（机械设计及理论专业论文）基于labview和单片机的切削温度虚拟仪器的研究.pdf

基于l a b v l e w 和单片机的切削温度虚拟仪器的研究 摘要 ， 目前，硬切削加工技术已引起世界范围内制造业和科研机构的高度重视和 极大兴趣，但就硬切削的切削机理、选择合适的刀具和切削参数等仍存在一些 值得研究的问题。本文针对硬切削切削机理研究的需要，结合现代测试技术的 发展方向，开发了用于硬切削过程中切削温度在线测量的虚拟仪器。 切削温度虚拟仪器主要由硬件和软件组成。其硬件主要包含k 型热电偶传 感器和p 8 7 l p c 7 6 8 型单片机。硬件系统选择k 型热电偶作为温度传感器，将测 得的温度信号转化为电信号，热电偶的冷端补偿由a d 5 9 0 温度传感器完成。测 得的电压信号经过放大、滤波、a d 转化后，由单片机完成温度数据的采集， 并通过串口发送给计算机。 切削温度虚拟仪器的软件系统基于l a b v l e w 平台开发。该软件由三个模块： 数据采集模块、数据查询分析模块和正交试验模块。数据采集模块的主要功能 是调用v i s a 串口程序读取单片机上传的采样数据，标定后将对应的温度值在前 面板上实时显示；在数据查询分析模块中，建立切削温度数据库，利用l a b s q l 将切削试验参数和采集到的温度数据保存到数据库中，通过输入查询条件进行 数据查询并可以对两个相关数据进行比较分析；正交试验模块针对金属切削试 验中常用的正交试验方法，在确定试验因素及其水平后，程序引导切削试验的 进行，并提示每次正交试验的参数，完成整个正交试验后自动生成正交试验表， 输入某个因素，则生成切削温度与该因素的关系曲线，用以分析在其他因素确 定的条件下，该因素的变化对切削温度的影响趋势。 本文开发的切削温度虚拟仪器可用于研究金属切削试验中切削温度的影响 因素以及在实际生产中以切削温度作为重要指标的切削参数优化，因而具有一 定的现实意义。 关键词虚拟仪器l a b v i e w 单片机数据采集 r e s e a r c ho nv i r t u a li n s t r u m e n to fc u t t i n g t e m p e r a t u r eb a s e do nl a b v i e w a n dm c u a b s t r a ct t o d a y ，h a r dt u r n i n gw a st a k e nm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n di n t e r e s t i n gi nt h e m a n u f a c t u r i n gd o m a i ni nt h ew o r l d ，b u tt h em e c h a n i s ma n dh o wt os e l e c tt h et o o l s a n dp a r a m e t e r so ft h eh a r dt u r n i n gw e r ew o r t hr e s e a r c h i n g t h i sp a p e rw a sa i m e d a tt h en e e do fr e s e a r c ho nm e c h a n i s mo fh a r dt u r n i n g ，a n dw i t ht h el a t e r t e c h n o l o g yo ft h et e s t i n g ，d e v e l o p e da nv i r t u a li n s t r u m e n tw h i c hc a nb eu s e dt o m e a s u r et h ec u t t i n gt e m p e r a t u r ei nh a r dt u r n i n g t h ev i r t u a li n s t r u m e n tw a sc o m p o s e do ft w op a n s t h eh a r dw a r ea n dt h es o f t w a r e t h eh a r dw a r ei n c l u d e dt h et y p ek t h e r m o c o u p l ea n ds i n g l e c h i pc o m p u t e r p 8 7 l p c 7 6 8 t h et h e r m o c o u p l ew a ss e n s o r , w h i c hc h a n g et e m p e r a t u r es i n g l et o e l e c t r i c s i n g l e ，a n dt h et e m p e r a t u r es e n s o ra d 59 0w a su s e dt oc o l dj