虛擬儀器在切削力實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用研究

周 莉ZHOU Li

（上海電機(jī)學(xué)院 機(jī)械系，上海 200245）

1 概述

切削力是金屬切削過(guò)程中的重要狀態(tài)參量。切削力測(cè)量是金屬切削研究中一項(xiàng)重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)，不僅對(duì)研究金屬切削機(jī)理，計(jì)算機(jī)床功率，進(jìn)行刀具、機(jī)床和夾具的設(shè)計(jì)，優(yōu)化切削用量和刀具幾何參數(shù)等具有非常重要的作用意義，而且在自動(dòng)化生產(chǎn)中，切削力是切削過(guò)程自適應(yīng)控制中的重要參數(shù)，也是監(jiān)測(cè)切削過(guò)程和刀具工作狀態(tài)的重要信號(hào)。

切削過(guò)程參數(shù)的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量雖然是比較陳舊的課題，但隨著虛擬儀器技術(shù)的提出和發(fā)展，給它帶來(lái)了新的科研生命力。切削力測(cè)量系統(tǒng)傳統(tǒng)上采用通用的或者專門(mén)設(shè)計(jì)的板卡做接口，而后續(xù)的分析和處理程序則是在較常用的軟件編程環(huán)境中進(jìn)行，針對(duì)某種加工方式所編制的切削力測(cè)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。

而虛擬儀器是當(dāng)今計(jì)算機(jī)輔助測(cè)控領(lǐng)域中的一項(xiàng)重要技術(shù)，有較大的編程方便性、較強(qiáng)的功能和靈活性，尤其是綜合測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和圖形化顯示方面。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(guò)程監(jiān)控，具有很大的優(yōu)越性。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(cè)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，輔以具有硬件信號(hào)轉(zhuǎn)換和處理能力且形象逼真的軟件模塊，通過(guò)系統(tǒng)管理軟件的統(tǒng)一指揮調(diào)度來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)測(cè)控儀器的功能。

2 切削力測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介

切削力測(cè)量系統(tǒng)一般由三部分構(gòu)成：測(cè)力儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和PC機(jī)。測(cè)力儀（測(cè)力傳感器）通常安裝在刀架（車(chē)削）或機(jī)床工作臺(tái)上（銑削），負(fù)責(zé)拾取切削力信號(hào)，將力信號(hào)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)此弱電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和采集，使其變?yōu)榭捎玫臄?shù)字信號(hào)；PC機(jī)通過(guò)一定的軟件平臺(tái)，將切削力信號(hào)顯示出來(lái)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2.1 切削測(cè)力儀

在現(xiàn)在的技術(shù)水平下，切削測(cè)力儀一般有以下三種：應(yīng)變式測(cè)力儀、壓電式測(cè)力儀和電流式測(cè)力儀，而本實(shí)驗(yàn)中將采用應(yīng)變式測(cè)力儀。應(yīng)變式測(cè)力儀由彈性元件、電阻應(yīng)變片及相應(yīng)的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路組成。把電阻應(yīng)變片貼在彈性元件表面，并連接成某種形式的電橋電路，當(dāng)彈性元件受到力的作用而產(chǎn)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片便隨之產(chǎn)生變形，從而引起其電阻阻值的變化ΔR，即應(yīng)變片電阻值的變化ΔR造成電橋不平衡，使電橋輸出發(fā)生變化ΔU，通過(guò)標(biāo)定建立輸出電壓與力之間的關(guān)系。

2.2 本實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)

本次切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)是在基于LabVIEW的平臺(tái)設(shè)計(jì)完成的，并在調(diào)試以后可以在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）在實(shí)驗(yàn)前可以進(jìn)行對(duì)應(yīng)環(huán)境的零位調(diào)整。

2）在數(shù)據(jù)采集時(shí)為波形顯示，并有對(duì)應(yīng)的當(dāng)前數(shù)值顯示。

3）可在虛擬儀器軟面板上對(duì)于實(shí)驗(yàn)中輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并得出加載力與輸入數(shù)據(jù)的關(guān)系，并生成對(duì)應(yīng)的圖形。

