基于復合材料的五軸機床動態數據采集系統

甄守樂，閆新華

(諾伯特智能裝備(山東)有限公司，山東 聊城 252000)

0 引言

復合材料具有質輕、高比強、高比模量、耐腐蝕、抗疲勞、可設計性強、易于大面積整體成型等優異的綜合性能，已成為解決結構輕量化，高剛度設計的重要途徑，在航空、航天、軌道交通、汽車等高端裝備制造領域得到廣泛應用。例如，波音B787復合材料使用量為50wt%、空客A350XWB復合材料使用量為52wt%，著名的全球鷹(Global Hawk)無人偵察機復合材料的用量更是高達65wt%，而國產C919客機復合材料結構用量約為20wt%，在使用比例上與國外還是有較大的差距，嚴重阻礙了我國高端裝備產業的快速發展[1-2]。

制約國內復合材料技術發展的因素除了原材料、制造工藝技術相對落后外，針對復合材料切削加工設備技術發展的遲緩也是重要原因之一。以碳纖、玻纖為代表的復合材料屬于難加工材料，對加工技術與設備有著嚴苛的要求。國外對于復合材料切削加工裝備的研究起步早，在生產實踐中積累了豐富的數據和經驗，開發出了系列高端專用加工設備。但是因屬于核心機密，公開發表文獻極少。針對國內復合材料加工領域目前所面臨的困境，能適應大尺度、柔性、高效復合材料加工的復合材料五軸加工機床的研發成為迫切需求。

公司通過自主創新，開發了多款擁有自主知識產權的復合材料五軸加工機床，在中低端市場對進口設備具有明顯優勢。但在高端應用領域，與國外設備相比還存在著效率低、精度差、振動大等突出問題。面對此領域國內外可參考數據庫匱乏的困境，必須通過實驗逐步建立屬于自己的機床基礎數據庫。

現代測試系統主要有智能儀器、自動測試系統、虛擬儀器三大類。其中，基于PC的虛擬儀器因具有性能高、擴展性強、開發時間短、出色的集成性等優點成為當前測試領域的技術熱點。LabVIEW軟件作為虛擬儀器領域，開發最早的軟件開發環境，其以圖形化、模塊化G語言編程環境而著稱，受到工業界、學術界和研究實驗室廣泛推崇，已成為追求低成本、高效率、高靈活性軟化開發者的首選[3]。

基于以上因素，以LabVIEW為平臺設計開發了一套復合材料五軸加工機床動態數據采集系統，豐富機床數據庫，為復合材料五軸加工中心研發提供可靠的數據支持。

1 系統整體架構

復合材料五軸加工機床動態數據采集系統，主要以機床的振動、高速電主軸溫度以及兩者之間，及其與工程實際(精度、進給速度、吃刀量、產品材料等)之間的參量關系為研究對象，實現對機床振動、溫度數據的監測、實時采集、閾值采集、極限報警反饋等功能。系統架構如圖1所示，主要包括振動監測模塊、RTD溫度監測模塊、數據采集調理模塊、操控模塊和反饋控制模塊。

圖1 系統架構圖

2 系統硬件設計

數據采集卡、傳感器作為本虛擬儀器系統的重要組成構件，其與工程需求的吻合程度及自身性能的優劣直接決定著系統的最終性能。

2.1 機床振動、溫度特點研究

復合材料五軸加工機床做為非金屬加工領域的專用機床，其精簡的焊接床身結構、復合材料工件簡易的裝夾固定方式以及工件本身薄壁剛性差的物理特點，致使其加工中存在著比金屬切削機床更復雜的振動問題，如表1所示[4-5]。

表1 復合材料五軸加工機床主要振動

高速電主軸作為復合材料五軸機床的核心部件，在20 000～50 000 r/min甚至更高的轉速下，會形成一個復雜的溫度場，尤其是針對碳纖、玻纖等典型難加工材料，有著突出的發熱問題[6]。研究表明，主軸熱變形引起的加工誤差已到達零件總誤差的60～80%[7]。

本文針對主軸熱態特性、振動以及機床溫振耦合對加工精度的影響，搭建數據采集平臺推動機床迭代更新的研究。

2.2 采集卡、傳感器選擇

基于對工程實際需求、監測點數量(輸入通道數)、采樣頻率、量程、輸入阻抗、A/D轉換器分辨率以及經濟指標的綜合考量，以NI cDAQ9174機箱為基礎集成9234、9217采集卡、PCB壓電式加速度傳感器(三軸和單軸兩種型號)、PT100溫度傳感器(貼片式和探針式兩種型號)搭建了本系統的硬件部分。

