切削力的計(jì)算機(jī)輔助測量技術(shù)的研究與應(yīng)用

切削力的測量不僅有利于研究切削機(jī)理、計(jì)算功率消耗、優(yōu)化切削用量和刀具幾何參數(shù)，更重要的是可以通過切削力的變化來監(jiān)控切削過程，反映刀具磨損或破損、切削用量的合理性、機(jī)床故障、顫振等切削狀態(tài)，以便及時(shí)控制切削過程，提高切削效率，降低零件廢品率。常用的切削測力儀有電阻應(yīng)變片式和壓電式兩種。利用計(jì)算機(jī)采集和處理切削力測量數(shù)據(jù)在切削實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐中已很普及。測力儀把被測的三個(gè)切削分力轉(zhuǎn)化為電模擬信號(hào)并通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析處理。傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)測量和分析采用通用的或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的接口板卡，而后續(xù)的分析和處理程序一般在通用的軟件編程環(huán)境下，用C/C++或BASIC編制，沒有充分利用計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大功能，通信功能和數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)困難。此外，針對(duì)某種加工方式所編制的切削力測試軟件，若應(yīng)用于另一種加工方式，程序編碼要作較大的改動(dòng)，缺乏直觀性、通用性和靈活性。

　　虛擬儀器是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測控領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)。它以計(jì)算機(jī)為統(tǒng)一的硬件平臺(tái)，在其中配以具有測試和控制功能并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的模塊化硬件接口卡，輔以具有測試儀器功能且形象逼真的軟件模塊，通過系統(tǒng)管理軟件的統(tǒng)一指揮調(diào)度來實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)測控儀器的功能。這種以軟件為核心的系統(tǒng)不必象傳統(tǒng)儀器那樣受到生產(chǎn)廠商所設(shè)計(jì)功能的限制，可以充分利用計(jì)算機(jī)超強(qiáng)的運(yùn)算、顯示以及連接擴(kuò)展能力來靈活地自己定義強(qiáng)大的儀器功能。與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性能價(jià)格比、可操作性等方面都具有明顯的優(yōu)勢。

　　利用虛擬儀器技術(shù)在線采集和處理切削參數(shù)，并對(duì)切削過程監(jiān)控，具有很大的優(yōu)越性。這方面的研究目前尚未見報(bào)道。本文將虛擬儀器技術(shù)引入切削力的測量中，設(shè)計(jì)了一種測量三向切削力并對(duì)切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理的虛擬儀器。

　　2系統(tǒng)框圖

　　以車削加工為例進(jìn)行試驗(yàn)研究，切削力測量實(shí)驗(yàn)研究框圖如圖1所示(系統(tǒng)接口框圖也適用于其它加工方式)。試驗(yàn)用儀器：電阻應(yīng)變式車削測力儀與YD-28型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀配套使用。電阻應(yīng)變式測力儀具有靈敏度高、可測量力的瞬時(shí)值、可利用電補(bǔ)償原理消除各分力的相互干擾、動(dòng)態(tài)特性良好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。

　　采用通用接口板卡PCI-1200進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和A/D轉(zhuǎn)換。PCI-1200卡是基于32位PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集控制卡，支持DMA方式和雙緩沖區(qū)模式，保證了實(shí)時(shí)信號(hào)的不間斷采集與存儲(chǔ)；具有支持單極性和雙極性模擬信號(hào)輸入、提供16路單端/8路差動(dòng)模擬輸入通道、2路獨(dú)立的D/A輸出通道以及24線的TTL型數(shù)字I/O等多種功能。

　　連接方式：本系統(tǒng)采用的車削測力儀測力范圍0～3000N，測量X、Y、Z三個(gè)方向的切削分力Fx、Fy、Fz時(shí)的分辨率為5.0N。測力儀的三個(gè)引出線分別對(duì)應(yīng)于三個(gè)切削分力Fx、Fy、Fz(有的測力儀還有測量扭矩的引出線)，將這三個(gè)切削分力信號(hào)線分別與應(yīng)變儀的三個(gè)通道相連(凡是不用于測量的應(yīng)變儀輸出信號(hào)線懸空)；將PCI-1200卡插入計(jì)算機(jī)主板的一個(gè)空閑PCI插槽中，通過50芯數(shù)據(jù)線與連接器相連。

　　3軟件設(shè)計(jì)

　　在配置了相應(yīng)的硬件模塊后，虛擬儀器設(shè)計(jì)的主要工作就是編制相應(yīng)的軟件，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)分析、輸出和顯示。美國國家儀器公司提出了“軟件即儀器”的響亮口號(hào)，其創(chuàng)新產(chǎn)品LabVIEW是目前最為成功、應(yīng)用最為廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境(實(shí)際上，虛擬儀器的概念最初就是在開發(fā)LabVIEW時(shí)提出的)。LabVIEW作為一種程序開發(fā)環(huán)境，與其它語言不同的是，LabVIEW采用圖形化編程語言G，產(chǎn)生的程序是框圖而不是文本，含有功能強(qiáng)大的多種函數(shù)庫，具有數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)功能等。

