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基于數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)的切削力測(cè)量系統(tǒng)研究

2020-5-28 來(lái)源：湖北文理學(xué)院華中科技大學(xué) 襄陽(yáng) 作者：李波郝文峰向華

摘要: 當(dāng)前機(jī)床切削力測(cè)量通過(guò)外部計(jì)算節(jié)點(diǎn)獲得，與數(shù)控系統(tǒng)無(wú)直接信息交互，限制了某些對(duì)于切削力有著特殊要求的零件加工。該文提出了一種基于國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)的切削力測(cè)量方法，其通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備測(cè)量切削力，數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)深度開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)加工 G 代碼與測(cè)量切削力的同步。該文首先介紹數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，接著分析切屑力測(cè)量的總體框架，然后闡述平臺(tái)的軟硬件設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行了切削力測(cè)量的實(shí)驗(yàn)分析。相關(guān)結(jié)果顯示測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，具有一定的工程應(yīng)用性。

關(guān)鍵詞: 數(shù)控系統(tǒng); 二次開(kāi)發(fā)平臺(tái); 切削力測(cè)量

0 引言

切削力是機(jī)床加工中的重要參數(shù)，其對(duì)于加工質(zhì)量、加工效率、刀具壽命等有著直接的影響。同時(shí)，切削力是機(jī)床加工功率計(jì)算、切削參數(shù)制定、刀具選擇等的指導(dǎo)。因此，開(kāi)展切屑力研究分析機(jī)床加工過(guò)程中切削力變化與各切削參數(shù)的關(guān)系，對(duì)于提升機(jī)床整體性能具有重要的意義。

切削力的測(cè)量可分為直接測(cè)量、間接測(cè)量。切削力直接測(cè)量是將壓電元件、光纖、加速度、位移探針等傳感器加裝到刀具或工裝系統(tǒng)中，并對(duì)輸出信息進(jìn)行濾波、放大、整流等，實(shí)現(xiàn)切削力的直接觀測(cè); 切削力間接測(cè)量是對(duì)電機(jī)或相關(guān)系統(tǒng)的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并基于相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，求解切削力。Tlusty 等［1-4］利用應(yīng)變片、加速度計(jì)、主軸集成式光纖光柵等非壓電傳感器實(shí)現(xiàn)了機(jī)床切削力動(dòng)態(tài)測(cè)量，并研究了多種誤差補(bǔ)償方法; 李琦等［5-6］基于嵌入式薄膜、壓電晶體傳感器等研究了切屑力的直接測(cè)量，相對(duì)于非壓電元件傳感器測(cè)量，應(yīng)用范圍更加廣泛。間接測(cè)方法主要圍繞主軸電機(jī)電流測(cè)量［7］; Altians［8］通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩分配的分析，驗(yàn)證了切削力與電流的數(shù)學(xué)模型，其奠定了間接測(cè)量的理論基礎(chǔ); 王南［9］基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展了拉夾逆向車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸切削力預(yù)測(cè)研究; 史麗晨［10］以空心主軸電機(jī)電流為依據(jù)，基于線性回歸分析擬合了切削力經(jīng)驗(yàn)公式; 李斌［11］開(kāi)展了主軸電流與切削力信號(hào)的時(shí)頻域分析，提出兩者間有著強(qiáng)相關(guān)性，但存在時(shí)延; 呂盈［12］以 Solid Works 位平臺(tái)，利用切屑形狀計(jì)算切削力的大小，并與 ABAQUS 仿真得到滾齒切削力，驗(yàn)證了其有效性。

間接測(cè)量與直接測(cè)量相比，其準(zhǔn)確性易受到引入?yún)?shù)的影響，系統(tǒng)帶寬與控制電路動(dòng)態(tài)特性相關(guān)，大部分測(cè)量集中在銑削加工中，導(dǎo)致適用性受限。應(yīng)變片測(cè)量方法易受到電測(cè)干擾; 位移測(cè)量方法不能準(zhǔn)確反映刀具狀態(tài); 壓電力傳感器具有高剛性、高熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，適用于機(jī)床切削力加工過(guò)程的跟蹤監(jiān)控。目前切削力測(cè)量是通過(guò)外部計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和補(bǔ)償，與數(shù)控系統(tǒng)無(wú)直接聯(lián)系，導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)不能對(duì)切削力信息直接采集，難于對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行快速、有效監(jiān)控。因此本文提出了一種基于國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)的切削力直接測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了該方法的總體框架，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)的深度開(kāi)發(fā)，并通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)量方法的有效性。1 數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)

