基于數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺的切削力測量系統(tǒng)研究
2020-5-28 來源： 湖北文理學院 華中科技大學 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部計算節(jié)點獲得，與數(shù)控系統(tǒng)無直接信息交互，限制了某些對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產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺的切削力測量方法，其通過專用設(shè)備測量切削力，數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺深度開發(fā)，實現(xiàn)加工 G 代碼與測量切削力的同步。該文首先介紹數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺，接著分析切屑力測量的總體框架，然后闡述平臺的軟硬件設(shè)計，最后進行了切削力測量的實驗分析。相關(guān)結(jié)果顯示測量系統(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); 二次開發(fā)平臺; 切削力測量
0 引言
切削力是機床加工中的重要參數(shù)，其對于加工質(zhì)量、加工效率、刀具壽命等有著直接的影響。同時，切削力是機床加工功率計算、切削參數(shù)制定、刀具選擇等的指導。因此，開展切屑力研究分析機床加工過程中切削力變化與各切削參數(shù)的關(guān)系，對于提升機床整體性能具有重要的意義。
切削力的測量可分為直接測量、間接測量。切削力直接測量是將壓電元件、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，并對輸出信息進行濾波、放大、整流等，實現(xiàn)切削力的直接觀測; 切削力間接測量是對電機或相關(guān)系統(tǒng)的電流、電壓信號進行測量，并基于相關(guān)經(jīng)驗公式，求解切削力。Tlusty 等［1-4］利用應(yīng)變片、加速度計、主軸集成式光纖光柵等非壓電傳感器實現(xiàn)了機床切削力動態(tài)測量，并研究了多種誤差補償方法; 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量，相對于非壓電元件傳感器測量，應(yīng)用范圍更加廣泛。間接測方法主要圍繞主軸電機電流測量［7］; Altians［8］通過對電機轉(zhuǎn)矩分配的分析，驗證了切削力與電流的數(shù)學模型，其奠定了間接測量的理論基礎(chǔ); 王南［9］基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展了拉夾逆向車削細長軸切削力預(yù)測研究; 史麗晨［10］以空心主軸電機電流為依據(jù)，基于線性回歸分析擬合了切削力經(jīng)驗公式; 李斌［11］開展了主軸電流與切削力信號的時頻域分析，提出兩者間有著強相關(guān)性，但存在時延; 呂盈［12］以 Solid Works 位平臺，利用切屑形狀計算切削力的大小，并與 ABAQUS 仿真得到滾齒切削力，驗證了其有效性。
間接測量與直接測量相比，其準確性易受到引入?yún)?shù)的影響，系統(tǒng)帶寬與控制電路動態(tài)特性相關(guān)，大部分測量集中在銑削加工中，導致適用性受限。應(yīng)變片測量方法易受到電測干擾; 位移測量方法不能準確反映刀具狀態(tài); 壓電力傳感器具有高剛性、高熱穩(wěn)定性等特點，適用于機床切削力加工過程的跟蹤監(jiān)控。目前切削力測量是通過外部計算節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集、分析和補償，與數(shù)控系統(tǒng)無直接聯(lián)系，導致數(shù)控系統(tǒng)不能對切削力信息直接采集，難于對加工過程進行快速、有效監(jiān)控。因此本文提出了一種基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺的切削力直接測量方法，設(shè)計了該方法的總體框架，搭建了實驗平臺，進行了數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺的深度開發(fā)，并通過相關(guān)實驗驗證了測量方法的有效性。1 數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺
華中數(shù)控 8 型系統(tǒng)的二次開發(fā)平臺具有多層次應(yīng)用開發(fā)接口，集成了專機開發(fā)所需共性技術(shù)，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)，搭建專用控制系統(tǒng)。華中數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺可提供三個層面的二次開發(fā)接口，如下:
( 1) 基于腳本的 HMI 開發(fā)接口，用戶自定義界面;
( 2) HNC-API 應(yīng)用程序開發(fā)接口，用戶開發(fā)專用數(shù)控系統(tǒng);
