常京龍(天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，天津300400）

鑫 龍(沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110168）

切削復(fù)雜形狀的難加工薄壁零件時(shí)，必須設(shè)置合理的加工工藝參數(shù)并使機(jī)床處于最佳工作狀態(tài)，嚴(yán)格控制影響加工精度和效率關(guān)鍵因素，尤其是避免系統(tǒng)振動(dòng)造成加工零件精度降低甚至報(bào)廢，因此必須對(duì)機(jī)床進(jìn)行在線檢測(cè)。目前機(jī)床在線監(jiān)測(cè)在發(fā)達(dá)國(guó)家得到比較廣泛的研究與應(yīng)用，國(guó)內(nèi)對(duì)該研究和應(yīng)用還處于起步階段[1-2]。

虛擬儀器是現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的最新成果，只要對(duì)計(jì)算機(jī)輔以少量的數(shù)據(jù)采集硬件并編制相應(yīng)軟件，計(jì)算機(jī)就能作為測(cè)量?jī)x器使用，即 “軟件就是儀器”[3-4]。目前LabVIEW是應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的大型虛擬儀器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其徹底改變了測(cè)試技術(shù)的面貌[5-7]。

在加工過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)反映加工中心實(shí)時(shí)狀態(tài)和機(jī)床工作狀態(tài)正常與否[8-9]。將加工工藝和加工質(zhì)量與振動(dòng)信號(hào)參數(shù)建立聯(lián)系并設(shè)定坎值，當(dāng)?shù)毒哒駝?dòng)參數(shù)超出坎值范圍，表明磨損嚴(yán)重，必須調(diào)整或更換刀具；當(dāng)?shù)毒哒駝?dòng)參數(shù)在坎值范圍之內(nèi)時(shí)表明機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)正常，工件表面粗糙度能夠滿足要求，否則工件表面粗糙度不合格。為此，筆者在構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)上利用LabVIEW設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)虛擬儀器并驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)置

硬件設(shè)置以USB2002數(shù)據(jù)采集卡為基礎(chǔ)，選擇剪切式壓電加速度傳感器及其電荷放大器，同時(shí)配置光電傳感器與倍頻編碼器、壓力傳感器及電荷放大器、溫度傳感器和現(xiàn)場(chǎng)PC機(jī)。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

振動(dòng)傳感器實(shí)時(shí)拾取主軸、刀具、床身、工作臺(tái)和工件的振動(dòng)信號(hào)，所測(cè)電信號(hào)經(jīng)振動(dòng)電荷放大器傳送給數(shù)據(jù)采集卡；光電傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)床主軸、刀具的旋轉(zhuǎn)周期信號(hào)后經(jīng)倍頻編碼器輸送給數(shù)據(jù)采集卡；壓力傳感器檢測(cè)加工系統(tǒng)中刀具、床身、滾珠絲杠和各軸的壓力信號(hào)，并經(jīng)壓力電荷放大器輸入數(shù)據(jù)采集卡；溫度傳感器接收滾珠絲杠、刀具及各軸的加工溫度變化信號(hào)后傳送給數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡將以上模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)輸送給計(jì)算機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí)通過(guò)Access數(shù)據(jù)庫(kù)利用VB6．0作為開(kāi)發(fā)工具，重點(diǎn)是利用LabVIEW語(yǔ)言編制頻譜分析系統(tǒng)。

2．1 數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊包括測(cè)點(diǎn)管理和數(shù)據(jù)管理2部分。數(shù)據(jù)采集前必須建立一個(gè)或多個(gè)測(cè)點(diǎn)，并對(duì)傳感器靈敏度合理設(shè)置。采集前一般進(jìn)行傳感器、通道數(shù)、分析頻率、采樣點(diǎn)數(shù)、高通設(shè)置、抗混設(shè)置、放大倍數(shù)、觸發(fā)源等參數(shù)的設(shè)置，也允許采集時(shí)動(dòng)態(tài)改變所設(shè)定參數(shù)。采集的數(shù)據(jù)按測(cè)點(diǎn)存儲(chǔ)和管理，數(shù)據(jù)采集后不允許添加和修改，可以查詢、刪除和打印。數(shù)據(jù)采集設(shè)置如圖2所示。

2．2 數(shù)據(jù)采集與分析模塊

圖2 數(shù)據(jù)采集設(shè)置圖

圖3 數(shù)據(jù)采集圖

圖4 時(shí)域分析圖

該模塊完成數(shù)據(jù)連續(xù)采集、存儲(chǔ)和分析，數(shù)據(jù)采集如圖3所示。系統(tǒng)可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域分析、頻域分析、相關(guān)分析和概率分析：①時(shí)域分析。通過(guò)時(shí)域分析獲取信號(hào)時(shí)間波形，并提取平均值、有效值、峰值、峰峰值特征參數(shù)，獲得波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、裕度指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、峭度指標(biāo)等。時(shí)域分析如圖4所示。②頻域分析。將采集的復(fù)雜的時(shí)域波形，經(jīng)傅立葉變換得到若干單一的諧波分量，獲得信號(hào)的頻率結(jié)構(gòu)，反映各諧波幅值和相位信息，直接得到6個(gè)最大頻率及幅值參數(shù)。頻域分析如圖5所示。③相關(guān)分析，包括自相關(guān)分析和互相關(guān)分析。自相關(guān)分析主要用于判定原信號(hào)的性質(zhì)和隨機(jī)信號(hào)識(shí)別，也能夠作為故障診斷的依據(jù)；互相關(guān)分析用于時(shí)間滯后判定、傳輸通道識(shí)別和檢測(cè)外界噪聲。④概率分析。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)采集數(shù)據(jù)選擇概率密度還是分布函數(shù)確定概率分析分布類型。

