基于LabVIEW 的中空結構鋁合金高速銑削加工噪聲試驗系統設計*

楊發展 康魯迪

(①青島理工大學機械工程學院，山東 青島 266033;②西安交通大學機械工程學院，陜西 西安 710049)

高速動車作為一種運輸量大、方便、快捷的交通工具在人們的出行中扮演著越來越重要的作用［1］。而作為動車車廂用材料的中空結構鋁合金，由于在性能上具有結構輕、強度高、力學性能穩定和隔音效果好等突出優勢，被廣泛應用［2］。由于中空型材鋁合金具有薄壁、弱剛性和空腔結構特點，導致其在加工過程中產生嚴重的噪聲和振動問題，研究該類材料加工中的噪聲激勵作用及其成因，并分析其特征具有重要意義。

虛擬儀器是以計算機軟、硬件技術為核心，以傳感器、自動控制、信號處理、數值分析等技術為支撐，以各專業學科為應用背景的現代測試技術，具有開發周期短、可擴展、性價比高等優點，使得虛擬儀器逐漸代替傳統儀器［3］。LabVIEW 提供了工業界最大的儀器驅動程序庫，同時支持通過SQL 等交互式通信方式實現數據共享。利用LabVIEW 開發振動噪聲測試的虛擬儀器，可以探索虛擬儀器在振動噪聲測試中的應用，從而實現振動信號的采集和分析。本文就加工中空結構鋁合金高速銑削過程產生的振動噪聲信號，設計利用LabVIEW 虛擬儀器對加工信號進行采集、分析，并通過對獲取的信號進行分析，查找其頻譜特性，探索抑制高強噪聲產生及傳播的策略和工藝方法，優化和獲得穩定低噪聲工況所需的工藝裝備及加工條件。

1 噪聲信號采集系統設計

1.1 傳感器

本課題中分別采用LC0101 內裝IC 壓電加速度傳感器、TZ-2KA 型噪聲傳感器對振動和噪聲信號進行采集。

1.2 信號調理模塊

本測試系統利用LC0207 恒流源模塊對LC0101內裝IC 壓電加速度傳感器輸出的振動信號進行調理，TZ-2KA 型噪聲傳感器已自帶了信號調理模塊。

1.3 數據采集卡

本論文中采用NI 公司生產的PXI-6281 數據采集卡對振動和噪聲信號進行采集。

2 噪聲信號采集系統軟件

該系統以LabVIEW 為平臺，開發適用于機械加工工件的振動噪聲信息監測系統。該系統可以實現數據的采集、實時顯示、數據自動處理與分析等功能。設計的該系統的功能模塊主要包括以下部分:數據采集模塊、數據處理與分析模塊。結構圖如圖1 所示。

2.1 數據采集模塊設置

利用LabVIEW 自身的DAQ 數據采集助手，選用5個振動加速度傳感器分別對應于NI 數據采集系統的0～4 通道，3 個噪聲傳感器對應于0～2 通道;設置傳感器的激勵電流源類型，振動加速度傳感器為內部電源，噪聲傳感器為外部電源;基于奈奎斯特定理確定本次試驗的采樣率為1024 Hz，設定2 s 作為一個采集周期，即采樣點數為2048 Hz。

數據采集模塊利用while 循環，實現振動噪聲信號的連續采集、自動創建文件路徑并順序存儲。設計本試驗每次銑削采集8 組數據。實驗開發的中空結構鋁合金高速銑削噪聲信號采集系統的程序如圖2。

設計的該系統可實現以下參數顯示:初始化采集參數、采樣通道、采樣頻率、采樣數等。設計的采集系統可將采集到的數據傳送到虛擬儀器面板上進行波形顯示，顯示當前時間和采集所用時間。系統可自動保存數據和當前圖像，供后續數據回放、處理與分析。

2.2 數據分析與處理模塊

通過分析和處理數字信號，從振動、噪聲中分離出有用的信息，以利于實現機械加工的實時監測，提高加工效率，改善加工環境。并對數據分析與處理模塊對信號進行時域分析、頻域分析和其他分析，并通過SQL建立數據庫，設計的信號分析與處理模塊如圖3 所示。