u n c t i o n c o m p e n s a t i o no ft h et h e r m o c o u p l e t h ee l e c t r i cs i n g l ew a sa c q u i r e db yt h em c u a f t e ra m p l i f i e r ，t h ef i l t e ra n da dc o n v e r t e ra n dt h e nw a ss e n tt oc o m p u t e r t h es o f tw a r ew a sb a s e do nl a b v l e w , w h i c hw a sc o m p o s e do ft h r e em o d u l e s t h ef i r s tw a sd a t aa c q u i s i t i o n ，i ti n v o k e dt h ev i s at or e a dt h ed a t aa n dt h e nd i s p l a y i nt h ef r o n tp a n e li nt i m ea f t e rc a l i b r a t i o n ；i nt h ed a t aq u e r ya n da n a l y s i sm o d u l e ，a t e m p e r a t u r ed a t a b a s ew a sf o u n d ，a n dw i t ht h eh e l po fl a b s q lt h ed a t ao f p a r a m e t e r sa n dt e m p e r a t u r ew e r es a v e dt ot h ed a t a b a s e ，w h e ni n p u to n eq u e r y p a r a m e t e r ，t h ed a t am a t c h e dt h ec o n d i t i o nw e r ed i s p l a y e di nt h er e s u l tt a b l e ，a n d t w od a t ac a nb ec o m p a r e db yc u r v e ；t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm o d u l ew a sb a s e d o nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o d ，w h e ni m p o r tt h ee l e m e n t sa n dt h e i rl e v e l s ， t h ep r o g r a mc a nl e a dt h ee x p e r i m e n ta n dg i v ea d i a l o gb o x b e f o r ee x p e r i m e n tw h i c h i n c l u d et h ec u t t i n gp a r a m e t e r s ，w h e nt h ew h o l ee x p e r i m e n tw a sc o m p l e t e d ，t h e r e s u l to fo r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a sd i s p l a y e di nt a b l e ，a n di fi m p o r to n eo ft h e e l e m e n t s ，ag r a p ho ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e no ft h ee l e m e n ta n dt h et e m p e r a t u r e w a sg i v e no nt h ef r o n tp a n e l ，w h i c hc a nb eu s e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c et ot h e c u t t i n gt e m p e r a t u r eb yt h ee l e m e n t t h ev i r t u a li n s t r u m e n ti nt h i sp a p e rc a nb eu s e dt ot h er e s e a r c ho ft h ei n f l u e n c e o fc u t t i n gt e m p e r a t u r ea n dt h eo p t i m u mo fc u t t i n gp a r a m e t e rw h e nt h ec u t t i n g t e m p e r a t u r ew a st h ec r i t e r i a 。 