趙樹忠，李書娜

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063009)

0 引言

目前，國內冶金鋸片磨削厚度的測量、采集、處理與分析一直處于非自動化的狀態(tài)，這種處理手段給工業(yè)生產帶來一定的影響。針對現(xiàn)有的磨床進行技術改造，主要是針對冶金鋸片磨削加工中厚度采集的問題。本文采用DAQ—PC形式，編程部分采用軟件LabVIEW中的采集函數(shù)DAQmx，數(shù)據(jù)采集部分選用美國儀器公司配套的數(shù)據(jù)采集卡NI PCI-6221，以及相應的厚度傳感器等硬件共同搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該采集系統(tǒng)的應用不僅可節(jié)省時間、提高工作效率，而且能夠保證加工精度。

1 設計對象及原理

1.1 冶金鋸片

冶金鋸片一般是指冶金行業(yè)中常用的圓鋸片，主要由基體和鋸齒組成，用于鋼鐵產品管、棒、型材以及冷彎型鋼的在線切割或改尺鋸切等，能夠很好地滿足去頭尾、切定尺的工藝要求[1]。當前國內大部分的平面磨床仍處于半自動化或手動檢測的水平，無法滿足現(xiàn)代磨削加工的要求，若對其進行自動化技術改造，仍能發(fā)揮重要的作用[2]。針對冶金鋸片，若要實現(xiàn)磨削厚度測量的全自動化，則需要在生產過程中邊加工、邊檢測，利用在線檢測技術來提高測量精度[3]。在線檢測技術首先出現(xiàn)在軸承套圈內圓磨削加工中，其應用能夠提高磨削厚度測量的精度，滿足精密加工要求[4]。冶金鋸片磨削厚度測量采集自動化的實現(xiàn)正是利用在線檢測技術來完成的。

1.2 LabVIEW

LabVIEW是由美國國家儀器公司NI開發(fā)的一種圖形化編程軟件，其中虛擬儀器VI采用簡單、直觀的圖形化圖標來完成控制系統(tǒng)的搭建[5]。LabVIEW之所以成為軟件開發(fā)平臺，是因為它可以在多個操作系統(tǒng)(OSs)工作，如Windows、Mac和Linux，具有可擴展性[6]。LabVIEW中有兩個驅動程序用于數(shù)據(jù)采集，分別為傳統(tǒng)NI-DAQ和NI-DAQmx，具體采用哪個與選擇什么型號的數(shù)據(jù)采集卡有關，一般NI產品都可以在兩個程序下工作[7]。本文中開發(fā)的厚度采集系統(tǒng)選用NI PCI-6221卡，采用DAQmx驅動程序。

1.3 NI PCI-6221卡的性能特點

數(shù)據(jù)采集卡種類繁多，根據(jù)不同的加工要求選用不同的采集卡。由美國NI公司生產的數(shù)據(jù)采集卡NI PCI-6221與軟件LabVIEW具有很強的兼容特性，屬于M系列的產品，NI公司中的M系列產品都可以在傳統(tǒng)驅動程序DAQ或DAQmx下完成硬件的驅動。NI PCI-6221卡的模擬輸入為16通道，模擬輸出為2通道，分辨率為16位，模擬輸出的更新率為833 kS/s，采樣率為250 kS/s，同時，數(shù)字I/O為24通道，具有的最大時鐘速率為1 MHz，邏輯電平為TTL，能夠很好地實現(xiàn)厚度數(shù)據(jù)值的采集與傳輸。

1.4 采用程序

在LabVIEW 2014版本中存在傳統(tǒng)驅動程序DAQ和DAQmx的安裝，可根據(jù)自己的需要采用合適的驅動程序。本文中NI PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡的驅動直接調用LabVIEW中的DAQmx程序，采用DAQmx函數(shù)進行編程來滿足自己的設計需求，既簡單又方便。DAQmx中各個函數(shù)如圖1所示。

圖1 DAQmx函數(shù)

本文中系統(tǒng)設計選擇了DAQmx函數(shù)中常用到的3個VI，分別是DAQmx創(chuàng)建、DAQmx讀取和DAQmx清除，下面分別介紹它們各自的功能特點。

(1) DAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)(DAQmx Create Virtual Channel.vi),見圖2。這是一個多態(tài)VI，其功能比較強大，用來創(chuàng)建模擬、數(shù)字以及計數(shù)器信號的輸入和輸出，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的一個重要函數(shù)，采集系統(tǒng)利用此函數(shù)創(chuàng)建虛擬通道用來測量電壓值。從圖2中可以看出，此函數(shù)有許多功能設置。其中，maximum value和minimum value分別表示電壓測量值的最大值和最小值，physical channels表示的是物理通道，選擇什么樣的通道都可以在前面板實現(xiàn)；task in表示創(chuàng)建的虛擬通道需要加入的任務號，即指定加入哪個任務；task out則表示完成任務輸出的參考號；error in表示錯誤輸入；error out表示錯誤輸出。

