（机械制造及其自动化专业论文）多维切削测力仪数据采集分析软件的开发.pdf

北方工业大学硕士论文 摘要 切削力是影响工艺系统强度、刚度和工件加工质量的重要因素，也是设计机 床、刀具、夹具和计算动力消耗的主要依据。目前，在自动化生产、精密加工中， 常用切削力来检测和监控加工表面质量、加工精度和刀具磨损程度。 本文以同课题组同学开发的以t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片作为微控制器，以 u s b2 0 为p c 接口的数据采集卡为硬件平台，基于v i s u a lc + + 为开发工具，构建了 一个适合切削力信号采集与分析的软件平台，软件平台采用模块化设计方法，重点 完成了数据通讯模块，数据显示模块，数据采集模块与数据分析模块的设计。 数据通讯模块主要基于数据采集卡的u s b 芯片c y 7 c 6 8 0 0 1 ，利用c o m p u w a r e n u m e g a 公司的d r i v e r s t u d i o 、w i n 2 0 0 0d d k 、v c + + 6 0 开发设计出驱动程序，制定 了上下位机的通讯协议，完成上下位机的通讯。数据显示模块利用v c + + 编程能够将 采集到的数据进行显示。数据采集模块主要利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上a d 的优点，设计 编程下位机主程序。数据分析模块比较了程序判断滤波、中值滤波、均值滤波、算 术平均滤波、加权平均滤波、防脉冲干扰平均值滤波、移动平均滤波、复合数字滤 波几种滤波算法，根据切削力的特点，最终选择了防脉冲干扰平均值滤波算法。数 据分析模块还利用v c + + 调用m a t l a b 完成了时域分析功能，显示出信号的波形图。 所开发的软件经与硬件系统联合调试，基本完成了预期目标，实现主要模块的 功能，为下一步开发奠定了良好的基础。 关键词：切削力，数据采集，软件设计 北方工业大学硕士论文 s o f t w a r ed 姆e l 叩m e 魏耄o fd a 鼍aa c q m s i 耄主。鼗s y s t e m 稻r m u l 伽i m e n s i 仰a ld y n a m o m e t e ro fc u t t i n gf o r c e a b s 垂r a c 耄 t h es m m g 吐1 ，s t i 儡e s so ft h et e c ：h l o l o g ys y s t e m 龇l d 地p r o c e s sq 删够o f 、o 邺i o c ea r e d 梵曲e db y b ec i 嫩i l l g 如掷e d e s i g n e dm a c l l i n et o o l s ，a 撤i l l g 细l s ，敝t l e s 锄dc c 孵l p u t i r 毽 p ( 掰嚣c o 掰潮i 珏矩。鑫a 诧越s o 致瞬蠢鼹毛泌a l 啜鹋参b f c 滋掇建l y ，饿e 赣戚i 锣o f 重k 蠡矗k 蠢 s u r f a c e ，m a c l h l i l l i i l g 删s i o n a n dt 量l et o o lw e a r 舯d ea r cd e t e c t e d 黼dm o i l i 删b yc u t t i n g 内哟i i l 刹l t o m a t e dp r 仪m c t i o na l l dp 硎s i o nm a c h i l l i i l 参 b a s 。do nt 量l el l a ：时蝴羚p l a t 触nd e s i 驴e d 丽t 量l 谯l c 喇s 3 2 0 f 2 8 1 2o ft 圭硷t ic o l 】阐弼o n 蕊u s b2 o 触b y 髓黜蜥e 鲫呷醴溅，峨m ev c + + 6 o 缸妇 d e v d o p m e n to fl 锄蛰| a g e t od e s i g nf h e 铡【砸n gf 0 r c ed a t aa c q l l i s i t i o n 锄da n a ：l y s i ss o 脚a r e p l a b n n s o 帅a r ep l a t f o r mi sm o d l l l a rmd 商g n 印脚a d l l ，向c u s i l l go nm ec 0 咖p l e d o no f t 1 1 e d a 纽蹦n m 砸c a ：蛙sm o ( 粒e ，矗眭a 。