LabVIEW在木工雕刻机主轴振动分析与研究
2022-06-09
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
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。
关键词： LabVIEW； 木工雕刻机； 振动分析； 虚拟仪器
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。