LabVIEW在木工雕刻机主轴振动分析与研究

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摘 要： 设计采用labview软件中集成的各种强大的虚拟仪器VI进行计算，对加速度传感器采集到的木工CNC雕刻机主轴电机振动信号进行分析，初步解决了CNC雕刻机主轴电机工作寿命过低的问题。本系统结构简单，编程方便，可靠性好，可快速完成分析信号的任务，有较强的使用价值。

关键词： LabVIEW； 木工雕刻机； 振动分析； 虚拟仪器

中图分类号： TN911.7?34； TH17 文献标识码： A 文章编号： 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）雕刻技术是传统雕刻技术和现代数控技术结合的产物。CNC雕刻机集计算机辅助设计（CAD）技术、计算机辅助制造（CAM）技术、数控（NC）技术及精密制造技术于一体，是一种新型独特先进的数控加工机床[1]。随着数控加工技术的发展和成熟，雕刻机在木工方面的应用也越来越广泛，CNC雕刻机用于加工家居桌椅门窗、实木家具、板式家具、橱柜、桌椅和乐器等。木工雕刻机能取代传统的台锯、木工镂铣机和台钻等木工设备。在单台雕刻机设备上对一块规格为1 220 mm×2 440 mm标准规格的颗粒密度板完成开料、钻孔和开槽等加工工序，能减少加工时间，提高加工精度，实现自动批量矩阵加工。雕刻机能提高生产效率，减少材料损耗和工人数量，所以雕刻机有很高的实用价值。

雕刻机主轴的健康情况直接影响着雕刻机整机的加工精度、稳定性和加工质量这些关键参数。在实际的生产环境中，木材里的各种杂质导致的加工刀具磨损等情况有着不确定性，所以有必要使用实时的检测来监控主轴的情况。针对以上问题，本文使用LabVIEW的VI（Virtual Instrument）实时振动信号采集系统，对木工雕刻机的主轴振动信号进行实时采集和分析。该设计能应用在雕刻机的加工调试和日常使用管理中，在提高加工速度的同时保证加工精度和机械的使用寿命。

1 LabVIEW信号采集系统

LabVIEW信号采集系统如图1所示。IEPE加速度传感器和信号采集卡使用SMA插头的屏蔽信号线连接，信号采集卡使用USB接口与电脑相连。

图1 信号采集系统框图

图1是主轴系统信号采集系统的框图，系统由软件和硬件两部分组成。硬件部分的IEPE（压电集成电路）加速度传感器型号为MPS?ACC01X，灵敏度为100 mV/g。传感器通过M5螺纹固定在雕刻机主轴的侧面，这种固定方法可以有效提高传感器探测到的带宽，从而提高测量精度。

振动信号采集卡使用北京启创的MPS?060602型16位信号采集卡。该卡自带4 mA驱动电流输出，最高采样率为450 kHz，最大信号放大倍数为10倍，最大测量范围为±10 V。信号采集卡对加速度传感器信号进行滤波、采样、再放大，通过USB总线转到PC机的LabVIEW软件中分析和处理。

该软件使用LabVIEW2012进行开发，友好的图形化界面不但利于开发且减少开发时间，节约人力。软件分为前端VI界面和运后台算框图两大部分。对从USB总线传回来的数据和实时电压脉冲信号进行数据类型转换，最后使用图形库算法对数据进行时域分析、频域分析、功率谱分析；前端VI界面显示出相关的频谱图，根据频谱分析并参照ISO标准确定雕刻机能否继续稳定地工作。

1.1前端界面

振动分析仪的前面板如图2所示。主要分为时域图、频域图、功率谱三大模块，并可以选择数据输入通道、采样率、增益等来获得更加精确的分析结果。而对于某一频率的幅值可以通过游标来捕捉，并以数字形式显示在界面上。

图2 前端VI界面

1.2 信号处理

采集后的脉冲信号需要进行数据类型转换和加窗，即需先接上窗函数VI。该信号处理使用hamming窗，有效地增强了软件的性能。信号分析主要进行时域分析、频域分析、功率谱分析等功能。

时域分析是要显示信号的时域特征，主要分析方法有波形分析、幅值分析和相关性分析等[2]。通过VI库中的数据运算对输入信号进行时间幅值处理，输出使用DBL控件显示波形。

采集到的数据通过下列计算就可以得出测量的实际电压Voltage：

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

式中：[Vrange]为量程；[ADcode]为A/D芯片测量到的数值；216中的指数16是因为采用16位的A/D采样。

后台运算如图3所示，频域分析使用快速傅里叶变换来实现，描述了信号的频谱特征。通过对加窗后的输入信号进行快速傅里叶变换，然后与从VI库引入的数组元素进行除法运算，再用显示模块显示频率谱。功率谱密度分析是在频率域内显示多组采样信号均方值的频谱，先对输入信号加窗处理并使用单功率谱VI进行运算，输出单边功率谱。

图3 后台运算框图

1 雕刻机

常见三轴雕刻机控制结构图如图4所示。

图4 雕刻机控制结构图

雕刻机三轴运动控制手柄系统是雕刻机的控制核心，手柄可将U盘和读卡器等存储设备内的PLT格式的 G代码拷贝至手柄自带的Flash芯片处；G代码指令经过DSP（Digital Signal Processing，数字信号处理）芯片处理成控制[x，y]和[z]轴运动的电脉冲信号发送到电机驱动处，电机驱动根据细分数来驱动[x，y]和[z]轴的步进电机。