i l 湖糠e s ，以瞻l l e c 悉o n 越通d a 像黻诚y s 主sm o h 娃em o l 羹e d e s i 咎 d a 协m 删m i c a t i o n sm o d u l ei sb a s e d0 nu s b 洲pc y 7 c 6 8 0 0 lo fm ed a t aa o q u i s i t i o n c a m ，锄dm a l ( e 嘲o f d r j v c f s t u 西oo fm ec 伽1 p l l w a r en 嘶e g ac o p o 训o n ，、) l ，i n 2 0 0 0d d k 锄d v c + + 6 0 幻如s i g n 像e 越v 懿蹯d 幻黼8 戍氇e 弘镬o lo f 蠲嘲删c a 傣写t o 睽攀l e 沧妞 c 0 翻m l 瑚i c a t i o n 至配m 姊毫ob ( 难o mm a c 抽抵d a 耄aa 鹎u i s i 矗o nm b m 矗em a 趣l y 瑗潜m e a d v a n 切g 姻o f l e1 m s 3 2 0 f 2 8 12o n - d 岫a dt 0d e s i 斛m em a i l lp r o 蹦l l t l 1 em t a 柚gp r c h o 蹈s j u d g 锄e l i t m e d i a l l 丘l 懈；m e 觚6 1 t m e 嘶m m 娟cm e 黻丘n 喇n 吕w 秭曲t e dm e 锄f i l t 姐t i - 蹦s e 遮渤噍溅瓣翻蹦l 攒诋氇e 搦啦a v 馓g e 蠡l 溉删口e 兹孚斌蠹l 缸a 诧c a 嘲删遮 m e d a 扭a n a l y s i s m o 栅鼠仇蠡越c h o i c e i s m e 叫渺i 翩c e m c 融鑫1 t e f a c c o r d 啦t o m e 触o f 训i 1 1 9 f o 晚d a t a 觚a l 河s 删e a l s 0u s i i l g v c + + c a l l m a t l a b t 0 唧1 m a t i i i l 争 d o m a i l la 越y s i s 雒ds h o w s 船w a 、，e j 咖o f m es i 盟a 1 豫黼蟋凌融瓣s y 爨溯d 两毽g g 甜捌i s 潍溅粼龇蘸。璐o ：陇硷 m a i i lm o l u l e ，c o m m 或i n gm e 锄缸c i p a t e do b j 鳅i v 髓a 磐l o d 南u n d 撕o ni s1 a i d 研t 量l en 默ts c 印 k e yw o r d s ：c u “i n gf - o r c e s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，s o f - t w a i ed e 、伧l o p n l e n t 2 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注和致谢的地方外，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j e 友王些太堂或其他教育机构 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。 学位论文作者签名：袁i 矽参字日期：伊矿年彩月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j 友王些太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借 阅。本人授权j 匕友王些太堂可以将学位论文的全部或部分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) 学位论文作者签名氛1 勾乡绍 签字日期：昏r 年石月铲日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 名丢劾为 签字日期：口悻6 月 电话： 邮编： 北方工业大学硕士论文 1 绪论 1 1 研究目的和意义 切削力是切削过程中的一个最基本的作用和现象，是描述切削过程的重要参 数，在切削过程中，切削力的变化直接决定着切削热的产生、分布，并影响刀具磨 损、使用寿命，进而影响零件被加工表面的加工精度和已加工表面质量。在制定工 艺过程中，切削力又是计算机床功率，制定切削用量，监控切削状态，设计刀具、 夹具的必要依据。动态切削力的变化规律还是研究切削机理和机床动刚度的重要依 据n 1 。 如何精确地测得实际切削力越来越成为人们所关切的课题，因为这不但对于研 究切削原理、设计机床、夹具以及评价先进刀具具有重要意义，而且随着切削动力 学的深入研究和加工过程的适应控制与在线检测等都需要准确地知道切削力特别是 动态分量的幅值与相位的大小，而要知道这种切削力最可靠而实用的办法依然是用 测力仪进行实地测量，所以测力仪尤其是动态切削测力仪就成为研究切削力规律不 可缺少的重要仪器。 为了能快速准确地测量切削力，必须有一套能满足现阶段教学科研需要的切削力 的数据采集处理系统。快速准确地采集切削力，并对采集到的数据进行处理和分析 是系统的基本要求。 传统测力系统工艺成熟、结构可靠，对使用者要求也低，但其测量精度低、速 度慢、通道少、体积大，更主要的是数据存储和分析处理不便，所以难以适应时代 的要求。数据采集软件方面针对与多维切削力的软件系统研究较少，现有数据采集 系统大多集成了太多的模块，针对切削力的软件则较少，现有的软件亦存在问题， 如较少用到软件降低干扰，窗口界面复杂等。而随着计算机辅助测试技术的不断发 展，集切削力数据采集和处理为一体的、具有智能化功能、便于现场使用的测力系 统已成为必然的发展趋势。 