基于Lab VIEW的數(shù)控中小孔內(nèi)圓磨床監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

盧文輝， 沙杰， 李愛民

（河南工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，鄭州450000）

0 引言

數(shù)控中小孔內(nèi)圓磨床常用來做精密配合偶件中零件內(nèi)孔的精密磨削設(shè)備，由于零件內(nèi)孔精度要求高，磨削條件差，磨削效率和磨削質(zhì)量常常引起用戶的高度關(guān)注。內(nèi)圓磨床在磨削時，因采用手工方式對刀，為安全起見，常使砂輪工進起始點與初磨點之間有一段安全距離，因而導(dǎo)致空行程時間長，嚴重制約內(nèi)圓磨削效率。除此之外，內(nèi)圓磨床在工作中還存在諸多的不足，如缺乏對加工過程的動態(tài)監(jiān)測，缺乏對突發(fā)故障的調(diào)整等。鑒于以上原因，構(gòu)建內(nèi)圓磨床監(jiān)控系統(tǒng)，使內(nèi)圓磨床具有自動對刀磨削、磨削狀態(tài)監(jiān)測、磨削防碰撞等功能，提升數(shù)控中小孔內(nèi)圓磨床的加工性能。

1 數(shù)控中小孔內(nèi)圓磨床監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 功能設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)在Z2-014數(shù)控中小孔精密內(nèi)圓磨床平臺上開發(fā)完成。該監(jiān)控系統(tǒng)以計算機為核心，利用LabVIEW虛擬儀器構(gòu)建了界面友好、操作方便的數(shù)控內(nèi)圓磨床監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能為在線狀態(tài)下對磨削信號進行實時采集、顯示、處理、分析等及在離線狀態(tài)下對采集的波形進行回放分析，其內(nèi)圓磨床監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件選擇

通常用于磨床的信號檢測方法有磨削力檢測法、功率檢測法、聲發(fā)射檢測法。由于內(nèi)圓磨床磨削條件限制，磨削力檢測法及功率檢測法均存在檢測障礙，故采用聲發(fā)射檢測法。依據(jù)聲發(fā)射檢測的要求，系統(tǒng)硬件配置有AE傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡等。其中，硬件的參數(shù)和性能對系統(tǒng)的可靠度和穩(wěn)定性尤為重要，如AE傳感器的靈敏度、頻率范圍、諧振頻率等參數(shù)關(guān)系到系統(tǒng)采集的信號是否有效；前置放大器的放大倍數(shù)關(guān)系到系統(tǒng)采集的信號強度大小；數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率關(guān)系到系統(tǒng)采集的信號是否準(zhǔn)確。對此，結(jié)合AE傳感器、前置放大器、數(shù)據(jù)采集卡的選型要求、內(nèi)圓磨床磨削特點及磨削AE 信號頻率范圍（100~400 kHz）［1］對硬件進行選型。其中，AE傳感器的型號為PXR30型，諧振頻率為300 kHz，頻寬為80～400 kHz，靈敏度為>60 dB；前置放大器的型號為 PXPAⅡ型，頻帶寬度為15～2 MHz，增益為 40 dB，噪聲為2.7μVRMS；數(shù)據(jù)采集卡的型號為NI-PCI 6250型，通道數(shù)為16，采樣率為1MSPS，采樣精度為16bit，通訊方式為PCI。

圖1 內(nèi)圓磨床監(jiān)控系統(tǒng)功能框圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

LabVIEW是美國NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺。此軟件功能強大，采用圖形化編程方法，程序編寫容易，且該軟件可以與多種帶總線接口的電子儀器或插件單元通訊，利用此功能編寫系統(tǒng)程序性能穩(wěn)定、靈活、開放。故此，采用LabVIEW編寫內(nèi)圓磨床監(jiān)控軟件。監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計時，為了界面友好、操作方便、程序快速運行、調(diào)試方便等，將系統(tǒng)軟件分為主系統(tǒng)與子系統(tǒng)。主系統(tǒng)的功能為調(diào)用子系統(tǒng)及退出監(jiān)控系統(tǒng)。子系統(tǒng)有在線監(jiān)控與離線分析兩部分，在線監(jiān)控主要實現(xiàn)自動對刀磨削、磨削過程監(jiān)視及磨削防碰撞功能，即參數(shù)設(shè)置完成后，在正常磨削狀態(tài)下監(jiān)控系統(tǒng)通過信號采集、信號處理分析、狀態(tài)決策等軟件模塊，將工件與砂輪接觸狀態(tài)實時反饋給機床PLC，進而控制機床實現(xiàn)自動磨削與保護；離線分析主要是對采集的信號進行回放以便于更精確地分析機床加工狀態(tài)及故障檢測。其內(nèi)圓磨床監(jiān)控系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 內(nèi)圓磨床監(jiān)控系統(tǒng)流程圖