(2) DAQmx讀取數(shù)據(jù)函數(shù)(DAQmx Read .vi)，見圖3。這也是一個多態(tài)VI。采集系統(tǒng)選用模擬波形單通道N采樣的形式，此函數(shù)返回的是模擬輸入的一維波形數(shù)據(jù)。在圖3中，task/channels in用來指定任務或者通道的輸入；number of samples per channel表示每個通道所采樣的數(shù)量，可根據(jù)需要設置采樣數(shù)；time out表示超時, 用來指定等待采樣的時間；data指數(shù)據(jù)， 返回一維波形數(shù)組。此函數(shù)能夠很好地完成數(shù)據(jù)的讀取任務。

(3) DAQmx 清除任務函數(shù)(DAQmx Clear Task.vi)，見圖4。這是程序設計的第三個應用函數(shù)，主要用來清除任務的一個函數(shù)。其中task in表示輸入任務名。

圖2 DAQmx創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)

圖3 DAQmx讀取數(shù)據(jù)函數(shù)

圖4 DAQmx清除任務函數(shù)

2 采集系統(tǒng)設計

本文以實現(xiàn)冶金鋸片磨削加工中厚度測量的自動化為目的，采用直徑為Φ2 000 mm的圓鋸片進行實驗，根據(jù)工藝特點得到其加工厚度為5 mm～10 mm，加工精度為0.1 mm。若選擇基體加工完成的標準厚度為8.0 mm，誤差范圍是±0.2 mm，則基體厚度h的測量范圍是7.8 mm≤h≤8.2 mm。利用厚度傳感器來測量鋸片厚度，通過NI PCI-6221卡將采集到的數(shù)據(jù)顯示在前面板的波形圖中，如圖5所示。

圖5為采集系統(tǒng)的前面板，可以實時看出厚度值的變化情況。其中控制測量厚度的物理通道選擇的是數(shù)據(jù)采集卡的模擬輸入通道，其接線端配置采用默認情況，當測量值在要求范圍內時，提示燈會變綠，終止開關為“停止”。進行磨削加工時，鋸片的厚度會由原料的初始厚度值不斷地減小，隨著時間的推移，當厚度值達到加工要求7.8 mm≤h≤8.2 mm時，提示燈會變綠，表示完成加工，按下停止開關停止工作，開關關閉，結束工作，換下一片。

圖5 采集系統(tǒng)的前面板

圖6為數(shù)據(jù)采集的程序框圖，在程序框圖中有一個信號調理vi，該程序是用來保證數(shù)據(jù)采集卡采集的測量電壓值與被測物理量厚度值保持相符的一個設計，能夠使測量結果更加精準，使操作人員能夠直觀地觀察到被測量的變化情況。

3 結束語

LabVIEW軟件開發(fā)平臺能夠很好地應用于設計、控制和測試三方面，給用戶帶來了很大的方便。利用LabVIEW進行虛擬儀器系統(tǒng)的搭建，節(jié)約了系統(tǒng)開發(fā)時間，提高了生產效率。采用DAQmx方法設計的冶金鋸片磨削厚度采集系統(tǒng)充分發(fā)揮了LabVIEW的優(yōu)點，該設計不僅可以應用在冶金鋸片生產中，也可以用在其他有關厚度測量的場合。本采集系統(tǒng)的設計還有許多欠缺的地方，仍需進一步完善。

圖6 采集系統(tǒng)的程序框圖

參考文獻：

[1] 郭繼富.冶金鋸片在我國鋼鐵行業(yè)應用綜述[N].中國冶金報,2011-08-04(B02).

[2] 齊江飛.全自動鋸片磨床專用數(shù)控系統(tǒng)的研究與應用[D].武漢：華中科技大學,2013:55-57.

[3] 徐慶松.具有在線檢測功能數(shù)控磨床系統(tǒng)的研究[D].濟南：濟南大學,2011:25-27.

[4] 李偉健.超精密磨床監(jiān)控系統(tǒng)的設計與開發(fā)[D].大連：大連理工大學,2005:65-67.

[5] 趙玉劍,龔邦明.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)處理方法[J].電子測量技術,2006,29(6):99-101.

[6] Chandra B R P,Geevarghese K P,Gangadharan K V.Design and implementation of remote mechatronics laboratory for e-learning using labVIEW and smartphone and cross-platform communication toolkit (SCCT)[J].Procedia Technology,2014,14:108-115.

[7] 范君樂,王竹林.基于DAQmx系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法[J].科學技術與工程,2006,6(16):2555-2557.