k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，l a b v i e w ，m c u ，d a t aa c q u i s i t i o n 表格清单 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的区别7 表3 1k 型热电偶分度表1 6 表3 2a d 转换控制寄存器( a d c o n ) 1 9 表3 3a d 输入选择2 0 表3 4 串行端口控制寄存器( s c o n ) 2 2 表3 5 串口工作方式选择2 2 表4 1e x p e r i m e n t d a t a 表3 8 表4 2 正交试验表4 1 插图清单 图1 1 自然热电偶测温装置示意图3 图1 2 人工热电偶测温装置示意图3 图2 1 虚拟仪器的构成方式8 图2 2 虚拟仪器一硬件软件化过程示意图1 1 图3 1 数据采集系统构的结构图。1 3 图3 2 热电势示意图1 4 图3 3 利用机械夹紧刀具安装热电偶示意图。1 7 图3 4 a d 5 9 0 用于k 型热电偶冷端补偿电路原理图1 8 图3 5p 8 7 l p c 7 6 8 引脚分布图一1 9 图3 6 单片机与p c 机的串口通信2 3 图3 7 数据采集流程图2 4 图4 1 虚拟仪器的软件系统结构2 6 图4 2 切削温度虚拟仪器架构图3 0 图4 3 主程序前面板。3 0 图4 4 虚拟仪器软件流程图31 图4 5 调用v i s a 程序框图3 2 图4 6 数据采集主程序前面板3 2 图4 7 数据采集主程序部分框图3 3 图4 8s t r i n gt or e s u l ts u b v i v i 程序框图3 3 图4 9k 型热电偶的分度曲线3 3 图4 1 0 停止采集对话框3 4 图4 1 1 保存数据3 4 图4 1 2 使用f o r m a ti n t os t r i n g v i 生成查询语句框图3 6 图4 1 3 利用l a b s q l 访问数据库程序框图3 7 图4 1 4 创建数据源对话框3 8 图4 1 5 数据源配置对话框3 9 图4 16 访问数据库部分程序框图3 9 图4 1 7 切削温度实验数据4 0 图4 1 8 正交试验子程序前面板4 2 图4 1 9 正交试验结果4 2 图4 2 0 正交试验子程序框图4 3 图4 2 1 正交试验子程序流程图4 3 图4 2 2 查询子程序前面板4 4 图4 2 3 查询子程序程序框图4 4 图4 2 4 比较波形子程序对话框4 5 图4 2 5 比较波形子程序前面板4 5 图4 2 6 比较波形子程序框图4 5 图4 2 7l a b v i e w 操作a c t i v e x 对象流程图【4 9 1 4 7 图4 2 8e x c e l 对象的层次结构【6 2 】4 8 图4 2 9 生成数据报表子程序框图：4 8 图4 3 0 实验数据报表4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学雠文储擗锄有签字蹴刁年乒月况 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权合肥工业大学 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做者虢锄冶 签字嗍母9 月夕日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 副谧轹却彬 i 签字日期：知7 年月夕日 电话： 邮编： 致谢 在硕士论文成稿之际，我首先要感谢我的导师郑红梅副教授，郑老师为我 倾注了大量心血。郑老师严谨的工作作风、执着的学术追求，特别是对学科发 展超前的敏锐洞察能力，令我由衷钦佩。郑老师不仅在我理论学习和科研中授 业解惑，在日常生活中，郑老师也给了我极大支持和热情关怀。在此，谨向导 师表示衷心的感谢! 郑红梅老师对我研究生阶段的学习和论文撰写工作自始至终都倾注了大量 的心血，对我论文的选题、修改直至定稿都给予了精心的指导。在学业和生活 上，郑老师始终以一个长者和朋友的双重身份来关心帮助我，令我获益匪浅。 同时感谢金工教研室各位老师，他们在生活上和学业都给予我很大的帮助。 感谢兄弟实验室的庆振华同学为本文的写作所做的大量工作。 感谢陆勤强，袁志山，张胜，潘秀琴等研究生，他们都给了我无私的帮助 和支持，在此向他们表示衷心的感谢! 最后，感谢我的父母和家人，感谢他们对我学业的关怀、支持和无私的帮 助，我将用以后的努力来回报他们! 作者：余宏涛 2 0 0 9 年4 月7 日 第1 章引言 1 1 硬切削技术 硬切削是用超硬刀具对硬度值大于h r c 5 0 的淬硬钢进行精密切削的加工工 艺，该工艺能精确地将毛坯直接加工成工件】。