虛擬儀器在切削力實驗中的應用研究

周 莉ZHOU Li

（上海電機學院 機械系，上海 200245）

1 概述

切削力是金屬切削過程中的重要狀態參量。切削力測量是金屬切削研究中一項重要實驗技術，不僅對研究金屬切削機理，計算機床功率，進行刀具、機床和夾具的設計，優化切削用量和刀具幾何參數等具有非常重要的作用意義，而且在自動化生產中，切削力是切削過程自適應控制中的重要參數，也是監測切削過程和刀具工作狀態的重要信號。

切削過程參數的計算機輔助測量雖然是比較陳舊的課題，但隨著虛擬儀器技術的提出和發展，給它帶來了新的科研生命力。切削力測量系統傳統上采用通用的或者專門設計的板卡做接口，而后續的分析和處理程序則是在較常用的軟件編程環境中進行，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。

而虛擬儀器是當今計算機輔助測控領域中的一項重要技術，有較大的編程方便性、較強的功能和靈活性，尤其是綜合測量、數據處理和圖形化顯示方面。利用虛擬儀器技術在線采集和處理切削參數，并對切削過程監控，具有很大的優越性。它以計算機為統一的硬件平臺，在其中配以具有測試和控制功能并可實現數據交換的模塊化硬件接口卡，輔以具有硬件信號轉換和處理能力且形象逼真的軟件模塊，通過系統管理軟件的統一指揮調度來實現傳統測控儀器的功能。

2 切削力測量系統簡介

切削力測量系統一般由三部分構成：測力儀、數據采集系統和PC機。測力儀（測力傳感器）通常安裝在刀架（車削）或機床工作臺上（銑削），負責拾取切削力信號，將力信號轉換為弱電信號；數據采集系統對此弱電信號進行調理和采集，使其變為可用的數字信號；PC機通過一定的軟件平臺，將切削力信號顯示出來，并對其進行數據處理和分析。

2.1 切削測力儀

在現在的技術水平下，切削測力儀一般有以下三種：應變式測力儀、壓電式測力儀和電流式測力儀，而本實驗中將采用應變式測力儀。應變式測力儀由彈性元件、電阻應變片及相應的測量轉換電路組成。把電阻應變片貼在彈性元件表面，并連接成某種形式的電橋電路，當彈性元件受到力的作用而產生變形時，電阻應變片便隨之產生變形，從而引起其電阻阻值的變化ΔR，即應變片電阻值的變化ΔR造成電橋不平衡，使電橋輸出發生變化ΔU，通過標定建立輸出電壓與力之間的關系。

2.2 本實驗測量系統

本次切削力測量實驗是在基于LabVIEW的平臺設計完成的，并在調試以后可以在實驗中實現以下功能：

1）在實驗前可以進行對應環境的零位調整。

2）在數據采集時為波形顯示，并有對應的當前數值顯示。

3）可在虛擬儀器軟面板上對于實驗中輸入的數據進行記錄，并得出加載力與輸入數據的關系，并生成對應的圖形。

4）可同時測量分析三向切削力。

5）可以在實驗的過程中對于數據進行實時查看，并確定數據的存儲、刪除。

6）可以txt形式輸出實驗報告以便于進行實驗情況的記錄與整理。

7）可以通過本次實驗采集的數據建立對應的切削力經驗公式。

8）可以通過本次實驗數據與存儲數據的波形比較,通過波形曲線相似性評判刀具的磨損程度，用切削力來反映刀具磨損狀態。

3 系統總體方案設計

本實驗是以計算機與數據采集模塊(PC-DAQ)為體系結構的虛擬儀器切削力測試實驗設計，根據本身的實驗條件、實驗特點及本實驗研究的目的，作出了系統總體方案設計，如圖1所示。

根據系統總體方案設計了解到，整個實驗所需要的硬件有：傳感器、信號調理放大器、數據采集及數模轉換模塊和計算機。通過對于現有的資源設備以及本系統所要求實現功能的綜合分析，主要的硬件系統選用北航大學提供的SDCL3M型應變式三向車削測力傳感器，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 系統總體設計框圖

3.1 系統所用硬件介紹

SDC-L3M型應變式三向車削測力傳感器：其垂向量程為3000N，軸向和徑向為1500N。該測力儀剛性好、固有頻率高、靈敏度高，線性和重復性好，滯后小，向間干擾均在5%以下。