另外，高速切削已被作为一种新的加工技术越来越广泛地得到应用，随着切削 速度的提高，要求数据采集系统能够快速的采集处理数据，因此，有必要对传统的 测力系统进行升级。 j 方：业大学硬士论文 l 。2 测力仪发展现状 切削力测量中所用的测力仪主要有机械测力仪，液压测力仪，电感测力仪，电 容式测力仪，电阻应变式测力仪，以及压电测力仪等乜1 。 1 上个世纪三十年代就出现了机械式及液压式测力仪。机械测力仪利用百分表测弹 性体变形，经过标定睦线读出切潮力数值大小，这类测力仪结构简单，方便，但是刚度 低，惯性大，系统固有频率极低，只能用于静态力测量，测出平均切削力，在实际工程 中使用价值极低，现已被淘汰。 2 继机械式测力仪之后，电感、电容式测力纹发展起来，这样就傻得测力精度 和固有频率大为提高，可以进行动态测量，电感、电容式测力仪是利用电容极板间 距或电感磁芯的移动靶弹性体的位移转换成电容器的电容或电感器电感的变化并以 电信号的方式体现出来，这种测力仪一般测力精度较高，贴片和结构设计都比较灵 活，结构有时可以相当简单，使切削力测试技术向前推进了一步。但这种测力仪仍 要利用弹性体的变形来获得对力的感应，在测力仪刚度和灵敏度之间有着不可克服 的矛盾。 3 。随着测试技术的发展和人们对高性能测力仪的追求，人们将研究的焦点集中 在应变式测力仪和压电式测力仪身上。应变式测力仪是借助于弹性体受力后产生应 变并将这种应变传递给贴在最大应变处的应变片，从而将电阻的变化值通过电桥转 变成电压或电流，放大后显示或记录下来。黧为应变量与弹性体变形量成正比，因 而线性度极好的全桥检测器可以十分精确地把代表切削力的应变量转换成电信号。 这种测力仪有很多优点，它可以应用电补偿原理消除各切削分力间的相互干扰，电 阻应变片小而灵灞性大，即使在各种不同条件下也有较好的适应性。随着电荷放大 器的研制成功与应用，压电传感器逐渐被应用于机械量的测量之中。愿电式测力仪 的刚性好、灵敏度高、频率响应范围宽、稳定性好、适用于瞬态力与交变力的测 量。假压电式测力仪存在一系列缺点，如不能测试静态力，固有频率的提高受装配 接触酒l 度的限制，维护不方便，价格昂贵等，所以在应用上受到很大的限制，国於 有一定批量，国内仅应用在较高的科研试验中。 随着切削加工向着高速、高精度、高度囟动化方向发展，对切削过程的监控技 术也提搬了越来越高的要求，而各种自动化机械加工设备与制造系统绝大多数并不 具备加工过程的监控功能。为了使这些高度自动化加工设备充分发挥其优良性能， 确保加工质量，提高生产效率，对刀具加工过程中的状态监测与控制就越来越重 要。大量研究结果表明，切削状态的每个微小变化都能通过切肖| j 力的变化反反应出 来，检测切削力是目前国内外研究与应用最多的监控方法之瑟珏霹瑟1 。 2 北方工业大学硕士论文 1 3 数据采集与处理的发展 以前的控制器一般采用单片机，而单片机己从4 位、8 位、1 6 位在向3 2 位发 展，对大多数场合来说己经能满足要求了，因为单片机也有很多优点，如价格比较 低廉、结构简单、接口扩展能力强等。但有个很明显的缺点就是数学运算能力差， 它可以应用在一些对采样信号数学处理较为简单的领域，而一些要求对信号的数学 处理比较复杂的领域来说，单片机就显得力不从自了，譬如是通讯领域和复杂控制 领域等等。还有就是在和上位p c 之间的数据传输问题上，以前的数据采集卡一般都 通过系统总线也就是i o 通道总线、微型计算机总线或板级总线和上位机p c 系统， 插槽上的各扩充板卡相连，它是微型计算机最重要的一种总线。一般谈到微型机总 线，就是指这种总线。一般有以下几种标准：p c i 、i s a 、e i s a 等，其数据地址不 同，以适应不同的应用系统。虽然传输速度比较快，分别为1 3 2 m b p s 、1 6 m b p s 、 3 2 m b p s ，但是由于p c 接口资源有限且需要对接口卡的硬件资源( i o 地址、内存、 中断、d m a ) 进行合理的配置，因此扩展难度很大呻1 。 为了解决功能扩展接口插卡最头疼的配置问题，九十年代推出了即插即用的接 口卡标准( p c i 和i s ap n p ) ，由即插即用基本输入输出系统和即插即用操作系统完 成对接口卡资源的自动配置，以使功能扩展接口卡的使用变得相对简单方便，但扩 展功能接口卡仍存在以下问题： 1 接口卡的配置必须停机，并需打开p c 机箱进行安装和拆卸，这个过程仍需一 定层次的技术支持，即插即用技术的采用，只是降低了功能扩展卡的技术需要程 度，这对p c 这样广泛运用的工具而言仍显不足； 2 接口卡设备驱动程序的安装、调试甚至正常运行的过程仍需要各种技术支 持，特别是接口插卡作为一种硬件设备插入p c 后，总要占用p c 的各种硬件资源， 即插即用算法虽然能解决大多数的资源配置，但不能保证百分之百的解决，因此其 安装和配置仍需要人工干预。而当扩展卡较多时，常会出现一块或多块插卡因无法 合理配置而不能正常工作的情况，严重时可能导致系统崩溃； 3 接口插卡的质量高低、兼容性和标准性的程度以及驱动软件的可靠性直接影 响计算机的寿命和系统稳定性即可靠性；对像笔记本之类的小体积p c 很难用接口插 卡进行扩展；p c 插槽中的各种接口卡受到p c 内部强的射频干扰，周期性能受到很 大的影响，除非接口卡是全数字化的。 