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*

李波，郝文峰，向華

(1.湖北文理學院 機械工程學院，湖北 襄陽 441053；2.華中科技大學 機械科學與工程學院,武漢 430074；3.襄陽華中科技大學先進制造工程研究院，湖北 襄陽 441053)

0 引言

切削力是機床加工中的重要參數(shù)，其對于加工質量、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系統(tǒng)的電流、電壓信號進行測量，并基于相關經(jīng)驗公式，求解切削力。Tlusty等[1-4]利用應變片、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，應用范圍更加廣泛。間接測量方法主要圍繞主軸電機電流測量[7]；Altians[8]通過對電機轉矩分配的分析，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；王南[9]基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡開展了拉夾逆向車削細長軸切削力預測研究；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，大部分測量集中在銑削加工中，導致適用性受限。應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)平臺具有多層次應用開發(fā)接口，集成了專機開發(fā)所需共性技術，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部分提供應用層、功能層、控制層及設備層接口實現(xiàn)五軸機床、車銑復合機床等的精準控制，IEC61331部分提供應用層、功能層、設備層接口實現(xiàn)注塑機、桁架機械手等的自動控制，數(shù)據(jù)采集部分提供應用層、數(shù)據(jù)采集、設備層接口實現(xiàn)制造過程優(yōu)化、CPS等云平臺功能的構建，人機界面部分封裝運動管理、參數(shù)管理等集成本地化應用。二次開發(fā)平臺的框架結構如圖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平臺設計和運行，提供基于Windows環(huán)境設計的二次開發(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)驗模型、物理模型、以及人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡模型等，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)相應的服務器程序，在數(shù)控系統(tǒng)端開發(fā)相應的客戶端功能模塊?？蛻舳瞬捎肨CP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代碼對應起來顯示；

(2)利用模擬數(shù)字轉換卡對切削力信號進行A/D轉化，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關系。上述方案(1)中存在一定的技術困難。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轉換功能的板卡，故需要在數(shù)控機床中增加A/D轉換板卡完成模數(shù)轉化工作。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)的模擬轉數(shù)字轉信號輸入和數(shù)控系統(tǒng)到機床的數(shù)字轉模擬信號輸出。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。

(a)連線示意圖 (b)連線實物圖

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。

(a)連接機床端 (b)連接測力儀端

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計，一級緩沖為1kHz，單通道10K個數(shù)據(jù)，3通道設計(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。雙緩沖設計流程圖如圖5所示。

圖5 雙緩沖設計流程圖

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，波形可自適應窗口大小，實時以波形幅值調整窗口坐標?；跀?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)

切削力測量采樣設置窗口如圖7所示，設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中心高度相同，加裝轉接板，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。

(a)機床原電動刀架 (b)機床刀架更換為測力儀

圖8 數(shù)控車床安裝切削力傳感器測力儀

圖9 基于工控機的切削力測量平臺

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。

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。

(a)進給速度60mm/min (b)進給速度80mm/min

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。

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，偏差值在預期范圍內。

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

6 結論

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)內切削力測量的研究，同時基于專業(yè)化的測力儀設備，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。相關結果顯示，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。