基于LabVIEW 的砂帶磨削力動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉金勇，李煥峰，崔巍

（河南工業(yè)大學(xué)，a.機(jī)電工程學(xué)院，b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450007）

0 引言

為了適應(yīng)新材料的加工，砂帶磨削的應(yīng)用越來越廣泛，但目前關(guān)于砂帶磨削性能的研究，僅局限于砂帶的磨耗量，鋒利度，耐用度等方面的定量分析，沒能從砂帶磨削過程的動(dòng)態(tài)性能方面去研究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究分析，磨削力直接影響砂帶的磨削性能，反映砂帶的鋒利度和耐用度，構(gòu)建砂帶磨削力動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)很有必要。

1 砂帶磨削力動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 砂帶磨削力動(dòng)態(tài)監(jiān)控的組成

基于砂帶磨削特點(diǎn)，從評(píng)價(jià)砂帶的鋒利度和耐用度方面出發(fā)，構(gòu)建砂帶磨削力動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用SDSYB50 砂帶磨削試驗(yàn)機(jī)，磨頭電機(jī)功率5.5 kW，轉(zhuǎn)速1440 r/min，標(biāo)準(zhǔn)試件材料采用45 鋼，規(guī)格尺寸為30 mm×300 mm 圓棒，砂帶線速度為40 m/s，砂帶規(guī)格尺寸為1 524 mm×200 mm，在恒定徑向壓力下測定砂帶磨削過程的切向磨削力。砂帶磨削力動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 砂帶磨削力監(jiān)控反饋系統(tǒng)組成

磨削力動(dòng)態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主要有磨削力信號(hào)獲取與采集模塊，信號(hào)處理運(yùn)算與分析，磨削力數(shù)據(jù)記錄與顯示，信號(hào)的輸出與反饋以及機(jī)械控制裝置組成。其中磨削力信號(hào)的獲取與采集選用S 型拉壓力傳感器、XL2102A 型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集卡組成。信號(hào)處理運(yùn)算與分析主要是利用LabVIEW 軟件豐富的數(shù)據(jù)處理工具，實(shí)現(xiàn)對磨削力信號(hào)的放大、低通濾波等運(yùn)算，進(jìn)而獲得有效的磨削力信號(hào)。

1.2 砂帶磨削力信號(hào)的獲取與采集

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊主要由傳感器、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和數(shù)據(jù)采集卡組成。獲得有效磨削力信號(hào)是數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵，磨削力信號(hào)檢測常用的方法有功率計(jì)算法、壓電晶體法和電阻應(yīng)變片測力法等。傳感器采用DJSX-70B 型拉壓力傳感器，選擇該種傳感器時(shí)需要考慮傳感器的額定載荷、輸出的靈敏度、溫度靈敏飄移等參數(shù)。可以進(jìn)行各種同一軸線的拉壓力測量以及稱重測量。

LabVIEW 虛擬儀器將工業(yè)計(jì)算機(jī)與具有標(biāo)準(zhǔn)接口的測試硬件系統(tǒng)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對測量信號(hào)進(jìn)行采集、分析和處理，信號(hào)顯示與記錄、信號(hào)的輸出等功能。本實(shí)驗(yàn)采用NI 公司推出的LabVIEW 編程軟件組成系統(tǒng)的核心，可以識(shí)別多種相應(yīng)的硬件模塊。

1）本測試系統(tǒng)能夠完成的功能。

a.數(shù)據(jù)采集。這是實(shí)驗(yàn)測試進(jìn)行的第一步，主要完成磨削力信號(hào)能夠輸入到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并能夠?qū)崟r(shí)顯示。利用LabVIEW 進(jìn)行簡單程序的編寫，可以實(shí)現(xiàn)對不同數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行控制，是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集最佳的軟件。

b.信號(hào)記錄。對采集到的磨削力信號(hào)進(jìn)行記錄，并形成一定格式的記錄文件。通過在采集軟件上進(jìn)行簡單的程序編寫，儲(chǔ)存為一定格式的文件進(jìn)行顯示記錄。

c.磨削力實(shí)時(shí)分析和處理。對采集的磨削力進(jìn)行回放，觀察信號(hào)的動(dòng)態(tài)變化，合理調(diào)整磨削力工藝參數(shù)。利用LabVIEW 軟件巨大的數(shù)據(jù)處理分析功能，針對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的選擇XL2102C 型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，該儀器的性能特點(diǎn)是內(nèi)置高精度放大器，A/D 轉(zhuǎn)換器，可以對輸入的磨削力信號(hào)進(jìn)行放大處理，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)顯示，工作穩(wěn)定可靠，采用多通道組合式結(jié)構(gòu)，測量通道可任意選擇，按鍵自動(dòng)平衡，精確調(diào)零，掉電后自動(dòng)保持平衡值，適合測量各種動(dòng)態(tài)變化的信號(hào)。XL2102C 型動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀技術(shù)指標(biāo)通道數(shù)為1～6，橋路電阻為60～1 000 Ω，靈敏度（2V）為500 mV/100 με，輸出電壓±5 V，信噪比＞45 dB，工作溫度范圍：-10～+40℃。

