王繼偉，王家勝，呂寶君，白青實(shí)，李新成

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東青島 266109)

車床靜剛度是衡量車床性能的重要指標(biāo)之一，它是指車床抵抗靜載荷作用下的變形能力[1]。目前，車床靜剛度測量方法包括弓形架靜態(tài)加載法和生產(chǎn)法兩種：第一種方法阮玉鎮(zhèn)[2]、孫選等[3]、徐慧蓉等[4]及作者[5-6]已有較深入的研究；第二種方法通常采用千分尺分別測量試件加工前后同一位置的尺寸誤差[7]，利用誤差復(fù)映系數(shù)和工藝系統(tǒng)剛度公式計(jì)算車床床頭、刀架、尾座的靜剛度。生產(chǎn)法存在人為誤差較大、誤差復(fù)映系數(shù)和靜剛度計(jì)算公式復(fù)雜、運(yùn)算量大、耗時(shí)長、易出錯(cuò)等問題。為此，設(shè)計(jì)一種準(zhǔn)確、高效的生產(chǎn)法測量車床靜剛度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是非常必要的。

1 原理

1.1 誤差復(fù)映規(guī)律

(1)

及ε=C/(K+C)，得：

(2)

其中：C=CFpfyFpvcηFpKFp=10989f0.6Dm-0.3n-0.3

(3)

式中：Ki，系統(tǒng)靜剛度；C，與切削條件有關(guān)的系數(shù)；CFp，工件材料和切削條件對背向力Fp的影響系數(shù)，CFp=1950；f，進(jìn)給量，mm/r；yFp、ηFp，切削用量對FP影響指數(shù)，yFp=0.6，ηFp= -0.3；Dm，毛坯大徑Di中最大直徑；vc，切削速度，m/min；n，轉(zhuǎn)速，r/min；KFp，實(shí)際切削條件與經(jīng)驗(yàn)公式不符時(shí)的修正系數(shù)，KFp=1。

1.2 系統(tǒng)靜剛度

車床系統(tǒng)靜剛度計(jì)算公式為：

(4)

(5)

式中：Kdj，刀架靜剛度；Ktj，床頭靜剛度；Kwz，尾座靜剛度；E，試件彈性模量，N/mm2，對45鋼，E=2×105N/mm2；I，試件截面慣性矩，mm4。將xi代入(4)式，得系統(tǒng)靜剛度K1、K2、K3為：

(6)

(7)

(8)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件組成

系統(tǒng)由普通臥式車床、位移傳感器、數(shù)顯游標(biāo)卡尺、磁力表座、分集線器、數(shù)據(jù)線、計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、試件和外圓車刀組成。

2.2 位移傳感器

位移傳感器是把各種被測物理量轉(zhuǎn)換為電信號的一種儀器[11]。本文使用的位移傳感器是帶RS232接口的SH-311數(shù)顯千分表，與計(jì)算機(jī)連接可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)在于既可以通過傳感器顯示面板讀取測量位移，又可以通過計(jì)算機(jī)采集、存儲數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)采集

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，位移傳感器讀取毛坯和工件大小徑差值后，由5010-311型分集線器實(shí)現(xiàn)位移信號與數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換，并與LabVIEW平臺的虛擬儀器架構(gòu)應(yīng)用程序VISA(virtual instrument software architecture)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，將數(shù)字信號輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)LabVIEW編程計(jì)算車床靜剛度，達(dá)到同時(shí)采集3處臺階尺寸的目的。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

LabVIEW是一款基于虛擬儀器的編程軟件，程序采用圖形連線形式，極大方便了編程，并節(jié)省了大量的編程時(shí)間。LabVIEW前面板是圖形用戶界面，也就是VI的虛擬儀器面板。界面上有用戶輸入和顯示輸出兩類對象，實(shí)驗(yàn)人員可以直接進(jìn)行操作。后面板是程序面板，通過編程完成前面板運(yùn)行和程序數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、分析、保存及生成報(bào)告等功能[12-13]。