華中數(shù)控 8 型系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)具有多層次應(yīng)用開(kāi)發(fā)接口，集成了專(zhuān)機(jī)開(kāi)發(fā)所需共性技術(shù)，其可快捷與用戶(hù)專(zhuān)有加工工藝知識(shí)進(jìn)行無(wú)縫集成和深度開(kāi)發(fā)，搭建專(zhuān)用控制系統(tǒng)。華中數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)可提供三個(gè)層面的二次開(kāi)發(fā)接口，如下:

( 1) 基于腳本的 HMI 開(kāi)發(fā)接口，用戶(hù)自定義界面;

( 2) HNC-API 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)接口，用戶(hù)開(kāi)發(fā)專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng);

( 3) 核心模塊嵌入式開(kāi)發(fā)接口，用戶(hù)個(gè)性化功能定制。

二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)包括數(shù)控系統(tǒng) API、IEC61331、數(shù)據(jù)采集及人機(jī)界面等 4 個(gè)部分。數(shù)控系統(tǒng) API 部分提供應(yīng)用層、功能層、控制層及設(shè)備層接口實(shí)現(xiàn)五軸機(jī)床、車(chē)銑復(fù)合機(jī)床等的精準(zhǔn)控制，IEC61331 部分提供應(yīng)用層、功能層、設(shè)備層接口實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)、桁架機(jī)械手等的自動(dòng)控制，數(shù)據(jù)采集部分提供應(yīng)用層、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備層接口實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程優(yōu)化、CPS 等云平臺(tái)功能的構(gòu)建，人機(jī)界面部分封裝運(yùn)動(dòng)管理、參數(shù)管理等集成本地化應(yīng)用。二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)的框架結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)

華中數(shù)控 8 型系統(tǒng)基于 Linux 平臺(tái)設(shè)計(jì)和運(yùn)行，提供基于 Windows 環(huán)境設(shè)計(jì)的二次開(kāi)發(fā)包。用戶(hù)可在Windows 下完成新用用開(kāi)發(fā)后，通過(guò) Linux Vmware 重新編譯，轉(zhuǎn)換成 Linux 平臺(tái)下可運(yùn)行的模塊，并重新部署在華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)。

2、切削力測(cè)量總體框架

切削力的理論計(jì)算方法包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑽锢砟Ｐ汀⒁约叭斯ぶ悄苌窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，但存在較多的局限性，故切削力常通過(guò)機(jī)床主軸電流值進(jìn)行切削力的粗略估算。但該方式下電流信號(hào)易受到外界干擾，尤其是受到機(jī)床本身特性干擾，導(dǎo)致該方法測(cè)量得到的切削力精度不高，使用范圍受限程度較大。

切削力測(cè)力儀可應(yīng)用于直接測(cè)量切削力，其通過(guò)力傳感器采集切削力信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大器、數(shù)字采集器，最后到達(dá)處理工作站。該方式下測(cè)量的切削力精度高、可移植性強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于高精密機(jī)床的加工性能驗(yàn)證中。為實(shí)現(xiàn)切削力的高精度測(cè)量，本文選用壓電測(cè)力儀 9257B 以及配套輔助設(shè)備作為切削力測(cè)量前端。壓電測(cè)力儀 9257B 為三分量壓電測(cè)力儀，可測(cè)量 Fx、Fy、Fz 三個(gè)方向上的切削力。測(cè)量范圍分別為 ± 5kN，靈敏度分別為－3． 7、－3． 7、－2． 3PC/N。針對(duì)加工過(guò)程中的切削力實(shí)時(shí)測(cè)量，需要將壓電測(cè)力儀 9257B 的測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中，其有兩種不同的方式傳入數(shù)控系統(tǒng);

