孫宗鑫，于艷

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109）

基于 LabVIEW 的機(jī)床靜剛度測(cè)量系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究

孫宗鑫，于艷

（青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109）

機(jī)床的運(yùn)行壽命以及所生產(chǎn)零件的精度，都受到機(jī)床靜剛度的影響；在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)床所受的外載力不單純是單向力，采用基于 LabVIEW的機(jī)床床頭、刀架、尾座的三向靜剛度測(cè)量系統(tǒng)，加載三向力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，能夠更好地模擬機(jī)床實(shí)際工作情況，分析出機(jī)床各部分位移以及受力情況，繪制靜剛度特性曲線，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)和顯示。

機(jī)床靜剛度；LabVIEW；優(yōu)化設(shè)計(jì)

通常情況下，機(jī)床靜剛度的測(cè)定是在非切削狀態(tài)下，模擬切削時(shí)受力情況，對(duì)機(jī)床施加靜載荷，測(cè)得各部件在不同外載荷下的變形量，即位移量；計(jì)算出機(jī)床的靜剛度，從而繪制出靜剛度特性曲線。在此前的測(cè)量中，較多見(jiàn)的是單向靜剛度測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單；但是由此帶來(lái)的后果就是測(cè)量數(shù)據(jù)不精確，不能連續(xù)加載采集數(shù)據(jù)，人工處理數(shù)據(jù)比較麻煩，也不符合機(jī)床實(shí)際加工時(shí)承受的三向切削分力情況；之后實(shí)施的三向加載測(cè)量方法更接近實(shí)際切削時(shí)的真實(shí)情況，但測(cè)量時(shí)施加外載荷的大小與位移量的值都是通過(guò)千分尺測(cè)量的，所有數(shù)據(jù)處理都需要人為進(jìn)行，這種方法費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，不能準(zhǔn)確快速地測(cè)量出機(jī)床實(shí)際的靜剛度值，實(shí)用性不強(qiáng)。

為有效解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)三向靜剛度測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，利用三向靜剛度儀加載裝置，模擬刀具受力進(jìn)行加載，通過(guò)測(cè)力傳感器將外加載荷轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀把電信號(hào)放大，由 A/D板進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，借助于 LabVIEW 虛擬儀器，直接顯示外加載荷大小，并通過(guò)千分表直接讀出床頭、刀架和尾座的變形量，即位移量，通過(guò)集線器輸入到上位機(jī)中，在測(cè)試系統(tǒng)中直接計(jì)算并顯示機(jī)床各部位靜剛度特性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

將系統(tǒng)各部分進(jìn)行連接得到系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)程序由 LabVIEW 編寫(xiě)得到，它主要包括壓力與位移信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊、靜剛度有關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算模塊，靜剛度曲線顯示模塊等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)軟件測(cè)試流程圖

基于 LabVIEW 的系統(tǒng)軟件檢測(cè)部分是運(yùn)用帶箭頭的線條把各種模塊圖形聯(lián)接起來(lái)的一種表編程方式的簡(jiǎn)單圖形。圖2中，在 LabVIEW 軟件程序控制界面中采集測(cè)試信號(hào)。在相應(yīng)的主程序界面下， 可以分別選擇壓力、位移信號(hào)采集模塊以及變化曲線模塊；采用LabVIEW 編寫(xiě)的數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊，將壓力和位移傳感器采集到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為作用力和位移量，通過(guò)K=F/Y計(jì)算機(jī)床相應(yīng)位置的靜剛度。該虛擬技術(shù)能夠使不熟悉該匯編語(yǔ)言的工程師能按照測(cè)試要求和任務(wù)快速依據(jù)自己的程序進(jìn)行準(zhǔn)確的建模，該方法節(jié)省了產(chǎn)品研發(fā)周期和研發(fā)成本。

2 LabVIEW 系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)

2.1 位移信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)

在測(cè)量軟件系統(tǒng)中，圖3所示的程序運(yùn)用了兩次，分別在不同的程序系統(tǒng)中，其中一次用來(lái)記錄三向位移的初始位置，以便后期計(jì)算位移量差；另外一次應(yīng)用在圖4的第三步，進(jìn)行測(cè)量并記錄數(shù)據(jù)，用來(lái)計(jì)算靜剛度數(shù)值。

數(shù)顯千分表中有自帶標(biāo)定系統(tǒng)的傳感器，在圖3中，是將采集的床頭、刀架、尾座的位移量量程進(jìn)行變化，方便在以后的靜剛度計(jì)算中運(yùn)算簡(jiǎn)便易懂。

圖3 位移信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)圖

圖4 三向靜剛度實(shí)驗(yàn)測(cè)定系統(tǒng)

圖5 三向靜剛度測(cè)定中外載荷標(biāo)定程序框圖

2.2 壓力信號(hào)采集模塊的設(shè)計(jì)

測(cè)力儀是將外載荷轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，后經(jīng)放大以及A/D轉(zhuǎn)換送入上位機(jī)，若在測(cè)試系統(tǒng)中直接顯示與實(shí)際外載荷大小值不對(duì)等，因此，在進(jìn)行靜剛度測(cè)定前，首先要對(duì)送入上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定與調(diào)零，三向測(cè)定系統(tǒng)因?yàn)闇y(cè)量的是三向力，所以在標(biāo)定后將三向力整合成一個(gè)合力，如圖5所示，這樣在后續(xù)的計(jì)算中方便調(diào)用各個(gè)數(shù)值。