　　虛擬儀器軟件包括儀器驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序和軟面板程序等三個(gè)層次。

　　儀器驅(qū)動(dòng)程序主要用來初始化虛擬儀器，并設(shè)置特定的參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持正常的工作狀態(tài)。LabVIEW已為PCI-1200卡配備了驅(qū)動(dòng)程序。

　　以下重點(diǎn)介紹軟面板程序和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。

　　1.軟面板

　　軟面板程序用來提供虛擬儀器與用戶的接口，它可以在計(jì)算機(jī)屏幕上生成一個(gè)與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面，用于顯示測量的結(jié)果等。用戶還可以通過軟面板上的開關(guān)和按鈕，模擬傳統(tǒng)儀器的各種操作，通過鍵盤或鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬儀器的操作。

　　切削測力儀的軟面板：采用實(shí)時(shí)趨勢圖(chart)顯示三向切削分力；將新數(shù)據(jù)連續(xù)擴(kuò)展在已有數(shù)據(jù)的后面，波形連續(xù)向前推進(jìn)顯示；通過三個(gè)按鈕控制切削力刻度標(biāo)定；用數(shù)據(jù)文本文件方式存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù)，以便分析處理和波形回放；設(shè)置按鈕作為存儲(chǔ)開關(guān)，并同時(shí)控制存儲(chǔ)間隔和存儲(chǔ)路徑。

　　2.應(yīng)用程序

　　應(yīng)用程序主要用來對(duì)輸入計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，用戶就是通過編制應(yīng)用程序來定義虛擬儀器的功能。這是軟件設(shè)計(jì)的主要部分。

　　軟件功能包括三向切削力數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)、切削力波形顯示與回放、切削力標(biāo)定、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析(誤差分析、異常數(shù)據(jù)處理等)、切削力經(jīng)驗(yàn)公式、切削功率計(jì)算和切削過程評(píng)判。

　　數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

　　LabVIEW提供了強(qiáng)大的DAQ(Data Acquistion)產(chǎn)品軟件支持，數(shù)據(jù)采集功能較易實(shí)現(xiàn)。利用DAQ模板中的Analog Input Utilities子模板中的AI WaveformScan.vi節(jié)點(diǎn)來控制PCI-1200卡各通道的數(shù)據(jù)采集(主要控制采集卡掃描頻率和每一通道的掃描次數(shù))。程序內(nèi)部利用一個(gè)三維數(shù)組存儲(chǔ)三個(gè)分力的采樣值，進(jìn)行波形顯示。數(shù)組元素的值是動(dòng)態(tài)的，并在一個(gè)開關(guān)按鈕的控制下決定是否存儲(chǔ)。

　　切削力標(biāo)定

　　測力儀需經(jīng)過標(biāo)定，以便將測力時(shí)的輸出讀數(shù)轉(zhuǎn)換為力值。標(biāo)定的正確與否將直接影響測量結(jié)果的可靠性。標(biāo)定分為靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定。

　　用標(biāo)準(zhǔn)測力環(huán)對(duì)測力儀的各分力方向分別加載，在虛擬儀器軟面板上讀出面值或波形縱坐標(biāo)值，得出加載力與面板讀數(shù)之間的關(guān)系，并同時(shí)記錄其它分力的輸出讀數(shù)。通過程序內(nèi)部的算法自動(dòng)標(biāo)出縱坐標(biāo)刻度，并記錄各分力方向的標(biāo)度系數(shù)。在后續(xù)采樣時(shí)可以自動(dòng)將采樣值轉(zhuǎn)化為力值。

　　加載時(shí)力的作用點(diǎn)應(yīng)嚴(yán)格處于刀尖位置，作用線方向應(yīng)準(zhǔn)確。對(duì)于各分力的相互干擾，可采用軟件方法消除：首先測出各分力的干擾值(它在線性范圍內(nèi)是一常數(shù))，實(shí)測時(shí)，根據(jù)實(shí)際讀數(shù)，在數(shù)據(jù)處理和波形顯示時(shí)直接增減。

　　切削力經(jīng)驗(yàn)公式確定

　　采用單因素實(shí)驗(yàn)法。利用最小二乘法建立切削力指數(shù)公式。由于影響切削力的主要因素為背吃刀量和進(jìn)給量，因此將其納入經(jīng)驗(yàn)公式，而將其它次要因素作為經(jīng)驗(yàn)公式的修正值。對(duì)于各切削分力，首先建立對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中的回歸直線方程，然后，轉(zhuǎn)換為經(jīng)驗(yàn)公式中的指數(shù)值。