( 1) 利用數(shù)字采集卡進(jìn)行信號(hào)的采集與處理。然后在工控機(jī)端開(kāi)發(fā)相應(yīng)的服務(wù)器程序，在數(shù)控系統(tǒng)端開(kāi)發(fā)相應(yīng)的客戶(hù)端功能模塊。客戶(hù)端采用 TCP 套接字的方式通過(guò)網(wǎng)線發(fā)送獲取數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，服務(wù)器端在接收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求后也通過(guò)網(wǎng)線將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶(hù)端，客戶(hù)端再將獲得的數(shù)據(jù)與當(dāng)前運(yùn)行的 G 代碼對(duì)應(yīng)起來(lái)顯示;

( 2) 利用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換卡對(duì)切削力信號(hào)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)化，然后通過(guò)數(shù)控機(jī)床的 I /O 接口接入 PLC，利用數(shù)控系統(tǒng)自帶的 PLC 信號(hào)采集功能，通過(guò)對(duì) X 寄存器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集便可以完成對(duì)切削力信號(hào)的采集。為實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工 G 代碼的優(yōu)化，通常需要建立 G代碼與測(cè)量值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。上述方案( 1) 中存在一定的技術(shù)困難。華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)在采集 G 代碼行號(hào)是利用通道進(jìn)行采集，與切削力信號(hào)采集來(lái)源途徑不同，時(shí)鐘頻率不同，導(dǎo)致切削力信號(hào)與 G 代碼行號(hào)難以匹配，無(wú)法建立 G 代碼與切削力之間的關(guān)系，無(wú)法開(kāi)展 G 代碼優(yōu)化工作。為此，選擇方案( 2) 作為本文整體方案，其示意圖如圖 2 所示。

圖 2 系統(tǒng)整體框架示意圖

3 、切削力測(cè)量硬件部分設(shè)計(jì)

由于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床只配備了通訊板卡和軸控制板卡，無(wú)帶有 A/D 轉(zhuǎn)換功能的板卡，故需要在數(shù)控機(jī)床中增加 A/D 轉(zhuǎn)換板卡完成模數(shù)轉(zhuǎn)化工作。與華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)匹配的硬件 PLC 單元模塊為 HIO-1000 系列總線 I/O 產(chǎn)品，其中 HIO-1073 模塊的功能為完成機(jī)床到數(shù)控系統(tǒng)的模擬轉(zhuǎn)數(shù)字轉(zhuǎn)信號(hào)輸入和數(shù)控系統(tǒng)到機(jī)床的數(shù)字轉(zhuǎn)模擬信號(hào)輸出。每個(gè)輸入或輸出模塊都提供 4通道 12 位差分或單端模擬信號(hào)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 電荷放大器接口與 HIO-1073 板卡連線圖

圖 3 中 Ch1( Fx) 連接到 HIO-1073 板卡的 1 號(hào)接口，Ch2( Fy) 連接到 HIO-1073 板卡的 3 號(hào)接口，Ch3( Fz) 連接到 HIO-1073 板卡的 5 號(hào)接口，GND 端接出三根線，分別連接到 HIO-1073 板卡的 2、4、6 號(hào)接口。切削力測(cè)量硬件部分連接如圖 4 所示。

圖 4 切削力測(cè)量硬件部分連接圖

4 、切削力測(cè)量數(shù)控系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

切削力測(cè)量數(shù)控系統(tǒng)功能模塊是基于華中 8 型數(shù)控二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，可實(shí)時(shí)采集切削力數(shù)據(jù)并進(jìn)行時(shí)域、以及 G 代碼指令域顯示。該功能模塊可進(jìn)行界面放大縮小、平移等操作，數(shù)據(jù)保存、回放、查找定位等功能。另外，圖形化界面橫坐標(biāo)有兩行，第一行時(shí)間軸，第二行 G 代碼行號(hào)軸; 縱坐標(biāo)是對(duì)切削力數(shù)據(jù)做了行特征提取，可顯示平均值和最大值等。

由于數(shù)控系統(tǒng)最快插補(bǔ)周期 1ms，切屑力測(cè)量功能模塊采用雙緩沖設(shè)計(jì)，一級(jí)緩沖為 1kHz，單通道10K 個(gè)數(shù)據(jù)，3 通道設(shè)計(jì)( 華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)最大支持16 通道) ，保證采集切削力數(shù)據(jù)不丟失。二級(jí)緩沖為單通道 100K 個(gè)數(shù)據(jù)，頻率為 33Hz，與屏幕刷新頻率一致，保證人眼視覺(jué)效果。雙緩沖設(shè)計(jì)流程圖如圖 5 所示。

