張長(zhǎng)泉

安徽新聞出版職業(yè)技術(shù)學(xué)院印刷包裝系，安徽合肥，230601

基于LabVIEW虛擬平臺(tái)的印刷機(jī)齒輪振動(dòng)與印刷品質(zhì)量關(guān)聯(lián)性分析

張長(zhǎng)泉

安徽新聞出版職業(yè)技術(shù)學(xué)院印刷包裝系，安徽合肥，230601

論述了虛擬儀器在機(jī)械振動(dòng)測(cè)試領(lǐng)域中的重要作用，比較了傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器在使用性能方面的異同。以LabVIEW軟件為基礎(chǔ)，采用虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)印刷機(jī)振動(dòng)信號(hào)虛擬采集仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)仿真平臺(tái)得出印刷機(jī)齒輪在不同工況下的波形圖，結(jié)合印刷機(jī)在不同齒輪工作狀態(tài)下實(shí)時(shí)樣張的抽取，分析了1年、5年、10年印刷機(jī)振動(dòng)時(shí)域波譜圖和印刷品網(wǎng)點(diǎn)再現(xiàn)質(zhì)量，研究印刷機(jī)齒輪振動(dòng)對(duì)印刷品質(zhì)量的影響。結(jié)果表明：齒輪輕微振動(dòng)時(shí)對(duì)印刷品影響不大；齒輪振動(dòng)過(guò)大時(shí)，對(duì)印刷品質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，通過(guò)50倍放大鏡可以發(fā)現(xiàn)印刷品網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生變形和錯(cuò)位現(xiàn)象，同時(shí)印刷品出現(xiàn)了糊版、套印不準(zhǔn)等印刷故障。

LabVIEW；虛擬儀器；印刷機(jī)；齒輪振動(dòng)；印刷品質(zhì)量

印刷機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)過(guò)大時(shí)對(duì)印刷品質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。印刷機(jī)齒輪振動(dòng)程度與印刷品質(zhì)量存在一定的關(guān)聯(lián)性，這種關(guān)聯(lián)性可以通過(guò)機(jī)械噪聲反映出來(lái)，通過(guò)測(cè)試印刷機(jī)工作時(shí)齒輪振動(dòng)所產(chǎn)生的噪音來(lái)判斷印刷機(jī)的使用壽命和印刷品質(zhì)量是當(dāng)前印刷設(shè)備研究過(guò)程中的主要方法之一。在對(duì)印刷機(jī)械振動(dòng)噪聲試驗(yàn)測(cè)試中，由于傳統(tǒng)儀器價(jià)格高，功能有限，對(duì)分析結(jié)果難以進(jìn)行二次處理，且不具有通用性，這給印刷機(jī)振動(dòng)噪聲測(cè)試帶來(lái)了很大的不便。印刷機(jī)齒輪振動(dòng)測(cè)試為節(jié)約成本，提高振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力，可借助一個(gè)仿真平臺(tái)，因?yàn)檫@類(lèi)仿真平臺(tái)具有通用性、靈活性、網(wǎng)絡(luò)化和可視化等特點(diǎn)。虛擬仿真儀器是現(xiàn)階段測(cè)試領(lǐng)域一個(gè)比較好的選擇，開(kāi)發(fā)一種用于高速印刷機(jī)齒輪振動(dòng)測(cè)試的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，已成為當(dāng)前印刷行業(yè)急需配置的一套工作平臺(tái)[1-2]。

1 虛擬儀器概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和軟件開(kāi)發(fā)技術(shù)的快速發(fā)展，科研儀器發(fā)生了巨大變化，產(chǎn)生了以虛擬仿真儀器為代表的新型儀器。虛擬仿真儀器是利用可編程開(kāi)發(fā)軟件構(gòu)建儀器操作前面板，并在虛擬硬件的支持下，對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、控制和分析。虛擬儀器中最具代表性的是基于LabVIEW軟件環(huán)境的、采用圖形化編程構(gòu)建出來(lái)的仿真平臺(tái)。該軟件由美國(guó)虛擬儀器公司(NI)開(kāi)發(fā)，具有通用性、可視化和網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)，是專(zhuān)為信號(hào)采集、信號(hào)分析、信號(hào)表達(dá)與控制等科研領(lǐng)域設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的軟件[3]。

