切削力的計算機輔助測量技術的研究與應用

切削力的測量不僅有利于研究切削機理、計算功率消耗、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、機床故障、顫振等切削狀態(tài)，以便及時控制切削過程，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變片式和壓電式兩種。利用計算機采集和處理切削力測量數(shù)據(jù)在切削實驗和生產實踐中已很普及。測力儀把被測的三個切削分力轉化為電模擬信號并通過A/D轉換器轉換為數(shù)字信號輸入計算機，計算機對采集的數(shù)據(jù)進行各種分析處理。傳統(tǒng)的計算機測量和分析采用通用的或專門設計的接口板卡，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，沒有充分利用計算機的強大功能，通信功能和數(shù)據(jù)處理功能實現(xiàn)困難。此外，針對某種加工方式所編制的切削力測試軟件，若應用于另一種加工方式，程序編碼要作較大的改動，缺乏直觀性、通用性和靈活性。

　　虛擬儀器是當今計算機輔助測控領域中的一項重要技術。它以計算機為統(tǒng)一的硬件平臺，在其中配以具有測試和控制功能并可實現(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)一指揮調度來實現(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)儀器那樣受到生產廠商所設計功能的限制，可以充分利用計算機超強的運算、顯示以及連接擴展能力來靈活地自己定義強大的儀器功能。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。

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

　　2系統(tǒng)框圖

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

　　采用通用接口板卡PCI-1200進行數(shù)據(jù)采集和A/D轉換。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，保證了實時信號的不間斷采集與存儲；具有支持單極性和雙極性模擬信號輸入、提供16路單端/8路差動模擬輸入通道、2路獨立的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三個方向的切削分力Fx、Fy、Fz時的分辨率為5.0N。測力儀的三個引出線分別對應于三個切削分力Fx、Fy、Fz(有的測力儀還有測量扭矩的引出線)，將這三個切削分力信號線分別與應變儀的三個通道相連(凡是不用于測量的應變儀輸出信號線懸空)；將PCI-1200卡插入計算機主板的一個空閑PCI插槽中，通過50芯數(shù)據(jù)線與連接器相連。

　　3軟件設計

　　在配置了相應的硬件模塊后，虛擬儀器設計的主要工作就是編制相應的軟件，完成數(shù)據(jù)的采集、存儲分析、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，其創(chuàng)新產品LabVIEW是目前最為成功、應用最為廣泛的虛擬儀器開發(fā)環(huán)境(實際上，虛擬儀器的概念最初就是在開發(fā)LabVIEW時提出的)。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，產生的程序是框圖而不是文本，含有功能強大的多種函數(shù)庫，具有數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲以及網(wǎng)絡功能等。

　　虛擬儀器軟件包括儀器驅動程序、應用程序和軟面板程序等三個層次。

　　儀器驅動程序主要用來初始化虛擬儀器，并設置特定的參數(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卡配備了驅動程序。

　　以下重點介紹軟面板程序和應用程序的設計。

　　1.軟面板

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

　　切削測力儀的軟面板：采用實時趨勢圖(chart)顯示三向切削分力；將新數(shù)據(jù)連續(xù)擴展在已有數(shù)據(jù)的后面，波形連續(xù)向前推進顯示；通過三個按鈕控制切削力刻度標定；用數(shù)據(jù)文本文件方式存儲測量數(shù)據(jù)，以便分析處理和波形回放；設置按鈕作為存儲開關，并同時控制存儲間隔和存儲路徑。

　　2.應用程序

　　應用程序主要用來對輸入計算機的數(shù)據(jù)進行分析和處理，用戶就是通過編制應用程序來定義虛擬儀器的功能。這是軟件設計的主要部分。

　　軟件功能包括三向切削力數(shù)據(jù)采集與存儲、切削力波形顯示與回放、切削力標定、實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析(誤差分析、異常數(shù)據(jù)處理等)、切削力經(jīng)驗公式、切削功率計算和切削過程評判。