　　LabVIEW將數(shù)據(jù)采集和測試分析中常用的數(shù)學(xué)與信號(hào)分析算法程序集成在一起，提供了先進(jìn)的數(shù)字與信號(hào)分析環(huán)境。勿需特別編程即可求得公式中的系數(shù)和指數(shù)。對(duì)試驗(yàn)中測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行選點(diǎn)、統(tǒng)計(jì)分析和異常數(shù)據(jù)處理之后，直接利用Mathematics模板中曲線擬合(Curve Fitting)子模板上的線性擬合(Linear Fit)和指數(shù)擬合(Exponential Fit)節(jié)點(diǎn)，分別求出各系數(shù)值和指數(shù)值。

　　切削功率計(jì)算

　　切削功率P對(duì)于刀具磨損或破損的判定具有重要意義，是切削過程監(jiān)控的一項(xiàng)重要指標(biāo)。切削功率指消耗于切削過程中的功率，為切向切削分力Fz和軸向切削分力Fx所消耗功率之和。由于在切深方向沒有位移，故徑向切削分力Fy不消耗功率。近似計(jì)算Pm時(shí)采用如下公式：Pm=FmV×10-3kW式中，V為切削速度，可由試驗(yàn)現(xiàn)場輸入工件轉(zhuǎn)速和加工工件直徑計(jì)算得到。

　　切削狀態(tài)判定

　　通過切削力的變化，可以判定刀具磨損和破損、顫振、積屑瘤以及切削參數(shù)的合理性等切削過程狀態(tài)。采用基于知識(shí)的推理方法實(shí)現(xiàn)狀態(tài)判定(要求事先根據(jù)切削試驗(yàn)或切削手冊建立若干判據(jù)和數(shù)據(jù)庫)。下面以刀具磨損的判定為例進(jìn)行說明。

　　刀具磨損主要取決于刀具材料、工件材料的物理機(jī)械性能和切削條件。刀具正常磨損的原因主要是機(jī)械磨損和熱、化學(xué)磨損，刀具磨損一般有硬質(zhì)點(diǎn)磨損、粘結(jié)磨損、擴(kuò)散磨損和化學(xué)磨損等四種類型。不同的刀具材料在不同的切削條件下加工不同的工件材料時(shí)，其主要磨損原因可能是其中一、二種。刀具磨損將直接影響加工效率、質(zhì)量和成本。刀具的磨損過程分為初期磨損階段、正常磨損階段和急劇磨損階段。到急劇磨損階段，刀具就不能繼續(xù)使用(這個(gè)限度稱為磨鈍標(biāo)準(zhǔn))。但在實(shí)際生產(chǎn)中，不可能經(jīng)常卸下刀具來測量磨損量以判定刀具是否已經(jīng)磨鈍，只能根據(jù)切削過程中的一些現(xiàn)象(例如切削力的變化)來判定。

　　刀具磨損增加時(shí)，作用在前、后刀面的切削力也增加�？梢岳�用切削力的增大、切削分力比的變化、動(dòng)態(tài)切削力的變化等來判定切屑碎斷、積屑瘤變化或刀具前后刀面及鈍圓處的磨損狀態(tài)。

　　由于每個(gè)特定制造企業(yè)所采用的刀具和工件材料數(shù)量是有限的，因此可預(yù)先通過若干切削試驗(yàn)，記錄某刀具切削某種材料時(shí)達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)的三向切削力比值和波形曲線，并將切削力的瞬時(shí)值與平均值存儲(chǔ)于數(shù)組中(建立一個(gè)評(píng)判數(shù)據(jù)庫)。將實(shí)際車削時(shí)得到的切削力波形曲線與庫中存儲(chǔ)的磨鈍波形曲線進(jìn)行相似性評(píng)判，得出相似性量化指標(biāo)。將預(yù)先給定的相似性閾值作為判定刀具磨鈍的判據(jù)；一般情況下，波形曲線是平直的，所以也可直接比較切削力的平均值和瞬時(shí)值來判定刀具的磨鈍狀況。

　　切削試驗(yàn)表明，利用切削力來反映刀具磨損狀態(tài)，成功的關(guān)鍵是波形曲線相似性評(píng)判模塊和刀具磨鈍時(shí)切削力波形曲線的建立。

　　4結(jié)語

　　雖然對(duì)切削力的計(jì)算機(jī)輔助測量技術(shù)的研究與應(yīng)用已不是一個(gè)新的課題，但基于LabVIEW的虛擬儀器軟件技術(shù)的開發(fā)使它功能更強(qiáng)、編程更方便、使用更靈活，在切削力數(shù)據(jù)的處理和圖形化顯示方面尤其突出。本文所開發(fā)的切削力測量虛擬儀器已經(jīng)達(dá)到實(shí)用程度，同時(shí)稍作改進(jìn)，也可應(yīng)用于其它切削參數(shù)(如切削溫度)的測量。隨著對(duì)虛擬儀器軟件技術(shù)的深入研究，相信它在機(jī)械加工過程監(jiān)控中將會(huì)發(fā)揮更大的作用。