由于一般的数据采集系统存在上面诸多问题，因此采用d s p 作为控制器，而采 用u s b ( 通用串行总线) 和上位机连接将是以后数据采集处理系统发展的可能趋势。 3 北方工业大学硕十论文 1 3 1d s p 技术的发展 信息化是2 1 世纪的主要时代特征，随着当今工业社会正逐步地向信息社会过 度，数字化成为了信息化的基础，而数字化的核心技术之一就是数字信号处理。数 字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、变 换、综合、估值和识别等加工处理，以达到提取信息和便于应用的目的。数字信号 处理是以众多学科理论为基础的，它涉及的范围及其的广泛。例如，在数学领域， 微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基本工具，网络理 论、信号与系统等均是它的理论基础。在学科发展上，数字信号处理又与最优控 制、通信理论、故障诊断等紧密相连，近年来又成为人工智能、模式识别、神经网 络等新兴学科的理论基础之一，其算法实现又和计算机学科及微电子技术密不可 分。因此可以说，数字信号处理时把经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又 使自己成为一系列新型学科的理论基础。数字信号处理器是针对数字信号处理的需 求而设计的一种可编程的单片机，是现代电子技术、计算机技术和信号处理技术结 合的产物。与单片机相比，d s p 以其优化的硬件结构、高效的指令系统、灵活的编 程能力等优点，使其更加适合于数字信号处理的软件和硬件资源，可以用于复杂的 数字信号处理算法口1 。 基于数字滤波和快速傅立叶变换的数字信号处理在加世纪7 0 年代飞速的发展， 到了8 0 年代，数字信号处理已经开始应用到了各个工程技术不管在军用还是民用系 统中都发挥了积极的作用。进入9 0 年代，微电子工速发展，d s p 技术己经成为工程 实用技术，d s p 技术的成本大幅度降低，处理器由通用的芯片向专用d s p 芯片发 展，价格也由8 0 年代的数千美元降到数十美元每片，甚至更低，这些处理器都有以 下特征： ( 1 ) 改进的哈佛结构 ( 2 ) 多总线结构 ( 3 ) 流水线结构 ( 4 ) 多处理单元 ( 5 ) 特殊的d s p 指令 ( 6 ) 指令周期短 ( 7 ) 运算精度高 ( 8 ) 硬件配置强 这些特点首先保证了整个处理器有非常高的运算速度、准确的运算精度能够使 处理器的指令执行成本降到最低。其次能让处理器用特殊的d s p 指到特殊的数字信 4 北方工业大学硕士论文 号处理应用的需求，使得数字信号处理的算法和应用完美合起来了。再次使得新一 代d s p 的接口功能越来越强大，能够和各式各样信接口完成连接任务，而且系统可 以工作在省电模式下，功耗进一步降低。 这样以d s p 为核心芯片的处理系统日益变成了数字信号处理系统的主要广泛用 于电子信息、通信、图像处理、语音处理、生物医学、自动控制、质探测等领域， 受到工程设计和使用人员的青睐。 1 3 2u s b 技术的发展 呻1 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线是1 9 9 5 年康柏等公司为解决传统 总线的不足而推出的一种新型串行通信标准。它是一种快速的、双向的、同步传输 的、廉价的并支持热拔插的串行接口。其一经推出便以速度快、安装和配置简单成 本低廉、连接容易、支持热插拔、占用主机资源少、易于扩展等优点，赢得了广大 用户的支持，并在很短的时间内便迅速普及开来。u s b 技术的应用是计算机接口技 术的重大变革，u s b 总线的主要优点有： 1 u s b 可连接多达1 2 7 个外设，简单方便的扩大了p c 机接口能力。 2 对于p c 用户来说，u s b 实现了真正的即插即用和热插拔，当用户需要将外设 连接到p c 机上进行功能扩展时，只需要将外设的连线插入p c 机的u s b 接口上就可 以了，其余由操作系统来完成。 3 u s b 规范具有良好的向下兼容性，如u s b 2 o 的主机控制器就能很好地兼容 u s b l 1 的产品。 4 u s b 技术具有开放性，是非盈利性的规范，得到了广泛的工业支持。 5 不管是硬件设计或是数据传输的协议，u s b 都很稳定。u s b 驱动程序、接收器 以及电缆的硬件规范，都会尽量减少噪声干扰产生的错误数据。 随着u s b 2 0 版本的发布，u s b 越来越流行，它己经成为一个标准接口。目前市 场上出售的所有p c 机都支持u s b ，而且很多外设只推出了u s b 版本，如移动硬盘 等。可以预见，u s b 的应用肯定会越来越广泛，其传输速率也会越来越高。 在已有的u s b 体系中，总共有三种数据传输速率：低速1 5 m b i t s 、全速可达 1 2 m b i t s 、高速4 8 0 m b i t s 。2 0 0 0 年3 月以i n t e l 为主的一些硬件厂商和开发商联 合制订了u s b 2 0 规范，它将传输速率提升至4 8 0 m b i t s ，u s b 2 o 规范是一项开放的 高速通信协议总线规范，大约6 0 m b i t s 确足以满足大多数外设的速率要求，而速率 的不断提高，主要原因是为了与其它总线结构的竞争，例如：i e e e 一1 3 9 4 总线的理论 速率已达到3 2 g b i t s 。 