基于 LabVIEW 的机床静刚度测量系统及实验研究

孙宗鑫，于艳

（青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109）

基于 LabVIEW 的机床静刚度测量系统及实验研究

孙宗鑫，于艳

（青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109）

机床的运行寿命以及所生产零件的精度，都受到机床静刚度的影响；在实际生产中，机床所受的外载力不单纯是单向力，采用基于 LabVIEW的机床床头、刀架、尾座的三向静刚度测量系统，加载三向力进行实验研究，能够更好地模拟机床实际工作情况，分析出机床各部分位移以及受力情况，绘制静刚度特性曲线，实现实验数据的实时采集、处理、存储和显示。

机床静刚度；LabVIEW；优化设计

通常情况下，机床静刚度的测定是在非切削状态下，模拟切削时受力情况，对机床施加静载荷，测得各部件在不同外载荷下的变形量，即位移量；计算出机床的静刚度，从而绘制出静刚度特性曲线。在此前的测量中，较多见的是单向静刚度测量系统，结构简单，操作简单；但是由此带来的后果就是测量数据不精确，不能连续加载采集数据，人工处理数据比较麻烦，也不符合机床实际加工时承受的三向切削分力情况；之后实施的三向加载测量方法更接近实际切削时的真实情况，但测量时施加外载荷的大小与位移量的值都是通过千分尺测量的，所有数据处理都需要人为进行，这种方法费时又费力，不能准确快速地测量出机床实际的静刚度值，实用性不强。

为有效解决上述问题，设计三向静刚度测量实验系统，利用三向静刚度仪加载装置，模拟刀具受力进行加载，通过测力传感器将外加载荷转化成电信号，经过动态应变仪把电信号放大，由 A/D板进行数模转换，借助于 LabVIEW 虚拟仪器，直接显示外加载荷大小，并通过千分表直接读出床头、刀架和尾座的变形量，即位移量，通过集线器输入到上位机中，在测试系统中直接计算并显示机床各部位静刚度特性。

1 系统总体设计

将系统各部分进行连接得到系统的整体设计，系统结构框图如图1所示。系统程序由 LabVIEW 编写得到，它主要包括压力与位移信号采集模块、数据信号处理模块、静刚度有关数据计算模块，静刚度曲线显示模块等。

图1 系统结构图

图2 系统软件测试流程图

基于 LabVIEW 的系统软件检测部分是运用带箭头的线条把各种模块图形联接起来的一种表编程方式的简单图形。图2中，在 LabVIEW 软件程序控制界面中采集测试信号。在相应的主程序界面下， 可以分别选择压力、位移信号采集模块以及变化曲线模块；采用LabVIEW 编写的数据信号处理模块，将压力和位移传感器采集到的电压信号转换为作用力和位移量，通过K=F/Y计算机床相应位置的静刚度。该虚拟技术能够使不熟悉该汇编语言的工程师能按照测试要求和任务快速依据自己的程序进行准确的建模，该方法节省了产品研发周期和研发成本。

2 LabVIEW 系统模块的设计

2.1 位移信号采集模块的设计

在测量软件系统中，图3所示的程序运用了两次，分别在不同的程序系统中，其中一次用来记录三向位移的初始位置，以便后期计算位移量差；另外一次应用在图4的第三步，进行测量并记录数据，用来计算静刚度数值。

数显千分表中有自带标定系统的传感器，在图3中，是将采集的床头、刀架、尾座的位移量量程进行变化，方便在以后的静刚度计算中运算简便易懂。

图3 位移信号采集模块设计图

图4 三向静刚度实验测定系统

图5 三向静刚度测定中外载荷标定程序框图

2.2 压力信号采集模块的设计

测力仪是将外载荷转化为电信号，后经放大以及A/D转换送入上位机，若在测试系统中直接显示与实际外载荷大小值不对等，因此，在进行静刚度测定前，首先要对送入上位机的数据进行标定与调零，三向测定系统因为测量的是三向力，所以在标定后将三向力整合成一个合力，如图5所示，这样在后续的计算中方便调用各个数值。

2.3 数字信号处理及静刚度曲线模块的设计

位移与压力数据采集标定之后，编写程序，将采集的位移、压力信号值由公式 F头 =F尾 =1/2F刀，其中 F刀 =F径等于加载数值以及公式 K=F/Y得到对应的静刚度值，静刚度值的测定应用的是径向力，如图6所示程序设计中，通过位移初始值以及运行中的测量值得到位移变化值，与径向力通过公式计算，得到静刚度数值。

若在静刚度测试系统中选择测量三向静刚度值，有关程序会将界面切换至图4所示界面进行有关测量，数据的记录、计算以及三向静刚度特性曲线的绘制。

在图7中，数值 2的初始值为 0，目的是从记录的第0行数据开始显示，加1为了使图8表格的序列号码从1开始显示而不是从 0开始。将图8中表格所需所有数据名称通过创建数组以及数组插入形成数组表格。通过索引数组索引数组表格中的 1、2、3、6列数值即 ∆Y刀架、∆Y床头、∆Y尾座以及径向力 [14]，由公式 F头 =F尾=1/2F刀，其中 F刀=F径等于加载数值；公式 K=F/Y得到对应的静刚度值，通过捆绑以及创建数组，得到刀架、床头以及尾座对应的静刚度曲线。

3 机床静刚度测定实验

将系统硬件部分与软件部分连接成功后，运行程序，进行标定以及调零，施加外载力，观察上位机运行是否正常，通过K=F/Y计算机床相应位置的静刚度，记录数据，绘制单向或三向静刚度曲线图，得到相应的结论，分析机床的抗形变能力的强弱，对机床的实际工作质量能够有所了解。

通过图9、图10分析可知，单向静刚度与承载力以及位移的关系趋近于线性关系，随着承载力（径向力）的增大，位移量也在明显增大，通过所得数据知刀架静刚度也在增大，由于外界干扰出现部分误差导致曲线出现波动，但是从曲线可以看出在单向力作用下，刀架的抗变形能力强。

图6 静刚度值计算的程序框图

图7 三向静刚度实验数据记录程序框图

图8 记录实验数据表格

图9 单向静刚度实验曲线

图10 三向静刚度实验曲线

三向静刚度曲线比单向静刚度曲线复杂，不再是单纯的线性关系，由于三向力互相之间的限制与干扰，刀架静刚度在外加力达到临界值左右过程中变化显著，承载力加大，位移增加速度明显，静刚度指数下降速度显著，而达到所能承受力的临界值以后，按承载力增大的同等速度减小承载力，发现位移变化速度变小，导致静刚度指数下降速度减缓，所以在三向力的相互作用下，刀架的抗变形能力变弱，而床头和尾座的抗变形能力依然较好。

4 结语

通过对单向及三向静刚度的研究，发现在单向力与三向力的加载下，机床的抗变形能力曲线显著不同。分析图表可知单向静刚度在实际生产加工过程中能反映的问题不能说明真实情况，使预测生产器件的精密度有较大误差，而三向静刚度的研究，使该系统对实际生产的实时情况能够反映准确有效。

目前，静刚度测量系统功能相对单一、不能应用一个系统完成单向及三向静刚度的测量，且测量系统的硬件部分质量差，抗干扰能力差，对实际机床静刚度的真实抗变形能力的测量造成较大的影响，对机具的精密程度预测产生了不利影响，基于 LabVIEW 的机床静刚度测试系统为机床单向、三向静刚度的测量和机床设计提供准确、快速的环境。

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TG659

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1671-0711（2017）07（下）-0098-03