基於數（shù）控係統二次開（kāi）發平台的切削力測（cè）量係統研究-刀（dāo）具網（wǎng）-數控機床市場網

您現在（zài）的（de）位置：數控係統網> 技術前（qián）沿（yán）> 基於數控係（xì）統二次開發平台的切削力測量係統研究

基於數控係統（tǒng）二次（cì）開發平台的切削力測量係統研究

2020-5-28 來源：湖北文理學院華中（zhōng）科技大學襄陽作者：李波郝文峰向華

摘要: 當前機床切削力測量通過外（wài）部計算節點獲得，與數控係統無直接信息交互，限製了某些對（duì）於切削力有著特殊要求的零件加工。該文提出了一種基於（yú）國產數控係統二次開發平台的切削力（lì）測量方法，其通過專用設（shè）備測量切削力，數控係統二次開發平台深度開發，實現加工 G 代碼（mǎ）與測量切削力的同步。該文首先介紹數控係統（tǒng）二次開（kāi）發平台，接著分析切屑（xiè）力測量的總體框架，然後闡述平台的軟硬件設計，最後進行了切削力測量的實驗分析。相關結果顯示測量（liàng）係統穩（wěn）定、可（kě）靠，具有一定的工程應（yīng）用性。

關鍵詞: 數控係統; 二（èr）次開發平台; 切（qiē）削力測量

0 引（yǐn）言

切削力是機床加工中（zhōng）的重要參數，其對於加工質量、加工效率、刀（dāo）具（jù）壽（shòu）命等有（yǒu）著直接的影響（xiǎng）。同時，切削（xuē）力是機床加工（gōng）功率計算、切削參數製定、刀具選擇等的（de）指（zhǐ）導。因此，開展切屑力研究分析機床加工過程中切（qiē）削力變化與各切削參數（shù）的關係，對於（yú）提升（shēng）機床整體性能具有重要的意義。

切削力的測量（liàng）可分為直接（jiē）測（cè）量、間接測量。切（qiē）削力直接測量是將壓（yā）電元件、光（guāng）纖（xiān）、加（jiā）速（sù）度、位移探針等傳感器加裝到刀具或工裝係統中，並對輸出信息進行濾波、放大、整流等（děng），實現切削力的直接觀測; 切削力間接測量是對電機或相關係統的電流、電壓（yā）信號進行測量，並（bìng）基於相關經驗公式，求解切削力。Tlusty 等［1-4］利用應變片、加速度計、主軸（zhóu）集成式光纖光柵等非（fēi）壓（yā）電傳感器實現了機床切削力動態測量，並研究了多種誤差補償方法（fǎ）; 李琦等［5-6］基於嵌入式薄膜、壓電（diàn）晶體傳感器等研究了切屑力的直接測（cè）量，相對（duì）於非壓（yā）電元件傳感器測量，應用範圍更加廣泛。間接測方（fāng）法主要圍繞主軸電機電流測量［7］; Altians［8］通過對（duì）電機轉矩分配的分析，驗證了切（qiē）削力與電流的數學模型，其奠定了間接測量（liàng）的理論（lùn）基礎; 王南［9］基於 BP 神經網絡開展了拉夾逆向車削細長軸切削（xuē）力預（yù）測研究; 史麗（lì）晨［10］以空（kōng）心主軸電機電流為依據，基於（yú）線性回歸分析擬合（hé）了切（qiē）削力經驗公式; 李斌［11］開展了（le）主（zhǔ）軸電流與切削力信號的時頻域（yù）分析，提出兩者間有著強相關性，但存在時延; 呂盈［12］以 Solid Works 位平台，利用切屑（xiè）形狀計算切削力的大小，並與 ABAQUS 仿真得（dé）到滾齒切削力，驗證了其有效性（xìng）。