通常硬切削的被加工工件材料 硬度可达5 8 6 8 h r c ，对如此高硬度的材料过去般采用磨削加工，由于超硬 材料刀具的出现及数控机床等加工设备精度的提高，以硬切削代替磨削完成零 件的最终加工已成为一种新的精加工途径【2 】。因此，硬切削是一种“以切代磨” 的新工艺，是一种高效的切削技术。这种工艺可以切削淬硬工具钢、淬硬轴承 钢、渗碳钢以及铬镍铁合金、耐蚀耐热镍基合金、钨钴铬合金等特殊材料，用 硬切削可以进行车外圆、攻螺纹、铣削、切槽、车锥面等。 与磨削相比较，硬切削具有以下特点【1 1 1 2 】： ( 1 ) 经济性好。在一台机床上既可进行“软切削”，又可以进行“硬切削”， 机床的投资成本低；硬切削可在现有的n c 或c n c 加工中心上进行，而磨削加 工则需要使用磨床。 ( 2 ) 加工效率高、切削成本低。硬切削加工背吃刀量大、切削速度高，而 磨削加工的背吃刀量小，易烧伤工件已加工表面，背向力大，易使工件变形， 产生形状误差，硬切削的金属去除率可为磨削的4 , - - , 6 倍，其消耗的能量是普通 磨削加工的1 5 ，加工成本仅为磨削的1 4 。 ( 3 ) 加工柔性好。在硬切削过程中，可利用车刀单点切削加工复杂形状的 工件，而磨床只能用成型砂轮进行磨削。 ( 4 ) 加工质量高。硬切削可达到小于0 0 13 m m 的尺寸精度和小于o 3l an l 的表面粗糙度。 ( 5 ) 环保性好。磨削产生磨屑和磨削液的混合物，使得磨屑无法再利用， 易造成环境污染。硬切削产生的切屑可以再利用，较磨屑容易处理。硬切削加 工过程中一般不使用切削液( 即进行干切削) ，节省了购买、检测、处理切削液 的费用，即使硬切削使用切削液，其回收处理也比磨削液容易得多。 1 2 切削温度测定的意义 硬切削加工过程中，由于缺少切削液的润滑、冷却以及排屑等作用，刀具 一工件和刀具一切屑之间的摩擦增大，切削热也随之增加，切削区温度急剧上 升，引起刀具耐用度下降，工件加工质量变差。同时由于硬切削刀具的耐热性 和红硬性高，而金属在高温下会产生软化效应，使切削力大大降低，刀具寿命 反而增高。当被加工材料硬度高于h r c 5 0 时，金属切削机理因金属软化效应的 产生而发生了变化，切削温度的变化规律已不符合现有的金属切削理论，因此 在硬切削加工中对切削温度的研究有着重要意义【3 】。 为提高切削的加工表面质量，加工精度和切削加工效率，降低刀具能耗， 必须掌握切削时热量产生和传出的规律，以及刀具和工件中温度的分布状态f 4 】。 另外，工件的塑性变形、金相组织的变化，以及工件加工完成后的残余应力分 布等都受到工件的最高温度、温度梯度和冷却速度的影响【5 儿6 1 。因此研究切削 温度不仅有助于研究切削机理、优化切削参数，并且可以通过温度的变化来反 映刀具磨损、机床故障和颤振等切削状态 7 j 【引。 切削温度的测量是切削试验研究中重要的技术，可以用来研究各因素对切 削温度的影响，也可以用来校核切削温度理论计算的准确性，还可以把测得的 切削温度作为控制切削过程的信号源，对切削速度或进给量进行自动控制【9 】。 1 3 切削温度测定的现状 切削热和切削温度是切削过程中重要的物理现象，切削热除少量逸散到周 围介质中以外，其余均传入刀具、切屑和工件中【l0 1 。切削时所消耗的能量，除 了1 2 用以形成新表面和以晶格扭曲等形式形成潜藏能以外，有9 8 9 9 转换为热能，因此可以近似地认为切削时所消耗的能量全部转化为热。切削热 主要来源于金属在刀具的作用下发生弹性和塑性变形而消耗的功，另外切屑与 前刀面、工件与后刀面之间的摩擦也产生大量的热量。因此，切削加工时的发 热区主要有三个：剪切面、切屑与前刀面的接触区、后刀面与过渡表面的接触 区【9 1 。 切削温度通常指达到稳定状态时的刀具前刀面与切屑的接触面上的平均温 度。选定这个部位上的温度作为切削温度的理由是【l l 】：该位置的温度与刀具 磨损、刀具耐用度以及切屑的形成机理有密切的关系；该位置的温度与积屑 瘤的产生、加工质量的好坏、加工精度的高低都有密切的关系；该位置的温 度测定比其他部位简单。 早在19 2 5 年，德国的k g o t t w e i n 便开始了利用实验方法测定切削温度的研 究。发展至今，切削温度的测量方法大致可分为接触测量法、非接触测量法和 间接测量法。接触测量法包括刀具一工件自然热电偶法、人工热电偶法、半人 工热电偶法等；非接触测量法包括红外成像仪测温法、图像法等；间接测量法 包括金相法、高熔点金属粉末法等。常用的切削温度的测量方法有【1 2 】【1 3 】： ( 1 ) 自然热电偶法利用工件和刀具材料化学成分的不同而组成闭合回路 形成自然热电偶测量切削温度。测量温度时工件与刀具接触区作为热电偶的热 端，工件和刀具的引出端作为冷端，当热端与冷端温度不同时，在刀具与工件 的回路中便产生了电势，该电势与工件材料、刀具材料以及冷端和热端温度有 关。