总体来说，u s b 接口具有以下特点： 5 北方- t 业大学硕士论文 1 系统自动地检测与设置，可以做到与系统的无缝连接。 2 通用的接口，简易的电缆，无需独立电源，能够和外设完美结合。 3 速度快、价格低廉、性能稳定、通信协议成熟，使得它与主机的数据传输得到 很好的保证。 正是因为以上优点，u s b 接口技术已经被广泛地应用于计算机应用的各个方 面。 1 4 系统方案比较并确定 利用以上提到的各种技术，本文介绍一种基于高性能d s p 的高速数据采集处理 系统，可以用于机读信息卡息录入等领域。此类系统一般有传感器、a d 、数据处理 控制单元、p c 机接口、机械运动控制等部分组成，其基本结构如图1 1 所示： 图1 1 l 司类系统基本结构 实现上面的系统，有很多种方案，下面就集中基本结构进行比较分析口1 ： 1 ) 工控板+ a d 采集卡模式 如图1 2 所示，系统由机械控制部分控制设备运行，a d 卡对数据进行采集，然 后由工业级半长型c p u 主板进行处理，处理后的数据通过串口上传计算机系统，这 种模式是以前产品多采用的方式，采集速度较快，抗干扰能力强，但结构比较复 杂，电气成本，维护成本高，自主知识产权低。 计算机i 系统 图1 2 基丁二工业级主板的结构 6 北方工业大学硕士论文 2 ) 处理器+ a d 模式 如图1 3 所示，微处理器一般采用8 位、1 6 位单片机，如5 1 ，1 9 6 等，速度比 较慢，适用于对速度要求不高的场合。如采用高端3 2 位嵌入式微处理器，如a r m 系 列微处理器，则可以大大提高其处理速度，也是一种可行的方案，但单片机的对信 号的处理方面不如d s p 。 图1 3 基于微处理器的基本结构 3 ) d s p + a d + f p g a 模式 如图1 4 所示，这种模式采用d s p 技术进行设计，自主知识产权高，技术先 进，目前是市场的主流，工作原理和上一机型类似，但它也存在一些缺点，要是传 统d s p 的控制功能、接口功能较弱，需要配合f p g a 进行扩展，以至电路复杂、成本 相对较高等。 图1 4 基于d s p + f p g a 的基本结构 4 ) d s p + p c i 卡模式 如图1 5 所示，此种模式采用p c i 卡方式进行数据传输，适用于数据量大的应 用，如视频图象的高速采集与传输等。使用p c i 总线，虽然其有很多优点，但是存 在如下严重缺陷：易受机箱内环境的影响，受计算机插槽数量的地址、中断资源的限 制而不可能挂接很多设备：系统结构比较复杂，成本较高。 7 l 乏方工韭大学硕士论文 阕1 5 基于p c i 卡的基本结构 5 ) 带有内部矗内的菸p 模式 如图1 6 所示，此种模式采用带有内部a d 转换的高速d s p 芯片作为系统核心， 数据传输接口采用u s b 接口，幽此设计的系统具有电气结构简单，成本低，采集与 处理速度抉等优点。 图1 6 基于新型d s p 的基本结构 经过比较，本数据采集系统采用带有内部a d 的d s p 模式这种结构，这是一种 结构简单、功能强大、经济实用、多通道高速数据采集处理系统，具有数据采集与 传输功能。它由传感器、数据采集、数据处理等几个部分组成。它通过传感器部 分，将非电信号转化为电信号，再通过数据采集部分将电信号转化为数字信号，并 由数字处理部分进行相应的处理，根据采集到的数据结果，并且将结果传送到计算 机系统，从而实现数据的采集和分析功能。 1 5 本论文研究内容 j 艺方王韭大学在研究测力仪方面处于先进地位，宙北方工业大学机电中心鸯主 研制开发的应变式测力仪，能够实现多维测量，但是缺少在数据采集处理分析方面 的软件的研发。如果研制开发出软件组成切削力数据采集系统，对于切削力的分析 处理会更加方便，为切削力的研究提供技术上的依托。 8 北方工业大学硕士论文 本文主要研究的内容是切削力测力系统数据采集分析软件的开发，利用北方工 业大学自主开发应变式测力仪和t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为微控制器的数据采集卡 为硬件平台，利用c c s 3 1 作为下位开发环境，利用v c + + 作为上位开发环境，开发 出具有数据采集、处理功能的切削力测力系统。具体功能如下： 1 能够实现6 通道数据采集功能。 2 能够实现上下位机数据传输。 3 具有数据显示功能。 4 具有数据分析处理功能。 5 具有波形显示功能。 9 浊方王韭大学顼士论文 2 切削力采集系统理论 切削力测量系统般由三部分构成：由测力仪、数据采集系统和p c 机三部分 组成，如图2 1 所示。测力仪( 测力传感器) 通常安装在刀架( 车削) 或机床工作 台上( 铣削) ，受贲拾取切削力信号，将力信号转换为弱电信号；数据采集系统对 此弱电信号进行调理和采集，使其变为可用的数字信号；p c 机通过一定的软件平 台，将切削力信号显示出来，并对其进行数据处理和分析。 |卜徽弱邀蕊争刮卜黉鞭聚集数键一| l 溯力纹|l 数据采鬃系统 ll p e 梳 | l 陪一供电| 一| 一控制命令一 l 嘲2 1 切削力测量系统组成 鬻量测力仪品质的指标包括灵敏度、各向耦合程度、力点位置变化影响、固有 频率等。