圖5 頻域分析圖

2．3 趨勢(shì)分析模塊

該模塊主要針對(duì)時(shí)域波形的多種參數(shù)量值進(jìn)行趨勢(shì)分析，除前述的時(shí)域參數(shù)及指標(biāo)外，還包括1倍頻、2倍頻和3倍頻狀態(tài)量的趨勢(shì)分析。

2．4 數(shù)據(jù)回放模塊

該模塊用于倒覽各種采集到的數(shù)據(jù)，可以調(diào)入存儲(chǔ)的采集數(shù)據(jù)及波形，提供時(shí)域采集回放及查詢、分析、打印。

2．5 人工智能專家系統(tǒng)和報(bào)警顯示模塊

報(bào)警單元核心是人工智能專家系統(tǒng)，采集分析的信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)人工智能專家系統(tǒng)確定能夠準(zhǔn)確反映當(dāng)前狀態(tài)的參數(shù)，并判斷是否在坎值范圍之內(nèi)；如果超出坎值范圍立即報(bào)警顯示，提示操作者進(jìn)行人工干預(yù)，采取相應(yīng)措施避免設(shè)備損壞和保證加工質(zhì)量，同時(shí)補(bǔ)充完善專家系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)。

3 在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

選用數(shù)控銑床進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，工件材料A3鋼，選用高速鋼鉆頭；用在線檢測(cè)儀采集工件振動(dòng)加速度信號(hào)；用工具顯微鏡測(cè)量鉆頭磨損、破損形貌。監(jiān)測(cè)得到刀具振動(dòng)信號(hào)幅值譜波形如圖6所示。

由圖6（a）可知，正常加工時(shí)工件振動(dòng)幅值較小，振動(dòng)加速度最大值是0．4324m／s2；由圖6（b）可知，隨著進(jìn)給速度的加大，工件振動(dòng)明顯加快，振動(dòng)加速度最大值為0．7017m／s2；由圖6（c）可知，刀具破損時(shí)工件振動(dòng)迅速增強(qiáng)，振動(dòng)加速度最大值達(dá)到2．1146m／s2。上述現(xiàn)象說(shuō)明加工時(shí)工件振動(dòng)幅值與切削參數(shù)和刀具工作狀態(tài)內(nèi)在相關(guān)，工件振動(dòng)幅值反映了刀具磨損狀態(tài)。該試驗(yàn)表明，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠，利用在線監(jiān)測(cè)技術(shù)能有效監(jiān)控機(jī)床加工工作狀態(tài)。

圖6 振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)幅值譜波形圖

4 結(jié) 論

1）合理選擇傳感器的類型和采集卡的型號(hào)是設(shè)計(jì)在線監(jiān)控系統(tǒng)的前提。

2）基于LabVIEW的頻譜分析是在線監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心。

3）利用監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施機(jī)械加工在線檢測(cè)能夠有效監(jiān)測(cè)刀具磨損狀態(tài)、保證加工質(zhì)量、避免機(jī)械設(shè)備損壞和零件報(bào)廢。

[1]郭杰，梁睿君 ．基于虛擬儀器的高速銑削在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) [J]．制造技術(shù)與機(jī)床，2008（9）：31-34．

[2]李凌 ．發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械加工設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)策略研究 [D]．上海：上海交通大學(xué)，2007．

[3]張禮勇，張鵬 ．基于虛擬儀器技術(shù)的頻譜分析儀的設(shè)計(jì) [J]．哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，14（5）：20-22．

[4]孫旭東 王愛(ài)玲 ．基于LabVIEW的數(shù)控加工虛擬在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究 [J]．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2006（2）：99-101．

[5]劉權(quán)，郭迎福，張?jiān)嚼?，?．基于LabVIEW的懸臂梁固有頻率測(cè)試研究 [J]．電子測(cè)量技術(shù)，2009（9）：85-88．

[6]王文 ．基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集檢測(cè)處理系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) [D]．西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007．

[7]馮曉婷，李杏華，樊玉銘 ．基于LabVIEW及NIDAQmx的壓延機(jī)在線測(cè)厚系統(tǒng) [J]．機(jī)床與液壓，2010（5）：73-76．

[8]劉世杰，王雅萍，朱目成，等 ．基于LabVIEW平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng) [J]．煤礦機(jī)械，2010（1）：155-158．

[9]陳長(zhǎng)征，梁樹(shù)民 ．兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷 [J]．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（3）：277-280．