自然热电偶法简单可靠，但其缺点是：只能测量切削区域的平均温度，而 无法测定指定点的温度；要求刀具和工件都能导电且与夹具、机床充分绝缘； 当刀具材料或工件材料改变时需要重新标定【l 引。自然热电偶测温装置示意图如 2 图1 1 所示 14 1 。 图1 - 1 自然热电偶测温装置示意图 ( 2 ) 人工热电偶法将经过标定的热电偶安装到刀具或工件上指定位置上， 热电偶的热端感受被测点的温度，冷端接调理电路、电压信号数据采集系统， 测得到回路中的电势值，参照该热电偶的分度表确定被测点的温度值。人工热 电偶测温装置示意图如图1 2 所示【l4 1 。人工热电偶可以测量刀具或工件指定点 的温度，且不需要重复标定，因而在测量切削温度中应用较广。 图1 2 人工热电偶测温装置不意图 a ) 测刀具b ) 测工件 ( 3 ) 半人工热电偶将一根热电偶金属丝( 如康铜) 焊在待测温点上作为 一极、以工件材料或刀具材料作为另一极则构成了半人工热电偶，其工作原理 与自然热电偶法和人工热电偶法相同。半人工热电偶法采用单根导线连接，因 此不必考虑绝缘问题，安装较为简单。半人工热电偶测温装置示意图如图1 3 所示【1 5 】。 谢刀其 弱工件 图1 3 半人工热电偶测温装置示意图 ( 4 ) 红外成像仪测温法【l l 】 红外测温法的原理是斯蒂芬一波尔兹曼( s t e f f e n b o l t z m a n ) 定律，即 e = 6 e f t 4 ( w m 2 ) ( 式1 1 ) 式中： 占物体辐射单元表面辐射率； 仃斯蒂芬一波尔兹曼常数( w m 2 k 4 ) ； 卜辐射单元的表面温度( k ) ； 昂一辐射单元单位面积的辐射能量( w m 2 ) 。 红外成像仪通过红外接收器接收工件或刀具的辐射能量，通过斯蒂芬一波 尔兹曼定律求出辐射单元表面的温度。红外成像仪测温法具有直观、简便、远 距离非接触测量等优点，但工业用红外成像仪价格较高，测得的温度较实际温 度滞后；在测量切削温度过程中，常受到切削液的影响( 一般用于干切削) 。 ( 5 ) 金相结构法 金相结构法是间接测量切削温度方法之一。其原理是刀具材料在高温下金 相结构将发生变化，把切削加工后的刀具显微组织及硬度与经不同温度处理的 试件显微组织样本比较，从而确定刀具相应部位所经历的温度。这种方法只能 应用于金属刀具，且只有在高温的情况下才可以观察到金相结构的变化，因此 金相结构法的应用受到了极大的限制。 由于接触测量法能直接测得刀具或工件上某点的切削温度，其准确性和可 靠性最高，又在接触法测量中，。人工热电偶因结构简单，不受刀具和工件材料 限制等优点而得到广泛的应用，因此本课题采用人工热电偶法测量切削温度。 1 4 本文的主要内容 硬切削过程中，对刀具几何参数和切削用量的正确选用率还不足1 2 ，p c b n 刀具的使用中，其正确使用率甚至仅有1 3 t 1 6 1 。这种应用状况严重制约了硬切 削技术的应用与发展。 4 本课题针对硬切削加工中切削机理研究的需要，结合现代测试技术开发了 一套切削温度虚拟仪器，利用该仪器可对硬切削加工过程中切削温度进行在线 测量和分析。课题的主要工作如下： ( 1 ) 设计新的人工热电偶的安装方法。由于硬切削刀具的硬度高，不便于 钻孔预埋人工热电偶，因而本课题采用上压块式机械夹紧刀具安装人工热电偶。 ( 2 ) 开发基于单片机的切削温度数据采集系统。采用人工热电偶作为温度 传感器，利用a d 5 9 0 对其进行冷端补偿，测得的电压信号经放大和滤波后作为 单片机的输入信号，由单片机完成数据采集和串口通信。 ( 3 ) 开发基于l a b v i e w 的切削温度虚拟仪器的软件系统。单片机通过串 口将采样的电压数据输入计算机，虚拟仪器通过v i s a 调用串口程序读取数 据，进而实现了以下功能：切削温度的实时显示；建立切削温度数据库，保存 切削参数和温度数据，对测得的温度数据进行查询和比较分析；正交试验程序 可引导切削试验的进行，在切削试验完成后自动生成正交试验表和切削温度与 单一因素的关系曲线；切削试验数据报表的生成等。 第2 章虚拟仪器 测试是对某种信息的认知过程，是对被测信息进行检出、变换、分析、处 理、判断控制、显示、数据存储的综合认知过程，同时测试也是实验科学的一 部分，主要研究各种物理量的测量原理和测量信号的分析处理方法。随着科学 技术的迅速发展，以检测、转换为主要内容的测试技术，与计算机技术、自动 控制技术、通信技术构成完整的信息技术科学【川。 2 1 测试仪器的发展 测试仪器是实现测试的基本工具。测试仪器发展至今，主要经历了四个阶 段18 】 ( 1 ) 模拟仪器早期的模拟仪器是基于物理定律产生的，如安培表、伏特 表等。这种仪器的共同特征是带有表盘和机械表针，靠人读取被测量，因而误 差大，精度低。到2 0 世纪5 0 年代，随着电子技术的兴起，出现了电子仪器仪 表，如电子示波器、信号发生器等。 ( 2 ) 数字仪器数字仪器是将对模拟信号的测量转化为对数字信号的测量 并以数字形式显示和输出测量结果，如数字电压表，数字电流表等。 ( 3 ) 智能仪器智能仪器是将微处理器置入数字仪器中，实现数据存储、 数据处理、逻辑判断、仪器自检等功能。 ( 4 ) 虚拟仪器随着计算机技术与电子技术的飞速发展，测试仪器的物理 功能越来越多，对计算功能要求越来越高，传统的硬件化仪器已不能满足测试 仪器功能日益强大的要求。现代科学技术的飞速发展，高度自动化的工业化大 生产迫切需要功能更强大、成本更低廉、系统更灵活的新一代测试仪器。计算 机总线技术、软件技术及相关技术的发展，使计算机的作用超出了原有的范围， 实现了许多原本由硬件完成的或者硬件不能胜任的功能，这标志着“软件即仪器 ( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) ”时代的到来。作为一种以计算机软件为核心 的新型仪器系统，虚拟仪器功能强、测试精度高、测试速度快、自动化程度高、 人机界面优异、灵活性强，因而成为了测试仪器的重要发展方向【1 9 】。 2 2 虚拟仪器 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) ，是在以计算机为核心的硬件平台 上，功能由用户设计和定义，具有虚拟仪器面板，其测试功能由软件实现的一 种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的显示功能来模拟传 统仪器的控制面板，以多种形式表达检测结果；利用计算机强大的软件功能实 现信号数据的运算、分析和处理；利用i o 接口设备完成信号的采集、测量与 调试，从而完成各种测试功能的种计算机仪器系统。 6 虚拟仪器的概念是由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n tc o r p o r a t i o n ， n i ) 于19 8 6 年提出的，它是一种全新的仪器设计思想，而并非具体的仪器。 虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含两方面的含义【2 0 ： ( 1 ) 虚拟仪器的前面板是“虚拟”的 虚拟仪器的前面板用于模拟传统仪器的操作界面。虚拟仪器前面板中的各 类控件，如“按钮”、“指示灯”等，与传统仪器操作界面上按钮、指示灯不但外 形相似，而且实现的功能完全相同，即由各种按钮等图标实现仪器开关的“通”、 “断”，由输入控件和显示控件实现被测信号的参数设置和测量结果的显示等。 他们之间的区别是传统仪器是在仪器面板上通过手动操作的，而虚拟仪器则是 利用鼠标在计算机上进行操作的。虚拟仪器与传统仪器的区别见表2 1 【2 1 1 。 表2 1 虚拟仪器与传统仪器的区别 传统仪器虚拟仪器 功能由生产厂商拟定 功能由用户定义 与其他仪器设备的连接有限可方便地与网络外设连接 开发和维护费用高基于软件体系，开发和维护费用低 技术更新周期长( 5 1 0 年)技术更新周期短( 0 5 1 年) 硬件是关键软件是关键 价格较高价格较低 功能单一、操作不便自动化、智能化、远距离传输 ( 2 ) 虚拟仪器测量功能是通过对图形化软件框图的编程来实现的 虚拟仪器是在以p c 为核心组成的硬件平台的支持下，通过软件编程来实现 仪器功能的多样化。虚拟仪器的核心思想是利用计算机的硬件和软件资源，使 本来由硬件实现的功能软件化( 虚拟化) ，以最大限度地降低系统成本，增强系 统的功能与灵活性【2 2 】。“软件即仪器”这一口号正是基于软件在虚拟仪器中的重 要作用而提出的。 2 3 虚拟仪器的主要组成 虚拟仪器由通用仪器硬件平台和应用软件两部分组成。构成虚拟仪器的硬件有计 算机和i o 接口设备。计算机是硬件平台的核心，管理着虚拟仪器的硬、软件资源， 是虚拟仪器的硬件支撑。虚拟仪器的核心思想是利用计算机的软件和硬件资源，使本 来需要由硬件或电路实现的技术软件化和虚拟化。因此，在虚拟仪器系统中，硬件仅 是为了解决信号的输入输出，软件才是关键【2 0 】【2 3 】。 7 2 3 1 虚拟仪器的硬件构成方式【2 0 】 虚拟仪器的硬件平台包括计算机和i o 接口设备。i o 接口设备主要完成被 测信号的采集、放大、a d 转换等功能。虚拟仪器的硬件构成方式主要有5 种 类型，如下图2 1 所示 2 4 1 。 被 测 对 象 信号调理 串口仪器 p c - d a q 计 算 机 图2 1 虚拟仪器的构成方式 ( 1 ) d a q 卡( d a t aa c q u i s i t o n ) p c d a q 卡是基于计算机标准总线的内置功能插卡，采用p c i 口或计算机 本身的i s a 总线，将数据采集卡板( d a q ) 插入计算机的总线插槽中，并与专 用的软件相结合就可以方便的组建基于计算机的仪器，实现“一机多型”和“一机 多用”。 ( 2 ) g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 通用接口总线 g p i b 标准总线是计算机与仪器间的标准通信协议。