测力仪性能的好坏，童接影响着整个测力系统的精度和水平，也决定着对 切削加工过程进行实时监控的成功与否。 2 1 应变式测力仪 2 1 1 金属的电阻应变效应 u 早在1 8 5 6 年，英国物理学家就发现了金属的电阻因不变效应金属丝的电 阻随其所受机械变形( 拉伸或压缩) 的大小露变化。 由物理学可知，金属丝电阻的计算公式为： 月：口上 ( 式2 1 ) 5 式中：r 为电隧值( q ) ；p 为电阻率( q m 蠢西1 ) ；王为金属丝长度 ( m ) ；s 为金属丝横截面积( m m 2 ) 。 取一段金属丝，当其受拉力丽伸长d 1 时，其横截面将相应减少d s ，电阻率则 因金属晶格畸变嚣素的影响也将改变dp ，从而弓l 起金属丝的电阻改变d r 。将式 ( 1 ) 取对数可得： 1 1 1 月= h l z l i l s + l l l p 两边取微分，褥 dr d l d sdo 一= = - 一r|s p l o ( 式2 2 ) ( 式2 3 ) 北方工业大学硕十论文 由于。= d l 1 为金属丝轴向应变，e ，= d r r 为金属径向应变，且s = 万，2 ( r 为金属丝半径) ， d s 、d r 一2 z sr 由于导线处于单项应力状态，在比例极限范围内有 ( 式2 4 ) s ，= 一s 工 ( 式2 5 ) 式中：u 为金属丝材料的泊松系数。 将( 式2 4 ) 、( 式2 5 ) 代入( 式2 3 ) 并整理可得： 业：k 。：( 1 + 2 ) + 上盟 ( 式2 6 ) x 8l p l ( 0 称为金属丝的灵敏系数，其意为金属丝产生单位变形时电阻相对变化的大 小。显然，l ( 0 越大，单位应变引起的电阻相对变化越大，即越灵敏。 从( 式2 6 ) 可以看出，影响l ( 0 的两个因素中，第一项( 1 + 2 u ) 是构件受力后 其几何尺寸发生变化而引起的：第二项则是构件发生变形时，其自由电子的活动能 力和数值均发生变化所致，该项无法用解析式表达。因此，只能依靠实验求得i ( o 值。一般地，金属材料的泊松比l l = o 2 5 0 4 ，经过大量的实验筛选，某些材料的 电阻率变化很小，且和线应变成线性关系，如康铜的灵敏系数k 。= 2 2 ，镍铬的灵敏 系数k 。= 2 4 ，它们的材料灵敏系数近似为常数。在金属丝弹性变形范围内，电阻的 dr 相对变化下与应变。成正比，可以用增量来表示： 竽：k ( 式2 7 ) 2 1 2 应变式测力仪工作原理 应变式测力仪由弹性元件、电阻应变片及相应的测量转换电路组成，把电阻应 变片贴在弹性元件表面，并连接成某种形式的电桥电路，当弹性元件受到力的作用 而产生变形时，电阻应变片便随之产生变形，从而引起其电阻阻值的变化r ，由式 r ( 式2 7 ) 知t 2 k o v 。测力仪经典电桥线路的如图2 2 所示。 l 艺方王韭大学硕士论文 阁2 2 测力仪经典电桥线路 其中当u = 0 时，称为电桥平衡，平衡条件为： r l r 4 = 翼2 冀3( 式2 。8 ) 应变片电阻值的变化r 造成电桥不平衡，使电桥输出发生变化u ，通过标定建 立输出电压与力之间的关系。使用时根据输出电压反算切削力的大小。具体如下： 设翼l 为工作应变片，初始状态下，电桥处于平衡状态，l j = 0 当有杰r l 时，电 桥的输出电压为 碡一删拭2 9 ) 令r 2 r 1 = n ，以及忽略分母中的微小项，( 式2 9 ) 整理可得： u 搿三堡 ( 1 + 聆) 2 羁 电桥的电压灵敏度为 鬈封= 釜= 鬈南 r ， 由( 式2 1 1 ) 可以看出，电桥电压灵敏度与供桥电压和桥臂电阻比值n 二者有 关。供桥电压越高，电压灵敏度越高。当n = 圭时，即r l = r 2 ，鬏3 = r 4 的对称条件下， 电压灵敏度最大，这种对称电路得到广泛的应用，这是温度补偿常用的电路。这 时，表达式可以简化为： 纛拶三拶垒鱼。爱，垒生 4 露l “ 露l 1 2 北方- t 业大学硕士论文 k i f ：l u。 4 另外，差动电桥、四等臂电桥也是测力仪经典电桥线路，其电路图如图2 3 、 2 4 所示，其输出电压u 计算公式分别为： u 而一击) = 等( 争( 式2 1 4 、r i + 月l + r 2 + 尺2尺3 + r 4 2 、尺 【，：三u ( 盟一些一些+ 些) 4 、月1 月2 月3尺 图2 3 差动电桥电路图 图2 4 四等臂电桥电路图 应变式测力具有灵活性大、适应性广、性能稳定等优点，而且配套仪表( 如静 态应变仪、动态应变仪等己标准化，因而得到广泛应用。但是其测量原理决定了测 量精度和动态特性主要取决于弹性元件的结构，如何有效解决灵敏度和刚度之间的 矛盾，是提高应变式测力仪测量精度和动态特性的关键。 1 3 薯乏方工韭大学硕士论文 2 2 切削力理论 2 2 1 切削力来源 在切削过程中，刀具和工件间相互作用着力，并消耗功率。金属切削时，刀具 切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑，这种力就成为切削力，切巍力的来源 有三方面： 1 克服被加工材料对弹性变形的抗力； 2 克服被加工材料对塑性变形的抗力； 3 。