雕刻机的回零开关和对刀块负责主轴回零，x轴和y轴的回零开关确定各自的坐标零点，z轴坐标零点则由对刀块来确定，z轴的回零开关用作最大位移的硬限位。x轴和y轴由手柄的软限位功能来限制主轴的最大位移。

采用三轴控制的龙门式结构，x和y轴采用齿条传动，z轴采用丝杆传动，工件采用真空吸附固定。

CNC雕刻机刀具路径的编程很方便也非常成熟，常用的CAM 软件（如Type3、文泰、Artcam、UG、Pro/E、MasterCAM、Cimatron等）都可以生成PLT格式的G代码，最后通过U盘将G代码文件拷贝到雕刻机手柄处。

2.1 雕刻机主轴电机

主轴电机是雕刻机最核心的部分，主轴的稳定性和工作寿命直接影响雕刻机的加工精度和机械寿命。主轴电机分风冷和水冷两种，水冷主轴电机功率较小，使用水泵抽水散热；5 kW以上的大功率主轴采用风冷散热，转子采用陶瓷轴承载。主轴通过变频器控制转速，风冷电主轴转速为7 000～24 000 r/min；转速过低时会影响电机后面的同轴风扇的散热功能。刀具通过弹簧夹头和螺母直接固定在主轴前端，使用硬质合金做成两刃直刀，加工高密度纤维板、夹板和桦木板等材料。

本例以意大利ELTE品牌的TMPE4 14.2 5.6 kW的风冷电机进行分析。

主轴振动信号如图5所示。由于测量到的主轴振动信号通常含有大量噪声，而且无明显的周期性冲击现象，所以有必要对信号进行先验分析和频谱转换：主轴转速设置在18 000 r/min的最大转矩点，即内圈旋转频率[fi]为300 Hz。

图5 主轴振动时域信号

表1 常用轴承振动频率计算公式

[特征频率＼&公式＼&内圈旋转频率＼&[fi=N60]＼&[Z]个滚动体在内圈轨道上的通过频率＼&[fBPFI=Z2fi1+dDcosα]＼&[Z]个滚动体在外圈轨道上的通过频率＼&[fBPFO=Z2fi1-dDcosα]＼&滚动体上某一点通过轨道上的通过频率＼&[fBFS=D2dfi1-dDcosα2]＼&保持架旋转频率＼&[fFTF=12fi1-dDcosα]＼&]

表1公式中，[N]是主轴的转速（单位：r/min）；[d]是滚珠直径；[D]是节圆直径；[α]是接触角。

通过表中公式计算旋转机械的故障频率，将检测到的某个频率的谱线和先验结果对比，确定故障位置和检测结果。知道轴承的以上信息就可求出该轴承的特征频率，在工程上通常使用经验公式初步判断特征频率的频谱，对于8～12个滚珠的轴承：[fBPFO]通常等于滚珠数量的0.4倍，[fBPFI]是滚珠数量的0.6倍，滚珠数量等于[fBPFI]与[fBPFO]的和，而[fFTF]等于[0.4fi。]

3 测试结果

该主轴装的加工刀具是直径为3/8英寸（9.52 mm）的两刃直铣刀，单功率频谱密度测试结果如图6所示。能量主要集中在[fi=]300 Hz，[2fi=]600 Hz和[4fi=]1.2 kHz的等低频段，高频的能量很少。[fi=]300 Hz处出现最大的幅值，是主轴不平衡的现象；而[2fi]和[4fi]处出现的频率分量是因为转子不对中而产生的。主轴处在稳定工作期，参照GB6075.1?1999标准，该主轴处在C类合格的状态，可以继续在监测中长期工作。

图6 单功率谱密度图

通过长时间的生产现场总结，生产中对主轴造成冲击通常有以下原因：

（1） 余料脱落：加工时的小件已切除余料，无法被负压吸附，而被主轴刀具钻穿作旋转运动， 解决方法是更改刀具路径，提高空行抬刀高度，避开细小的余料。

（2） 刀具崩刃：刀具在加工密度板时，会撞上密度板上的砂子和铁钉等硬度较大的杂质，造成刀具快速磨损甚至崩刃，这时主轴处在偏心的状态下继续加工，对轴承产生径向冲击造成损坏。解决方法是降低加工速度，对加工时发生的异响及时停机检查，通过频谱分析观察主轴特征频率频谱是否有改变。

（3） 动平衡：刀具、弹簧夹头和螺母是否有损坏，如有，及时更换。

（4） 轴向冲击：因为双刃铣刀的钻加工能力较低，加工速度过高或刀具磨损后容易造成轴向的冲击力过大。解决方法是降低钻加工速度。

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

4 结 语

本文使用LabVIEW软件建立了振动测试平台，并在生产环境中使用，总结出几种主轴寿命减少的情况。如果在生产时减少这几种情况的发生，可以在一定程度增加主轴的寿命。

参考文献

[1] 周景斌，胡波，姚鹏. CNC雕刻机及其在木门生产中的应用[J].林业机械与木工设备，2010（38）：40?42.

[2] 李立铭.基于LabVIEW的振动测试系统研究[J].仪表技术，2013（2）：5?8.

[3] 范忠锋.旋转运动机械常见故障的振动特征及诊断方法[J].木材加工机械，2010，21（6）：45?46.

[4] 陈科山，崔兴斌，陶冬，等.基于虚拟仪器的振动信号采集与处理系统[J].现代电子技术，2011，34（34）：144?146.

[5] 赵武.基于振动测试的矿井提升机故障诊断[J].制造业自动化，2011（3）：49?52.

[6] 穆立茂，黄海英，张靖. LabVIEW在货运车箱振动自功率谱密度函数分析中的应用[J].机械设计与制造，2008（1）：115?117.