2）數(shù)據(jù)采集卡的選型。

數(shù)據(jù)采集卡是砂帶磨削監(jiān)控裝置于砂帶磨削裝置之間進(jìn)行信息交換的橋梁，在進(jìn)行選擇時(shí)，主要考慮幾點(diǎn)：

a.最大采樣率。最大采樣率決定了能否采集到逼真原始的信號(hào)波形，最大采樣率越大很容易采集到原始信號(hào)，但是成本會(huì)大大增加。根據(jù)采樣定理，當(dāng)采樣頻率2 倍磨削力信號(hào)的頻率時(shí)才能保持原來信號(hào)波形。在進(jìn)行磨削加工實(shí)驗(yàn)時(shí)，磨削力的有效頻率在50 kHz 左右，選擇數(shù)據(jù)采集卡時(shí)必須保證采樣頻率100 kHz。

b.采樣精度。本實(shí)驗(yàn)要求能夠采集到動(dòng)態(tài)變化的磨削力信號(hào)，輸出的電壓變化范圍一般在幾毫伏左右，精度要求較高，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和成本兩方面綜合考慮，數(shù)據(jù)采集卡的采樣精度采用16bit 較為合理。

c.通道數(shù)。是數(shù)據(jù)采集過程中一次采集信號(hào)量的大小，根據(jù)是本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求進(jìn)行磨削力測試，通道數(shù)的選擇為單通道數(shù)據(jù)采集。

d.通訊方式。目前數(shù)據(jù)采集卡的主要通信方式有USB、PCI、PXI 等，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件及采集精度要求，采用USB 通訊方式。

根據(jù)以上幾點(diǎn)要求及實(shí)驗(yàn)需要，本實(shí)驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)采用PCI-6221 數(shù)據(jù)采集卡，可以利用LabVIEW 軟件編程直接驅(qū)動(dòng)硬件設(shè)備，使用簡單，容易操作。

利用LabVIEW 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的流程如圖2 所示。

圖2 磨削力數(shù)據(jù)采集流程

1.3 信號(hào)運(yùn)算處理與分析

磨削力信號(hào)通過傳感器硬件設(shè)備產(chǎn)生的物理量信號(hào)，傳輸?shù)絼?dòng)態(tài)應(yīng)變儀，通過內(nèi)部的放大，低通濾波等處理后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行顯示，使傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的磨削力信號(hào)能夠準(zhǔn)確地識(shí)別和處理，便于數(shù)據(jù)采集信號(hào)的精確測量。該部分主要由測量電路、放大回路、低通濾波回路、顯示裝置及供電電源組成。傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)，通過LabVIEW 軟件的巨大數(shù)據(jù)處理功能，分析和判斷磨削力的變化狀態(tài)。如圖3 所示。

圖3 磨削力信號(hào)顯示

由圖3 數(shù)據(jù)顯示結(jié)果可以看出，在砂帶磨削過程中磨削力的大小受環(huán)境條件和實(shí)驗(yàn)裝置的影響，在徑向恒定壓力為30 N，砂帶速度為50 m/s，測得砂帶磨削的切向力大小為40～90 N，反映出了砂帶磨削力的變化情況，由于剛開始時(shí)磨粒與工件的瞬時(shí)滑擦作用和磨削工況的綜合變化，在磨削力迅速達(dá)到90 N，在以后的加工過程中磨粒不斷被磨損，進(jìn)入正常磨損階段，砂帶磨削力趨于穩(wěn)定，由于加工環(huán)境條件的限制，會(huì)使磨削力的大小在穩(wěn)定值上下浮動(dòng)，通過不同時(shí)間記錄磨削力的大小直接反映了砂帶的耐用度和鋒利度。

1.4 磨削力信號(hào)的分析和識(shí)別

經(jīng)過數(shù)據(jù)采集過程轉(zhuǎn)換得到的磨削力電壓信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集卡對磨削力信號(hào)進(jìn)行采集，通過單通道單任務(wù)輸入方式，進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭_(dá)轉(zhuǎn)換應(yīng)變計(jì)模塊，可以準(zhǔn)確地進(jìn)行應(yīng)變與力之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而通過前面板顯示窗口表達(dá)出磨削力的動(dòng)態(tài)變化，接下來是對磨削力信號(hào)利用LabVIEW 編程軟件強(qiáng)大的識(shí)別，控制和分析功能，豐富的數(shù)據(jù)表達(dá)格式，進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合處理，實(shí)現(xiàn)砂帶磨削力動(dòng)態(tài)過程的監(jiān)控與調(diào)整。對信號(hào)的運(yùn)算過程采用了數(shù)字濾波工具及其他運(yùn)算處理模塊，建立砂帶磨削力與磨削性能之間的函數(shù)關(guān)系，使監(jiān)控系統(tǒng)在磨削階段不同時(shí)刻可以自動(dòng)監(jiān)控砂帶磨削狀態(tài)的變化，并準(zhǔn)確加以識(shí)別判斷。

2 結(jié)論

本文主要論述了利用LabVIEW 圖形化編程語言進(jìn)行砂帶磨削力測試系統(tǒng)的構(gòu)建和測試過程，可以很好地反應(yīng)砂帶磨削性能的變化，并且分析了磨削力的監(jiān)控過程，針對砂帶磨削力的測量方法采用S 型壓力傳感器，并結(jié)合磨削力測試硬件與軟件的合理組合，實(shí)現(xiàn)砂帶磨削力的在線檢測。該檢測系統(tǒng)經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，并在磨削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上運(yùn)行，可以通過檢測砂帶磨削力的變化，指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中砂帶的生產(chǎn)和使用，對延長砂帶的使用壽命和提高工作效率具有重要的指導(dǎo)意義。

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