( 3) 核心模塊嵌入式開發(fā)接口，用戶個性化功能定制。
二次開發(fā)平臺包括數(shù)控系統(tǒng) API、IEC61331、數(shù)據(jù)采集及人機界面等 4 個部分。數(shù)控系統(tǒng) API 部分提供應(yīng)用層、功能層、控制層及設(shè)備層接口實現(xiàn)五軸機床、車銑復(fù)合機床等的精準控制，IEC61331 部分提供應(yīng)用層、功能層、設(shè)備層接口實現(xiàn)注塑機、桁架機械手等的自動控制，數(shù)據(jù)采集部分提供應(yīng)用層、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備層接口實現(xiàn)制造過程優(yōu)化、CPS 等云平臺功能的構(gòu)建，人機界面部分封裝運動管理、參數(shù)管理等集成本地化應(yīng)用。二次開發(fā)平臺的框架結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
圖 1 華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺
華中數(shù)控 8 型系統(tǒng)基于 Linux 平臺設(shè)計和運行，提供基于 Windows 環(huán)境設(shè)計的二次開發(fā)包。用戶可在Windows 下完成新用用開發(fā)后，通過 Linux Vmware 重新編譯，轉(zhuǎn)換成 Linux 平臺下可運行的模塊，并重新部署在華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)。
2、 切削力測量總體框架
切削力的理論計算方法包括經(jīng)驗?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，故切削力常通過機床主軸電流值進行切削力的粗略估算。但該方式下電流信號易受到外界干擾，尤其是受到機床本身特性干擾，導致該方法測量得到的切削力精度不高，使用范圍受限程度較大。
切削力測力儀可應(yīng)用于直接測量切削力，其通過力傳感器采集切削力信號，經(jīng)過信號放大器、數(shù)字采集器，最后到達處理工作站。該方式下測量的切削力精度高、可移植性強，已廣泛應(yīng)用于高精密機床的加工性能驗證中。為實現(xiàn)切削力的高精度測量，本文選用壓電測力儀 9257B 以及配套輔助設(shè)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 Fx、Fy、Fz 三個方向上的切削力。測量范圍分別為 ± 5kN，靈敏度分別為 －3． 7、－3． 7、－2． 3PC/N。針對加工過程中的切削力實時測量，需要將壓電測力儀 9257B 的測量數(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)字采集卡進行信號的采集與處理。然后在工控機端開發(fā)相應(yīng)的服務(wù)器程序，在數(shù)控系統(tǒng)端開發(fā)相應(yīng)的客戶端功能模塊。客戶端采用 TCP 套接字的方式通過網(wǎng)線發(fā)送獲取數(shù)據(jù)的請求，服務(wù)器端在接收到數(shù)據(jù)請求后也通過網(wǎng)線將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給客戶端，客戶端再將獲得的數(shù)據(jù)與當前運行的 G 代碼對應(yīng)起來顯示;
( 2) 利用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換卡對切削力信號進行 A/D轉(zhuǎn)化，然后通過數(shù)控機床的 I /O 接口接入 PLC，利用數(shù)控系統(tǒng)自帶的 PLC 信號采集功能，通過對 X 寄存器的實時監(jiān)測采集便可以完成對切削力信號的采集。為實現(xiàn)數(shù)控加工 G 代碼的優(yōu)化，通常需要建立 G代碼與測量值之間的對應(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 代碼行號是利用通道進行采集，與切削力信號采集來源途徑不同，時鐘頻率不同，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(guān)系，無法開展 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 、切削力測量硬件部分設(shè)計
由于大多數(shù)數(shù)控機床只配備了通訊板卡和軸控制板卡，無帶有 A/D 轉(zhuǎn)換功能的板卡，故需要在數(shù)控機床中增加 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床到數(shù)控系統(tǒng)的模擬轉(zhuǎn)數(shù)字轉(zhuǎn)信號輸入和數(shù)控系統(tǒng)到機床的數(shù)字轉(zhuǎn)模擬信號輸出。每個輸入或輸出模塊都提供 4通道 12 位差分或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 電荷放大器接口與 HIO-1073 板卡連線圖