它是最早的仪器总线， 目前多数仪器都配置了遵循i e e e 4 8 8 的g p i b 接口。典型的g p i b 仪器测试系 统包括一台计算机，一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 仪器。利用g p i b 技术， 可用计算机实现对仪器的操作和控制，可方便地将多台仪器组合起来形成自动 测试系统。目前g p i b 技术主要应用于台式仪器，适合于精度要求高，但对数 据传输速率要求不太高的场合。 ( 3 ) p x i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线系统 p x i 总线是在p c i 内核总线技术基础之上增加了新的技术规范和要求，它 是n i 公司在1 9 9 7 年发布的一种新的开放性、模块化仪器的总线规范，是p c i 在仪器领域的扩展。p x i 系统是以p x i 标准总线与计算机为仪器硬件平台组成 的虚拟仪器测试系统。 ( 4 ) v x i ( v m e b u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 总线系统 v x i 总线是一种高速的计算机总线，它具有标准开放、结构紧凑、电源稳 定、数据吞吐能力强、同步和定时精确的优点，大多数厂家都支持这种总线结 构。v x i 总线系统在组建中大规模自动测试系统以及对速度、精度要求高的场 合有着很大优势，但其价格较高。 ( 5 ) 串口总线系统【2 0 】 基于计算机串口总线构建的虚拟仪器系统称为串口总线系统。串口总线因 其接口简单，使用方便，目前仍是虚拟仪器构成方式之一，主要用于传输速率 要求不高的场合 2 5 o 在虚拟仪器硬件构成方式中，基于g p i b 、v x i 、p x i 的方案适合构成大型 高精度集成测试系统，p c d a q 卡、串行口方案主要适合构成普及型的廉价测 试系统。由于切削温度变化较慢，且被测对象较简单，所以本课题选用串口总 线作为切削温度虚拟仪器的硬件构成方式 2 l 】【2 6 i 。 2 3 2 虚拟仪器的软件开发平台 虚拟仪器的核心思想是“软件即仪器”，软件是虚拟仪器的灵魂，是v i 不断 发展和完善的动力。随着测试技术的发展，软件在现代自动测试系统构成与开 发费用中所占比例越来越大，因而软件编程对测试工程师编程能力的要求也越 来越高，带来的负担也越来越重。【27 研究开发适合广大测试工程师使用的测试 软件开发工具，让他们节省花费在繁琐的程序编码与调试中的时间和精力，提 高测试软件生成与维护效率，是测试领域软件工程师们关心的技术问题。 目前，虚拟仪器的软件开发平台主要有图形化编程语言和文本编程语言两 大类。文本编程语言编程灵活、运行速度快，图形化语言编程简单、直观、开 发效率高。常用的文本式编程语言有c 、v c + + 、l a b w i n d o w s c v i 等，图形化 编程语言有l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 、美 国惠普公司的h p v e e ( h e w l e t t p a c k a r dv i s u a le n g i n e e r i n ge n v i r o n m e n t ) 。 l a b w i n d o w s c v i 是n i 公司开发的交互式c 语言开发平台。它以标准c 语 言为基础，提供了丰富的库函数，包括数据采集、仪器控制、网络通信、用户 界面设计等，可以使程序员跳过枯燥繁琐的底层程序设计，而直接进行程序界 面和流程设计。作为交互式的集成开发环境，l a b w i n d o w s c v i 是熟悉c 语言 的开发设计人员编写检测、数据采集、监护程序的理想工具。 h pv e e 是惠普公司开发的用于仪器控制和信号分析的图形化编程环境。h p v e e 提供了丰富的函数模块以及大量的仪器驱动程序。h pv e e 简单易用，编 程时只需根据测试流程用鼠标将各模块连接起来即可，而无需接触更底层的编 程。 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是n i 公司的创新产品。它 使用图形化的编程语言( 也称为g 语言) ，用图形、图标和连线代替文本形式 编写程序，形象、直观而且集成度高。l a b v i e w 为用户提供了简单、易学的图 形编程方式，把复杂、繁琐、费时的语言编程简化为选择图标并连线，设计者 可以轻松组建一个测试系统和构造自己的仪器面板。另外l a b v i e w 包含丰富 的函数库，集成了g p i b 、v x i 、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等通信模块，可以方便地进 行模块化编程。 