基于Lab VIEW的數控中小孔內圓磨床監控系統軟件設計

盧文輝， 沙杰， 李愛民

（河南工業大學機電工程學院，鄭州450000）

0 引言

數控中小孔內圓磨床常用來做精密配合偶件中零件內孔的精密磨削設備，由于零件內孔精度要求高，磨削條件差，磨削效率和磨削質量常常引起用戶的高度關注。內圓磨床在磨削時，因采用手工方式對刀，為安全起見，常使砂輪工進起始點與初磨點之間有一段安全距離，因而導致空行程時間長，嚴重制約內圓磨削效率。除此之外，內圓磨床在工作中還存在諸多的不足，如缺乏對加工過程的動態監測，缺乏對突發故障的調整等。鑒于以上原因，構建內圓磨床監控系統，使內圓磨床具有自動對刀磨削、磨削狀態監測、磨削防碰撞等功能，提升數控中小孔內圓磨床的加工性能。

1 數控中小孔內圓磨床監控系統總體設計

1.1 功能設計

監控系統在Z2-014數控中小孔精密內圓磨床平臺上開發完成。該監控系統以計算機為核心，利用LabVIEW虛擬儀器構建了界面友好、操作方便的數控內圓磨床監控系統。該監控系統的主要功能為在線狀態下對磨削信號進行實時采集、顯示、處理、分析等及在離線狀態下對采集的波形進行回放分析，其內圓磨床監控系統功能框圖如圖1所示。

1.2 系統硬件選擇

通常用于磨床的信號檢測方法有磨削力檢測法、功率檢測法、聲發射檢測法。由于內圓磨床磨削條件限制，磨削力檢測法及功率檢測法均存在檢測障礙，故采用聲發射檢測法。依據聲發射檢測的要求，系統硬件配置有AE傳感器、前置放大器、數據采集卡等。其中，硬件的參數和性能對系統的可靠度和穩定性尤為重要，如AE傳感器的靈敏度、頻率范圍、諧振頻率等參數關系到系統采集的信號是否有效；前置放大器的放大倍數關系到系統采集的信號強度大小；數據采集卡的采樣頻率關系到系統采集的信號是否準確。對此，結合AE傳感器、前置放大器、數據采集卡的選型要求、內圓磨床磨削特點及磨削AE 信號頻率范圍（100~400 kHz）［1］對硬件進行選型。其中，AE傳感器的型號為PXR30型，諧振頻率為300 kHz，頻寬為80～400 kHz，靈敏度為>60 dB；前置放大器的型號為 PXPAⅡ型，頻帶寬度為15～2 MHz，增益為 40 dB，噪聲為2.7μVRMS；數據采集卡的型號為NI-PCI 6250型，通道數為16，采樣率為1MSPS，采樣精度為16bit，通訊方式為PCI。

圖1 內圓磨床監控系統功能框圖

2 監控系統軟件設計

LabVIEW是美國NI公司推出的虛擬儀器開發平臺。此軟件功能強大，采用圖形化編程方法，程序編寫容易，且該軟件可以與多種帶總線接口的電子儀器或插件單元通訊，利用此功能編寫系統程序性能穩定、靈活、開放。故此，采用LabVIEW編寫內圓磨床監控軟件。監控系統軟件設計時，為了界面友好、操作方便、程序快速運行、調試方便等，將系統軟件分為主系統與子系統。主系統的功能為調用子系統及退出監控系統。子系統有在線監控與離線分析兩部分，在線監控主要實現自動對刀磨削、磨削過程監視及磨削防碰撞功能，即參數設置完成后，在正常磨削狀態下監控系統通過信號采集、信號處理分析、狀態決策等軟件模塊，將工件與砂輪接觸狀態實時反饋給機床PLC，進而控制機床實現自動磨削與保護；離線分析主要是對采集的信號進行回放以便于更精確地分析機床加工狀態及故障檢測。其內圓磨床監控系統流程如圖2所示。

圖2 內圓磨床監控系統流程圖

2.1 系統界面設計

用戶界面是用戶與監控系統溝通的唯一途徑，良好界面可以使用戶易于了解、使用監控系統功能及心情愉悅。對此，主系統與子系統界面在設計時依據用戶心理、操作習慣等，盡量減少面板上元素，并將其歸類劃分，使界面簡單、清晰、易于感知。根據主系統功能可知，主系統界面上的功能應有進入在線監控按鈕、進入離線分析按鈕、系統停止按鈕、標簽等。將主系統界面上的功能通過歸類、美化等操作，最終設計的主系統界面如圖3所示。

