趙榮麗，陳新，李克天，常舟

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006)

紙箱印刷開(kāi)槽模切機(jī)是瓦楞紙箱生產(chǎn)中一個(gè)非常重要的設(shè)備。某公司研發(fā)的伺服驅(qū)動(dòng)高速多色瓦楞紙箱柔板印刷開(kāi)槽模切成套設(shè)備采用先進(jìn)的下印式印刷方式;單元與單元之間采用伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，避免了傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)鏈;紙板采用真空吸附和伺服機(jī)構(gòu)傳送。該設(shè)備代表了國(guó)內(nèi)較高水平的紙箱印刷和成形設(shè)備。作者主要針對(duì)APSTAR HS 1628機(jī)型的輸紙主軸進(jìn)行振動(dòng)特性分析，并借助于激光多普勒測(cè)振設(shè)備對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)。

1 激光多普勒測(cè)振簡(jiǎn)介

振動(dòng)特性的測(cè)量和分析是鑒別和確定機(jī)器、零部件工作可靠性的重要手段。常用的測(cè)振技術(shù)是接觸式測(cè)量。在被測(cè)物體上安裝加速度傳感器，利用傳感器輸出的信號(hào)實(shí)現(xiàn)加速度–速度–位移的相關(guān)測(cè)量。如果測(cè)量質(zhì)量較小物體的振動(dòng)，附加的加速度傳感器的質(zhì)量往往會(huì)影響被測(cè)物體的振動(dòng)[1－2]。激光全息方法、激光多普勒測(cè)振是新型的空間分辨率很高、非接觸式的測(cè)量技術(shù)[3]。

當(dāng)波源向著接收器移動(dòng)時(shí)，波源和接收器之間傳遞的波將發(fā)生變化，波長(zhǎng)縮短，頻率升高;反之，當(dāng)波源背著接收器移動(dòng)時(shí)，波源和接收器之間傳遞的波的波長(zhǎng)將變長(zhǎng)，頻率會(huì)降低。這一現(xiàn)象是奧地利的物理學(xué)家J C DOPPLER 于1842年首先發(fā)現(xiàn)的，稱為多普勒效應(yīng)。發(fā)生多普勒效應(yīng)的波可以是聲波，也可以是電磁波。利用激光多普勒效應(yīng)，不僅能測(cè)量固體的振動(dòng)速度，而且也能測(cè)量流體(液體和氣體)的流動(dòng)速度。激光多普勒測(cè)振原理是測(cè)量從物體表面微小區(qū)域反射回的相干激光光波的多普勒頻率ΔfD，進(jìn)而確定該測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)速度v[4－5]。

2 瓦楞紙箱模切開(kāi)槽機(jī)輸紙主軸的振動(dòng)測(cè)量

由于是非接觸測(cè)量，激光多普勒測(cè)振儀在測(cè)量過(guò)程中對(duì)物體的振動(dòng)形態(tài)不產(chǎn)生影響，且動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍很寬。傳感器較小，被放置在物體前方某一合理位置，距離一般為0.04～5 m，如果配備商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，測(cè)量距離可以達(dá)到10 m。這樣可以實(shí)現(xiàn)高溫物體振動(dòng)響應(yīng)的測(cè)量，而不損傷傳感器。

2.1 測(cè)量對(duì)象

文中激光測(cè)振儀的測(cè)量對(duì)象是瓦楞紙箱水墨柔印模切開(kāi)槽機(jī)送紙機(jī)構(gòu)傳動(dòng)軸，APSTAR HS 1628 瓦楞紙箱印刷設(shè)備的送紙機(jī)構(gòu)主軸如圖1所示，其長(zhǎng)為2 580 mm，鋼制主軸直徑為130 mm，包含橡膠層的主軸直徑為151 mm。因橡膠層為軟材料，表面的跳動(dòng)很難用接觸式測(cè)量設(shè)備測(cè)試，所以采用非接觸的激光測(cè)振儀可以更好地精確測(cè)試。激光測(cè)振儀測(cè)量的是橡膠層，如圖2中激光發(fā)射掃描頭發(fā)射一束紅的激光到橡膠層的表面。POLYTECH 激光測(cè)振儀的接線如圖3所示。圖中主要部件是掃描頭(Scanning Head)、接線箱(Junction Box)、PC (激光測(cè)振設(shè)備電腦硬件和處理軟件)。

圖1 送紙機(jī)構(gòu)主軸

圖2 POLYTECH 激光測(cè)振實(shí)驗(yàn)

圖3 激光測(cè)振儀接線圖

2.2 實(shí)際測(cè)量接線中的問(wèn)題

(1)激光測(cè)振儀射出的激光束方向要和振動(dòng)方向平行，否則將產(chǎn)生誤差。在實(shí)際測(cè)量中必須校準(zhǔn)掃描頭垂直于橡膠層表面。

(2)被測(cè)物體表面需要光整和反光。在實(shí)際測(cè)量中，因橡膠層顏色為黑色，很難反光，故在橡膠層表面涂一層很薄的銀白色涂料，使得測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性大為提高。

2.3 測(cè)量數(shù)據(jù)

POLYTECH 激光測(cè)振儀測(cè)量振動(dòng)信號(hào)首先是時(shí)域的，為了能更好地分析信號(hào)本質(zhì)特征，POLYTECH使用短時(shí)傅里葉轉(zhuǎn)換或短時(shí)傅里葉變換，這是和傅里葉轉(zhuǎn)換相關(guān)的一種數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換關(guān)系，用以決定時(shí)變信號(hào)局部段落的弦波成份的頻率與相位。利用激光多普勒測(cè)振儀測(cè)得的瓦楞紙箱印刷模切開(kāi)槽機(jī)輸紙主軸的振動(dòng)信號(hào)如圖4—13所示。