4）可同時(shí)測(cè)量分析三向切削力。

5）可以在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，并確定數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、刪除。

6）可以txt形式輸出實(shí)驗(yàn)報(bào)告以便于進(jìn)行實(shí)驗(yàn)情況的記錄與整理。

7）可以通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)采集的數(shù)據(jù)建立對(duì)應(yīng)的切削力經(jīng)驗(yàn)公式。

8）可以通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的波形比較,通過(guò)波形曲線相似性評(píng)判刀具的磨損程度，用切削力來(lái)反映刀具磨損狀態(tài)。

3 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)是以計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊(PC-DAQ)為體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器切削力測(cè)試實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，根據(jù)本身的實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)及本實(shí)驗(yàn)研究的目的，作出了系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，如圖1所示。

根據(jù)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)了解到，整個(gè)實(shí)驗(yàn)所需要的硬件有：傳感器、信號(hào)調(diào)理放大器、數(shù)據(jù)采集及數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和計(jì)算機(jī)。通過(guò)對(duì)于現(xiàn)有的資源設(shè)備以及本系統(tǒng)所要求實(shí)現(xiàn)功能的綜合分析，主要的硬件系統(tǒng)選用北航大學(xué)提供的SDCL3M型應(yīng)變式三向車(chē)削測(cè)力傳感器，放大器使用的是重慶迪佳科技有限公司提供的DJ-CL-1型電荷放大器，板卡則使用基于USB總線的NI 9219-4通道24位通用模擬輸入模塊。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

3.1 系統(tǒng)所用硬件介紹

SDC-L3M型應(yīng)變式三向車(chē)削測(cè)力傳感器：其垂向量程為3000N，軸向和徑向?yàn)?500N。該測(cè)力儀剛性好、固有頻率高、靈敏度高，線性和重復(fù)性好，滯后小，向間干擾均在5%以下。

放大器：DJ-CL-1型電荷放大器，在該儀器內(nèi)設(shè)置了高精度線性放大板，其三向放大倍數(shù)和基礎(chǔ)零位已經(jīng)調(diào)定，使用過(guò)程中不需要再調(diào)整放倍數(shù)。三向零位可根據(jù)使用情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以適應(yīng)溫度的變化和測(cè)力傳感器的工作狀態(tài)。

NI 9219 模擬輸入模塊：是由NI公司推出的一款4通道，24 位通用數(shù)據(jù)采集卡，其優(yōu)點(diǎn)在于與LabVIEW連接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，其驅(qū)動(dòng)程序已由NI公司內(nèi)置與軟件中，不需另行編寫(xiě)。

3.2 系統(tǒng)所用軟件介紹

在本課題研究中選擇的應(yīng)用軟件是NI公司提供LabVIEW作為虛擬儀器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。LabVIEW是目前國(guó)際上唯一的編譯型圖形化編程語(yǔ)言，把復(fù)雜、繁瑣和費(fèi)時(shí)的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用菜單或圖標(biāo)提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把各種功能(圖形)連接起來(lái)的一種簡(jiǎn)單圖形編程方式。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能模塊介紹

4.1 背吃刀量與切削力曲線的獲得模塊介紹

在完成每個(gè)點(diǎn)的切削力測(cè)量時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)記錄下當(dāng)下輸入的背吃刀量和采集到的切削力最大值，當(dāng)完成9個(gè)不同背吃刀量的切削時(shí)，程序可以根據(jù)記錄下的數(shù)據(jù)，獲得將零點(diǎn)作為起始點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)便獲得對(duì)應(yīng)的切削力，將背吃刀量為橫坐標(biāo)，以相對(duì)應(yīng)的切削力為縱坐標(biāo)的曲線，利用LabVIEW自帶的強(qiáng)大的函數(shù)庫(kù)中線性擬和函數(shù)，同時(shí)獲得3個(gè)方向上個(gè)子的背吃刀量與切削力曲線。曲線生成的方式如圖2所示。

