基于激光多普勒测振的纸箱模切开槽机输纸主轴振动特性分析

赵荣丽，陈新，李克天，常舟

(广东工业大学机电工程学院，广东广州510006)

纸箱印刷开槽模切机是瓦楞纸箱生产中一个非常重要的设备。某公司研发的伺服驱动高速多色瓦楞纸箱柔板印刷开槽模切成套设备采用先进的下印式印刷方式;单元与单元之间采用伺服机构驱动，避免了传统的齿轮传动链;纸板采用真空吸附和伺服机构传送。该设备代表了国内较高水平的纸箱印刷和成形设备。作者主要针对APSTAR HS 1628机型的输纸主轴进行振动特性分析，并借助于激光多普勒测振设备对其进行振动检测。

1 激光多普勒测振简介

振动特性的测量和分析是鉴别和确定机器、零部件工作可靠性的重要手段。常用的测振技术是接触式测量。在被测物体上安装加速度传感器，利用传感器输出的信号实现加速度–速度–位移的相关测量。如果测量质量较小物体的振动，附加的加速度传感器的质量往往会影响被测物体的振动[1－2]。激光全息方法、激光多普勒测振是新型的空间分辨率很高、非接触式的测量技术[3]。

当波源向着接收器移动时，波源和接收器之间传递的波将发生变化，波长缩短，频率升高;反之，当波源背着接收器移动时，波源和接收器之间传递的波的波长将变长，频率会降低。这一现象是奥地利的物理学家J C DOPPLER 于1842年首先发现的，称为多普勒效应。发生多普勒效应的波可以是声波，也可以是电磁波。利用激光多普勒效应，不仅能测量固体的振动速度，而且也能测量流体(液体和气体)的流动速度。激光多普勒测振原理是测量从物体表面微小区域反射回的相干激光光波的多普勒频率ΔfD，进而确定该测点的振动速度v[4－5]。

2 瓦楞纸箱模切开槽机输纸主轴的振动测量

由于是非接触测量，激光多普勒测振仪在测量过程中对物体的振动形态不产生影响，且动态测量范围很宽。传感器较小，被放置在物体前方某一合理位置，距离一般为0.04～5 m，如果配备商业化的标准镜头，测量距离可以达到10 m。这样可以实现高温物体振动响应的测量，而不损伤传感器。

2.1 测量对象

文中激光测振仪的测量对象是瓦楞纸箱水墨柔印模切开槽机送纸机构传动轴，APSTAR HS 1628 瓦楞纸箱印刷设备的送纸机构主轴如图1所示，其长为2 580 mm，钢制主轴直径为130 mm，包含橡胶层的主轴直径为151 mm。因橡胶层为软材料，表面的跳动很难用接触式测量设备测试，所以采用非接触的激光测振仪可以更好地精确测试。激光测振仪测量的是橡胶层，如图2中激光发射扫描头发射一束红的激光到橡胶层的表面。POLYTECH 激光测振仪的接线如图3所示。图中主要部件是扫描头(Scanning Head)、接线箱(Junction Box)、PC (激光测振设备电脑硬件和处理软件)。

图1 送纸机构主轴

图2 POLYTECH 激光测振实验

图3 激光测振仪接线图

2.2 实际测量接线中的问题

(1)激光测振仪射出的激光束方向要和振动方向平行，否则将产生误差。在实际测量中必须校准扫描头垂直于橡胶层表面。

(2)被测物体表面需要光整和反光。在实际测量中，因橡胶层颜色为黑色，很难反光，故在橡胶层表面涂一层很薄的银白色涂料，使得测试数据的准确性大为提高。

2.3 测量数据

POLYTECH 激光测振仪测量振动信号首先是时域的，为了能更好地分析信号本质特征，POLYTECH使用短时傅里叶转换或短时傅里叶变换，这是和傅里叶转换相关的一种数学转换关系，用以决定时变信号局部段落的弦波成份的频率与相位。利用激光多普勒测振仪测得的瓦楞纸箱印刷模切开槽机输纸主轴的振动信号如图4—13所示。

