基于USB數據采集卡的銑削振動檢測與分析研究

張 總，牛玉艷，王春梅

（蘭州工業學院 機電工程學院，蘭州 730050）

0 引言

銑削是機械加工中最常見的加工方式之一，其加工質量往往決定著產品的質量和生產效率。銑削加工過程中受各種因素多物理場的耦合影響，產生異常振動和噪聲現象，刀具的磨損及加工質量的信息也通過振動和噪聲進行傳遞，并且振動也是影響加工質量和刀具加工效率的重要因素，因此構建有效的銑削振動和噪聲監測系統對研究刀具磨損過程及分析磨損機理，并提高工件加工效率，提高機床性能，推進智能化生產具有重要意義。本文采用NI4431數據采集卡和IEPE加速度傳感器，利用虛擬儀器平臺設計開發了金屬銑削加工過程中振動狀態檢測與分析系統，經驗證具有一定的工程實踐能力。

1 系統組成

該NI4431銑削振動檢測與分析儀構成如框圖1所示，儀器系統由振動信號和噪聲信號相關采集硬件及基于LabVIEW開發的信號分析存儲系統組成。根據振動和噪聲檢測的要求，選用了適合的加速度傳感器、噪聲傳感器和數據采集卡搭建振動和噪聲的測試平臺，利用該平臺采集金屬銑削加工過程中的振動和噪聲信號，通過數據線傳送至分析處理電腦端，利用NI LabVIEW開發的信號顯示和分析系統進行信號處理及存儲。

1.1 硬件組成

信號采集部分硬件主要包括USB傳輸型的NI4431數據采集模塊，3個磁吸式加速度振動傳感器。振動傳感器利用壓電陶瓷的正壓電效應，敏感芯體在受到振動作用后在壓電片表面產生電荷，通過IEPE電路將電荷信號轉換成電壓信號進行輸出，穩定性好。麥克風聲傳感器及含虛擬儀器用于信號處理的電腦。

圖2所示為在學校綠色切削省重點研究中心XKA-714數控銑床上所搭建的測量系統硬件平臺。圖3所示為IEPE加速度傳感器銑床主軸安裝位置，將3個加速度傳感器安裝在銑床主軸合適位置處，另一路連接麥克風聲傳感器，用來采集加工過程中的聲音信號。工作時，首先打開銑削振動狀態檢測和分析采集軟件系統，采集機床運行的背景信號；實際切削時，采集銑削過程中的振動和聲信號。

使用3個磁吸式IEPE加速度傳感器可以保證傳感器采集到銑削主軸在加工過程中，因切削因素產生的x、y、z三向振動信號；采用二芯低電壓輸出，配接帶屏蔽電纜雙層隔離屏蔽結構，低噪聲抗干擾信號地與殼體具有絕緣密封的特點，靈敏度達100mV/g，頻響范圍1Hz～5000Hz，測量范圍達50g，工作可靠；G.R.A.S.麥克風可有效采集切削音頻信號；選用NI USB 4431聲音和振動采集卡，所構建的采集系統小巧、集成、便攜。其中，NI 4431采集卡包含5通道動態信號采集模塊，USB數據傳輸總線標準，能夠用來透過集成化電路壓電式（IEPE）與非集成電路壓電式（IEPE）傳感器完成精密噪聲和震動檢測。當中4路信道具備對應傳感器的信息調理功用，第5路信道是一條模擬輸出信道。該采集模塊的多路模擬輸入（AI）通道可同時進行采樣，具有從1 S/s～0.1MS/s的采樣率范圍；AI信道還帶有100 dB的動態覆蓋范圍，并且各個AI信道還具備使用加速度計與麥克風的軟件可選式交流/直流相互耦合，以及與IEPE信息調理功能。上述通道還能夠相容IEEE1451.4（TEDS）的傳感器產品標準，以達到傳感器產品即插即用功能。結合高性能筆記本電腦和虛擬儀器軟件，快速構建測試系統的信號采集系統，同時借助虛擬儀器所提供的聲音和振動工具包可準確地進行振動和音頻信號的分析處理及存儲。

1.2 系統軟件設計

銑削音頻和振動信號采集和分析系統基于虛擬儀器LabVIEW平臺及NI聲音和振動工具包進行開發實現，利用LabVIEW虛擬儀器圖形化編程的方式對銑削振動及噪聲數據進行了采集，為方便數據的二次研究和利用，實驗中將切削數據存儲為ExceL格式，部分數據采集程序如圖4所示。

在LabVIEW平臺上設計了友好的前面板人機交互界面、框圖程序和圖標/接線端口，前面板中包含三路振動信號實時采集與顯示窗口；一路噪聲信號采集顯示窗口，信號分析與處理顯示窗口，實現了對振動和聲音信號進行時域分析和頻譜分析顯示功能，并可對原始數據進行存儲。

1.3 振動信號分析

銑床啟動即伴隨振動。銑削過程中，機床主軸、銑刀、切削件及夾具組成一個動態系統，互相影響又相互制約，信號相關；銑削加工過程中的振動體現在銑削主軸參考點（加速度傳感器安裝點）位移的交替變化；聲信號指的是在切削過程中切削點振動引起在空氣中傳播的聲波；通過對采集到的振動信號和聲信號數據進行分析處理，切削振動能揭示機床主軸、銑刀、切削件及夾具系統在切削加工過程中的動態特性，選擇切削過程中的振動特性作為切削過程中的刀具磨損、加工質量和加工效率監測對象。通過對振動信號進行時、頻域分析，從振動信號中提取有關切削過程中刀具和加過程的特征信息，通過分析來確定切削加工參數等與切削振動之間的關系，從而為加工條件與切削加工參數的合理選擇，為減少工藝系統切削振動提供科學依據，為提高刀具利用率及智能化生產提供數據保障。