　　數(shù)據(jù)采集與存儲

　　LabVIEW提供了強大的DAQ(Data Acquistion)產品軟件支持，數(shù)據(jù)采集功能較易實現(xiàn)。利用DAQ模板中的Analog Input Utilities子模板中的AI WaveformScan.vi節(jié)點來控制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))。程序內部利用一個三維數(shù)組存儲三個分力的采樣值，進行波形顯示。數(shù)組元素的值是動態(tài)的，并在一個開關按鈕的控制下決定是否存儲。

　　切削力標定

　　測力儀需經(jīng)過標定，以便將測力時的輸出讀數(shù)轉換為力值。標定的正確與否將直接影響測量結果的可靠性。標定分為靜態(tài)標定和動態(tài)標定。

　　用標準測力環(huán)對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值，得出加載力與面板讀數(shù)之間的關系，并同時記錄其它分力的輸出讀數(shù)。通過程序內部的算法自動標出縱坐標刻度，并記錄各分力方向的標度系數(shù)。在后續(xù)采樣時可以自動將采樣值轉化為力值。

　　加載時力的作用點應嚴格處于刀尖位置，作用線方向應準確。對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(它在線性范圍內是一常數(shù))，實測時，根據(jù)實際讀數(shù)，在數(shù)據(jù)處理和波形顯示時直接增減。

　　切削力經(jīng)驗公式確定

　　采用單因素實驗法。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給量，因此將其納入經(jīng)驗公式，而將其它次要因素作為經(jīng)驗公式的修正值。對于各切削分力，首先建立對數(shù)坐標系中的回歸直線方程，然后，轉換為經(jīng)驗公式中的指數(shù)值。

　　LabVIEW將數(shù)據(jù)采集和測試分析中常用的數(shù)學與信號分析算法程序集成在一起，提供了先進的數(shù)字與信號分析環(huán)境。勿需特別編程即可求得公式中的系數(shù)和指數(shù)。對試驗中測得的數(shù)據(jù)進行選點、統(tǒng)計分析和異常數(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，分別求出各系數(shù)值和指數(shù)值。

　　切削功率計算

　　切削功率P對于刀具磨損或破損的判定具有重要意義，是切削過程監(jiān)控的一項重要指標。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。近似計算Pm時采用如下公式：Pm=FmV×10-3kW式中，V為切削速度，可由試驗現(xiàn)場輸入工件轉速和加工工件直徑計算得到。

　　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)。采用基于知識的推理方法實現(xiàn)狀態(tài)判定(要求事先根據(jù)切削試驗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行說明。

　　刀具磨損主要取決于刀具材料、工件材料的物理機械性能和切削條件。刀具正常磨損的原因主要是機械磨損和熱、化學磨損，刀具磨損一般有硬質點磨損、粘結磨損、擴散磨損和化學磨損等四種類型。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，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(這個限度稱為磨鈍標準)。但在實際生產中，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，作用在前、后刀面的切削力也增加。可以利用切削力的增大、切削分力比的變化、動態(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，因此可預先通過若干切削試驗，記錄某刀具切削某種材料時達到磨鈍標準的三向切削力比值和波形曲線，并將切削力的瞬時值與平均值存儲于數(shù)組中(建立一個評判數(shù)據(jù)庫)。將實際車削時得到的切削力波形曲線與庫中存儲的磨鈍波形曲線進行相似性評判，得出相似性量化指標。將預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值來判定刀具的磨鈍狀況。

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

　　4結語

　　雖然對切削力的計算機輔助測量技術的研究與應用已不是一個新的課題，但基于LabVIEW的虛擬儀器軟件技術的開發(fā)使它功能更強、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)達到實用程度，同時稍作改進，也可應用于其它切削參數(shù)(如切削溫度)的測量。隨著對虛擬儀器軟件技術的深入研究，相信它在機械加工過程監(jiān)控中將會發(fā)揮更大的作用。