圖 5 雙緩沖設(shè)計(jì)流程圖

切削力信號(hào)屬于狀態(tài)變化周期較短的信號(hào)，故采用循環(huán)滾動(dòng)方式展示波形變化。在實(shí)際采樣中，波形可自適應(yīng)窗口大小，實(shí)時(shí)以波形幅值調(diào)整窗口坐標(biāo)。基于數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)的切削力測(cè)量系統(tǒng)流程圖如圖 6 所示。

圖 6 切削力測(cè)量系統(tǒng)流程圖

切削力測(cè)量系統(tǒng) GUI 部分主要函數(shù)如下：

表 1 切削力測(cè)量系統(tǒng) GUI 部分主要函數(shù)

切削力測(cè)量采樣設(shè)置窗口如圖 7 所示，設(shè)定條目包括采樣周期、采樣方式、采樣通道、采樣類(lèi)型、偏移量、長(zhǎng)度、換算系數(shù)、換算基準(zhǔn)、偏移量等。

圖 7 切削力測(cè)量采樣設(shè)置窗口

在硬件線路連接時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)PLC 中的 X 寄存器對(duì)應(yīng)切削力信息接入，偏移量 2 代表Fx 方向切削力，4代表 Fy 方向切削力，6 代表 Fz 方向切削力。

5 、切屑力測(cè)量實(shí)驗(yàn)及分析

本實(shí)驗(yàn)所使用的 6140 系列數(shù)控車(chē)床。為安裝切削力測(cè)力儀，拆掉機(jī)床原有的電動(dòng)刀架。同時(shí)，為保證安裝在測(cè)力儀上的刀具與機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)中心高度相同，加裝轉(zhuǎn)接板，其可將移動(dòng)臺(tái)面與測(cè)力儀傳感器連接為一體并固定，如圖 8 所示。

圖 8 數(shù)控車(chē)床安裝切削力傳感器測(cè)力儀

為便于驗(yàn)證數(shù)據(jù)測(cè)量的正確性，搭建了由測(cè)力儀、放大器、數(shù)據(jù)采集器及工控機(jī)組成的測(cè)量平臺(tái)，如圖 9 所示，其開(kāi)展與數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)切削力數(shù)據(jù)的對(duì)比。

圖 9 基于工控機(jī)的切削力測(cè)量平臺(tái)

基于相同的加工 G 代碼，進(jìn)給速度 F =60mm/min、80mm/min 的切削力測(cè)量波形如圖 10 所示。

圖 10 工控機(jī)中不同切削進(jìn)給量的波形采集圖

機(jī)床加工切削進(jìn)給量 F = 60mm /min 下，數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)及工控機(jī)采集切削力對(duì)比如圖 11 所示。

圖 11 數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)、工控機(jī)中不同切削進(jìn)給量的波形采集圖

由圖 11 可見(jiàn)，通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)、以及工控機(jī)測(cè)量的切削力偏差值為個(gè)位數(shù)，其差值原因與機(jī)床剛性、穩(wěn)定性，以及測(cè)量時(shí)的環(huán)境影響相關(guān)，偏差值在預(yù)期范圍內(nèi)。

6 、結(jié)論

基于國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)展了數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)切削力測(cè)量的研究，同時(shí)基于專(zhuān)業(yè)化的測(cè)力儀設(shè)備，搭建了測(cè)量硬件平臺(tái)，并進(jìn)行了不同進(jìn)給速度、頻率等下的切削力采集對(duì)比實(shí)驗(yàn)。相關(guān)結(jié)果顯示，本文所研究的基于數(shù)控系統(tǒng)二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)的切削力測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)于切削力的直接測(cè)量、直接觀測(cè)。通過(guò)切削力在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的集成，其可用于加工 G 代碼的優(yōu)化，提升加工效率，同時(shí)也可共享到數(shù)控云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床工作狀態(tài)的全程監(jiān)控。

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