一種切削力信號分析系統(tǒng)的開發(fā)及應用試驗*

穆以東，趙 嶺

(聊城大學汽車與交通工程學院，山東聊城 252000）

0 引言

現(xiàn)代切削加工正在向高速強力切削、精密超精密加工方向發(fā)展。機床切削力測量、處理和分析對切削刀具壽命、加工成本的估算以及提高加工精度具有重要作用，已受到現(xiàn)代機械制造企業(yè)的廣泛重視。同時，在科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中，需要采集的數(shù)據(jù)量越來越多，對數(shù)據(jù)處理的要求也越來越高。因此，采用先進的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，一方面能及時、全面地對數(shù)據(jù)進行真實有效的采集和儲存，另一方面也能夠對數(shù)據(jù)進行科學合理的分析和處理。所以，研制一款集采集與分析于一體、操作簡便易行的信號采集與分析系統(tǒng)，不但能夠大大縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)時間，降低生產(chǎn)成本;而且能夠給科學研究提供詳實的數(shù)據(jù)，在研究過程方面起到一定的積極作用。本文自行設計了切削力信號采集與分析系統(tǒng)，并對實驗結果進行了分析和處理;通過試驗結果與切削力建模與仿真結果的比對，驗證了本信號采集與分析系統(tǒng)設計的合理性和使用的準確性，對實際生產(chǎn)中切削力的控制具有一定的指導意義。

1 切削力信號分析系統(tǒng)的開發(fā)

測力系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示，主要由力傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集與處理單元和顯示設備等組成。力傳感器將被測切削力轉換為電信號;信號調(diào)理器對微弱電信號進行必要的處理，包括信號的放大和濾波等。數(shù)據(jù)采集與處理單元用于將模擬信號轉換為數(shù)字信號，便于計算機分析;顯示設備(如計算機等）將采集到的信號直觀顯示，易于對數(shù)據(jù)進行觀察、分析和處理［1］。

圖1 測力系統(tǒng)硬件功能圖

1.1 切削力測試系統(tǒng)的總體設計

本系統(tǒng)采用了軟件開發(fā)平臺LabVIEW模塊化的設計方法［2］，即把所需要的各項集成起來作為一個模塊進行編程，這樣既簡化了編程，同時還能使整個系統(tǒng)一目了然，非常直觀。

測試系統(tǒng)的總體模塊化設計如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)總體模塊設計圖

1.2 參數(shù)設置模塊

測試系統(tǒng)要求對采集信號的通道個數(shù)、采樣頻率、總的緩沖區(qū)的數(shù)目、每個緩沖區(qū)的采樣點數(shù)等參數(shù)進行設置。對這些參數(shù)的綜合設置可以調(diào)整合適的信號采集時間和總的采樣點數(shù)。如圖3所示，它們之間滿足下面的關系:

共采集到的點數(shù)=頻率×采集時間

共采集的點數(shù)=每個緩沖區(qū)采集點數(shù)×n個緩沖區(qū)

圖3 參數(shù)設置模塊前面板

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括了信號采集和模數(shù)轉換兩個部分。數(shù)據(jù)采集在檢測系統(tǒng)中占據(jù)了重要地位。因為只有把信號真實的采集進來，才有可能對數(shù)據(jù)進行分析處理，或者對于某些測控系統(tǒng)才能實現(xiàn)正確的控制。信號數(shù)據(jù)是實現(xiàn)正確控制的基礎。

數(shù)據(jù)采集的任務就是將傳感器采集的電壓信號通過各采集通道然后經(jīng)過數(shù)模轉換轉換成數(shù)字信號輸入到計算機中，最后再實時顯示出來，其示意圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集示意圖

1.4 數(shù)據(jù)顯示及輸出模塊

為了將經(jīng)過上述數(shù)據(jù)采集模塊采集得到的切削力信號能夠直觀、真實的顯示出來，本系統(tǒng)采用了同時使用虛擬儀表和通道波形顯示的方法，如圖5所示。