圖 3 中 Ch1( Fx) 連接到 HIO-1073 板卡的 1 號接口，Ch2( Fy) 連接到 HIO-1073 板卡的 3 號接口，Ch3( Fz) 連接到 HIO-1073 板卡的 5 號接口，GND 端接出三根線，分別連接到 HIO-1073 板卡的 2、4、6 號接口。切削力測量硬件部分連接如圖 4 所示。
圖 4 切削力測量硬件部分連接圖
4 、切削力測量數(shù)控系統(tǒng)功能模塊設(shè)計
切削力測量數(shù)控系統(tǒng)功能模塊是基于華中 8 型數(shù)控二次開發(fā)平臺上開發(fā)，可實時采集切削力數(shù)據(jù)并進行時域、以及 G 代碼指令域顯示。該功能模塊可進行界面放大縮小、平移等操作，數(shù)據(jù)保存、回放、查找定位等功能。另外，圖形化界面橫坐標有兩行，第一行時間軸，第二行 G 代碼行號軸; 縱坐標是對切削力數(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)最快插補周期 1ms，切屑力測量功能模塊采用雙緩沖設(shè)計，一級緩沖為 1kHz，單通道10K 個數(shù)據(jù)，3 通道設(shè)計( 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。二級緩沖為單通道 100K 個數(shù)據(jù)，頻率為 33Hz，與屏幕刷新頻率一致，保證人眼視覺效果。雙緩沖設(shè)計流程圖如圖 5 所示。
圖 5 雙緩沖設(shè)計流程圖
切削力信號屬于狀態(tài)變化周期較短的信號，故采用循環(huán)滾動方式展示波形變化。在實際采樣中，波形可自適應(yīng)窗口大小，實時以波形幅值調(diào)整窗口坐標。基于數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺的切削力測量系統(tǒng)流程圖如圖 6 所示。
圖 6 切削力測量系統(tǒng)流程圖
切削力測量系統(tǒng) GUI 部分主要函數(shù)如下：
表 1 切削力測量系統(tǒng) GUI 部分主要函數(shù)
切削力測量采樣設(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、采樣類型、偏移量、長度、換算系數(shù)、換算基準、偏移量等。
圖 7 切削力測量采樣設(shè)置窗口
在硬件線路連接時，數(shù)控系統(tǒng)PLC 中的 X 寄存器對應(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 、切屑力測量實驗及分析
本實驗所使用的 6140 系列數(shù)控車床。為安裝切削力測力儀，拆掉機床原有的電動刀架。同時，為保證安裝在測力儀上的刀具與機床主軸回轉(zhuǎn)中心高度相同，加裝轉(zhuǎn)接板，其可將移動臺面與測力儀傳感器連接為一體并固定，如圖 8 所示。
圖 8 數(shù)控車床安裝切削力傳感器測力儀
為便于驗證數(shù)據(jù)測量的正確性，搭建了由測力儀、放大器、數(shù)據(jù)采集器及工控機組成的測量平臺，如圖 9 所示，其開展與數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺切削力數(shù)據(jù)的對比。
圖 9 基于工控機的切削力測量平臺
基于相同的加工 G 代碼，進給速度 F =60mm/min、80mm/min 的切削力測量波形如圖 10 所示。
圖 10 工控機中不同切削進給量的波形采集圖
機床加工切削進給量 F = 60mm /min 下，數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺及工控機采集切削力對比如圖 11 所示。
圖 11 數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺、工控機中不同切削進給量的波形采集圖
由圖 11 可見，通過數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺、以及工控機測量的切削力偏差值為個位數(shù)，其差值原因與機床剛性、穩(wěn)定性，以及測量時的環(huán)境影響相關(guān)，偏差值在預(yù)期范圍內(nèi)。
6 、結(jié)論
基于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺，開展了數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)切削力測量的研究，同時基于專業(yè)化的測力儀設(shè)備，搭建了測量硬件平臺，并進行了不同進給速度、頻率等下的切削力采集對比實驗。相關(guān)結(jié)果顯示，本文所研究的基于數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)平臺的切削力測量方法，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部對于切削力的直接測量、直接觀測。通過切削力在數(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，同時也可共享到數(shù)控云平臺，實現(xiàn)機床工作狀態(tài)的全程監(jiān)控。
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