生產(chǎn)法車床靜剛度測試系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理兩個(gè)模塊：數(shù)據(jù)采集模塊由位移傳感器構(gòu)成，輸出數(shù)據(jù)模式為同步串行方式；數(shù)據(jù)處理模塊把采集數(shù)據(jù)求均值后，依據(jù)預(yù)置公式計(jì)算車床靜剛度。其測試流程如圖2所示。

3.1 系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

系統(tǒng)前面板包括學(xué)生信息及實(shí)驗(yàn)參數(shù)錄入，端口選取，試件最大直徑、試件長度及數(shù)據(jù)采集、保存，生成報(bào)告等功能，能夠準(zhǔn)確計(jì)算誤差復(fù)映系數(shù)和車床床頭、刀架、尾座及系統(tǒng)靜剛度，具有人機(jī)交互功能。

3.2 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由位移傳感器通過分集線器對數(shù)據(jù)進(jìn)行三合一轉(zhuǎn)換，并輸入到計(jì)算機(jī)，利用LabVIEW平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集程序如圖3所示，它通過VISA配置并初始化串口，并從指定端口采集數(shù)據(jù)至讀取緩沖區(qū)，采用while循環(huán)語句完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。

3.3 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理程序通過數(shù)據(jù)存儲循環(huán)結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 信息錄入

輸入學(xué)生信息、實(shí)驗(yàn)參數(shù)，并設(shè)置COM端口。其中，車床型號為CDZ6140，工件材料為45鋼，外圓車刀材料為YT15，車刀主偏角為45°，f=0.12 mm/r,n=640 r/min,ap=0.5 mm,Dm=29.7 mm,d=22 mm,L=200 mm。

4.2 毛坯尺寸采集

毛坯尺寸采集主要包括：①設(shè)置索引(床頭、刀架、尾座)為0(代表毛坯小徑)后，啟動位移傳感器，并使其測頭處于自由狀態(tài)，調(diào)零，打開分集線器電源；②調(diào)整位移傳感器測頭，使之與試件測量位置接觸并有1～2 mm壓縮量；③保持試件低速(n=15～30 r/min)運(yùn)轉(zhuǎn)，開始采集，試件轉(zhuǎn)動1圈后停止，使車床主軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)，移出位移傳感器至毛坯大徑位置，設(shè)置索引1(代表毛坯大徑)。最后重復(fù)①—③過程，完成毛坯臺階全部尺寸采集。

4.3 工件尺寸采集

毛坯切削加工后，重復(fù)4.2節(jié)步驟，設(shè)置索引為2(代表工件小徑)和3(代表工件大徑)，完成工件尺寸采集。

4.4 數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)保存數(shù)據(jù)時(shí)，自動計(jì)算車床床頭、刀架、尾座3處的靜剛度。

4.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3個(gè)臺階加工前后各位置的半徑偏差測試數(shù)據(jù)如表1所示，系統(tǒng)處理后車床床頭、刀架、尾座的靜剛度如表2所示。

表1 加工前后3個(gè)臺階的半徑偏差Table 1 Radius deviations of 3 steps before and after processing

表2 靜剛度測試結(jié)果Table 2 Static stiffness test results

從表2可以看出，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試總耗時(shí)為50 s，而人工測量、計(jì)算至少需要50 min，是實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用時(shí)的60倍。同時(shí)，位移傳感器測量精度(0.001 mm)是普通千分尺精度(0.01 mm)的10倍。

5 結(jié)論

利用傳感技術(shù)和數(shù)據(jù)采集模塊，借助于車床的低速運(yùn)轉(zhuǎn)和縱、橫向手動進(jìn)給，通過LabVIEW平臺，實(shí)現(xiàn)了3個(gè)位移傳感器同時(shí)采集、數(shù)據(jù)保存和處理，獲得車床床頭、刀架和尾座靜剛度，提高了測試精度和實(shí)驗(yàn)效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠快速、精確地測試車床靜剛度，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、涵蓋知識范圍廣等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、高效性和智能化。