基于LABVIEW與經(jīng)驗(yàn)公式的切削力監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：【目的】本研究基于LABVIEW與經(jīng)驗(yàn)公式，提出對(duì)切削力監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)的方法，可對(duì)切削力進(jìn)行快速預(yù)測(cè)?！痉椒ā渴褂肔ABVIEW中的開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及切削力經(jīng)驗(yàn)公式的試驗(yàn)?zāi)K，使用經(jīng)驗(yàn)公式構(gòu)來(lái)建機(jī)床車(chē)削力的數(shù)學(xué)模型，對(duì)當(dāng)前切削力的預(yù)測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算?！窘Y(jié)果】為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可行性，對(duì)車(chē)削力正交試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：經(jīng)驗(yàn)公式擬合計(jì)算出的切削力與實(shí)際值接近，誤差不超過(guò)1.5%?！窘Y(jié)論】基于LABVIEW與經(jīng)驗(yàn)公式搭建的切削力監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)系統(tǒng)能有效提高機(jī)床的加工質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：LABVIEW；經(jīng)驗(yàn)公式；切削力；預(yù)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：U414? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）08-0005-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.001

Design and Implementation of Cutting Force Monitoring and Prediction System Based on LABVIEW and Empirical Formula

YANG Xue

（Chongqing Electronic Engineering Vocational College， Chongqing 401331， China）

Abstract： [Purposes] Based on LABVIEW and empirical formula， this study proposes a method for monitoring and predicting cutting force， which can quickly predict cutting force. [Methods] Using the development data acquisition module， data processing module and cutting force empirical formula test module in LABVIEW， the mathematical model of turning force of machine tool is constructed by empirical formula， and the predicted value of current cutting force is calculated in real time. [Findings] In order to verify the accuracy and feasibility of the system， the orthogonal test and empirical formula of turning force were compared and analyzed. The results show that the cutting force calculated by the empirical formula is close to the actual value， and the error does not exceed 1.5 %. [Conclusions] The cutting force monitoring and prediction system based on LABVIEW and empirical formula can effectively improve the machining quality of machine tools.

Keywords： LABVIEW; empirical formula; cutting force; forecast

0 引言

數(shù)控機(jī)床是由程序控制機(jī)械加工。在實(shí)際切削加工過(guò)程中，切削力大小對(duì)機(jī)床刀具及被加工工件的形變程度、切削功率、刀具磨損、殘余應(yīng)力大小及分布等產(chǎn)生影響［1］。切削力控制失當(dāng)會(huì)導(dǎo)致被加工工件質(zhì)量變差、機(jī)床設(shè)備加工能力變差、刀具壽命降低。通過(guò)建立切削力監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)平臺(tái)，對(duì)切削力進(jìn)行有效管理。本研究基于LABVIEW對(duì)數(shù)控機(jī)床切削力監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用切削力經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)切削力計(jì)算進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 影響切削力因素研究

研究表明，切削力對(duì)機(jī)床切削過(guò)程中的刀具狀態(tài)變化影響十分顯著，切削力的大小和切削參數(shù)息息相關(guān)，而切削參數(shù)設(shè)置是否合理會(huì)影響到數(shù)控機(jī)床加工效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。在機(jī)床加工過(guò)程中，選用切削力作為機(jī)床加工性能的表征指標(biāo)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)切削力，對(duì)提高機(jī)床加工效率、改善刀具磨損情況、保證被加工工件質(zhì)量等具有重要作用［2］。

在切削過(guò)程中，很多因素會(huì)對(duì)切削力產(chǎn)生影響，如工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)等［3］。在機(jī)床切削過(guò)程中，隨著切削深度和進(jìn)給量增加，切削力也會(huì)隨之增大。此外，刀具的前角、刃傾角、主偏角和刀尖圓弧半徑會(huì)對(duì)機(jī)床切削力產(chǎn)生影響［4］。研究表明，切削深度、切削速度、進(jìn)給量對(duì)切削力的影響最為顯著，所以選擇切削深度、切削速度、進(jìn)給量作為影響切削力的因素進(jìn)行研究［5］。

2 切削力經(jīng)驗(yàn)公式

在實(shí)際應(yīng)用中，切削力可分解為主切削力、進(jìn)給力、切深抗力。為了便于計(jì)算機(jī)床切削力，選擇切削深度、切削速度、進(jìn)給量作為切削力經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的主要變量，將其他對(duì)機(jī)床切削過(guò)程產(chǎn)生作用的因素作為修正系數(shù)進(jìn)行輔助計(jì)算［6］。切削力的經(jīng)驗(yàn)公式見(jiàn)式（1）至式（3）。

FTan = C[FTan][ ][αxFTanp][ ][fyFTan][ ][VnFTanc][ ]K[FTan] （1）

FRad = C[FRad][ ][αxFRadp][ ][fyFRad][ ][VnFRadc][ ]K[FRad] （2）

FAxi = C[FAxi][ ][αxFAxip][ ][fyFAxi][ ][VnFAxic][ ]K[FAxi] （3）

式中：FTan、FRad、FAxi分別為機(jī)床切削過(guò)程中切削合力的三個(gè)互相垂直的分力，即主切削力、切深抗力、進(jìn)給力；[CFTan]、[CFRad]、[CFAxi]分別為工件材料、切削條件等對(duì)機(jī)床切削力三個(gè)互相垂直分力的影響系數(shù)；[αxFTanp]、[αxFRadp]、[αxFAxip]分別為切削深度[αp]對(duì)機(jī)床切削力的三個(gè)互相垂直分力的影響系數(shù)；[fyFTan]、[fyFRad]、[fyFAxi]分別為進(jìn)給量f對(duì)機(jī)床切削力三個(gè)互相垂直分力的影響系數(shù)；[VnFTanc]、[VnFRadc]、[VnFAxic]分別為切削速度[Vc]對(duì)機(jī)床切削力三個(gè)互相垂直分力的影響系數(shù)；K[FTan]、K[FRad]、K[FAxi]分別為加工過(guò)程各個(gè)切削用量對(duì)機(jī)床切削力三個(gè)互相垂直分力的綜合影響系數(shù)。