間接測量與直接測量相比（bǐ），其準確性（xìng）易受到引入參數（shù）的影響，係統帶寬與控製（zhì）電路動態特性相（xiàng）關，大部（bù）分測量集中在銑削加工中，導致適（shì）用性受限。應變片測量方（fāng）法易受到電測幹擾; 位移測量方法不能準確反映刀具狀態; 壓電力傳感器具有（yǒu）高剛（gāng）性、高熱穩定性等特點，適用於機床切（qiē）削力（lì）加（jiā）工過（guò）程的跟蹤監控。目前切削力測量是通過外部計算節點進行數據采集、分析和補償，與數控係統無直接聯係（xì），導致數控係統不能對切削力信息直接采集，難於對加工過（guò）程進行快速、有效監控。因此本文提出了一種基於國產數控係統二次（cì）開（kāi）發平台的切削力直接測量方法，設（shè）計了該方法（fǎ）的總體框架，搭建了實驗平台，進行了數控係（xì）統二（èr）次開發平台（tái）的深度開（kāi）發，並通過相關實驗驗證了（le）測量方法的有效性。1 數控係統二次開發平台

華中數控 8 型係統的二次開發平台（tái）具有多層次應用開發接口，集成了專機開發所（suǒ）需（xū）共性技（jì）術，其可快捷與用戶專有加工工藝知識進行無縫集成和深度開發（fā），搭建專用控製係統。華中數控係（xì）統二次（cì）開發平台可提供三個層麵的二次開發接口，如下:

( 1) 基於腳本（běn）的 HMI 開發接口，用戶自（zì）定義界（jiè）麵;

( 2) HNC-API 應用（yòng）程序開發接口，用戶開發專用數控係統;

( 3) 核心模塊嵌入式開發接口，用戶個性（xìng）化功能定製。

二次開發平台包括數控係統 API、IEC61331、數據采集及人（rén）機界麵等 4 個部分。數控（kòng）係統 API 部分提供應用層、功能層、控製層及設（shè）備層接口實現五軸機床（chuáng）、車（chē）銑複合機床等的精準控製，IEC61331 部分提供應用層、功能層、設（shè）備層接口實現注塑機、桁架（jià）機械手等的（de）自動控製，數據采（cǎi）集部分提供應用層、數（shù）據采集、設備（bèi）層接口實現製造過程優（yōu）化（huà）、CPS 等雲平台功（gōng）能的構建，人機界麵部分封裝運動管理、參數管理（lǐ）等集成本（běn）地化應（yīng）用。二次開發平台的框架結構（gòu）如圖 1 所示。

圖 1 華中（zhōng） 8 型（xíng）數（shù）控（kòng）係統二次（cì）開發平台

華中數控 8 型係統基於 Linux 平台設計（jì）和運行，提供基於 Windows 環境設計的二（èr）次開發包。用戶（hù）可在Windows 下完成新用用開發後（hòu），通過 Linux Vmware 重新編（biān）譯，轉換成 Linux 平（píng）台下可運行的模塊，並重新部署在華中 8 型數控（kòng）係（xì）統。

2、切削力測量總體框架

切削力的理論計算方法包括經（jīng）驗模型、物理模型、以及人工智能神經網絡模型（xíng）等，但存在較多的局限性，故切削力常通過機（jī）床主軸電流（liú）值進行切削力的粗略估算。但該方式下電流信號（hào）易受到外界幹（gàn）擾，尤（yóu）其是受到機床本身特性幹擾，導致該（gāi）方法測量得（dé）到的切削力精度不高，使用（yòng）範圍受限程度較大。

切削力測力儀可應用於（yú）直接測量切削力，其通（tōng）過力傳感器采集切削力信號，經過信號（hào）放大器、數字采集器，最後（hòu）到達處（chù）理工作站。該方式下測量的（de）切削力精度高、可移植性（xìng）強（qiáng），已廣泛應用於高精密機床的加工（gōng）性（xìng）能驗證中。為實現切削力的高精度測量，本文選用壓電測（cè）力儀（yí） 9257B 以及配套輔（fǔ）助設備作為切削力測量前端。壓電測力儀 9257B 為三分量壓電測力儀，可測量（liàng） Fx、Fy、Fz 三個方向（xiàng）上的（de）切削力。測量範圍分別為 ± 5kN，靈敏度分別為－3． 7、－3． 7、－2． 3PC/N。針對加（jiā）工過程中的切削力實時測量（liàng），需要將壓電（diàn）測力儀 9257B 的測（cè）量（liàng）數據傳輸到數控（kòng）係統中，其有兩種不同的方式傳入數控係統;