虛擬儀器，簡(jiǎn)稱VI，是一種新型仿真儀器，它以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，將計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試系統(tǒng)融為一體，用可編程軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)科研儀器中某些硬件的功能，設(shè)計(jì)虛擬操作界面代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器操作面板。傳統(tǒng)儀器硬件功能的軟件化是虛擬仿真儀器最重要的一個(gè)特征，工程測(cè)試人員只要在虛擬仿真平臺(tái)上用鼠標(biāo)和鍵盤(pán)控制虛擬儀器的啟動(dòng)、運(yùn)行和結(jié)束，就能完成被測(cè)信號(hào)的采集、圖譜分析、波形顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和回放等功能。與傳統(tǒng)科研儀器相比，虛擬仿真儀器最大的優(yōu)點(diǎn)是其功能可由編程軟件自行定義，用戶可以根據(jù)科研實(shí)際需要進(jìn)行靈活調(diào)整，用戶應(yīng)用軟件選擇不同，虛擬儀器表達(dá)形式也有所不同。當(dāng)虛擬仿真儀器用戶要改變儀器某項(xiàng)功能或要重構(gòu)新的儀器時(shí)，用戶可以自行改變應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要重新購(gòu)買(mǎi)新的儀器。傳統(tǒng)科研儀器的功能是由制造商事先設(shè)計(jì)和定義好的，儀器功能用戶是無(wú)法改變的。表1列舉了傳統(tǒng)儀器與虛擬仿真儀器的性能特點(diǎn)。虛擬仿真儀器是計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)與儀器技術(shù)深層次結(jié)合的產(chǎn)物，相對(duì)于傳統(tǒng)儀器有重大突破，是科研儀器領(lǐng)域內(nèi)的一次技術(shù)革命，也是當(dāng)前科研測(cè)試領(lǐng)域儀器最新發(fā)展的方向[3]。

表1 虛擬仿真儀器與傳統(tǒng)儀器性能特點(diǎn)比較

2 印刷機(jī)齒輪振動(dòng)虛擬仿真測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集是印刷機(jī)齒輪振動(dòng)信號(hào)采集與分析系統(tǒng)最主要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，振動(dòng)信號(hào)采集技術(shù)流程如圖1。振動(dòng)傳感器首先采集到齒輪振動(dòng)信號(hào)的模擬量，并將振動(dòng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。振動(dòng)模擬信號(hào)x(t)經(jīng)脈沖采樣后，即成為時(shí)間離散振動(dòng)信號(hào)x(n)，量化后采集到取值也是離散化的振動(dòng)數(shù)字信號(hào)。

按照印刷機(jī)齒輪振動(dòng)的特征，印刷機(jī)齒輪振動(dòng)虛擬仿真平臺(tái)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程可用圖2表示。印刷滾筒齒輪產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)被振動(dòng)傳感器采集后進(jìn)

圖2 印刷機(jī)齒輪振動(dòng)虛擬采集系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程

行數(shù)字轉(zhuǎn)換，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大處理后，進(jìn)入虛擬儀器硬件對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)一步處理，最后通過(guò)LabVIEW軟件中的程序進(jìn)行信號(hào)分析和處理[4-6]。基于LabVIEW 軟件環(huán)境下開(kāi)發(fā)的印刷機(jī)齒輪振動(dòng)可視化模擬操作平臺(tái)，主要包括振動(dòng)信號(hào)采集模塊、頻域分析模塊、時(shí)頻分析模塊等。

3 印刷機(jī)振動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)與印刷品質(zhì)量關(guān)聯(lián)性分析

3.1 虛擬振動(dòng)信號(hào)采集平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)

采用虛擬儀器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)上述印刷機(jī)振動(dòng)信號(hào)采集虛擬仿真平臺(tái)，借此仿真平臺(tái)獲得測(cè)試印刷機(jī)齒輪在不同振動(dòng)工況下的頻譜圖。實(shí)驗(yàn)測(cè)試了1年、5年、10年三種不同機(jī)齡段的某種型號(hào)的印刷機(jī)，得出了不同的圖譜。圖3是1年機(jī)齡的新印刷機(jī)齒輪振動(dòng)波形圖，新印刷機(jī)經(jīng)過(guò)磨合后，滾筒傳動(dòng)齒輪工作狀態(tài)良好，振動(dòng)幅度較小，仿真平臺(tái)測(cè)試出來(lái)的幅值比較平緩，沒(méi)有太大的噪聲波動(dòng)。

圖3 1年機(jī)齡齒輪振動(dòng)波形圖

圖4是5年機(jī)齡的新印刷機(jī)齒輪振動(dòng)波形圖，從波形圖中可以看出振動(dòng)噪聲密集分布，說(shuō)明此時(shí)印刷機(jī)齒輪有了較大的磨損，齒輪工況沒(méi)有1年機(jī)齡好，對(duì)印刷品質(zhì)量存在一定的影響。