2.3 數(shù)字信號(hào)處理及靜剛度曲線模塊的設(shè)計(jì)

位移與壓力數(shù)據(jù)采集標(biāo)定之后，編寫(xiě)程序，將采集的位移、壓力信號(hào)值由公式 F頭 =F尾 =1/2F刀，其中 F刀 =F徑等于加載數(shù)值以及公式 K=F/Y得到對(duì)應(yīng)的靜剛度值，靜剛度值的測(cè)定應(yīng)用的是徑向力，如圖6所示程序設(shè)計(jì)中，通過(guò)位移初始值以及運(yùn)行中的測(cè)量值得到位移變化值，與徑向力通過(guò)公式計(jì)算，得到靜剛度數(shù)值。

若在靜剛度測(cè)試系統(tǒng)中選擇測(cè)量三向靜剛度值，有關(guān)程序會(huì)將界面切換至圖4所示界面進(jìn)行有關(guān)測(cè)量，數(shù)據(jù)的記錄、計(jì)算以及三向靜剛度特性曲線的繪制。

在圖7中，數(shù)值 2的初始值為 0，目的是從記錄的第0行數(shù)據(jù)開(kāi)始顯示，加1為了使圖8表格的序列號(hào)碼從1開(kāi)始顯示而不是從 0開(kāi)始。將圖8中表格所需所有數(shù)據(jù)名稱通過(guò)創(chuàng)建數(shù)組以及數(shù)組插入形成數(shù)組表格。通過(guò)索引數(shù)組索引數(shù)組表格中的 1、2、3、6列數(shù)值即 ?Y刀架、?Y床頭、?Y尾座以及徑向力 [14]，由公式 F頭 =F尾=1/2F刀，其中 F刀=F徑等于加載數(shù)值；公式 K=F/Y得到對(duì)應(yīng)的靜剛度值，通過(guò)捆綁以及創(chuàng)建數(shù)組，得到刀架、床頭以及尾座對(duì)應(yīng)的靜剛度曲線。

3 機(jī)床靜剛度測(cè)定實(shí)驗(yàn)

將系統(tǒng)硬件部分與軟件部分連接成功后，運(yùn)行程序，進(jìn)行標(biāo)定以及調(diào)零，施加外載力，觀察上位機(jī)運(yùn)行是否正常，通過(guò)K=F/Y計(jì)算機(jī)床相應(yīng)位置的靜剛度，記錄數(shù)據(jù)，繪制單向或三向靜剛度曲線圖，得到相應(yīng)的結(jié)論，分析機(jī)床的抗形變能力的強(qiáng)弱，對(duì)機(jī)床的實(shí)際工作質(zhì)量能夠有所了解。

通過(guò)圖9、圖10分析可知，單向靜剛度與承載力以及位移的關(guān)系趨近于線性關(guān)系，隨著承載力（徑向力）的增大，位移量也在明顯增大，通過(guò)所得數(shù)據(jù)知刀架靜剛度也在增大，由于外界干擾出現(xiàn)部分誤差導(dǎo)致曲線出現(xiàn)波動(dòng)，但是從曲線可以看出在單向力作用下，刀架的抗變形能力強(qiáng)。

圖6 靜剛度值計(jì)算的程序框圖

圖7 三向靜剛度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄程序框圖

圖8 記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格

圖9 單向靜剛度實(shí)驗(yàn)曲線

圖10 三向靜剛度實(shí)驗(yàn)曲線

三向靜剛度曲線比單向靜剛度曲線復(fù)雜，不再是單純的線性關(guān)系，由于三向力互相之間的限制與干擾，刀架靜剛度在外加力達(dá)到臨界值左右過(guò)程中變化顯著，承載力加大，位移增加速度明顯，靜剛度指數(shù)下降速度顯著，而達(dá)到所能承受力的臨界值以后，按承載力增大的同等速度減小承載力，發(fā)現(xiàn)位移變化速度變小，導(dǎo)致靜剛度指數(shù)下降速度減緩，所以在三向力的相互作用下，刀架的抗變形能力變?nèi)酰差^和尾座的抗變形能力依然較好。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)單向及三向靜剛度的研究，發(fā)現(xiàn)在單向力與三向力的加載下，機(jī)床的抗變形能力曲線顯著不同。分析圖表可知單向靜剛度在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中能反映的問(wèn)題不能說(shuō)明真實(shí)情況，使預(yù)測(cè)生產(chǎn)器件的精密度有較大誤差，而三向靜剛度的研究，使該系統(tǒng)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的實(shí)時(shí)情況能夠反映準(zhǔn)確有效。

目前，靜剛度測(cè)量系統(tǒng)功能相對(duì)單一、不能應(yīng)用一個(gè)系統(tǒng)完成單向及三向靜剛度的測(cè)量，且測(cè)量系統(tǒng)的硬件部分質(zhì)量差，抗干擾能力差，對(duì)實(shí)際機(jī)床靜剛度的真實(shí)抗變形能力的測(cè)量造成較大的影響，對(duì)機(jī)具的精密程度預(yù)測(cè)產(chǎn)生了不利影響，基于 LabVIEW 的機(jī)床靜剛度測(cè)試系統(tǒng)為機(jī)床單向、三向靜剛度的測(cè)量和機(jī)床設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確、快速的環(huán)境。

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