放大器：DJ-CL-1型電荷放大器，在該儀器內設置了高精度線性放大板，其三向放大倍數和基礎零位已經調定，使用過程中不需要再調整放倍數。三向零位可根據使用情況進行適當調整，以適應溫度的變化和測力傳感器的工作狀態。

NI 9219 模擬輸入模塊：是由NI公司推出的一款4通道，24 位通用數據采集卡，其優點在于與LabVIEW連接進行實驗時，其驅動程序已由NI公司內置與軟件中，不需另行編寫。

3.2 系統所用軟件介紹

在本課題研究中選擇的應用軟件是NI公司提供LabVIEW作為虛擬儀器的開發平臺。LabVIEW是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，把復雜、繁瑣和費時的語言編程簡化成用菜單或圖標提示的方法選擇功能(圖形)，并用線條把各種功能(圖形)連接起來的一種簡單圖形編程方式。

4 系統實現功能模塊介紹

4.1 背吃刀量與切削力曲線的獲得模塊介紹

在完成每個點的切削力測量時，程序會自動記錄下當下輸入的背吃刀量和采集到的切削力最大值，當完成9個不同背吃刀量的切削時，程序可以根據記錄下的數據，獲得將零點作為起始點，每個點便獲得對應的切削力，將背吃刀量為橫坐標，以相對應的切削力為縱坐標的曲線，利用LabVIEW自帶的強大的函數庫中線性擬和函數，同時獲得3個方向上個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 經驗公式系數顯示

4.2 經驗公式創建模塊的實現

用經驗公式表示實驗數據，可以清楚并定量地表示各個被考察變量之間的關系。這是目前使用最廣的數據處理方法。建立計算切削力的指數公式的方法很多，本實驗用的是單因素實驗法。在一定條件下一般可寫成冪函數形式的經驗公式：

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、進給量和切削速度；

Cq——常數，與其他切削條件有關；

xq，yq，zq——指數，反映了各自變量對因變量的影響程度。

根據切削深度ap和進給量f表示單項切削力指數公式：

Fz—對應方向上的切削力

在等號兩邊取對數，則

可采用單因素實驗法實驗法建立上述經驗公式。

4.3 單因素實驗法

所謂單因素實驗法，即在實驗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為自變量個數，i=l，2，3,…,p)中的一個，并測量相應的因變量y的值。然后，用一元線性回歸法對實驗結果進行處理，從而建立x與y的關系。

現以建立車削力Fz—ap的單項公式為例。如實驗顯示中背吃刀量與切削力的曲線與與實驗點的偏離很小，則認為此直線與所有實驗點擬和得很好。設；則相應的回歸線方程為：

當自變量x取不同值xi(i為實驗次數，i=1,2, 3,..., N)時，則對應有不同的回歸值?；貧w值與實測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b與常數b0。以使達到極小值。而由公式(7)說明Q是b、b0的二次函數，又是非負的，所以其極小值總是存在的，對公式(7)求偏倒得：

由公式(7)得：

實測值與平均值之差叫做偏差。為計算方便，常用下列公式計算各值。

x的偏差平方和：

y的偏差平方和：

x、y的偏差平方和：

于是公式亦可寫成

至此，單項公式的待定系數已確定。

5 結束語

本實驗項目是在查閱和參看了大量的國內外資料的基礎上，研究了基于虛擬儀器的實驗方法，并運用國際上的新技術，設計實驗具體的流程，然后根據實驗的具體情況和自身條件，選擇了以計算機和采集卡為主體結構的虛擬儀器進行了嘗試，并且具體運用到了切削力測量實驗中，完成了預期的功能。虛擬儀器測量系統結構簡單，成本低，人機界面友好，操作方便，功能靈活，便于大學生的自我學習和運用，在教學實驗方面有非常廣闊的前景。

[1] Gary W.Johnson,Richard Jennings.LabVIEW圖形編程[M].北京:北京大學出版社,2002.

[2] 陳錫輝,張銀鴻.LabVIEW 8.20程序設計從入門到精通[M]北京:清華大學出版社,2007.

[3] 粟鈞.基于多分辨分析和小波神經網絡的刀具磨損監測系統及其虛擬儀器實現[D].華南理工大學,2005,0501.

[4] 吳震宇.難加工材料高速銑削動態參數測試及機理分析[D].上海交通大學,2004,0101.

[5] labvie教程—labview新手入門,http://www.avrvi.com/index_labview_start.html.

[6] DAQmx8.8, http//www.ni.com

[7] DAQ入門篇,https://lumen.ni.com/nicif/zhs/ekitdaqintro/content.xhtml.

[8] National Instrument, http//www.ni.com