圖3 內圓磨床監控系統主系統界面

由在線監控作用可知，在線監控界面應具備的功能有：采集參數設置控件、濾波參數設置控件、閾值設置旋鈕、波形圖表、狀態指示燈等；由離線分析作用可知離線分析界面應具備的功能有：調速旋鈕、波形回放按鈕、停止按鈕、波形圖表等。將子系統面板上的功能進行歸類、美化，其設計結果如圖4、圖5所示。

圖4 在線監控界面

圖5 離線分析界面

2.2 系統程序設計

系統設計包括界面設計和后臺程序設計，良好的后臺程序規劃設計是保證系統軟件運行快速、穩定、可靠的關鍵。由于主系統程序相對簡單及篇幅所限，本文對子系統主要功能（信號采集、信號分析、反饋監控、波形回放）的后臺程序設計進行闡述。

2.2.1 信號采集

信號采集是在傳感器將聲信號轉換為電壓信號的基礎上對電壓信號進行采集。主要采用DAQmx節點控制DAQ設備完成信號的采集。具體方法為：首先用DAQmx Ceat Virtual Channel函數創建一個采集電壓的虛擬通道，再者用DAQmx Timing函數設置采樣頻率、采樣點數、采樣模式，并創建緩沖區，進而用DAQmx Read函數讀取采樣，并用波形圖表對讀取的數據進行顯示，其編寫的后臺程序及采集的信號如圖6、圖7所示。

圖6 信號采集程序

圖7 采集的信號

2.2.2 信號分析

信號分析是采用計算輸入信號的均方根值（RMS），并提取最大均方根值的方法，主要采用幅值和電平測量函數及Array Max&Min函數實現。具體方法為：利用幅值和電平測量函數計算出濾波后信號的均方根，并用Get Waveform Components函數獲取均方根值，進而用Build Array函數將數值轉化為數組，最后用Array Max&Min函數提取數組中的最大值。其信號分析程序及分析后的信號如圖8、圖9所示。

圖8 信號分析程序

2.2.3 反饋控制

反饋控制是當采集信號的特征值超過預先設定的閾值時，監控系統基于MODBUS通訊協議實現計算機與PLC的通訊，進而對機床進行實時控制。主要采用比較函數節點及串口VI函數包實現。此部分包括閾值判斷程序及通訊程序，其中閾值判斷程序通過比較函數節點即可實現特征值與閾值的比較。計算機與PLC的通訊需要依據通訊格式編寫，其通訊程序編寫方法如下：首先用VISA Configure Serial Port函數配置串行通訊的參數，包括波特率、數據位、奇偶檢驗等，其次用VISA Write函數將通訊指令寫入到PLC中，再者用VISA Read函數讀取PLC返回的信息。最終反饋控制程序如圖10所示。

圖9 分析后的信號

2.2.4 波形回放

波形回放是對采集的信號進行回放，以便于離線分析及機床故障排查。其主要方法為：首先，通過文件對話框節點確定讀取文件的路徑；其次，通過TDMS Open函數打開保存的TDMS文件；第三，通過TDMS Read函數和波形圖表讀取并顯示指定TDMS文件中的數據；最后，通過TDMS Close函數關閉打開的TDMS文件。其離線分析程序如圖11所示。

圖11 波形回放程序

3 結語

本課題完成了數控內圓磨床監控系統的功能設計、硬件選型及在LabVIEW軟件平臺上編寫了界面友好、操作方便、程序良好的數控內圓磨床監控系統軟件，實現了信號采集、處理分析、反饋控制、離線分析等功能。實際應用表明，監控系統的開發，對數控內圓磨床磨削效率的提升及磨削過程的監視均提供了良好的解決方案，為數控中小孔內圓磨床加工性能的研究提供了一定的實踐探索。

［1］ 邢康林，沙杰，趙海豹，等.中小孔精密磨削監控反饋系統構建與應用［J］.組合機床與自動化加工技術，2013（8）：73-76.

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