圖5 虛擬儀表面板和通道波形顯示

2 切削試驗及結果分析

2.1 試驗條件

本實驗所采用的采樣頻率為:1024Hz，而實驗中采集的信號的頻率最高也不超過500Hz，根據(jù)奈奎斯特采樣定律［3］，采集時的采樣頻率不能低于所采集信號頻率的2倍，因此，本設置能夠采用。根據(jù)硬鋁合金試樣的切削性能，我們采用的主軸轉速為1000rev/min，此速度基本符合實驗條件的要求。進給速率設為30mm/min，由此計算出的刀具的每齒進給量約為0.015mm/s;本實驗中刀具的旋轉方向為順時針。為了采樣過程的清晰以及易于采樣數(shù)據(jù)的比較，實驗中走刀的方向設置為單向走刀方式。同時為了最大限度地減少切削振動對于采集的影響，本實驗采用了順銑的切削方式，即人為地把行切時刀具的走向設置為分別沿X、Y的負方向。在本實驗中，采用了較大的縱向切削進給量，即2mm，以放大切削力的數(shù)值，使切削力變化的趨勢更為明顯，有效防止切削力信號被其他的噪聲和振動信號所掩蓋［4］。

中國提出的“一帶一路”倡議秉持共商共建共享原則，不以獲取能源資源和輸出過剩產(chǎn)能為目的。但在共商共建共享原則的落實過程中，在一些具體合作項目中出現(xiàn)了“單向施惠”現(xiàn)象，即饋贈式貿(mào)易讓步?！皢蜗蚴┗荨庇欣谔嵘献饕庠?，但缺乏效率性、穩(wěn)定性、可持續(xù)性，會導致一些國家對國際合作存在過高的期待，所謂的“期待”無法實現(xiàn)后國際合作可能會發(fā)生變更。因此，在“一帶一路”建設過程中，沿線國家應努力營造更多人關注、更多人參與、更多人貢獻、更多人受益的國際合作局面。

2.2 切削方式設計

本實驗中，為了采集數(shù)據(jù)的多樣化和方便數(shù)據(jù)的對比，采用了切削多個橢圓拋物面和采用不同走刀方式相結合的切削方法，即首先將一個長軸:16.67mm、短軸:13.34mm、長短軸比:5:4、深度:8mm的橢圓拋物面作為基準曲面，對其分別進行沿X、Y方向行切，利用事先調(diào)試、設置好的數(shù)據(jù)采集設備對三種不同的加工過程進行全程跟蹤采集，并將數(shù)據(jù)存盤后利用分析系統(tǒng)進行分析。

圖6 行切產(chǎn)生的橢圓拋物面

2.3 實驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1 基準橢圓拋物面沿X方向行切時的數(shù)據(jù)處理接近曲面最凹(Y=0.956）處的曲面段作為研究部分。此部分的采集波形如圖7所示。

圖7 基準曲面沿X方向行切X通道部分波形

然后，再將圖8進行巴特沃斯濾波，所得圖形見圖8。

圖8 Y=0.956段波形經(jīng)濾波后的圖形

同樣采用相同的方法再作出Y=2.869走刀時的時域波形如圖9所示。

由數(shù)學知識可知，對于橢圓拋物面來講，Y=0.956處的曲面法曲率要比Y=2.869處的法曲率大。同時，從圖8與圖9比較即可以看出，Y=0.956處對應的切削力的數(shù)值也較Y=2.869處所對應的數(shù)值大。兩種波形濾波后對比見圖10。

