基于LabVIEW和PXI的切削力實時測控系統(tǒng)研究*

曹昌勇

(皖西學(xué)院機械與電子工程系，安徽六安 237012)

在切削加工過程中，切削力的測量不僅有利于研究切削機理、計算功率消耗、優(yōu)化切削用量和刀具幾何參數(shù)，更重要的是可以通過切削力的變化來監(jiān)控切削過程，反映刀具磨損或破損、切削用量的合理性、機床故障、顫振等切削狀態(tài)，以便及時控制切削過程，提高切削效率，降低零件廢品率。而且以切削力作為一項重要的直接測試對象進行分析和監(jiān)控，已經(jīng)成為從事機械加工與研究領(lǐng)域的共知。無論是傳統(tǒng)的機械加工方式和還是現(xiàn)今特種切削加工，為了保證零件的加工質(zhì)量和提高切削加工效率，需要對切削加工過程中的切削參數(shù)進行仿真和優(yōu)化。

在切削力測量中常用測力儀把被測切削力轉(zhuǎn)化為電信號并通過數(shù)據(jù)采集卡輸入到計算機中，計算機對采集的數(shù)據(jù)進行分析處理并顯示。在傳統(tǒng)的計算機測控系統(tǒng)中后續(xù)的分析、處理部分一般都是在通用的軟件編程環(huán)境下(如：VC、VB等)編制而成，系統(tǒng)的開發(fā)周期長、編程難度大，而且沒有充分發(fā)揮計算機的強大通信功能和數(shù)據(jù)處理功能。直觀性、通用性和靈活性都較差。若采用當今流行的監(jiān)控軟件(如：MCGS、力控和LabVIEW等)就能很好的解決此問題。

虛擬儀器LabVIEW是一種圖形化編程語言，是目前國際上唯一的編譯型圖形化編程語言，把繁瑣、復(fù)雜、費時的編程簡化成用菜單或圖標提示的方法，并用線條把各種功能圖形連接起來的簡單圖形編程方式。同傳統(tǒng)的編程語言相比，采用LabVIEW圖形編程方式大大的節(jié)省了系統(tǒng)的開發(fā)時間；該軟件除了具備其他語言所提供的常規(guī)函數(shù)功能外，還集成了大量的生成圖形界面的模板，豐富實用的數(shù)值分析、數(shù)字信號處理功能，以及多種硬件設(shè)備驅(qū)動功能(包括RS232、VXI、PXI和數(shù)據(jù)采集卡等)。另外，免費提供的幾十家儀器廠商的數(shù)百種源碼級儀器驅(qū)動程序，可為用戶開發(fā)儀器控制系統(tǒng)時節(jié)省大量的編程時間和開銷。利用虛擬儀器技術(shù)在線采集和處理多種切削參數(shù)，并對切削過程監(jiān)控，具有很大的優(yōu)越性。VI已經(jīng)是當今計算機輔助測控領(lǐng)域中的一項重要技術(shù)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示，包括硬件和分析軟件兩個部分。傳感器將被測信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)信號調(diào)理電路，由數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，與計算機通信。上位機采用虛擬儀器LabVIEW進行軟件平臺的開發(fā)，實現(xiàn)對信號的顯示、存儲和分析。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，這是一個由信號采集與調(diào)理模塊(如：CXI-1520)、PXI-6070E數(shù)據(jù)采集卡和PXI-8330接口卡(MXI-3技術(shù))組成的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，由于采用了PXI和MXI-3總線技術(shù)，因此能夠充分保證實時數(shù)據(jù)采樣時的帶寬要求。

本測控系統(tǒng)中車削測力儀采用三向壓電車削測力儀，它如同一把普通的外圓車刀，由1個彈性刀桿和1個夾在其橫截面內(nèi)的三向壓電石英傳感器構(gòu)成，可以完成切削力的靜、動態(tài)測試，獲得3個互相正交的分量(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z)。分量由3根引出線經(jīng)3個電荷放大器、接線端子板的3個通道，并通過數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換供計算機處理，數(shù)據(jù)采集結(jié)果在虛擬儀器面板上顯示并存入數(shù)據(jù)庫。