9 2 4 虚拟仪器的特点 ( 1 ) 性价比高，丰富和增强了传统仪器的功能。规模经济效益使通用个人 计算机具有很高的性价比，而且基于个人计算机的虚拟仪器和仪器系统可共享 计算机硬件资源，从而大大增强了仪器功能和降低了仪器的成本。传统仪器小 而全，而且各仪器的资源不能共享。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印 和其他管理集中交由计算机来处理，充分利用了计算机强大的数据处理、传输 和发布能力，即无论任何功能的仪器都可利用或共享这些公共资源，而无需重 复设置，这样使得组建系统变得更加灵活、简单。 ( 2 ) 突出“软件即仪器”的新概念。传统仪器的某些硬件在虚拟仪器中被软 件所代替，减少了许多可能随时间发生漂移、需要定期校准的分布式模拟器件， 加上标准化总线的使用，使仪器的测量精度、测量速度和可重复性都大大提高 【2 l 】 o ( 3 ) 界面友好，使用方便。采用图形化界面，在屏幕上虚拟出仪器面板， 用鼠标操作，简单快捷，仪器功能选择、参数设置、数据处理、结果显示均能 通过友好的人机对话来进行。 ( 4 ) 开放性好。具有开放性的模块化设计，便于用户根据测试任务随心所 欲地组建仪器或系统，仪器扩充、联网和升级十分方便。虚拟仪器通过提供给 用户可重用源代码库，可以很方便地修改仪器功能和面板，设计仪器的通信、 定时和触发功能，实现仪器与外设、网络及其他应用的连接，更新配置测试功 能模板，甚至无须改变硬件，只需应用模块化的软件包的重新搭配，便可构成 新的虚拟仪器，提高资源的可再用性，给用户一个充分发挥自己能力和想象力 的空间。 ( 5 ) 智能化程度高，便于构成复杂的测试系统。虚拟仪器既可以作为测试 仪器独立使用，又可以通过高速计算机网络构成复杂的分布式测试系统，进行 远程测试、监控和故障诊断。虚拟仪器的一大优点是具有集成性，通过“测试集 成”的方式，将多种仪器的功能集成在一个“功能库”里，也可以将多种仪器控制 面板软件化后集成在一个“控件库”中。“测试集成”就是对多种硬件化测试仪器 的功能进行“集成”，即将众多的测试仪器功能集成在p c 机的一个“测试功能软 件库”中，通过与专用的模块卡和接口搭配，使之在一台p c 机内实现被集成测 试仪器的全部功能，从而代替众多昂贵、复杂的测试仪器【l9 1 。用户可以根据测 试要求，从“功能库”和“控件库”调用所需的功能软件和控制软件在计算机中进 行软装配、软调试，从而组建所需要的测试系统。如果能进一步将仪器的设计、 使用、管理统一于虚拟仪器标准，将进一步提高资源的重复利用率，缩短系统 的组建时间，提高测试效率，使功能更易于扩展，应用更为广泛 2 2 】。虚拟仪器 硬件软件化过程示意图如图2 2 所示【l8 1 。 l o 移舅 ：妙 l 酗 2 童 鳃。 圈2 - 2 虚拟便器硬件软件化过程示意图 2 5 虚拟仪器的应用啪l 明口q 虚拟仪器技术作为计算机技术与仪器技术相结合的创新技术，它改变了人 们对仪器的传统观念，适应了现代测试系统网络化、智能化发展趋势。目前， 虚拟仪器在工业自动化、仪器制造和实验室建设等方面有着十分广泛的应用前 景。 ( 1 ) 工业自动化 虚拟仪器设计所采用的图形化编程语言，十分适合工程师应用，有利于提 高企业自主开发和管理项目的能力，降低工业自动化技术改造的成本。另一方 面，采用虚拟仪器技术，根据实际工艺流程和控制要求，将分布在企业不同位 置的各种测量仪表和控制装置连接为一个网络系统，通过计算机实施集中控制 和管理，可以改变采用传统单元仪表分散工作时成本高、维护困难、资源配置 重复等缺点，提高工业自动化改造的经济效益，降低管理成本。 ( 2 ) 仪器产业改造 仪器制造业是代表着一个国家科技和工业发展水平的一个重要领域。传统 台式仪器制造水平不仅取决于设计，还依赖于工艺和加工水平，因此短期内提 高有一定困难。采用虚拟仪器技术，将过去仪器中许多靠硬件实现的功能用软 件来代替，利用商品化的数据采集和p c 技术，完全可以开发出各行各业急需 的各种测量仪器，缩短我国与先进国家在仪器领域的差距，这是采用高新技术 改造传统产业的一个大有可为的领域。 ( 3 ) 实验室应用 实验是理工类课程教学活动中一个必不可少的过程，是教师指导学生运用 一定的仪器设备进行独立作业，观察事物和过程的发生和变化，探求事物的规 律，以获得知识和技能的一种教学方法。它是把理论知识和实践活动、间接经 验与直接经验、抽象与形象相结合的教学过程，相对于理论教学更具有直观性、 实践性、科研性、综合性与创新性，在学生能力培养和综合素质提高方面具有 独特的作用。高等院校，特别是理工科院校，是集教学和科研于一体的综合性 单位，开展理工科的传统实验往往要使用多种仪器，而且不同实验所用仪器也 不尽相同。同时为了提供一定的实验规模，保证每个学生得到实际动手能力的 训练，传统的教学实验室就要同时购置多套先进而昂贵的仪器，这些仪器不仅 价格昂贵，而且相互连接也十分麻烦，仪器的一些特殊功能也很少使用，造成 无端浪费。因此；开设综