3 基于LABVIEW的切削力系統(tǒng)建立

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

為了采集到機(jī)床加工時(shí)切削力數(shù)據(jù)，使用數(shù)據(jù)采集卡來(lái)采集機(jī)床切削力壓電傳感器信號(hào)。在采集信號(hào)過(guò)程中，受到機(jī)床振動(dòng)的影響，采集到的信號(hào)會(huì)有雜波，可采用差分法來(lái)消除誤差，得到合理的切削力參數(shù)。采集卡精度約為0.153 μV，將采集卡量程設(shè)置為±5 V，采用多通道采集觸發(fā)方式，能有效滿足試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集要求。在采集信號(hào)過(guò)程中，按照通道順序進(jìn)行掃描，從而獲取數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

為了研究機(jī)床切削力的特征數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行截?cái)?、濾波等處理。因此，數(shù)據(jù)處理模塊要具有數(shù)據(jù)查詢與讀取、統(tǒng)計(jì)分析、濾波處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。構(gòu)建機(jī)床切削力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，包含刀片材料、機(jī)床型號(hào)、切削深度、進(jìn)給量、切削速度、波形等數(shù)據(jù)。

3.3 切削力經(jīng)驗(yàn)公式模塊

在機(jī)床切削過(guò)程中，影響切削精度的因素有很多，且多數(shù)切削力理論計(jì)算公式不能完全反映實(shí)際切削過(guò)程中切削力變化過(guò)程。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究基于機(jī)床切削加工過(guò)程中采集到的數(shù)據(jù)來(lái)建立機(jī)床切削力經(jīng)驗(yàn)公式，使用多元線性回歸方法，得到切削深度、進(jìn)給量、切削速度對(duì)切削力的影響系數(shù)及其他切削力影響因素的修正系數(shù)。為了研究切削時(shí)切削深度、進(jìn)給量、切削速度對(duì)機(jī)床切削力的影響程度，開(kāi)發(fā)出基于多因素試驗(yàn)法的切削力經(jīng)驗(yàn)公式試驗(yàn)?zāi)K，如圖1所示。

4 切削力預(yù)測(cè)試驗(yàn)

4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在切削力正交試驗(yàn)中，主要切削因素為切削深度[αp]、進(jìn)給量f及切削速度[Vc]。對(duì)各切削因素均選擇三個(gè)水平，[αp1]=0.5 mm、[αp2]=1.5 mm、[αp3]=2.5 mm；f1=0.12 mm/r、 f1=0.18 mm/r、 f3=0.24 mm/r；Vc1=150 m/min、Vc2=200 m/min、Vc3=250 m/min。切削力正交試驗(yàn)為三因素三水平試驗(yàn)，選擇L9（34）正交試驗(yàn)表來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)控切削力試驗(yàn)，切削力正交試驗(yàn)見(jiàn)表1。

在模塊上進(jìn)行設(shè)置，第一組切削力試驗(yàn)數(shù)據(jù)為切削深度[αp]=0.5 mm、進(jìn)給量f=0.12 mm/r、切削速度Vc=150 m/min，主切削力、切深抗力、進(jìn)給力的擬合切削分別為76.306 4 N、52.625 7 N、58.469 7 N。

4.2 切削力經(jīng)驗(yàn)公式

利用SVD-TLS來(lái)擬合機(jī)床切削力經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)切削力正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)處理，并在模塊上展示，結(jié)果如圖2所示。

為了驗(yàn)證切削力經(jīng)驗(yàn)公式擬合的準(zhǔn)確性，將切削力正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)際切削力與經(jīng)過(guò)切削力經(jīng)驗(yàn)公式擬合計(jì)算出的切削力進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，X軸和Z軸方向上（即主切削力和進(jìn)給力）的誤差很小，基本在1.2%以內(nèi)，Y軸方向上的誤差稍大一點(diǎn)，大約在1.6%?？偳邢髁Φ臄M合數(shù)值基本與實(shí)際值切合，雖出現(xiàn)上下波動(dòng)現(xiàn)象，但平均誤差基本在1.5%以內(nèi)，所以擬合的切削力經(jīng)驗(yàn)公式具有較高的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究基于LABVIEW與經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)搭建切削力監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)系統(tǒng)，使操作者能直觀地查看切削力大小和參數(shù)，以及機(jī)床加工過(guò)程中各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)走勢(shì)和數(shù)據(jù)大小，便于操作者及時(shí)更改設(shè)備參數(shù)，提高加工質(zhì)量。目前，該系統(tǒng)只針對(duì)車(chē)削加工，還可推廣到鉆削、磨削等領(lǐng)域。

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［3］周超，姜增輝，張瑩，等.切削參數(shù)對(duì)34CrNi3Mo高強(qiáng)度鋼插銑加工切削力的影響［J］.工具技術(shù)，2022（8）：111-114.

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收稿日期：2022-12-06

基金項(xiàng)目：重慶電子工程職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目“基于多參量信息融合的切削參數(shù)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)技術(shù)研究”（22XJZXYB08）；重慶電子工程職業(yè)學(xué)院科研項(xiàng)目“物流系統(tǒng)規(guī)劃與仿真研究”（22XJDXWT01）。

作者簡(jiǎn)介：楊雪（1990—），女，碩士，助教，研究方向：仿真分析。