用于切削力测量的虚拟仪器的研究与应用

　　1.引言　　

　　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。    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。

　　 2 系统框图　　

　　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)。

　　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。　　

　　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。　　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Fx、Fy、Fz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Fx、Fy、Fz(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。　　

　　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。　　

　　以下重点介绍软面板程序和应用程序的设计。   

　　1.软面板　　

　　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。

　　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。   

　　2.应用程序　　

　　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。

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