切削力的计算机辅佐丈量技能的研讨与使用

切削力的丈量不只有利于研讨切削机理、核算功率耗费、优化切削用量和刀具几许参数，更重要的是能够经过切削力的改变来监控切削进程，反映刀具磨损或破损、切削用量的合理性、机床毛病、颤振等切削情况，以便及时操控切削过
程，进步切削功率，下降零件废品率。常用的切削测力仪有电阻应变片式和压电式两种。运用核算机收集和处理切削力丈量数据在切削实验和出产实践中已很遍及。测力仪把被测的三个切削分力转化为电模仿信号并经过A/D转化器转化为数字信号输入核算机，核算机对收集的数据进行各种剖析处理。传统的核算机丈量和剖析选用通用的或专门规划的接口板卡，而后续的剖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，没有充分运用核算机的强壮功用，通讯功用和数据处理功用完结困难。此外，针对某种加工办法所编制的切削力测验软件，若运用于另一种加工办法，程序编码要作较大的改动，缺少直观性、通用性和灵敏性。
　　虚拟仪器是当今核算机辅佐测控领域中的一项重要技能。它以核算机为一致的硬件渠道，在其间配以具有测验和操控功用并可完结数据交换的模块化硬件接口卡，辅以具有测验仪器功用且形象传神的软件模块，经过体系管理软件的一致指挥调度来完结传统测控仪器的功用。这种以软件为中心的体系不用象传统仪器那样遭到出产厂商所规划功用的约束，能够充分运用核算机超强的运算、显现以及衔接扩展才能来灵敏地自己界说强壮的仪器功用。与传统仪器比较，虚拟仪器在智能化程度、处理才能、性能价格比、可操作性等方面都具有显着的优势。
　　运用虚拟仪器技能在线收集和处理切削参数，并对切削进程监控，具有很大的优越性。这方面的研讨现在没有见报导。本文将虚拟仪器技能引进切削力的丈量中，规划了一种丈量三向切削力并对切削力数据进行剖析处理的虚拟仪器。
　　2体系框图
　　以车削加工为例进行实验研讨，切削力丈量实验研讨框图如图1所示（体系接口框图也适用于其它加工办法）。实验用仪器：电阻应变式车削测力仪与YD-28型动态电阻应变仪配套运用。电阻应变式测力仪具有灵敏度高、可丈量力的瞬时值、可运用电补偿原理消除各分力的彼此搅扰、动态特性杰出、价格低一级长处。
　　选用通用接口板卡PCI-1200进行数据收集和A/D转化。PCI-1200卡是依据32位PCI总线的多功用数据收集操控卡，支撑DMA办法和双缓冲区形式，确保了实时信号的不间断收集与存储；具有支撑单极性和双极性模仿信号输入、供给16路单端/8路差动模仿输入通道、2路独立的D/A输出通道以及24线的TTL型数字I/O等多种功用。
　　衔接办法：本体系选用的车削测力仪测力规模0～3000N，丈量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别离对应于三个切削分力Fx、Fy、Fz（有的测力仪还有丈量扭矩的引出线），将这三个切削分力信号线别离与应变仪的三个通道相连（但凡不用于丈量的应变仪输出信号线悬空）；将PCI-1200卡刺进核算机主板的一个闲暇PCI插槽中，经过50芯数据线与衔接器相连。
　　3软件规划
　　在装备了相应的硬件模块后，虚拟仪器规划的首要作业便是编制相应的软件，完结数据的收集、存储剖析、输出和显现。美国国家仪器公司提出了“软件即仪器”的嘹亮标语，其立异产品Labview是现在最为成功、运用最为广泛的虚拟仪器开发环境（实践上，虚拟仪器的概念开始便是在开发LabVIEW时提出的）。LabVIEW作为一种程序开发环境，与其它言语不同的是，LabVIEW选用图形化编程言语G，发生的程序是框图而不是文本，含有功用强壮的多种函数库，具有数据收集、GPIB、串口操控、数据剖析、显现和存储以及网络功用等。
　　虚拟仪器软件包含仪器驱动程序、运用程序和软面板程序等三个层次。
　　仪器驱动程序首要用来初始化虚拟仪器，并设置特定的参数和作业办法，使虚拟仪器坚持正常的作业情况。LabVIEW已为PCI-1200卡装备了驱动程序。
　　以下要点介绍软面板程序和运用程序的规划。
　　1.软面板
　　软面板程序用来供给虚拟仪器与用户的接口，它能够在核算机屏幕上生成一个与传统仪器面板类似的图形界面，用于显现丈量的成果等。用户还能够经过软面板上的开关和按钮，模仿传统仪器的各种操作，经过键盘或鼠标完结对虚拟仪器的操作。
　　切削测力仪的软面板：选用实时趋势图（chart）显现三向切削分力；将新数据接连扩展在已有数据的后边，波形接连向前推动显现；经过三个按钮操控切削力刻度标定；用数据文本文件办法存储丈量数据，以便剖析处理和波形回放；设置按钮作为存储开关，并一起操控存储距离和存储途径。
　　2.运用程序
　　运用程序首要用来对输入核算机的数据进行剖析和处理，用户便是经过编制运用程序来界说虚拟仪器的功用。这是软件规划的首要部分。
　　软件功用包含三向切削力数据收集与存储、切削力波形显现与回放、切削力标定、实验数据统计剖析（差错剖析、反常数据处理等）、切削力经历公式、切削功率核算和切削进程评判。