數(shù)據(jù)采集卡是本系統(tǒng)硬件的核心，它主要完成數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換和存儲。考慮到采樣頻率、輸入精度、A/D轉(zhuǎn)換速度以及分辨率等技術(shù)指標，本系統(tǒng)采用PXI-6070E數(shù)據(jù)采集卡。其主要性能指標：PXI-6070E為一個12位多功能數(shù)據(jù)采集卡，它具有16路單端或8路差分輸入通道，最高采樣率為1.25 MSa/s。信號調(diào)理模塊采用SCXI-1102B，具有32個差分輸入通道，可調(diào)理各種熱電偶信號、毫伏、伏、4～20 mA、0～20 mA的輸入信號，每個通道可獨立設(shè)置(1或100倍)放大倍數(shù)200 Hz低通濾波，333 kSa/s掃描率。

2.2 PXI和MXI-3技術(shù)

PXI是1997年NI公司發(fā)布的一種全新的開放性、模塊化儀器總線規(guī)范，是PCI在儀器領(lǐng)域的擴展(PCI eXtensions for Instrumentation)。它將CompactPCI規(guī)范定義的PCI總線技術(shù)發(fā)展成適合于試驗、測量與數(shù)據(jù)采集場合應(yīng)用的機械、電氣和軟件規(guī)范，從而形成了新的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)。制訂PXI規(guī)范的目的是為了將臺式PC的性能價格比優(yōu)勢與PCI總線面向儀器領(lǐng)域的必要擴展完美地結(jié)合起來，形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。MXI-3技術(shù)是一種PCI總線之間的軟硬件透明的高性能連接技術(shù)，不僅可以進行PXI/CompactPCI機箱之間的連接而且可以讓主控計算機通過透明的軟硬件連接實現(xiàn)對PXI系統(tǒng)的直接控制。MXI-3技術(shù)也提供了最高可達1.5 Gb/s的串行數(shù)據(jù)連接。該轉(zhuǎn)向架測試平臺采用具有PXI和MXI-3技術(shù)的NI公司產(chǎn)品建立測試系統(tǒng)，與使用傳統(tǒng)的測試技術(shù)相比，不僅具有更高的性價比，而且使用也更加簡便、靈活，特別是其信號調(diào)理模塊具有完全的程序可控性，這些特點都為快速組建成本低廉、功能強大的測試平臺提供了前提條件。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于LabVIEW系統(tǒng)中，軟件設(shè)計已經(jīng)成為了基于虛擬儀器技術(shù)的測試系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。尤其是對于采用了NI公司的PXI測試設(shè)備的測試系統(tǒng)，硬件的使用難度已大大降低，在其上所耗費的時間已越來越少，因此能把更多的精力投入到軟件的系統(tǒng)開發(fā)上。在本系統(tǒng)開發(fā)中，我們采用LabVIEW作為編程語言。它能與NI公司的硬件設(shè)備達到無縫結(jié)合，是首選的開發(fā)工具。

3.1 數(shù)據(jù)采集、處理及顯示

數(shù)據(jù)采集(Data Acquisition，簡稱DAQ)，即把待測物理信號通過傳感器變?yōu)殡妷?、電流等波形信號，通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過計算機進行分析、顯示。一個完整的DAQ系統(tǒng)通常包括(除插入式DAQ卡外)傳感器、信號調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換器以及一套用于獲取、處理數(shù)據(jù)，分析、顯示、存儲數(shù)據(jù)的軟件。用LabVIEW編寫的虛擬儀器與一般的測試儀器相比除了數(shù)據(jù)采集部分需要硬件實現(xiàn)外，其它信號的處理和顯示都可以通過軟件編程來實現(xiàn)。這就是所謂的“軟件就是儀器”，虛擬儀器的思想。

虛擬儀器設(shè)計的主要工作就是編制相應(yīng)的軟件，完成數(shù)據(jù)的采集、處理分析、輸出、顯示和存儲。該軟件包括儀器驅(qū)動程序、應(yīng)用程序和軟面板程序。

驅(qū)動程序主要用來初始化虛擬儀器，并設(shè)置特定的參數(shù)和工作方式，使虛擬儀器保持正常的工作狀態(tài)。然而PXI規(guī)范要求廠商而非用戶來開發(fā)標準的設(shè)備驅(qū)動程序，使PXI系統(tǒng)更容易集成和使用?？s短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。

