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基于Labview的切削力数据采集和分析系统设计.doc
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基于Labview的切削力数据采集和分析系统设计.doc
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摘 要
随着切削加工向着高速、高精度、高度自动化方向发展,对切削过程的测试技术也提出了越来越
高的要求。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
刀具加工过程进行测试就越来越重要。大量的研究结果表明,对于切削力的测量对金属切削研究起事
半功倍的作用。因此,对于切削加工数据采集和分析的研制显得由为重要。
本论文首先对数据采集现状,发展指出了传统过程数据采集方式存在的不足。探讨了虚拟仪器的
概念,框架结构,Labview开发平台,然后使用国家仪器公司(National Instrument)提供的软件平台
(LabVIEW)和美国NI Pxle 6388的数据采集卡搭建了基于虚拟仪器的切削力测量系统,并在Labview环
境下编写了切削加工数据采集和分析系统的程序,该程序实现了三通道切削力的采集和监测。并且实
现采集数据的TDMS格式存储、数据的回放分析。求任意段的平均值和均方差根。
最后,将本系统具体应用在铣削加工和切割加工的试验中,结合图表和显示结果,来分析不同的
切削参数和测试系统参数对切削力的影响,同时观察本系统对小力测量的情况,从而验证该系统采集
数据的准确性和稳定性,并且能够对小力进行测量。
本系统还证明了以虚拟仪器为基础的测量系统是方便、低成本、实用、而且可靠的。
关键词:虚拟仪器;切削加工;数据采集;LabVIEW
ABSTRACT
High request was put forward for testing of cutting process along with cutting process is
developing to high speed,high precision and high automatization.In order to exert good
performance of high automatization equipment,ensure machining quality and prove manufacture
efficiency,it is more important to test for state of tool machining process.A lot of investigation
indicates that measuring the cutting force and cutting temperature rapidly and exactly can help to
research the metal cutting better.The data acquisition and processing system for cutting
processing have been very important.
For data acquisition in this paper the status quo, development,this paper pointed out the
shortcomings of the traditional data acquisition process.This paper probes into the concept of
virtual instrument, frame structure, the Labview development platform.a based—computer
measuring system was formed by using the software of NI.. In this system, voltage signal of
single or three channels could be measured quickly and easily. And data was realized stored in
database.
Finally, the system applied in milling and cutting test.Chart and display the results analysis of
different cutting parameters and the influence of parameters on cutting force testing system, at
the same time observe the system for a small force measurement, so as to verify accuracy and
stability of the system to collect data, and can be on the small force measurements.
By the researches of VI it was proved that this way of measuring is convenient, reliable, low
cost, and effective.
Keywords: Virtual instrument; machining ; The data collection ; LabVIEW
目 录
第一章 绪论 ....................................................1
1.1 课题背景...........................................................1
1.2 数据采集系统现状...................................................1
1.3 数据采集研究的必要性及不足之处 .....................................2
1.4 本研究所达到的目标 .................................................4
第二章 切削加工测试与分析系统软件设计 ..........................5
2.1 虚拟仪器 ...........................................................5
2.1.1 虚拟仪器的概念................................................5
2.1.2 虚拟仪器与传统仪器的比较......................................6
2.1.3 虚拟仪器测试系统的组成 .......................................7