　　数据收集与存储
　　LabVIEW供给了强壮的DAQ（DataAcquistion）产品软件支撑，数据收集功用较易完结。运用DAQ模板中的AnalogInputUtilities子模板中的AIWaveformScan.vi节点来操控PCI-1200卡各通道的数据收集（首要操控收集卡扫描频率和每一通道的扫描次数）。程序内部运用一个三维数组存储三个分力的采样值，进行波形显现。数组元素的值是动态的，并在一个开关按钮的操控下决议是否存储。
　　切削力标定
　　测力仪需经过标定，以便将测力时的输出读数转化为力值。标定的正确与否将直接影响丈量成果的可靠性。标定分为静态标定和动态标定。
　　用规范测力环对测力仪的各分力方向别离加载，在虚拟仪器软面板上读出面值或波形纵坐标值，得出加载力与面板读数之间的联系，并一起记载其它分力的输出读数。经进程序内部的算法主动标出纵坐标刻度，并记载各分力方向的标度系数。在后续采样时能够主动将采样值转化为力值。
　　加载时力的效果点应严厉处于刀尖方位，效果线方向应精确。关于各分力的彼此搅扰，可选用软件办法消除：首要测出各分力的搅扰值（它在线性规模内是一常数），实测时，依据实践读数，在数据处理和波形显现时直接增减。
　　切削力经历公式确认
　　选用单要素实验法。运用最小二乘法树立切削力指数公式。因为影响切削力的首要要素为背吃刀量和进给量，因而将其归入经历公式，而将其它非必须要素作为经历公式的修正值。关于各切削分力，首要树立对数坐标系中的回归直线方程，然后，转化为经历公式中的指数值。
　　LabVIEW将数据收集和测验剖析中常用的数学与信号剖析算法程序集成在一起，供给了先进的数字与信号剖析环境。勿需特别编程即可求得公式中的系数和指数。对实验中测得的数据进行选点、统计剖析和反常数据处理之后，直接运用Mathematics模板中曲线拟合（CurveFitting）子模板上的线性拟合（LinearFit）和指数拟合（ExponentialFit）节点，别离求出各系数值和指数值。
　　切削功率核算
　　切削功率P关于刀具磨损或破损的断定具有重要意义，是切削进程监控的一项重要目标。切削功率指耗费于切削进程中的功率，为切向切削分力Fz和轴向切削分力Fx所耗费功率之和。因为在切深方向没有位移，故径向切削分力Fy不耗费功率。近似核算Pm时选用如下公式：Pm=FmV×10-3kW式中，V为切削速度，可由实验现场输入工件转速和加工工件直径核算得到。
　　切削情况断定
　　经过切削力的改变，能够断定刀具磨损和破损、颤振、积屑瘤以及切削参数的合理性等切削进程情况。选用依据知识的推理办法完结情况断定（要求事前依据切削实验或切削手册树立若干判据和数据库）。下面以刀具磨损的断定为例进行阐明。
　　刀具磨损首要取决于刀具资料、工件资料的物理机械性能和切削条件。刀具正常磨损的原因首要是机械磨损和热、化学磨损，刀具磨损一般有硬质点磨损、粘结磨损、分散磨损和化学磨损等四种类型。不同的刀具资料在不同的切削条件下加工不同的工件资料时，其首要磨损原因可能是其间一、二种。刀具磨损将直接影响加工功率、质量和本钱。刀具的磨损进程分为初期磨损阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段。到急剧磨损阶段，刀具就不能持续运用（这个极限称为磨钝规范）。但在实践出产中，不可能常常卸下刀具来丈量磨损量以断定刀具是否现已磨钝，只能依据切削进程中的一些现象（例如切削力的改变）来断定。
　　刀具磨损添加时，效果在前、后刀面的切削力也添加。能够运用切削力的增大、切削分力比的改变、动态切削力的改变等来断定切屑碎断、积屑瘤改变或刀具前后刀面及钝圆处的磨损情况。
　　因为每个特定制作企业所选用的刀具和工件资料数量是有限的，因而可预先经过若干切削实验，记载某刀具切削某种资料时到达磨钝规范的三向切削力比值和波形曲线，并将切削力的瞬时值与平均值存储于数组中（树立一个评判数据库）。将实践车削时得到的切削力波形曲线与库中存储的磨钝波形曲线进行类似性评判，得出类似性量化目标。将预先给定的类似性阈值作为断定刀具磨钝的判据；一般情况下，波形曲线是平直的，所以也可直接比较切削力的平均值和瞬时值来断定刀具的磨钝情况。
　　切削实验标明，运用切削力来反映刀具磨损情况，成功的关键是波形曲线类似性评判模块和刀具磨钝时切削力波形曲线的树立。

　　4结语
　　尽管对切削力的核算机辅佐丈量技能的研讨与运用已不是一个新的课题，但依据LabVIEW的虚拟仪器软件技能的开发使它功用更强、编程更便利、运用更灵敏，在切削力数据的处理和图形化显现方面特别杰出。本文所开发的切削力丈量虚拟仪器现已到达有用程度，一起稍作改善，也可运用于其它切削参数（如切削温度）的丈量。跟着对虚拟仪器软件技能的深入研讨，信任它在机械加工进程监控中将会发挥更大的效果。