基于LabVIEW和PXI的切削力實時測控系統研究*

曹昌勇

(皖西學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。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控，已經成為從事機械加工與研究領域的共知。無論是傳統的機械加工方式和還是現今特種切削加工，為了保證零件的加工質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進行仿真和優化。

在切削力測量中常用測力儀把被測切削力轉化為電信號并通過數據采集卡輸入到計算機中，計算機對采集的數據進行分析處理并顯示。在傳統的計算機測控系統中后續的分析、處理部分一般都是在通用的軟件編程環境下(如：VC、VB等)編制而成，系統的開發周期長、編程難度大，而且沒有充分發揮計算機的強大通信功能和數據處理功能。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。同傳統的編程語言相比，采用LabVIEW圖形編程方式大大的節省了系統的開發時間；該軟件除了具備其他語言所提供的常規函數功能外，還集成了大量的生成圖形界面的模板，豐富實用的數值分析、數字信號處理功能，以及多種硬件設備驅動功能(包括RS232、VXI、PXI和數據采集卡等)。另外，免費提供的幾十家儀器廠商的數百種源碼級儀器驅動程序，可為用戶開發儀器控制系統時節省大量的編程時間和開銷。利用虛擬儀器技術在線采集和處理多種切削參數，并對切削過程監控，具有很大的優越性。VI已經是當今計算機輔助測控領域中的一項重要技術。

1 系統總體方案設計

系統總體設計方案如圖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換為電信號，經信號調理電路，由數據采集卡進行A/D轉換和數據采集，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，實現對信號的顯示、存儲和分析。

2 系統硬件結構

2.1 系統組成

系統結構如圖1所示，這是一個由信號采集與調理模塊(如：CXI-1520)、PXI-6070E數據采集卡和PXI-8330接口卡(MXI-3技術)組成的實時數據采集系統。在這個系統中，由于采用了PXI和MXI-3總線技術，因此能夠充分保證實時數據采樣時的帶寬要求。

本測控系統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個夾在其橫截面內的三向壓電石英傳感器構成，可以完成切削力的靜、動態測試，獲得3個互相正交的分量(Fx，Fy，Fz)。分量由3根引出線經3個電荷放大器、接線端子板的3個通道，并通過數據采集卡進行A/D轉換供計算機處理，數據采集結果在虛擬儀器面板上顯示并存入數據庫。

數據采集卡是本系統硬件的核心，它主要完成數據的采集、A/D轉換和存儲。考慮到采樣頻率、輸入精度、A/D轉換速度以及分辨率等技術指標，本系統采用PXI-6070E數據采集卡。其主要性能指標：PXI-6070E為一個12位多功能數據采集卡，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。信號調理模塊采用SCXI-1102B，具有32個差分輸入通道，可調理各種熱電偶信號、毫伏、伏、4～20 mA、0～20 mA的輸入信號，每個通道可獨立設置(1或100倍)放大倍數200 Hz低通濾波，333 kSa/s掃描率。

2.2 PXI和MXI-3技術

PXI是1997年NI公司發布的一種全新的開放性、模塊化儀器總線規范，是PCI在儀器領域的擴展(PCI eXtensions for Instrumentation)。它將CompactPCI規范定義的PCI總線技術發展成適合于試驗、測量與數據采集場合應用的機械、電氣和軟件規范，從而形成了新的虛擬儀器體系結構。制訂PXI規范的目的是為了將臺式PC的性能價格比優勢與PCI總線面向儀器領域的必要擴展完美地結合起來，形成一種主流的虛擬儀器測試平臺。MXI-3技術是一種PCI總線之間的軟硬件透明的高性能連接技術，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對PXI系統的直接控制。MXI-3技術也提供了最高可達1.5 Gb/s的串行數據連接。該轉向架測試平臺采用具有PXI和MXI-3技術的NI公司產品建立測試系統，與使用傳統的測試技術相比，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 系統軟件設計

基于LabVIEW系統中，軟件設計已經成為了基于虛擬儀器技術的測試系統的關鍵環節。尤其是對于采用了NI公司的PXI測試設備的測試系統，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開發上。在本系統開發中，我們采用LabVIEW作為編程語言。它能與NI公司的硬件設備達到無縫結合，是首選的開發工具。

3.1 數據采集、處理及顯示

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

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、處理分析、輸出、顯示和存儲。該軟件包括儀器驅動程序、應用程序和軟面板程序。

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。然而PXI規范要求廠商而非用戶來開發標準的設備驅動程序，使PXI系統更容易集成和使用。縮短了系統的開發周期。

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。本系統應用程序包括三向切削力數據采集與存儲、切削力波形顯示等。應用程序在Windows操作系統下利用LabVIEW開發平臺編寫。LabVIEW提供了強大的數據采集產品軟件支持，通過軟件控制DAQ卡完成模擬信號的數據采集，將外部模擬信號通過數據采集卡的A/D功能轉化為數字信號。通過數據標準總線，采集到計算機中。根據不同的需要將采集到的數據進行分析、計算并將結果送往屏幕顯示。

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儀器面板相似的圖形界面，用于顯示測量的結果等。用戶可以通過鍵盤或鼠標實現對虛擬儀器前面板上的開關和按鈕進行各種操作，模擬傳統儀器，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界面如圖2所示；其功能實現的數據采集模塊主要程序如圖3所示。

3.2 數據存儲功能的實現

在本系統開發中，對采集到的數據不僅能實現顯示、處理分析等功能，更重要的是能完善切削力測量數據庫。因為通過對大量數據的分析、推理才能正確反映刀具參數指標。并且有了數據庫便易于實現數據共享，為今后實現網絡化切削監控打下基礎。

在本系統中采用了SQL Server 2000數據庫管理系統，它具有強大的關系數據庫的創建、開發、設計及管理等功能。它具備完整的面向對象模型、嚴謹的數據庫結構和友好的用戶界面，不僅擁有良好的整合環境，更提供各式各樣易學易用的工具。LabVIEW具有專門的數據庫接口工具包可以和該數據庫相連。

在這可以使用LabVIEW提供的Write To Spreadsheet File.vi來實現存儲。其特點是把數據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，可以只存儲數據列，而對數據時間的存儲，采用在進行數據存儲前，向存儲文件寫入一個包含數據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，就能計算出每個數據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 結語

本系統經過仿真和現場調試，已初步達到了預期的設計要求。通過PXI總線實現對各傳感器信號的采集以及輸出裝置的控制，使得系統十分容易構建，布線安裝十分方便；同時，系統抗干擾能力強、可靠性高、實時響應性好。基于LabVIEW和PXI的切削力實時測控系統具有良好的可擴展性，易于實現對各分系統的集中監測和管理。本文所開發的切削力虛擬測控系統已經達到實用程度，只要稍作改進，也可應用于其它切削參數(如切削溫度、主軸轉速、功率等)的測量。隨著對虛擬儀器軟件技術的深入研究，相信它在機械加工過程監控中將會發揮更大的作用。

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