竞服切藩对刃具前刀面和刃具后刀面对加工表面和已加工表面之间的摩擦 力。 2 2 2 切削合力、分力 为了便于测量和研究切削力，尤其是力了适应生产中设计和使用机床、刀具、 夹具的需要，一般都把总切削力f 分解成三个互相垂直的方向。如图2 5 所示。 圈2 。5 切割禽力与分力 1 主切削力f c 它垂直于基面，它的数值是分力中最大的。又因他和主运动的 方向重含，所以f c 所做的功最多( 占总功的9 5 9 9 ) ，它是计算机床的动力、 设备的强度和嚣l 度所不可缺少的数据。 2 背向刀f p _ 一它在基面内，并与进给方向( 即工件轴线方向 相垂直。它也称 为径向力( 通过半径方向) 。此力虽不做功，但因他作用在机床一夹具一工件一刀 具系统刚度最弱的方向上，容易譬l 起振动和加工误差。它是设计和校验系统刚度和 精度不可缺少的数据，因此是十分重要的切削力。 3 进给力f ，它在基面内，并与进给方向( 即工件轴线方向) 平行。称为轴 向力，也称为进给力。因为进给力与进给方向平行，所以也做功。只占总功的l 5 。走到抗力作用在进给机构上，是设计和校验走刀枧构所必需的数据“瓣秘羽鞋朝。 1 4 北方工业大学硕士论文 2 2 3 影响切削力的因素 1 工件材料对于切削力的影响 1 ) 材料的强度、硬度高，则屈服强度越高，由弹性变形、塑性变形所产生的切 削力就比较大；相反，材料的强度、硬度低，切削力较小。 2 ) 切削力不仅决定于材料的强度、硬度，而且和材料的塑性、韧性有很大的关 系。塑性大的材料在切削过程中产生较大的塑性变形，硬化很强烈，而且切屑和前 刀面间的摩擦系数较大，接触区长度较长，故切削力较大。韧性高的材料，使之发 生变形或破坏，需消耗较多的能量，故切削力也比较大。 2 切削用量对于切削力的影响 1 ) 背吃刀量巩与进给量f 影响 因为切削面积a d = 砩f ，所以背吃刀量a p 与进给量f 的增大都将增大切削 面积。切削面积的增大将使变形力和摩擦力增大，切削力也将增大，但两者对切 削力影响不同。 由于进给量f 的增大会减小切削层的变形，所以背吃刀量对切削力的影响 比进给量f 大。 在生产中，如机床消耗功率相等，为提高生产效率，一般采用提高进给量而 不是背吃刀量的措施。 2 ) 切削速度 积屑瘤产生阶段，由于刀具实际前角增大，切削力减小。在积屑瘤消失阶 段，切削力逐渐增大，积屑瘤消失时，切削力f 。达到最大，以后又开始减小。 3 刀具几何角度影响 1 ) 前角的影响 在刀具几何参数中前角对切削力的影响最大。前角愈大，切屑易于从前刀面流 出，切削变形小，从而使切削力下降，但前角y 。对三个切削分力的影响是不同的。 同时，工件材料不同，前角的影响也不同，对塑性较大的材料，如紫铜、铝合金 等，切削时塑性变形大，前角的影响较显著；而对脆性材料，如铸铁、脆黄铜等， 前角的影响就较小。 2 ) 主偏角的影响 主偏角对主切削力的影响不大，当k ，= 6 0 。7 5 。时，主切削力最小。但主偏 角对f p 、f f 的影响较大。随着主偏角的增加，进给力f ，增加，而背向力f 。减小。 当k ，= 9 0 。，理论上背向力f ，= 0 ，实际上由于有刀尖圆弧半径r 。和副切削刃参与切 1 5 北方工业大学碛士论文 削，即使k ，= 9 0 。，f 。还是存在的。在车削刚性较差的细长轴时，应选用较大的主偏 角，就是为了减小& 的影响。 3 ) 刃倾角的影响 刃倾角入。对主切削力f 。的影响很小，但对进给力f f 和背向力r 的影响较大。 当入。从正值变为负值，f 。将增加，f f 将减小。所以车削刚性较差的工件时，一般不 取负的刃倾角。 4 ) 刀尖圆弧半径 在切削深度a p ，进给量f 和主偏角k ，一定的情况下，增大刀尖圆弧半径r 。， 刀刃曲线部分长度增大，切粪l 刃平均主偏囊减小，使切屑断面形状中b 。增长，魏。减 小，成为薄而宽的切屑，从而使切削变形增加，所以切削力也增加，其中r 明显增 加，f ，降低。因此在工艺系统刚性较差时，应选用较小的刀尖圆弧半径。 2 ，2 4 切剡力经验公式 醑前切削力的理论公式已经有好多种，但方面由于精度不够，另方面理论 公式比较繁杂，计算起来不及经验公式方便，因此实际工作中多使用经验公式 n 4 】 1 5 】 1 6 】 通过切潮力实验建立的车削力实验公式，其一般形式为： t = c t 口厂y ，”k 只 ( 式2 1 6 ) f ，= cf ，a ? 孙v 籼kf ， 式2 专气) 只= c ，j 口；_ y v “如k 一 ( 式2 1 8 ) 式中：c 矿c 、c 疋一一王件材料和切削条件对三个分力的影响系数； t 、本厂背吃刀量a p 对三个分力的影响系数； 赡、坛、赡切削速度v 对三个分力的影响系数： 砭、磁，、砭各种因素对三个分力影响的修正系数 的乘积； 以车削为例： 车削时切削力计算公式： 切削力： f z 篮9 s 、cf ：谯? ! f f 。v kf ： 背向力： 1 6 北方工业大学硕士论文 f y = 9 8 1c ，口；，厂阶， ，“勺k _ 进给力： f x = 9 8 、cf l n ? lfn lv lk f 。 式中v 的单位为m s 。 2 3 数据采集系统主要参数 ( 式2 2 0 ) 数据采集系统的性能要求与具体应用目的和应用环境有着密切关系，对应不同 的应用情况往往有不同的要求。