產(chǎn)生頻率為134 Hz，幅頻圖中頻率為134 Hz 處出現(xiàn)較大幅值;圖8b 表明，轉(zhuǎn)速為4500 r/min時(shí)，由兩齒刀具產(chǎn)生固有頻率150 Hz，其倍頻時(shí)幅值也相應(yīng)較大，也與理論計(jì)算值相一致。從上述獲得的數(shù)據(jù)和頻譜信息可知，本文設(shè)計(jì)的信號(hào)采集、處理系統(tǒng)具有實(shí)用性和合理性。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)中空鋁合金高速銑削加工的工況信息，運(yùn)用傳感器、數(shù)據(jù)采集、LabVIEW 圖形化編程軟件開(kāi)發(fā)和數(shù)字信號(hào)處理等多種技術(shù)，開(kāi)發(fā)了機(jī)械加工振動(dòng)噪聲檢測(cè)系統(tǒng)。可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集與存儲(chǔ);實(shí)時(shí)顯示;時(shí)域、頻域及時(shí)頻聯(lián)合分析等功能。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，可通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)多方面的分析與處理得到不同工況下振動(dòng)噪聲的變化情況，進(jìn)而把握其真實(shí)運(yùn)行工況，對(duì)操作提供可靠依據(jù)，并且通過(guò)該系統(tǒng)可以指導(dǎo)工業(yè)加工工藝。

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