銑削音頻和振動信號包含了不同參數條件下切削過程中的各種特征信號，對后期研究刀具磨損，減少切削振動，優化加工參數具有重要意義。通常將采集到的數據存儲為ExceL格式，圖5所示為振動信號數據進行處理讀取和處理程序。

對振動和噪聲信號最基本的分析是在時域中進行的，通過分析可獲得該信號在時域中的峰值、均值、方差等特征參數，獲得信號強度、波動量、靜態量等信息。這種分析只是定性分析，由于切削過程中采集到的信號背景噪聲強烈，對比機床背景信號可獲得信號波形在不同時刻的相似性和關聯性也較為困難；振動信號和聲信號有用特征不能明顯顯示，需要操作人員具備足夠的信號分析經驗來進行辨認；同時，由于時域分析只能反映信號的幅值隨時間的基本變化情況。

除單頻率的簡諧波外，很難揭示信號的頻率組成和各頻率分量大小。因此，為了更好解讀振動狀態信息，在頻域內對復雜的振動信號進行分析，獲得振動信號的頻率結構以及各諧波分量的幅值和相位信息，揭示振動發生的內在原因，刀具壽命減少的內在機理，機床主軸、銑刀、切削件的內在聯系。

2 銑削試驗檢測實例

工件的材料為Cr17Ni12Mo2，焊接性能良好，適合多層焊，有良好的耐蝕性，一般用于制造、化工、化肥和化纖等工業設備，常被用于制造容器、管道及結構件。材料的這些性能決定了對其進行加工振動控制很有必要。加工Cr17Ni12Mo2不銹鋼工件成長420mm，寬320mm、高40mm的矩形。采用XKA714數控床身銑床，其是一種使用范圍很廣的立式數控銑床，配置SIEMEN802D數控系統，可進行圖形化編程，可以實現三坐標聯動，能夠完成直線、斜線、曲線、輪廓等銑削加工，可以銑削復雜曲面輪廓的零件，如螺旋槽、凸輪、模具、樣板等。主要規格參數：工作臺面積為寬400 mm×長1100mm；工作臺縱向（X）行程600mm；工作臺橫向（Y）行程450mm；工作臺垂直（Z）行程500mm；主軸轉速：低速100 r/min～800r/min，高速500 r/min～4000r/min；最大進給速度：3200mm/min；快速移動速度：X/Y軸8m/min，Z軸4m/min；定位精度：±0.015mm；重復定位精度：±0.005mm。采用中國航空工業集團貴州西南工具有限公司生產的三齒標準K型超硬高速直柄SWT18-16-32-92銑刀，刀柄直徑d為18mm。加工參數：主軸轉速531rev/min，進給量127mm/min，切削深度4mm，切削寬度4mm，數據采集系統采樣率10000Hz；選用東華通用振動、沖擊型DH131EIEPE（ICP） 壓電式加速度傳感器。工作參數：量程5V，靈敏度1mV/ms-2，頻率響應范圍1kHz～10kHz；實驗采集數據存為EXCEL格式，部分數據見表1。

表1 部分測量數據Table 1 Part of the measurement data

3 銑削試驗數據分析

由于切削現場工況復雜，存在測量系統干擾等影響，造成切削過程中的聲信號背景復雜。振動信號中也包含大量的噪聲，這些噪聲使得對有用特征信號不明顯給分析帶來誤差，只有通過降噪處理，以減小噪聲對實際信號的干擾。測試系統采集數據如圖6所示。

由于IEPE傳感器是一種自帶電量放大器或電壓放大器的加速度傳感器，會獲得更多噪聲信號。為了提高信噪比并濾去信號中的高頻噪聲，除了采樣模塊中設計的濾波電路外，還需要通過軟件進行數字濾波，例如采用低通抗混濾波、積分電路、有限和無限脈沖濾波器，由數字濾波器和自適應算法兩部分組成自適應濾波器，以及時變信號的典型處理方法及小波分析等，對采樣獲得的時域振動信號進行處理。

采用LabVIEW和MATLAB混合編程讀取存儲振動數據并處理的程序如圖7所示。

采集到的振動信號在時域上是很難看出特殊特征的，但是如果變換到頻域之后，分析特征將變得容易。FFT是離散傅立葉變換的快速算法，變換域FFT分析可以將一個信號變換到頻域，同時FFT可以將一個信號的頻譜提取出來，這是信號分析常常采用FFT變換的原因，頻譜分析時經常應用。振動信號濾波和FFT處理后的結果如圖8所示。

4 結語

基于NI4431的銑削振動檢測與分析虛擬儀器系統，可對銑削加工過程中的振動量信號進行檢測，后期可方便地實現海量振動數據的分析處理，為加工參數控制及刀具磨損更換提供一定的依據，使銑削加工運行在最佳狀態，并為加工條件與切削加工參數的合理選擇,為減少工藝系統切削振動提供科學依據，為提高刀具利用率及智能化生產提供數據保障，推進機床高效且智能化加工的目的。