LabVIEW在木工雕刻机主轴振动分析与研究(2)

　　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。论文发表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。

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