應(yīng)用程序主要用來對輸入計算機的數(shù)據(jù)進行分析和處理，用戶就是通過編制應(yīng)用程序來定義虛擬儀器的功能，這是軟件設(shè)計的主要部分。本系統(tǒng)應(yīng)用程序包括三向切削力數(shù)據(jù)采集與存儲、切削力波形顯示等。應(yīng)用程序在Windows操作系統(tǒng)下利用LabVIEW開發(fā)平臺編寫。LabVIEW提供了強大的數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品軟件支持，通過軟件控制DAQ卡完成模擬信號的數(shù)據(jù)采集，將外部模擬信號通過數(shù)據(jù)采集卡的A/D功能轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。通過數(shù)據(jù)標準總線，采集到計算機中。根據(jù)不同的需要將采集到的數(shù)據(jù)進行分析、計算并將結(jié)果送往屏幕顯示。

軟面板程序用來提供虛擬儀器與用戶的接口，它可以在計算機屏幕上生成一個與傳統(tǒng)儀器面板相似的圖形界面，用于顯示測量的結(jié)果等。用戶可以通過鍵盤或鼠標實現(xiàn)對虛擬儀器前面板上的開關(guān)和按鈕進行各種操作，模擬傳統(tǒng)儀器，可任意選擇某一方向的切削力進行顯示或同時顯示3個方向的切削力。切削力測試分析系統(tǒng)界面如圖2所示；其功能實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集模塊主要程序如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)存儲功能的實現(xiàn)

在本系統(tǒng)開發(fā)中，對采集到的數(shù)據(jù)不僅能實現(xiàn)顯示、處理分析等功能，更重要的是能完善切削力測量數(shù)據(jù)庫。因為通過對大量數(shù)據(jù)的分析、推理才能正確反映刀具參數(shù)指標。并且有了數(shù)據(jù)庫便易于實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為今后實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化切削監(jiān)控打下基礎(chǔ)。

在本系統(tǒng)中采用了SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它具有強大的關(guān)系數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建、開發(fā)、設(shè)計及管理等功能。它具備完整的面向?qū)ο竽Ｐ?、嚴謹?shù)臄?shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和友好的用戶界面，不僅擁有良好的整合環(huán)境，更提供各式各樣易學(xué)易用的工具。LabVIEW具有專門的數(shù)據(jù)庫接口工具包可以和該數(shù)據(jù)庫相連。

在這可以使用LabVIEW提供的Write To Spreadsheet File.vi來實現(xiàn)存儲。其特點是把數(shù)據(jù)存儲為電子表格形式，存儲速度快，存儲的文件比較容易讀取等。在存儲格式上，為了能快速存儲，可以只存儲數(shù)據(jù)列，而對數(shù)據(jù)時間的存儲，采用在進行數(shù)據(jù)存儲前，向存儲文件寫入一個包含數(shù)據(jù)時間間隔和文件類型的頭信息，而在讀取時，只要通過這個頭信息，就能計算出每個數(shù)據(jù)的時間點和所代表的意義。通過這樣的措施，既保證了存儲信息的完整性，也達到了快速存儲的目的。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)經(jīng)過仿真和現(xiàn)場調(diào)試，已初步達到了預(yù)期的設(shè)計要求。通過PXI總線實現(xiàn)對各傳感器信號的采集以及輸出裝置的控制，使得系統(tǒng)十分容易構(gòu)建，布線安裝十分方便；同時，系統(tǒng)抗干擾能力強、可靠性高、實時響應(yīng)性好?；贚abVIEW和PXI的切削力實時測控系統(tǒng)具有良好的可擴展性，易于實現(xiàn)對各分系統(tǒng)的集中監(jiān)測和管理。本文所開發(fā)的切削力虛擬測控系統(tǒng)已經(jīng)達到實用程度，只要稍作改進，也可應(yīng)用于其它切削參數(shù)(如切削溫度、主軸轉(zhuǎn)速、功率等)的測量。隨著對虛擬儀器軟件技術(shù)的深入研究，相信它在機械加工過程監(jiān)控中將會發(fā)揮更大的作用。

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