切削力测量的虚拟仪器

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1 引言

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切削力的测量不仅有利于研究切削机理、计算功率消耗、优化切削用量和刀具几何参数，更重要的是可以通过切削力的变化来监控切削过程，反映刀具磨损或破损、切削用量的合理性、机床故障、颤振等切削状态，以便及时控制切削过程，提高切削效率，降低零件废品率。常用的切削测力仪有电阻应变片式和压电式两种。利用计算机采集和处理切削力测量数据在切削实验和生产实践中已很普及。测力仪把被测的三个切削分力转化为电模拟信号并通过A/D转换器转换为数字信号输入计算机，计算机对采集的数据进行各种分析处理。传统的计算机测量和分析采用通用的或专门设计的接口板卡，而后续的分析和处理程序一般在通用的软件编程环境下，用C/C++或BASIC编制，没有充分利用计算机的强大功能，通信功能和数据处理功能实现困难。此外，针对某种加工方式所编制的切削力测试软件，若应用于另一种加工方式，程序编码要作较大的改动，缺乏直观性、通用性和灵活性。 . n- Y" v3 ]+ X9 Z" f9 H' ?

虚拟仪器是当今计算机辅助测控领域中的一项重要技术。它以计算机为统一的硬件平台，在其中配以具有测试和控制功能并可实现数据交换的模块化硬件接口卡，辅以具有测试仪器功能且形象逼真的软件模块，通过系统管理软件的统一指挥调度来实现传统测控仪器的功能。这种以软件为核心的系统不必象传统仪器那样受到生产厂商所设计功能的限制，可以充分利用计算机超强的运算、显示以及连接扩展能力来灵活地自己定义强大的仪器功能。与传统仪器相比，虚拟仪器在智能化程度、处理能力、性能价格比、可操作性等方面都具有明显的优势。

利用虚拟仪器技术在线采集和处理切削参数，并对切削过程监控，具有很大的优越性。这方面的研究目前尚未见报道。本文将虚拟仪器技术引入切削力的测量中，设计了一种测量三向切削力并对切削力数据进行分析处理的虚拟仪器。
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图1 切削力测量框图

2 系统框图

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以车削加工为例进行试验研究，切削力测量实验研究框图如图1所示(系统接口框图也适用于其它加工方式)。

1. 试验用仪器：电阻应变式车削测力仪与YD-28型动态电阻应变仪配套使用。电阻应变式测力仪具有灵敏度高、可测量力的瞬时值、可利用电补偿原理消除各分力的相互干扰、动态特性良好、价格低等优点。 ' \' F' V$ S* k% B, [7 w5 X; Y2 x
   采用通用接口板卡PCI-1200进行数据采集和A/D转换。PCI-1200卡是基于32位PCI总线的多功能数据采集控制卡，支持DMA方式和双缓冲区模式，保证了实时信号的不间断采集与存储；具有支持单极性和双极性模拟信号输入、提供16路单端/8路差动模拟输入通道、2路独立的D/A输出通道以及24线的TTL型数字I/O等多种功能。
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2. 连接方式：本系统采用的车削测力仪测力范围0～3000N，测量X、Y、Z三个方向的切削分力F_x、F_y、F_z时的分辨率为5.0N。测力仪的三个引出线分别对应于三个切削分力F_x、F_y、F_z(有的测力仪还有测量扭矩的引出线)，将这三个切削分力信号线分别与应变仪的三个通道相连(凡是不用于测量的应变仪输出信号线悬空)；将PCI-1200卡插入计算机主板的一个空闲PCI插槽中，通过50芯数据线与连接器相连。

3 软件设计

在配置了相应的硬件模块后，虚拟仪器设计的主要工作就是编制相应的软件，完成数据的采集、存储分析、输出和显示。美国国家仪器公司提出了“软件即仪器”的响亮口号，其创新产品LabVIEW是目前最为成功、应用最为广泛的虚拟仪器开发环境(实际上，虚拟仪器的概念最初就是在开发LabVIEW时提出的)。LabVIEW作为一种程序开发环境，与其它语言不同的是，LabVIEW采用图形化编程语言G，产生的程序是框图而不是文本，含有功能强大的多种函数库，具有数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、显示和存储以及网络功能等。 8 T3 T* h; D4 h2 e9 u, p

虚拟仪器软件包括仪器驱动程序、应用程序和软面板程序等三个层次。

仪器驱动程序主要用来初始化虚拟仪器，并设置特定的参数和工作方式，使虚拟仪器保持正常的工作状态。LabVIEW已为PCI-1200 卡配备了驱动程序。 / t* @3 d4 m5 i+ T& r

以下重点介绍软面板程序和应用程序的设计。 + S Z3 Y8 O1 i D# m

1. 软面板 + c! m1 O: ]- [; w2 p
   软面板程序用来提供虚拟仪器与用户的接口，它可以在计算机屏幕上生成一个与传统仪器面板相似的图形界面，用于显示测量的结果等。用户还可以通过软面板上的开关和按钮，模拟传统仪器的各种操作，通过键盘或鼠标实现对虚拟仪器的操作。
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   图2 虚拟仪器软面板

   图2为切削测力仪的软面板：采用实时趋势图(chart)显示三向切削分力；将新数据连续扩展在已有数据的后面，波形连续向前推进显示；通过三个按钮控制切削力刻度标定；用数据文本文件方式存储测量数据，以便分析处理和波形回放；设置按钮作为存储开关，并同时控制存储间隔和存储路径。
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2. 应用程序 ( {* r( p: o" ^! y0 b
   应用程序主要用来对输入计算机的数据进行分析和处理，用户就是通过编制应用程序来定义虚拟仪器的功能。这是软件设计的主要部分。
   软件功能包括三向切削力数据采集与存储、切削力波形显示与回放、切削力标定、实验数据统计分析(误差分析、异常数据处理等)、切削力经验公式、切削功率计算和切削过程评判。 + o- v, [( Q+ _' d9 e

