基于LabVIEW平臺的生產法測量車床靜剛度實驗系統

王繼偉，王家勝，呂寶君，白青實，李新成

(青島農業大學機電工程學院，山東青島 266109)

車床靜剛度是衡量車床性能的重要指標之一，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加載法和生產法兩種：第一種方法阮玉鎮[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]，利用誤差復映系數和工藝系統剛度公式計算車床床頭、刀架、尾座的靜剛度。生產法存在人為誤差較大、誤差復映系數和靜剛度計算公式復雜、運算量大、耗時長、易出錯等問題。為此，設計一種準確、高效的生產法測量車床靜剛度實驗系統是非常必要的。

1 原理

1.1 誤差復映規律

(1)

及ε=C/(K+C)，得：

(2)

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

(3)

式中：Ki，系統靜剛度；C，與切削條件有關的系數；CFp，工件材料和切削條件對背向力Fp的影響系數，CFp=1950；f，進給量，mm/r；yFp、ηFp，切削用量對FP影響指數，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，轉速，r/min；KFp，實際切削條件與經驗公式不符時的修正系數，KFp=1。

1.2 系統靜剛度

車床系統靜剛度計算公式為：

(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，得系統靜剛度K1、K2、K3為：

(6)

(7)

(8)

2 系統硬件設計

2.1 硬件組成

系統由普通臥式車床、位移傳感器、數顯游標卡尺、磁力表座、分集線器、數據線、計算機、打印機、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數顯千分表，與計算機連接可實時采集數據，其優點在于既可以通過傳感器顯示面板讀取測量位移，又可以通過計算機采集、存儲數據。

2.3 數據采集

在數據采集系統中，位移傳感器讀取毛坯和工件大小徑差值后，由5010-311型分集線器實現位移信號與數字信號之間的轉換，并與LabVIEW平臺的虛擬儀器架構應用程序VISA(virtual instrument software architecture)進行數據通信，將數字信號輸入計算機，經LabVIEW編程計算車床靜剛度，達到同時采集3處臺階尺寸的目的。

3 系統軟件設計

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，并節省了大量的編程時間。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，實驗人員可以直接進行操作。后面板是程序面板，通過編程完成前面板運行和程序數據處理，實現數據采集、處理、分析、保存及生成報告等功能[12-13]。

生產法車床靜剛度測試系統主要包括數據采集與數據處理兩個模塊：數據采集模塊由位移傳感器構成，輸出數據模式為同步串行方式；數據處理模塊把采集數據求均值后，依據預置公式計算車床靜剛度。其測試流程如圖2所示。

3.1 系統前面板設計

系統前面板包括學生信息及實驗參數錄入，端口選取，試件最大直徑、試件長度及數據采集、保存，生成報告等功能，能夠準確計算誤差復映系數和車床床頭、刀架、尾座及系統靜剛度，具有人機交互功能。

3.2 數據采集程序設計

數據采集系統由位移傳感器通過分集線器對數據進行三合一轉換，并輸入到計算機，利用LabVIEW平臺進行數據采集。數據采集程序如圖3所示，它通過VISA配置并初始化串口，并從指定端口采集數據至讀取緩沖區，采用while循環語句完成實時數據采集。

3.3 數據處理程序設計

數據處理程序通過數據存儲循環結構體實現，如圖4所示。

4 系統應用

4.1 信息錄入

輸入學生信息、實驗參數，并設置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，調零，打開分集線器電源；②調整位移傳感器測頭，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)運轉，開始采集，試件轉動1圈后停止，使車床主軸停止運轉，移出位移傳感器至毛坯大徑位置，設置索引1(代表毛坯大徑)。最后重復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4.2節步驟，設置索引為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 數據處理

實驗系統保存數據時，自動計算車床床頭、刀架、尾座3處的靜剛度。

4.5 實驗結果

3個臺階加工前后各位置的半徑偏差測試數據如表1所示，系統處理后車床床頭、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 靜剛度測試結果Table 2 Static stiffness test results

從表2可以看出，實驗系統測試總耗時為50 s，而人工測量、計算至少需要50 min，是實驗系統用時的60倍。同時，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 結論

利用傳感技術和數據采集模塊，借助于車床的低速運轉和縱、橫向手動進給，通過LabVIEW平臺，實現了3個位移傳感器同時采集、數據保存和處理，獲得車床床頭、刀架和尾座靜剛度，提高了測試精度和實驗效率。實驗結果表明，該系統能夠快速、精確地測試車床靜剛度，具有結構簡單、操作方便、涵蓋知識范圍廣等特點，實現了測試系統的準確性、高效性和智能化。