( 1) 利用數字采集卡進行信號的采（cǎi）集（jí）與（yǔ）處理。然後（hòu）在工控機端開發相（xiàng）應的（de）服務（wù）器程（chéng）序，在（zài）數控係統端開發相應的客戶端功能模塊。客戶端（duān）采用 TCP 套接（jiē）字的方式通過網線（xiàn）發送獲取數據的請求，服務器端在接收到數據請求後（hòu）也通過網線將采集到的（de）數據發送給客戶端，客戶端再將獲得的數據與當前（qián）運行的 G 代碼對（duì）應起來顯示;

( 2) 利（lì）用模擬數字轉換卡對切削力信號進行（háng） A/D轉化，然後（hòu）通過數控機床的 I /O 接口接入 PLC，利用數控係統自帶的 PLC 信（xìn）號采集功能，通過對 X 寄存（cún）器的實時監測采集便可以完成對切削力信號的采集。為實現數控加工 G 代碼的優化，通常需要（yào）建立 G代碼與測量值之間的對應關係（xì）。上（shàng）述方案( 1) 中存在一定的技術困（kùn）難。華中 8 型數控係統在采集 G 代碼（mǎ）行（háng）號是利用通道（dào）進行采（cǎi）集，與切削力信號采集（jí）來源途徑不同，時鍾頻率（lǜ）不同，導致切削力信號與 G 代碼行號難以匹配，無法建立 G 代碼與切削力之間的關係，無法開展 G 代碼（mǎ）優化工作。為此，選擇方案( 2) 作為本（běn）文整體方案（àn），其示意圖如圖 2 所示。

圖 2 係統整（zhěng）體框架示（shì）意圖

3 、切削力測量硬件部分設計

由於大多數數控機床隻（zhī）配備了通訊板卡和軸控製板卡，無帶有 A/D 轉換功能的（de）板卡，故需要在數控機床中增加 A/D 轉（zhuǎn）換板卡完成（chéng）模數（shù）轉化工作（zuò）。與華中 8 型數控係統匹配的硬（yìng）件 PLC 單元模塊為 HIO-1000 係列總線 I/O 產品，其中 HIO-1073 模塊的功能為完成機床到數控（kòng）係統的模擬轉數字轉（zhuǎn）信號輸入和數控係統（tǒng）到機床的數字轉（zhuǎn）模擬信號輸出。每個（gè）輸入或輸（shū）出模塊都提供 4通道 12 位差分或（huò）單端模擬信號輸入或輸出。電荷放大器與 HIO-1073 板卡連接示意圖如圖 3a 所示。

圖 3 電荷放大器接口（kǒu）與 HIO-1073 板卡連線圖

圖 3 中 Ch1( Fx) 連接（jiē）到 HIO-1073 板卡的 1 號接口（kǒu），Ch2( Fy) 連接（jiē）到（dào） HIO-1073 板卡的 3 號接口，Ch3( Fz) 連接（jiē）到 HIO-1073 板卡的（de） 5 號接口，GND 端（duān）接出三根線，分別連接到 HIO-1073 板卡的 2、4、6 號接口。切（qiē）削力測量硬件部分連接（jiē）如（rú）圖 4 所示。

圖 4 切（qiē）削力測量硬件部分連接圖

4 、切削力測量數控係統功能（néng）模塊設計

切削力測（cè）量數（shù）控係統功能模塊是基於華中 8 型數控二次開發平台上開發，可實時采集切（qiē）削力數據並（bìng）進（jìn）行時域、以及 G 代碼指令（lìng）域顯示。該功（gōng）能模塊可進行界麵放大縮小（xiǎo）、平移等操（cāo）作，數據保存、回放、查找定位等功能（néng）。另外，圖形化界麵橫坐標有兩行，第一行時間軸，第二（èr）行（háng） G 代碼行號軸; 縱坐標是對（duì）切削力數據做了（le）行特征提取，可顯示平均值和最大值等。

由於數控（kòng）係（xì）統最快插補周期 1ms，切（qiē）屑力測量功能模塊采用雙緩（huǎn）衝設計，一級緩衝為 1kHz，單通道10K 個數據，3 通道設計( 華中 8 型數控（kòng）係統最大（dà）支持16 通道) ，保證采集切削（xuē）力數據不丟失。二級緩衝（chōng）為單通道 100K 個數據，頻（pín）率（lǜ）為 33Hz，與（yǔ）屏幕刷新頻（pín）率一致，保證人眼視覺效果。雙緩衝設計（jì）流（liú）程圖如圖（tú） 5 所示。

