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一種基于虛擬儀器的絲錐切削力和扭矩測量系統(tǒng)

2016-03-14 11:09:07 安裝信息網(wǎng)

作者；張毅

測量與采集出絲錐在切削過程中的力和扭矩可以直觀地反映出絲錐的切削性能，通過觀察絲錐磨損過程中力和扭矩的變化趨勢可以分析出其的切削狀態(tài)。通過科學(xué)實驗分析出各切削狀態(tài)對其壽命的影響，最終期望提高切削效率及延長使用壽命，所以一套穩(wěn)定可靠的測量系統(tǒng)將成為各項研究工作的基礎(chǔ)。本文基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)對現(xiàn)有測量設(shè)備進行改造，可以直觀地看到加工過程中力和扭矩的變化，從而分析出其在不同條件下對加工過程的影響。

1測量系統(tǒng)設(shè)計

本文基于LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)改造一臺原本用來測量銑削與車削力和扭矩的KISTI．ER-9257B型壓電式測力儀，使其擴展為絲錐切削過程力和扭矩的測量系統(tǒng)。配合對應(yīng)的KISTLER-5070A11100型多通道電荷放大器，采用NI公司USB-6351多通道數(shù)據(jù)采集卡，采集測力儀在切削過程中的電壓信號并將其送至計算機。計算機端使用LabVIEW編寫相關(guān)應(yīng)用程序，執(zhí)行各通道模擬信號的數(shù)據(jù)換算，記錄絲錐切削過程中各方向的力和扭矩。改造后系統(tǒng)的總體功能框圖如圖1所示。

1.1根據(jù)測力計測量原理設(shè)計相關(guān)工裝

KISTLER-9257B型壓電式測力儀內(nèi)置4個壓電式測力傳感器，其具體布局如圖2所示。每個傳感器都可測量到其所受到的x、y、z三個方向的力。

測力儀通過4個傳感器輸出8路模擬信號，分別為：Fx1+2、Fx3+4、Fy1+4、Fy2+3、Fzi、Fz2、Fz3、Fz4。根據(jù)各路信號通過以下計算方法可得到各方向的力和扭矩：

其中：F，1+2為1號傳感器與2號傳感器x方向上力的和；Fx3+4為3號傳感器與4號傳感器x方向上力的和；以此類推。

KISTLER-9257B -般用來測量銑削與車削力和扭矩，但絲錐在通孑L攻絲過程中，切削錐需要完全穿過工件，并保證刀具與測力儀之間留有足夠的間隙，所以還需設(shè)計相應(yīng)的墊板；為方便計算各方向的扭矩，各傳感器間的a和6參數(shù)應(yīng)相同(KISTI。ER-9257B中a-30 mm、b= 57.5 mm)．被加工工件孔位應(yīng)能保證在4個傳感器的幾何中心，最終設(shè)計的工裝爆炸圖與三維總裝圖如圖3所示。試件應(yīng)制成20 mm×20 mm大小、中心預(yù)鉆底孔的標(biāo)準塊。墊板通過兩個特制的銷釘限位，再通過螺栓與測力儀緊固在一起。工件放人墊板上方的槽中，上緊壓板完成工件的安裝。

1.2 力和扭矩測號軟件設(shè)計

力和扭矩測量軟件采用LabVIEW開發(fā)環(huán)境，用戶只需要通過改變軟件就可以實現(xiàn)不同功能，方便日后為測量系統(tǒng)升級（添加實時切削溫度采集等）。使用圖形化框圖編程，效率高，程序可讀性強。由于測力儀的小電壓信號經(jīng)過電荷放大器放大后輸出8路范圍為-10 V～+10 V的電壓信號，因此，采集卡的主要任務(wù)就是測量并處理這8路模擬信號。采集卡基于LabVIEW的程序結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4中，左側(cè)模塊功能為設(shè)置數(shù)據(jù)包保存路徑與文件名；右側(cè)程序主體為NI-DAQmx數(shù)據(jù)采集控件(DAQmx. vi)，該控件可交互式配置設(shè)備的數(shù)據(jù)通道和采集任務(wù)，自動生成LabVIEW代碼并保存為模塊。DAQmx控件基于輸入的初始設(shè)置執(zhí)行采集任務(wù)，它將自動采集8路模擬電壓信號，但是這些信號并不是該測量系統(tǒng)的最終數(shù)據(jù)。更改DAQmx控件模塊，加入如圖5所示的數(shù)據(jù)換算單元，最后得到的6組數(shù)據(jù)，整合成數(shù)據(jù)包輸出到主程序中的波形實時顯示區(qū)和xls數(shù)據(jù)文件中。具體實驗時，程序自動初始化后會打開用戶界面，這時需要填入與實驗相關(guān)的基本信息：選擇USB-6351采集卡為采集設(shè)備、選擇數(shù)據(jù)保存路徑、輸入備注信息（工件材料與刀具信息）、選擇需要實時顯示的曲線、輸入實時顯示的采樣點數(shù)、輸入采樣時間和采樣率。以上參數(shù)信息會自動載入程序中的DAQmx控件模塊。具體工作流程如圖6所示。

最后，可以使用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件處理得到的數(shù)據(jù)包，從而分析不同條件下對絲錐切削過程的影響。

1.3力和扭矩測量系統(tǒng)的標(biāo)定

系統(tǒng)的標(biāo)定是通過實測的方法驗證輸入與輸出之間的關(guān)系。由于在絲錐切削過程中，Mz的變化趨勢對分析絲錐的切削性能最為重要，因此本文主要描述M：的標(biāo)定方法。利用設(shè)計的裝配長度為300 mm的加載桿與若干0. 54 kg標(biāo)準鋁塊，以200 mm鉗工劃線測量鑄鐵方箱為基座組成M：標(biāo)定系統(tǒng)，如圖7所示。通過標(biāo)定可以得到靜態(tài)重復(fù)性、線性度等測量系統(tǒng)性能指標(biāo)。

以1 kHz采樣率采集10 s靜態(tài)扭矩，依次加載標(biāo)準鋁塊，每次測量3組取平均值。通過加載實驗得到實際結(jié)果與理論計算結(jié)果之間關(guān)系如圖8所示。通過標(biāo)定系統(tǒng)檢測，M：在重復(fù)度和線性度等方面基本能滿足定性與定量分析的需求。

2 絲錐切削力和扭矩測量實驗

為了驗證本系統(tǒng)的實際使用效果，本文進行了相關(guān)實驗。攻絲機采用國產(chǎn)WMD0 912攻絲機，刀具選用陜西渭河M8高速鋼絲錐，攻絲轉(zhuǎn)速為150 r／min，退絲速度為150 r/min;選擇厚度為12 mm的TC4工件材料，底孔為@6.8 mm，采樣率為10 kHz。實驗測量得到的切削力和扭矩隨時間的變化曲線如圖9、圖10所示。