圖5是10年機(jī)齡印刷機(jī)振動(dòng)波形圖，該波形圖與5年機(jī)齡相比，振動(dòng)幅度更大，波形中摻雜的異常噪聲較多，此時(shí)說(shuō)明齒輪嚙合輪廓出現(xiàn)了磨損甚至斷齒故障，會(huì)對(duì)印刷品質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響，此時(shí)需要對(duì)齒輪進(jìn)行修復(fù)或更換齒輪[7-8]。

圖4 5年機(jī)齡齒輪振動(dòng)波形圖

圖5 10年機(jī)齡齒輪振動(dòng)波形圖

3.2 印刷機(jī)齒輪振動(dòng)與印刷品質(zhì)量動(dòng)態(tài)分析

為了驗(yàn)證齒輪振動(dòng)對(duì)印刷品的影響，分別抽取了1年、10年機(jī)齡印刷機(jī)實(shí)時(shí)印刷樣張，并結(jié)合上述仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)印刷機(jī)齒輪振動(dòng)與印刷品質(zhì)量關(guān)聯(lián)性作進(jìn)一步分析。

印刷機(jī)滾筒主傳動(dòng)齒輪是斜齒輪，工作時(shí)在軸向方向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)分力，這個(gè)分力使印刷滾筒在軸向上產(chǎn)生一個(gè)較小的位移，導(dǎo)致振動(dòng)產(chǎn)生。當(dāng)齒輪振動(dòng)較小時(shí)，由于印版滾筒和橡皮滾筒都具有一定的吸振性，此時(shí)，印刷機(jī)輕微振動(dòng)對(duì)印刷品質(zhì)量影響不大，如圖6是1年機(jī)齡印刷機(jī)實(shí)時(shí)印刷樣張，從樣張中可以看出，印刷品套印精確、色彩符合要求，印刷網(wǎng)點(diǎn)飽滿、充實(shí)。

當(dāng)齒輪軸向串動(dòng)量過(guò)大時(shí)會(huì)對(duì)印刷品套印產(chǎn)生較大的影響，如圖8是10年機(jī)齡印刷機(jī)印刷樣張。由于10年機(jī)齡印刷機(jī)齒輪振動(dòng)過(guò)大，造成橡皮滾筒與印版滾筒間有一個(gè)較大的滑移量，印刷品就會(huì)產(chǎn)生重影現(xiàn)象[4]，最終導(dǎo)致印刷品網(wǎng)點(diǎn)邊緣不光潔，印刷畫(huà)面模糊不清而影響印刷品質(zhì)量。這種套印不準(zhǔn)和圖像模糊的現(xiàn)象是因?yàn)橛∷L筒發(fā)生了軸向位移，導(dǎo)致每一色印跡不能重合在一起。當(dāng)印刷滾筒齒輪的軸向分力積累的能量過(guò)大，且在軸向上不能立即釋放，很容易使印刷滾筒產(chǎn)生振動(dòng)，從而產(chǎn)生墨杠。由于印刷滾筒斜齒輪是固定在滾筒的主軸上的，斜齒輪在互相嚙合過(guò)程中產(chǎn)生的作用力會(huì)在軸向上產(chǎn)生一個(gè)分力，在高速印刷情況下，這個(gè)分力是很大的，這是因?yàn)楦咚儆∷r(shí)相互嚙合的齒輪齒與齒發(fā)生剛性沖擊。若齒輪的端跳過(guò)大，就對(duì)滾筒軸向產(chǎn)生較大的沖擊力，沖擊力過(guò)大帶來(lái)印刷滾筒軸向的振動(dòng)[9-10]。

4 結(jié) 論

通過(guò)虛擬儀器搭建起來(lái)的印刷機(jī)振動(dòng)虛擬采集系統(tǒng)采集到印刷機(jī)齒輪振動(dòng)波形圖，通過(guò)波形圖判斷齒輪磨損情況。結(jié)合實(shí)時(shí)印刷樣張的抽取，得出印刷機(jī)齒輪振動(dòng)對(duì)印刷品套準(zhǔn)精度、墨色等都有一定的影響，齒輪振動(dòng)過(guò)大時(shí)印刷品質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，會(huì)出現(xiàn)墨杠、糊版現(xiàn)象。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2015.08.030

2015-03-30

安徽省高等學(xué)校優(yōu)秀青年人才基金重點(diǎn)項(xiàng)目“基于LabVIEW平臺(tái)膠印機(jī)振動(dòng)與印品質(zhì)量關(guān)聯(lián)性研究”(2013SQRL117ZD)。

張長(zhǎng)泉 (1978-),福建順昌人,碩士,講師,主要研究方向：印刷技術(shù)。

TB535

A

1673-2006(2015)08-0099-04