图4 80 r/min时域信号

图5 80 r/min 频域信号

图6 160 r/min时域信号

图7 160 r/min 频域信号

图8 240 r/min时域信号

图9 240 r/min 频域信号

图10 320 r/min时域信号

图11 320 r/min 频域信号

图12 400 r/min时域信号

图13 400 r/min 频域信号

对时域和频域信号进行分析，可以得出主轴在80 r/min 下的振动数据。数据包含了小于5 000 Hz的6 401个频率分量上的振幅。提取前50个频率如表1所示。

将振幅相加，计算出80 r/min 下的总振幅，统计得出其总振幅为311 μm，在0.8 Hz 频率分量上振幅最大。同理，可以计算出其他转速下的振动数据，统计如表2所示。

表1 80 r/min 激光测试分量频率

表2 所有转速统计结果

从表2可以看出:各个转速中低频所贡献的振幅较大，在0.8～3.1 Hz之间。

3 输纸主轴模态分析

3.1 钢制主轴的模态分析

瓦楞纸箱模切开槽机输纸主轴的钢制主轴长径比较大，可考虑为细长轴[6]，在ADAMS 中建立柔性体，对其进行模态分析，生成的柔性体第7阶模态如图14所示，第7阶频率为64.73 Hz。

3.2 橡胶层模态分析

因主轴表面有一层橡胶层，对橡胶层进行模态分析。将通过拟合[7－8]分析得到的橡胶材料的相关本构数据:弹性模量E=6.1×106N/m2，泊松比σ=0.49，橡胶的密度ρ=1 000 kg/m3输入COSMOSWorks 中。不加任何约束，计算得出其固有频率见表3(前6阶为刚体，模态频率为0)。

图14 钢制轴第7阶模态

表3 橡胶层模态分析频率

橡胶层第7阶振型如图15所示。

图15 橡胶层第7阶模态

从表3可以看出:橡胶层的固有频率较低，第7阶频率仅为2.246 3 Hz，第8阶频率3.449 4 Hz，这与表2中的低频数据3.1 Hz 左右较为吻合。在实际的测试过程中，现场干扰较大，0.8 Hz与1.6 Hz可以考虑为振动测试中的现场振动干扰频率。

单层钢制主轴的最低固有频率为64 Hz，与低频激光测试数据3.1 Hz 左右相去较远。橡胶层的最低两阶固有频率为2.45 和3.45 Hz，与低频激光测试数据接近。在测试数据中，低频3.1 Hz 贡献的振幅最大，远大于钢制主轴的64 Hz 贡献的振幅，所以可以认为钢制主轴的振动对整体振动影响较小，即可以认为橡胶层才是引起主轴振动的主要原因。

4 结论

通过对送纸机构进行POLYTECH 激光测振分析，得到了时域内的振动信号，运用软件对其进行傅里叶变换，最终得到了频域内信号，提取了振动信号的本质，得到了各转速下的振动频率及最大振幅;对输纸机构主轴进行了钢制主轴及橡胶层材料的模态分析，结果表明:钢制主轴固有频率与激光测振频率相差较多，而橡胶层的最低2阶固有频率与激光测量橡胶层振动影响最大的低频吻合，即输纸主轴振动主要是由橡胶层引起的，为输纸主轴进一步振动研究提供了基础。

【1】陈东弟，向家伟，钟永腾，等.基于Polytec 激光测振仪和第二代小波的齿轮箱故障诊断[J].光学技术，2008，34(S1):267－269.

【2】李艳辉，吴振森，武颖丽.基于激光多普勒法测量微小阻尼振动[J].中国激光，2010，37(1):231－235.

【3】朱梦非，梁平.基于LabVIEW的激光多普勒测速系统研究[J].国外电子测量技术，2011，30(5):48－54.

【4】向家伟.基于Polytec 激光测振仪的光存储设备振动测试分析系统[J].光学技术，2007，33(S1):108－108.

【5】韩荣第，崔伯第.基于神经网络的细长轴车削加工尺寸误差预测研究[J].工具技术，2008，42(5):9－11.

【6】郑建荣.ADAMS 虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社，2002.

【7】李军，邢俊文，覃文洁.ADAMS 实例教程[M].北京:北京理工大学出版社，2002.