下面是比较常用的几个指标及其含义n 7 1 。 2 3 1 系统分辨率 系统分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常可以使 用系统所采用的a d 转换器的位数表示系统分辨率，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上a d 转换器 的位数为1 2 位。 2 3 2 系统精度 系统精度是指当系统工作在额定采集速率下，整个数据采集系统所能达到的转 换精度。a d 转换器的精度是系统精度的极限值。实际上，系统精度往往达不到a d 转换器的精度。因为系统精度取决于系统的各个环节( 子系统) 的精度，如前置放 大器、滤波器、模拟多路开关等，只有当这些子系统的精度都明显优于a d 转换器 精度时，系统精度才能达到a d 转换器的精度。 2 3 3 采样频率 采样频率是指对模拟信号进行a d 采样时，每秒钟对信号采样的点数，该切削力 数据采集系统采样频率决定于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 片上a d 时钟频率，片上a d 时钟为2 5 m ， 所以系统采样频率最高即为2 5 m ，由于切削力信号频率范围一般为0 1 5 i ( h z ，所以完 全满足系统要求。 2 4 奈奎斯特采样定理 本软件系统是数据采集系统，它必须遵循采样定理。当采样频率f s t i l a x 大于信号 中最高频率f m a x 的2 倍时，即：f s i i 瞰 = 2 f i l l a x ，则采样之后的数字信号完整地保留了 原始信号中的信息；采样定理是信息量化的基础，使离散的2 进制比特表示连续的模拟 量的理论依据。 1 7 l 艺方王业大学颈士论文 3 切削力数据采集分析软件总体设计 3 1 总体方案设计 本章开始数据采集系统的软件体系的设计。数据采集系统的数据流从原始的自 然界信号开始，经传感器变换为连续模拟的电信号，再由a d 转换器转换为离散的 数字量，由采集程序按一定的策略和方法采集成数字集合，再由处理程序处理和提 取成信息集合，最盾可直接显示其信息结果，可据其输出相应的控制结果，亦可传 输到冤大更全面的信息、集合痒，俸进一步的分橱和应溺。萁基本的流动模式图 3 1 所示。在图3 1 中，从原始信号通过传感器变换为电信号，再到a d 转换为离 散数字量，属于数据采集系统中由硬件部分实现的功能，从离散数据量的采集到数 据集合的处理到信息的传输，属于数据采集系统中软件部分实现熊功能。 槎吲耋吲揪睁 本课题的软件设计包括以下几部分：d s p 的数据采集设计；主机上读取处理结果 以及显示、处理程序程序设计；u 蹋的驱动程序设计。d s p 和主视系统上电以后，采 集卡上运行数据采集程序，主机运行上位机穰序，二者通过u s b 总线通信。采集和 处理程序上电后初始化必须的寄存器和标志位，然后进入定时器采集处理状态。当 一组数据采集处理完后，将处理结果放到指定区域并设置相应的标志位。主机端启 动后则先通过列举设备查找采集处理卡，找到后即等待采集与处理程序设置标志位 或者触发中断，从而读取相应数据n 8 1 。软件总体框图如图3 2 所示： 上往机程序 l 用户态 i u s b 驱动程序 内核态 主规 板卡 1r d s p 端数据采集程序 图3 2 软件总体框图 1 8 北方工业大学硕士论文 3 2 系统功能基本框架 切削力数据采集分析软件软件基本框架如图3 3 所示，为了程序编制的概念清 晰和便于维护，设计时采用了模块化思想，其主要的模块有下位机数据采集模块， 下位机与上位机的通讯模块，上位机的数据分析处理模块。 图3 3 切削力数据采集分析软件软件基本框架 3 2 1 数据采集模块 数据采集模块主要是对硬件系统进行初始化，主要做主程序入口设置，所用寄 存器清零，程序r o m 和数据r a m 区的初始化，中断i o 设置等等主程序运行前的准 备工作。然后调用主程序对信号进行采集，并将所得数据进行存储，等待主机命令 后进行传输n 9 1 。 3 2 2u s b 通讯模块 u s b 通讯模块主要是对u s b 设备驱动程序开发及上位机与下位机之间的通讯协 议的确定。u s b 驱动程序开发主要采用采用的是n u m e g a 公司的驱动开发工具 d r i v e r s t u d i o ，其中d r i v e r w o r k s 工具为开发设备驱动程序提供了一个自动化的方 法，可以引导完成设备驱动程序开发的全过程，并能根据硬件种类自动生成设备驱 动程序源代码。通讯协议主要保证上位机顺利控制访问下位机，实现上位机与驱动 程序进而与硬件的通讯，保证上下位机之间数据的顺利传输。 3 2 3 数据处理分析模块 数据处理分析模块主要是对采集上来的数据进行了滤波，利用软件消除了部分 干扰，使结果更加的精确。所采用的滤波算法为中位值平均滤波算法。这种算法融 1 9 冀| ：方王受大学颈论文 合了两种滤波法的优点，能有效克服因偶然阏索引起的波动干扰，适用于对一般具 有隧机干扰的信号进行滤波，对予偶然出现的脉冲性干扰，可消除由于脉冲于扰所 引起的采样值偏差。 北方工业大学硕士论文 4 切削力数据采集分析软