2.1.4 虚拟仪器的开发语言............................................8
2.1.5 图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW.............................8
2.2 软件总体设计 .......................................................9
2.2.1 软件设计要求..................................................9
2.2.2 系统软件框架..................................................9
2.2.3 软件开发工具选择.............................................10
2.3 软件模块设计 ......................................................10
2.3.1 数据采集和存储模块设计.......................................10
2.3.2 数据读取和分析模块设计.......................................19
第三章 实验验证 ...............................................24
3.1 实验研究方案 ......................................................24
3.2 实验条件和实验设备 ................................................25
3.3 实验数据 ..........................................................27
第四章 总结和展望 .............................................32
4.1 总结 ..............................................................32
4.2 展望 ..............................................................32
致谢
参考文献
第一章 绪论
1.1 课题背景
切削力是金属切削过程中的重要状态参量。切削力测量是金属切削研究中一项重要
实验技术,不仅对研究金属切削机理.计算机床功率,进行刀具、机床、夹具的设计,
优化切削用量和刀具几何参数等具有非常重要的作用意义,而且在自动化生产中,切削
力是切削过程自适应控制中的重要参数,也是监测切削过程和刀具工作状态的重要信号。
切削过程参数的计算机辅助测量虽然是比较陈旧的课题,但随着虚拟仪器技术的提出和
发展,给它带来了新的科研生命力,虚拟仪器有较大的编程方便性、较强的功能和灵活
性,尤其是综合测量、数据处理和图形化显示方面。所以本课题的研究是建立在虚拟仪
器基础上。
1.2 数据采集系统现状
目前传统数据采集主要有两种实现方法,一是利用PC机外接的数据采集卡,通过各
种计算机总线或OPC方式送至计算机完成数据记录或显示;一是利用工业组态软件的方
法,通过软件实现与计算机外围接口的通信,从而获取数据
[1]
。
1.国外数据采集系统的现状
随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展,近几年国外
数据采集产品层次全面,涵盖了从实际电流、电压信号的数据采集,到工业总线上的数
据采集,从单体数据采集设备到基于计算机的数据采集系统,都有很成熟的产品及应用。
其主要特点可以概括为以下几个方面:
(1)元器件高度集成,智能化程度提高,运行前需要设置的参数较少,或者集成
有显示面板及按钮,参数设置直观、方便,并且具有较轻的重量;采用防水防撞击的密
封外壳,能适应恶劣的工业环境;
(2)数据分析功能强大,不仅有常用的时域分析和频域分析,而且还可以进行数
字滤波、数学和逻辑运算等功能;
(3)硬件具备大容量储存器,不仅提高了从低频到高频频率测量范围,使其能适
应信号从低速到高速的各种监测范围需要,而且可以装载多种采集策略配置文件,方便
多种场合下快速应用
[1]
。
2.国内数据采集系统的现状
上世纪 80 年代末到90 年代初,国内一些厂家已研制出了多种单体数据采集器,开
发出多种计算机板卡层面的采集卡,能够适应一般信号连续采集和故障诊断。同时,
国内的工业组态软硬件也有了很大进步,北京亚控科技的组态王、北京三维力控科技的
ForceControl 等一批优秀工业组态软件取得了广泛的应用,除了主要参与系统控制外,
其数据采集水平也在不断提高
[1]
。
1.3 数据采集研究的必要性及不足之处
1 研究数据采集的必要性
数据采集是一种直观分析数据的方法,数据采集系统是微型计算机应用的一个重要
领域。随着科技的不断发展,人类对获取信息量要求的增加,数据采集已成为信息获取
的主要手段,数据采集技术已广泛应用于社会生活、生产的各个领域
[2]
。
在工业自动化领域,工业规模越来越大,工业控制系统信息集成程度不断提高,人
们对控制系统信息量的需求也越来越大,数据采集已经被广泛应用于分布式生产领域。
如石油、化工生产过程的数据采集应用;钢铁热连轧的应用
[3]
。
其次,在科学研究等领域中,随着计算机技术的发展与普及,数字设备正越来越多
地取代模拟设备,计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。外部世界的大部分信息
是以连续变化的物理形式出现的,例如温度、压力、位移、速度等。将这些数据进行量
化编码,转变成数字量,这一过程需要通过数据采集来完成。数据采集系统是计算机与
外部世界联系的桥梁,高速度、高精度的数据采集系统是获取原始数据信息和大量动态
信号的主要途径,使研究瞬间物理过程成为可能
[3]
。
总之,由于数据采集系统在数据分析及过程研究等方面的价值,使其成为不实际参
与控制,但在控制系统中必须考虑的重要环节,数据采集与分析处理是否及时,成为与
工作效率、产品性能价格比以及取得的经济效益息息相关的因素。
2 数据采集系统存在的不足
随着工业自动化水平的不断提高,复杂工艺控制对过程控制要求越来越精确,这必
然会对大量过程数据进行分析,因此过程数据的采集显得尤为重要,高采样速率、高精
度是数据采集系统发展的趋势。另外,随着工业自动化系统信息集成的发展,要求数据
采集系统具有与数据库连接的功能。
目前,工业数据采集主要有两种实现方法,一是利用A/D 转换板卡,通过计算机总
线将数据送至计算机记录或显示;一是利用组态软件的方法,通过编程实现与计算机外
围接口的通信,从而获取数据
[4]
。
两种方式的共同点是都需要上位机软件为用户提供图形化可视操作界面,但都存在
着优缺点。利用A/D 转换板卡的优缺点
优点:CPU负担较轻,对信号处理响应速度快,采样频率较高,实时性较好。
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