NI cDAQ9174機箱支持熱插拔USB總線，可以直接與筆記本電腦連接，極大的方便了工程現場的即插即用。同時， 9234、9217采集卡可自動檢測接入傳感器類型，分別為IEPE測量和RTD測量提供激勵電流，無需額外配件即可進行數據采集，簡化了硬件結構環節。本監測系統總重量約3 kg，方便攜帶，具有廣泛現場適用性，有利于在實驗室、組裝車間、客戶加工現場等多場景獲取數據，豐富、完善數據庫。

3 系統軟件設計

3.1 程序算法

軟件算法是程序設計的核心問題，且不同的算法有著顯著的領域適用性特點，選擇一種與工程匹配的算法是軟件功能、效率、可靠性、易移植性的必要保障。本系統采用了模塊化的編程方式，算法流程如圖2所示。

圖2 程序算法流程圖

3.2 程序設計

LabVIEW程序具有數據流控制下自動多線程并行執行的顯著屬性。所以程序設計的核心是通過數據流驅動以While循環、For循環、條件結構、事件結構等構建完成的各種并行、嵌套、混合程序模塊按照既定的順序有次序執行。

LabVIEW首先引入的TDMS(Technical Data Management Streaming)數據管理技術，讓快速存儲、查詢、采集數據管理成為可能。TDMS文件以二進制方式存儲數據，存儲速度能達到600 MB/s，同時兼具二進制文件(文件小、速度快)和關系型數據庫文件的優點[11]。

本系統程序以順序結構與模塊化子VI組合的方式搭建，這樣既可以利用順序結構簡單易讀的優點，又可以避免順序結構在程序執行過程中可控性差的缺點。主程序主要實現程序賬戶管理功能。而采集、存儲、報表生成等均在子VI下完成，且存儲、數據查詢程序為采集子VI下的二級子VI。

圖3為采集子VI架構圖。因采集過程中，程序需隨時響應操作人員進行采樣參數配置、閾值設置等操作而發出的暫停采集命令。所以，程序執行過程中至少有采集、待機、退出三種狀態。而狀態機是實現這一算法最直接有效的方式。本程序將采集、待機、退出等每個任務都作為獨立分支嵌入在帶有移位寄存器的While循環所包圍的Case結構中，程序可按操作指令實現在現態、次態下的高效遷移。

超閾值報警信號段是分析設備性能的關鍵數據，也是數據采集、查詢的重要目標。針對報警信息，程序設計中引入了生產者/消費者結構，其雙While循環與隊列(Queue)組合的程序結構模式，可以保證 “生產者”(數據采集)和“消費者”(報警信息顯示、存儲)兩程序模塊的獨立高速并行[8]。在隊列引用中，為保證“生產”端元素入隊列的暢通無阻，將其屬性值設為“-1”(無限大)，避免了因隊列空間受限元素溢出而造成的報警信息丟失。

圖3 采集子VI架構圖

4 在NF5-XXX機型中的應用

系統搭建完成后，選定公司所研NF5-XXX型復合材料五軸加工機床為被測對象進行系統測試，測點布置如表2所述。為提高監測數據的全面性和可信度，所有PCB加速度傳感器均采用了強磁磁座和云母墊片組合式的安裝方式，在滿足“即測即裝”工程測試需求的同時，磁座下面的云母墊片還可以降低靜電等對測量結果的干擾。機床切削端的振動情況即可代表機床的振動烈度。因此，將三軸PCB壓電式加速度傳感器傳感器布置在切削端，可以無差別的測得切削端X、Y、Z三方向的振動信號，能更好的支持后期進行信號相關性頻譜分析；2個單軸PCB加速度傳感器則布置在振動較小的床身和平臺。

電主軸高溫區域主要集中在前后軸承和轉子鐵芯部分[9-11]。為使熱電阻的測端與被測介質間有充分的熱交換，在主軸前后軸承處各布置了2處貼片式RTD傳感器。另外，在主軸冷卻水回水端布置了1處探針插入式溫度檢測點。

圖4為本系統采集(監測)到的動態數據信號。讀圖可知，機床切削端X、Y、Z三方向振動較大，工作臺尤其是床身抑振性良好。主軸前后端軸承位置溫度相對穩定。系統所獲數據，蘊含的復雜機床狀態信息，會在后面的信號分析處理中被逐一解析出，從而為機床迭代升級提供強大的基礎數據支撐。

表2 測點布置表

圖4 NF5-XXX數據采集圖

5 結束語

系統的搭建完成和在復合材料五軸機床動態數據采集上的成功應用，開啟了復合材料五軸機床縱向探索的新途徑，為機床振動抑制、結構設計、主軸溫控等多方面的應用研究提供了重要的數據依據。同時在系統搭建、數據采集方面也具有一定的借鑒意義和參考價值。