圖2 經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)顯示

4.2 經(jīng)驗(yàn)公式創(chuàng)建模塊的實(shí)現(xiàn)

用經(jīng)驗(yàn)公式表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以清楚并定量地表示各個(gè)被考察變量之間的關(guān)系。這是目前使用最廣的數(shù)據(jù)處理方法。建立計(jì)算切削力的指數(shù)公式的方法很多，本實(shí)驗(yàn)用的是單因素實(shí)驗(yàn)法。在一定條件下一般可寫(xiě)成冪函數(shù)形式的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中： q——因變量，表示切削力、切削溫度等物理量；

ap、f、v——自變量，分別為切削深度、進(jìn)給量和切削速度；

Cq——常數(shù)，與其他切削條件有關(guān)；

xq，yq，zq——指數(shù)，反映了各自變量對(duì)因變量的影響程度。

根據(jù)切削深度ap和進(jìn)給量f表示單項(xiàng)切削力指數(shù)公式：

Fz—對(duì)應(yīng)方向上的切削力

在等號(hào)兩邊取對(duì)數(shù)，則

可采用單因素實(shí)驗(yàn)法實(shí)驗(yàn)法建立上述經(jīng)驗(yàn)公式。

4.3 單因素實(shí)驗(yàn)法

所謂單因素實(shí)驗(yàn)法，即在實(shí)驗(yàn)中將其他條件固定不變，僅分別依次改變需考查的諸自變量xi（ i為自變量個(gè)數(shù)，i=l，2，3,…,p)中的一個(gè)，并測(cè)量相應(yīng)的因變量y的值。然后，用一元線性回歸法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，從而建立x與y的關(guān)系。

現(xiàn)以建立車(chē)削力Fz—ap的單項(xiàng)公式為例。如實(shí)驗(yàn)顯示中背吃刀量與切削力的曲線與與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的偏離很小，則認(rèn)為此直線與所有實(shí)驗(yàn)點(diǎn)擬和得很好。設(shè)；則相應(yīng)的回歸線方程為：

當(dāng)自變量x取不同值xi(i為實(shí)驗(yàn)次數(shù)，i=1,2, 3,..., N)時(shí)，則對(duì)應(yīng)有不同的回歸值?；貧w值與實(shí)測(cè)值之差刻劃了與回歸直線=b0+bx的偏離程度。

可作為總的誤差。由高斯誤差分布定律知，所求回歸直線應(yīng)是所有直線中Q等于最小的一條直線。故可用最小二乘法，求得這樣的回歸系數(shù)b與常數(shù)b0。以使達(dá)到極小值。而由公式(7)說(shuō)明Q是b、b0的二次函數(shù)，又是非負(fù)的，所以其極小值總是存在的，對(duì)公式(7)求偏倒得：

由公式(7)得：

實(shí)測(cè)值與平均值之差叫做偏差。為計(jì)算方便，常用下列公式計(jì)算各值。

x的偏差平方和：

y的偏差平方和：

x、y的偏差平方和：

于是公式亦可寫(xiě)成

至此，單項(xiàng)公式的待定系數(shù)已確定。

5 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目是在查閱和參看了大量的國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，研究了基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)方法，并運(yùn)用國(guó)際上的新技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)具體的流程，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體情況和自身?xiàng)l件，選擇了以計(jì)算機(jī)和采集卡為主體結(jié)構(gòu)的虛擬儀器進(jìn)行了嘗試，并且具體運(yùn)用到了切削力測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，完成了預(yù)期的功能。虛擬儀器測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，人機(jī)界面友好，操作方便，功能靈活，便于大學(xué)生的自我學(xué)習(xí)和運(yùn)用，在教學(xué)實(shí)驗(yàn)方面有非常廣闊的前景。

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