圖 5 雙緩衝設計流程圖

切削力信號屬於狀態變化（huà）周期較短的信（xìn）號，故采（cǎi）用循環滾動方式展示（shì）波形變化。在實際采樣中，波形（xíng）可自適應窗口大（dà）小，實時以波形（xíng）幅值調整窗口坐標。基於數控係統二次開發平台的（de）切削力測量（liàng）係統流程圖如圖 6 所示。

圖 6 切削力測量係統流程圖

切削力測量係統 GUI 部分主（zhǔ）要函數如下：

表 1 切削力測量係統 GUI 部分主要函數

切削力測量采樣設置窗口如圖 7 所示，設定條目包（bāo）括采樣周期、采樣方式、采樣通道（dào）、采樣類型、偏（piān）移量、長度、換算（suàn）係數、換算基（jī）準、偏移量（liàng）等。

圖 7 切削力測量采樣設置窗（chuāng）口

在硬（yìng）件線路連接時，數控係統PLC 中（zhōng）的 X 寄存器對應切削力信（xìn）息接入，偏（piān）移量 2 代表Fx 方（fāng）向切削力，4代表 Fy 方（fāng）向切（qiē）削力，6 代表 Fz 方（fāng）向切（qiē）削力（lì）。

5 、切屑力測量實驗及分析

本實驗所（suǒ）使（shǐ）用的 6140 係列數（shù）控車床。為安裝切削力測力儀，拆掉（diào）機床原有（yǒu）的電動刀架。同（tóng）時，為保證安裝在測力（lì）儀上的刀具（jù）與（yǔ）機床主軸回轉中（zhōng）心高度相同（tóng），加裝轉接板，其可將移動台麵與測力儀傳感器連接為一體並固定（dìng），如圖 8 所示。

圖 8 數（shù）控車床安裝切削力傳感器測力儀

為便於（yú）驗證數（shù）據測量的正確性（xìng），搭建了由測力儀、放大器、數據采集器及工控機組成的測量平台，如圖 9 所示，其開展與數控係統二次開（kāi）發平台切（qiē）削力數據的對比。

圖 9 基於（yú）工控機的切削力測量平台（tái）

基於相同的加工 G 代碼（mǎ），進給速度 F =60mm/min、80mm/min 的（de）切削力測量（liàng）波形如圖 10 所（suǒ）示。

圖 10 工控（kòng）機中不（bú）同切削進給（gěi）量的波形采集圖

機（jī）床加工切削進給（gěi）量 F = 60mm /min 下，數控係統二次開發平台及工控機采集切削力對比如圖 11 所示。

圖 11 數控係統二次開發平（píng）台、工（gōng）控（kòng）機中不同切削進給量的波形采（cǎi）集圖

由圖（tú） 11 可見，通過數控係（xì）統（tǒng）二次開發平（píng）台、以及工控機測量的切削力偏差值為個位數，其差值原因（yīn）與機床（chuáng）剛性、穩（wěn）定性，以（yǐ）及測量時的環境影響相關，偏差值在預期範圍內。

6 、結論

基於國產數控（kòng）係統（tǒng）二次開發平台，開展了數控係（xì）統內切削力測量的研究，同時基於專業化（huà）的測力儀設備（bèi），搭建了測（cè）量（liàng）硬件平台，並進行了不同進給速度、頻率等下的切削力采集對比（bǐ）實驗。相關結果顯示，本文所研究的（de）基於數控係統二次開發平台的切削力測量方法，實現（xiàn）了數（shù）控係統內部對於切削力的直接測量（liàng）、直接觀測。通過切削力在數控係（xì）統內部的集成，其可（kě）用於（yú）加工 G 代碼的優化，提升加（jiā）工效率，同時也可共享到數控雲平台，實現機床工作狀態的全程監控。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關（guān）新聞（wén）稿（gǎo）件發表，或進行資訊（xùn）合作，歡迎聯係本網編輯部（bù），郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦（jiàn）

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多

數控機床（chuáng）