2.1 系統(tǒng)界面設(shè)計

用戶界面是用戶與監(jiān)控系統(tǒng)溝通的唯一途徑，良好界面可以使用戶易于了解、使用監(jiān)控系統(tǒng)功能及心情愉悅。對此，主系統(tǒng)與子系統(tǒng)界面在設(shè)計時依據(jù)用戶心理、操作習(xí)慣等，盡量減少面板上元素，并將其歸類劃分，使界面簡單、清晰、易于感知。根據(jù)主系統(tǒng)功能可知，主系統(tǒng)界面上的功能應(yīng)有進入在線監(jiān)控按鈕、進入離線分析按鈕、系統(tǒng)停止按鈕、標(biāo)簽等。將主系統(tǒng)界面上的功能通過歸類、美化等操作，最終設(shè)計的主系統(tǒng)界面如圖3所示。

圖3 內(nèi)圓磨床監(jiān)控系統(tǒng)主系統(tǒng)界面

由在線監(jiān)控作用可知，在線監(jiān)控界面應(yīng)具備的功能有：采集參數(shù)設(shè)置控件、濾波參數(shù)設(shè)置控件、閾值設(shè)置旋鈕、波形圖表、狀態(tài)指示燈等；由離線分析作用可知離線分析界面應(yīng)具備的功能有：調(diào)速旋鈕、波形回放按鈕、停止按鈕、波形圖表等。將子系統(tǒng)面板上的功能進行歸類、美化，其設(shè)計結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 在線監(jiān)控界面

圖5 離線分析界面

2.2 系統(tǒng)程序設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計包括界面設(shè)計和后臺程序設(shè)計，良好的后臺程序規(guī)劃設(shè)計是保證系統(tǒng)軟件運行快速、穩(wěn)定、可靠的關(guān)鍵。由于主系統(tǒng)程序相對簡單及篇幅所限，本文對子系統(tǒng)主要功能（信號采集、信號分析、反饋監(jiān)控、波形回放）的后臺程序設(shè)計進行闡述。

2.2.1 信號采集

信號采集是在傳感器將聲信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的基礎(chǔ)上對電壓信號進行采集。主要采用DAQmx節(jié)點控制DAQ設(shè)備完成信號的采集。具體方法為：首先用DAQmx Ceat Virtual Channel函數(shù)創(chuàng)建一個采集電壓的虛擬通道，再者用DAQmx Timing函數(shù)設(shè)置采樣頻率、采樣點數(shù)、采樣模式，并創(chuàng)建緩沖區(qū)，進而用DAQmx Read函數(shù)讀取采樣，并用波形圖表對讀取的數(shù)據(jù)進行顯示，其編寫的后臺程序及采集的信號如圖6、圖7所示。

圖6 信號采集程序

圖7 采集的信號

2.2.2 信號分析

信號分析是采用計算輸入信號的均方根值（RMS），并提取最大均方根值的方法，主要采用幅值和電平測量函數(shù)及Array Max&Min函數(shù)實現(xiàn)。具體方法為：利用幅值和電平測量函數(shù)計算出濾波后信號的均方根，并用Get Waveform Components函數(shù)獲取均方根值，進而用Build Array函數(shù)將數(shù)值轉(zhuǎn)化為數(shù)組，最后用Array Max&Min函數(shù)提取數(shù)組中的最大值。其信號分析程序及分析后的信號如圖8、圖9所示。

圖8 信號分析程序

2.2.3 反饋控制

反饋控制是當(dāng)采集信號的特征值超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，監(jiān)控系統(tǒng)基于MODBUS通訊協(xié)議實現(xiàn)計算機與PLC的通訊，進而對機床進行實時控制。主要采用比較函數(shù)節(jié)點及串口VI函數(shù)包實現(xiàn)。此部分包括閾值判斷程序及通訊程序，其中閾值判斷程序通過比較函數(shù)節(jié)點即可實現(xiàn)特征值與閾值的比較。計算機與PLC的通訊需要依據(jù)通訊格式編寫，其通訊程序編寫方法如下：首先用VISA Configure Serial Port函數(shù)配置串行通訊的參數(shù)，包括波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶檢驗等，其次用VISA Write函數(shù)將通訊指令寫入到PLC中，再者用VISA Read函數(shù)讀取PLC返回的信息。最終反饋控制程序如圖10所示。

圖9 分析后的信號

2.2.4 波形回放

波形回放是對采集的信號進行回放，以便于離線分析及機床故障排查。其主要方法為：首先，通過文件對話框節(jié)點確定讀取文件的路徑；其次，通過TDMS Open函數(shù)打開保存的TDMS文件；第三，通過TDMS Read函數(shù)和波形圖表讀取并顯示指定TDMS文件中的數(shù)據(jù)；最后，通過TDMS Close函數(shù)關(guān)閉打開的TDMS文件。其離線分析程序如圖11所示。

圖11 波形回放程序

3 結(jié)語

本課題完成了數(shù)控內(nèi)圓磨床監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計、硬件選型及在LabVIEW軟件平臺上編寫了界面友好、操作方便、程序良好的數(shù)控內(nèi)圓磨床監(jiān)控系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了信號采集、處理分析、反饋控制、離線分析等功能。實際應(yīng)用表明，監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)，對數(shù)控內(nèi)圓磨床磨削效率的提升及磨削過程的監(jiān)視均提供了良好的解決方案，為數(shù)控中小孔內(nèi)圓磨床加工性能的研究提供了一定的實踐探索。

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