在程序開發中運用Matlab 腳本，對信號進行快速傅里葉變換(FFT);其他分析主要是小波包分析模塊，提取信號局部時間段的頻域信息進行分析處理。

3 高速銑削實驗

試驗材料為中空結構鋁合金(型號為6N01)，材料尺寸長寬高分別為800 mm×390 mm×50 mm，材料的截面形狀如圖4 所示，材料的力學性能如表1 所示。高速銑削試驗參數設計如下:設計軸向切深恒定為37 mm，走刀速度為600 mm/min 工況下，按照以下參數依次進行試驗。

表1 鋁合金材料6N01 的物理參數

刀具選擇直徑為20mm 的WC-Co 硬質合金刀具，刀具的螺旋角為45°;加工參數見表2。

表2 加工參數設置

8 個傳感器的空間位置設置如圖5 所示(其中位于操作者處的噪聲傳感器未給出，設計在機床操作面板處)，其中5 個振動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位置。

4 噪聲信號采集與處理

程序的前面板主要顯示參數控件、路徑控件、信號波形圖顯示控件、頻譜圖等。圖6 為實驗過程中獲得的信號波形圖和頻譜圖。從圖6 中可以看出，設計的該系統能夠有效地檢測加工中的振動信息。

本文以均方根、聲壓級、頻率特性作為測試項目，檢測系統的有效性。

如圖7 所示，分析在不同轉速下，比較振動加速度均方根的大小。圖7a 表明3500 r/min左右時振動相對比較小，保持在0.04，而4500 r/min時均方根保持在0.12 左右，所以在保證加工效率的基礎上，保障工作人員的身體健康，應該選用3500 r/min左右的轉速最佳;圖7b 表明，當轉速為4000 r/min時，徑向切寬為10～15mm 時，振動的均方根最大為0.1，趨近于15 mm時，最小能達到0.04，而當切寬為5 mm時，加工過程中存在較大波動，最大能達到0.19，不適合用作加工參數。這與當切寬接近刀具半徑時，效率較高，振動較小的客觀事實吻合。

圖8a 表明，轉速為4000 r/min時，兩齒銑刀產生頻率為134 Hz，幅頻圖中頻率為134 Hz 處出現較大幅值;圖8b 表明，轉速為4500 r/min時，由兩齒刀具產生固有頻率150 Hz，其倍頻時幅值也相應較大，也與理論計算值相一致。從上述獲得的數據和頻譜信息可知，本文設計的信號采集、處理系統具有實用性和合理性。

5 結語

針對中空鋁合金高速銑削加工的工況信息，運用傳感器、數據采集、LabVIEW 圖形化編程軟件開發和數字信號處理等多種技術，開發了機械加工振動噪聲檢測系統。可實現信號的采集與存儲;實時顯示;時域、頻域及時頻聯合分析等功能。該系統具有強大的數據分析功能，可通過對采集數據多方面的分析與處理得到不同工況下振動噪聲的變化情況，進而把握其真實運行工況，對操作提供可靠依據，并且通過該系統可以指導工業加工工藝。

［1］葉貴鑫，劉巖，楊冰，等.高速動車組噪聲測試及其聲品質客觀參量分析［J］.噪聲與振動控制，2011(3):85-88.

［2］Smith B H，Szyniszewski S，Hajar J F，et al.Steel foam for structures:a review of applications，manufacturing and material properties［J］.Jour-nal of Constructional Steel Research，2012，71:1-10.

［3］黃劍.虛擬儀器技術及應用綜述［J］.計量與測量技術，2010(4):42-43

［4］楊樂平，李海濤，楊磊.LabVIEW 程序設計與應用［M］.2 版.北京:電子工業出版社，2005.

［5］楊志軍，郝木明.基于LabVIEW 的機械密封端面信息采集與分析系統［J］.機械設計與制造，2009(3):192-194.

［6］劉君華，申忠如，郭福田.現代測試技術與系統集成［M］.北京:電子工業出版社，2004.