圖9 Y=2.869段波形經(jīng)濾波后的圖形

圖10 兩種濾波圖形波形對照

2.3.2 基準橢圓拋物面沿Y方向行切時的數(shù)據(jù)處理

同理，可得出一次走刀波形(X=-1.963）

分別在此及其鄰近的走刀路線(X=-3.927）上分別取點進行對照，方法同上。

圖11 上述兩段波形疊加比較的圖形

很明顯，可以得出與X方向行切時相同的結論。即沿Y方向行切時在同一走刀路線上越接近X=0處的Y方向的主切削力越大;同樣，在方向相同的不同走刀過程中，越接近Y=0的路線的主切削力的數(shù)值及波動幅度也較遠離者依次增大。

2.3.3 分別沿X和Y方向行切的切削力數(shù)值比較

選擇一段一次走刀(X=1.965，Y=1.963）的數(shù)據(jù)進行對比，其圖形如圖12所示。

圖12 基準橢圓拋物面沿X和Y方向行切時主切削力比較

從圖12中可以明顯地看出，沿Y方向行切時的切削力數(shù)值與波幅幾乎總是大于沿X方向進行行切的數(shù)值。也就是說，在對曲面進行行切時，沿X方向行切的主切削力數(shù)值和波動幅度總是低于沿Y方向的。

2.3.4 曲面深度加深至原來的1.5倍后的曲面與基準曲面的比較

從圖12中提取出部分具有代表性的一次走刀過程(Y=1.963）的數(shù)據(jù)進行分析，如圖13所示。

圖13 沿Y方向行切時的部分數(shù)據(jù)比較

2.3.5 長短徑比變?yōu)?:3后的曲面與基準曲面的比較

取出一次走刀(Y=1.963）的一段數(shù)據(jù)，同長短徑比縮小為5:3的曲面在相同走刀過程中的數(shù)值進行比較，如圖14所示。

圖14 兩圖線沿Y方向一次走刀的切削力比較圖

經(jīng)對上述圖形及表格的分析，可以明顯地看出:深度加深1.5倍后的曲面(對應點處的法向曲率增大）沿X方向行切及沿Y方向行切時的主切削力均明顯大于基準拋物面的;同樣，長徑比為5:3的曲面(對應點處的法向曲率增大）經(jīng)兩次走刀的主切削力也明顯地大于基準拋物面的。

下圖是利用切削微元法［5］對立銑刀的主切削力進行建模并依據(jù)Matlab［6］仿真后的銑削主切削力的圖形如圖15所示。

3 結論

由仿真圖形和指標模擬數(shù)據(jù)可知，沿X或Y方向行切時，越靠近X或Y等于0的區(qū)域，亦即曲面法曲率越大的區(qū)域，銑削所產(chǎn)生的主切削力越大。經(jīng)過與開發(fā)的切削力信號測試分析系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)的比對可知，所得的結果與仿真結果基本上是吻合的。

圖15 某一切削狀況下的主切削力仿真圖形

本次理論建模所用的數(shù)學模型有其完整的科學性要求的，同時，周密的數(shù)學推導過程推理嚴密、邏輯符合條件，因此滿足科學性的要求。此外，實驗環(huán)節(jié)緊湊，實驗條件設計合理，所得數(shù)據(jù)真實可靠，分析結果具有說服力。

總之，設計開發(fā)的切削力信號測試與分析系統(tǒng)，具有結構簡單、成本低、用途廣的優(yōu)點，經(jīng)過理論建模仿真與實驗分析，充分證實了本切削力信號測試分析系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)的真實性和可信度。因此，本系統(tǒng)能夠在實際生產(chǎn)中得到廣泛的應用，能夠對切削力的測試及實驗起到一定的指導作用。

［1］羅學科.動態(tài)多維力傳感器的理論研究與實踐［D］.北京:北京航空航天大學，1995.

［2］程學慶，房曉溪.LabVIEW圖形化編程與實例應用［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［3］張超英，羅學科.數(shù)控加工綜合實訓［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2003.

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［5］姜彬.數(shù)控切削加工工藝參數(shù)優(yōu)化的研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，2001.

［6］李海濤，鄧櫻.Matlab 6.1基礎及應用技巧［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.