   1. 数据采集与存储
      LabVIEW提供了强大的DAQ(Data Acquistion)产品软件支持，数据采集功能较易实现。利用DAQ模板中的Analog Input Utilities子模板中的AI WaveformScan.vi节点来控制PCI-1200卡各通道的数据采集(主要控制采集卡扫描频率和每一通道的扫描次数)。程序内部利用一个三维数组存储三个分力的采样值，进行波形显示。数组元素的值是动态的，并在一个开关按钮的控制下决定是否存储。
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   2. 切削力标定 & U, T Q+ b5 ?
      测力仪需经过标定，以便将测力时的输出读数转换为力值。标定的正确与否将直接影响测量结果的可靠性。标定分为静态标定和动态标定。 ( ~- [% |4 T# z
      用标准测力环对测力仪的各分力方向分别加载，在虚拟仪器软面板上读出面值或波形纵坐标值，得出加载力与面板读数之间的关系，并同时记录其它分力的输出读数。通过程序内部的算法自动标出纵坐标刻度，并记录各分力方向的标度系数。在后续采样时可以自动将采样值转化为力值。 : {' E9 p& R! ?3 h" Q' D/ o
      加载时力的作用点应严格处于刀尖位置，作用线方向应准确。对于各分力的相互干扰，可采用软件方法消除：首先测出各分力的干扰值(它在线性范围内是一常数)，实测时，根据实际读数，在数据处理和波形显示时直接增减。
   3. 切削力经验公式确定 # d' ]) r2 t. p% Q
      采用单因素实验法。利用最小二乘法建立切削力指数公式。由于影响切削力的主要因素为背吃刀量和进给量，因此将其纳入经验公式，而将其它次要因素作为经验公式的修正值。对于各切削分力，首先建立对数坐标系中的回归直线方程，然后，转换为经验公式中的指数值。
      LabVIEW将数据采集和测试分析中常用的数学与信号分析算法程序集成在一起，提供了先进的数字与信号分析环境。勿需特别编程即可求得公式中的系数和指数。对试验中测得的数据进行选点、统计分析和异常数据处理之后，直接利用Mathematics模板中曲线拟合(Curve Fitting)子模板上的线性拟合(Linear Fit)和指数拟合(Exponential Fit)节点，分别求出各系数值和指数值。
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   4. 切削功率计算
      切削功率P对于刀具磨损或破损的判定具有重要意义，是切削过程监控的一项重要指标。切削功率指消耗于切削过程中的功率，为切向切削分力F_z和轴向切削分力F_x所消耗功率之和。由于在切深方向没有位移，故径向切削分力F_y不消耗功率。近似计算P_m时采用如下公式： P_m=F_mV×10^-3kW式中，V为切削速度，可由试验现场输入工件转速和加工工件直径计算得到。
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   5. 切削状态判定
      通过切削力的变化，可以判定刀具磨损和破损、颤振、积屑瘤以及切削参数的合理性等切削过程状态。采用基于知识的推理方法实现状态判定(要求事先根据切削试验或切削手册建立若干判据和数据库)。下面以刀具磨损的判定为例进行说明。
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      图3 刀具磨损评判

      刀具磨损主要取决于刀具材料、工件材料的物理机械性能和切削条件。刀具正常磨损的原因主要是机械磨损和热、化学磨损，刀具磨损一般有硬质点磨损、粘结磨损、扩散磨损和化学磨损等四种类型。不同的刀具材料在不同的切削条件下加工不同的工件材料时，其主要磨损原因可能是其中一、二种。刀具磨损将直接影响加工效率、质量和成本。刀具的磨损过程分为初期磨损阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段。到急剧磨损阶段，刀具就不能继续使用(这个限度称为磨钝标准)。但在实际生产中，不可能经常卸下刀具来测量磨损量以判定刀具是否已经磨钝，只能根据切削过程中的一些现象(例如切削力的变化)来判定。 ( A. t9 V0 x0 w7 H& H0 k: v
      刀具磨损增加时，作用在前、后刀面的切削力也增加。可以利用切削力的增大、切削分力比的变化、动态切削力的变化等来判定切屑碎断、积屑瘤变化或刀具前后刀面及钝圆处的磨损状态。

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由于每个特定制造企业所采用的刀具和工件材料数量是有限的，因此可预先通过若干切削试验，记录某刀具切削某种材料时达到磨钝标准的三向切削力比值和波形曲线，并将切削力的瞬时值与平均值存储于数组中(建立一个评判数据库)。将实际车削时得到的切削力波形曲线与库中存储的磨钝波形曲线进行相似性评判，得出相似性量化指标。将预先给定的相似性阈值作为判定刀具磨钝的判据；一般情况下，波形曲线是平直的，所以也可直接比较切削力的平均值和瞬时值来判定刀具的磨钝状况。 + `1 W) |. U1 _7 g

切削试验表明，利用切削力来反映刀具磨损状态，成功的关键是波形曲线相似性评判模块和刀具磨钝时切削力波形曲线的建立。

4 结语

虽然对切削力的计算机辅助测量技术的研究与应用已不是一个新的课题，但基于LabVIEW的虚拟仪器软件技术的开发使它功能更强、编程更方便、使用更灵活，在切削力数据的处理和图形化显示方面尤其突出。本文所开发的切削力测量虚拟仪器已经达到实用程度，同时稍作改进，也可应用于其它切削参数(如切削温度)的测量。随着对虚拟仪器软件技术的深入研究，相信它在机械加工过程监控中将会发挥更大的作用。

【MechNet】