圖4 80 r/min時(shí)域信號(hào)

圖5 80 r/min 頻域信號(hào)

圖6 160 r/min時(shí)域信號(hào)

圖7 160 r/min 頻域信號(hào)

圖8 240 r/min時(shí)域信號(hào)

圖9 240 r/min 頻域信號(hào)

圖10 320 r/min時(shí)域信號(hào)

圖11 320 r/min 頻域信號(hào)

圖12 400 r/min時(shí)域信號(hào)

圖13 400 r/min 頻域信號(hào)

對(duì)時(shí)域和頻域信號(hào)進(jìn)行分析，可以得出主軸在80 r/min 下的振動(dòng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包含了小于5 000 Hz的6 401個(gè)頻率分量上的振幅。提取前50個(gè)頻率如表1所示。

將振幅相加，計(jì)算出80 r/min 下的總振幅，統(tǒng)計(jì)得出其總振幅為311 μm，在0.8 Hz 頻率分量上振幅最大。同理，可以計(jì)算出其他轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表1 80 r/min 激光測(cè)試分量頻率

表2 所有轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表2可以看出:各個(gè)轉(zhuǎn)速中低頻所貢獻(xiàn)的振幅較大，在0.8～3.1 Hz之間。

3 輸紙主軸模態(tài)分析

3.1 鋼制主軸的模態(tài)分析

瓦楞紙箱模切開(kāi)槽機(jī)輸紙主軸的鋼制主軸長(zhǎng)徑比較大，可考慮為細(xì)長(zhǎng)軸[6]，在ADAMS 中建立柔性體，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，生成的柔性體第7階模態(tài)如圖14所示，第7階頻率為64.73 Hz。

3.2 橡膠層模態(tài)分析

因主軸表面有一層橡膠層，對(duì)橡膠層進(jìn)行模態(tài)分析。將通過(guò)擬合[7－8]分析得到的橡膠材料的相關(guān)本構(gòu)數(shù)據(jù):彈性模量E=6.1×106N/m2，泊松比σ=0.49，橡膠的密度ρ=1 000 kg/m3輸入COSMOSWorks 中。不加任何約束，計(jì)算得出其固有頻率見(jiàn)表3(前6階為剛體，模態(tài)頻率為0)。

圖14 鋼制軸第7階模態(tài)

表3 橡膠層模態(tài)分析頻率

橡膠層第7階振型如圖15所示。

圖15 橡膠層第7階模態(tài)

從表3可以看出:橡膠層的固有頻率較低，第7階頻率僅為2.246 3 Hz，第8階頻率3.449 4 Hz，這與表2中的低頻數(shù)據(jù)3.1 Hz 左右較為吻合。在實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)干擾較大，0.8 Hz與1.6 Hz可以考慮為振動(dòng)測(cè)試中的現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)干擾頻率。

單層鋼制主軸的最低固有頻率為64 Hz，與低頻激光測(cè)試數(shù)據(jù)3.1 Hz 左右相去較遠(yuǎn)。橡膠層的最低兩階固有頻率為2.45 和3.45 Hz，與低頻激光測(cè)試數(shù)據(jù)接近。在測(cè)試數(shù)據(jù)中，低頻3.1 Hz 貢獻(xiàn)的振幅最大，遠(yuǎn)大于鋼制主軸的64 Hz 貢獻(xiàn)的振幅，所以可以認(rèn)為鋼制主軸的振動(dòng)對(duì)整體振動(dòng)影響較小，即可以認(rèn)為橡膠層才是引起主軸振動(dòng)的主要原因。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)送紙機(jī)構(gòu)進(jìn)行POLYTECH 激光測(cè)振分析，得到了時(shí)域內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)，運(yùn)用軟件對(duì)其進(jìn)行傅里葉變換，最終得到了頻域內(nèi)信號(hào)，提取了振動(dòng)信號(hào)的本質(zhì)，得到了各轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)頻率及最大振幅;對(duì)輸紙機(jī)構(gòu)主軸進(jìn)行了鋼制主軸及橡膠層材料的模態(tài)分析，結(jié)果表明:鋼制主軸固有頻率與激光測(cè)振頻率相差較多，而橡膠層的最低2階固有頻率與激光測(cè)量橡膠層振動(dòng)影響最大的低頻吻合，即輸紙主軸振動(dòng)主要是由橡膠層引起的，為輸紙主軸進(jìn)一步振動(dòng)研究提供了基礎(chǔ)。

【1】陳東弟，向家偉，鐘永騰，等.基于Polytec 激光測(cè)振儀和第二代小波的齒輪箱故障診斷[J].光學(xué)技術(shù)，2008，34(S1):267－269.

【2】李艷輝，吳振森，武穎麗.基于激光多普勒法測(cè)量微小阻尼振動(dòng)[J].中國(guó)激光，2010，37(1):231－235.

【3】朱夢(mèng)非，梁平.基于LabVIEW的激光多普勒測(cè)速系統(tǒng)研究[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2011，30(5):48－54.

【4】向家偉.基于Polytec 激光測(cè)振儀的光存儲(chǔ)設(shè)備振動(dòng)測(cè)試分析系統(tǒng)[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33(S1):108－108.

【5】韓榮第，崔伯第.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的細(xì)長(zhǎng)軸車削加工尺寸誤差預(yù)測(cè)研究[J].工具技術(shù)，2008，42(5):9－11.

【6】鄭建榮.ADAMS 虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

【7】李軍，邢俊文，覃文潔.ADAMS 實(shí)例教程[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.