用于切削力測量的虛擬儀器的研究與應用
1.引言
切削力的測量不僅有利于研究切削機理、計算功率消耗、優化切削用量和刀具幾何參數，更重要的是可以通過切削力的變化來監控切削過程，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，以便及時控制切削過程，提高切削效率，降低零件廢品率。
常用的切削測力儀有電阻應變片式和壓電式兩種。利用計算機采集和處理切削力測量數據在切削實驗和生產實踐中已很普及。測力儀把被測的三個切削分力轉化為電模擬信號并通過a/d轉換器轉換為數字信號輸入計算機，計算機對采集的數據進行各種分析處理。傳統的計算機測量和分析采用通用的或專門設計的接口板卡，而后續的分析和處理程序一般在通用的軟件編程環境下，用c/c++或basic編制，沒有充分利用計算機的強大功能，通信功能和數據處理功能實現困難。此外，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。
虛擬儀器是當今計算機輔助測控領域中的一項重要技術。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，輔以具有測試儀器功能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。這種以軟件為核心的系統不必象傳統儀器那樣受到生產廠商所設計功能的限制，可以充分利用計算機*的運算、顯示以及連接擴展能力來靈活地自己定義強大的儀器功能。與傳統儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性能價格比、可操作性等方面都具有明顯的優勢。
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。這方面的研究目前尚未見報道。本文將虛擬儀器技術引入切削力的測量中，設計了一種測量三向切削力并對切削力數據進行分析處理的虛擬儀器。
2 系統框圖
以車削加工為例進行試驗研究，切削力測量實驗研究框圖如圖1所示（系統接口框圖也適用于其它加工方式）。
試驗用儀器：電阻應變式車削測力儀與yd-28型動態電阻應變儀配套使用。電阻應變式測力儀具有靈敏度高、可測量力的瞬時值、可利用電補償原理消除各分力的相互干擾、動態特性良好、價格低等優點。
采用通用接口板卡pci-1200進行數據采集和a/d轉換。pci-1200卡是基于32位pci總線的多功能數據采集控制卡，支持dma方式和雙緩沖區模式，保證了實時信號的不間斷采集與存儲；具有支持單極性和雙極性模擬信號輸入、提供16路單端/8路差動模擬輸入通道、2路獨立的d/a輸出通道以及24線的ttl型數字i/o等多種功能。
連接方式：本系統采用的車削測力儀測力范圍0～3000n，測量x、y、z三個方向的切削分力fx、fy、fz時的分辨率為5.0n。測力儀的三個引出線分別對應于三個切削分力fx、fy、fz（有的測力儀還有測量扭矩的引出線），將這三個切削分力信號線分別與應變儀的三個通道相連（凡是不用于測量的應變儀輸出信號線懸空）；將pci-1200卡插入計算機主板的一個空閑pci插槽中，通過50芯數據線與連接器相連。
3 軟件設計
在配置了相應的硬件模塊后，虛擬儀器設計的主要工作就是編制相應的軟件，完成數據的采集、存儲分析、輸出和顯示。
美國國家儀器公司提出了“軟件即儀器”的響亮口號，其創新產品labview是目前zui為成功、應用的虛擬儀器開發環境（實際上，虛擬儀器的概念zui初就是在開發labview時提出的）。labview作為一種程序開發環境，與其它語言不同的是，labview采用圖形化編程語言g，產生的程序是框圖而不是文本，含有功能強大的多種函數庫，具有數據采集、gpib、串口控制、數據分析、顯示和存儲以及網絡功能等。
虛擬儀器軟件包括儀器驅動程序、應用程序和軟面板程序等三個層次。
儀器驅動程序主要用來初始化虛擬儀器，并設置特定的參數和工作方式，使虛擬儀器保持正常的工作狀態。labview已為pci-1200 卡配備了驅動程序。
以下重點介紹軟面板程序和應用程序的設計。
1.軟面板
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儀器面板相似的圖形界面，用于顯示測量的結果等。用戶還可以通過軟面板上的開關和按鈕，模擬傳統儀器的各種操作，通過鍵盤或鼠標實現對虛擬儀器的操作。
切削測力儀的軟面板：采用實時趨勢圖（chart）顯示三向切削分力；將新數據連續擴展在已有數據的后面，波形連續向前推進顯示；通過三個按鈕控制切削力刻度標定；用數據文本文件方式存儲測量數據，以便分析處理和波形回放；設置按鈕作為存儲開關，并同時控制存儲間隔和存儲路徑。
2.應用程序
應用程序主要用來對輸入計算機的數據進行分析和處理，用戶就是通過編制應用程序來定義虛擬儀器的功能。這是軟件設計的主要部分。
軟件功能包括三向切削力數據采集與存儲、切削力波形顯示與回放、切削力標定、實驗數據統計分析（誤差分析、異常數據處理等）、切削力經驗公式、切削功率計算和切削過程評判。
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