机床静刚度测试系统的开发.docx

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机床静刚度测试系统的开发

第一章前言

1.1静刚度测试的研究现状

在外力的作用下，材料、构件或结构抵抗外力变形的能力，我们称之为刚度。

材料刚度的衡量方式是产生单位变形时所需的外力值大小。

材料的刚度取决于材料本身的弹性模量E和剪切模量G。

而结构的刚度是与其所组成的材料的刚度大小以及结构的几何形状和边界条件还有结构所受的外力的作用形式有关[1]。

静刚度测量对工艺系统和制造业有着绝对的重要性，因此对于静刚度测试系统的研究从来没有间断过。

国内传统的测试方法是在机床上安装了加载装置后,再在床头,床尾,床身和加力装置上安装千分表。

在实验时，通过加力装置模拟刀具对车床施加切削力,再通过千分表,读出刀架、床头、床尾的变形量。

再通过实验前的标定,就可以手工计算出刚度值。

传统方法中用的千分表测量,是机械式的,接触式的,在测试过程中,千分表的反应灵敏度不高,经常性的出现滞后现象,因此测量的数据偏差非常大,而且需要手工计算静刚度值和手工绘制曲线,测量方法很落后,不适应现代科学发展要求。

因此计算机控制的自动测控系统随之产生。

关于机床静刚度的自动测量系统，曾经有人研制过一种以单片机为核心的机床静刚度测试系统。

此测试系统只能通过LED动态的显示刚度值。

实验完毕后，再用微型打印机输出刚度曲线。

这个测试系统的适时性差，不够直观。

1.2测试系统的研究现状

测试技术是测量和试验技术的总称。

随着现代生产的发展和工程科学研究对测试及其相关技术的更大的需求，推动了测试技术更加迅猛的发展，而迅速发展的现代物理学，信息科学，计算机科学，电子科学等为测试技术提供了知识和技术支持，从而促使测试技术得到极大的发展和应用[2]。

20世纪80年代，计算机技术、大规模集成电路技术和通信技术飞速发展。

计算机技术与传感器技术、通信技术相互结合，测试技术与计算机技术的关系发生了根本性的变化，计算机已成为现代测试和测量系统的基础。

微处理器成为了测试系统的核心。

各仪器之间通过适当的接口用各种总线相连，以实现自动测试。

微处理器通过软件控制数据采集，多仪器组成的测试系统正常运转，并对采集的数据进行处理，最后将处理的结果存储或打印、显示输出。

随着微电子技术的不断发展，超大规模集成电路芯片（单片机）的发明，出现了智能化测量控制系统。

即以单片机为主体将计算机技术与测量控制技术结合配以相关元器件组成的智能仪器。

1.3机床静刚度测试系统开发的目的和意义

随着科学技术的不断发展，工业机床向高精度和自动化方向发展,机床的刚度已然成为了提高加工精度和加工稳定性的重要因素。

一台机床的刚度数值能客观的反映机床设计、工艺和装配质量的优劣,同时也影响到零件的加工质量。

很多优秀的技术工人在加工过程中，常常为高精度产品不能达到准确的精度而头疼不已，而提高加工精度往往又要耗费大量时间，影响加工效率。

机床静刚度测试系统的开发目的是分析机床受力变形对加工精度和生产效率的影响。

机床的刚度反映了机床结构抵抗变形的能力，是衡量机床性能的重要依据。

通过此次研究设计开发，不仅掌握有关刚度理论知识，而且这次的机械设计制造是光、机、电、自动控制等多学科融合的一体化系统工程，能够锻炼分析问题和解决问题能力，为以后在实际工作中的设计开发打下扎实的基础。

总之，此次静刚度测试系统的开发课题有着重要的作用和积极的意义。

本次方案设计汲取了传统刚度测试方法的优点,在机械制造的基础上结合现今比较先进的传感技术、自动控制技术和微机测试技术,以VB软件设计编辑出数据交流平台，对机床静刚度测试系统进行了深入研究,设计开发出更为高效、高精度的自动化测试系统。

第2章总体方案设计

基本了解测试系统所需要的一些功能并且分析。

机电一体化系统应有机械本体，动力单元，传感检测单元，执行驱动单元，控制与信息处理单元以及接口[3]。

通过数学模型，简要的分析静刚度测试的一些理论知识。

初步设计测试系统的软件部分和硬件部分，掌握大致框架。

2.1测试系统功能

（1）.通过合理的硬件安装，能够采集到误差较小的数据并能适时生成曲线；

（2）.通过VB软件设计出友好人机界面，并能实现手动加载和自动加载两种模式下，对机床静刚度自动适时测量。

（3）.通过数据报表实现对历史数据库查询、比对并生成曲线和打印；

（4）.测试系统软件应有必要的详细的注释，对于快速、简便的理解程序有着重要的帮助。

2.2测试系统设计基本原理

只有选择灵敏度高的传感器和平稳均匀的加载装置进行加载，才能精确测量力和位移的大小，。

对此在设计实验中选择了电阻应变片式压力传感器和电涡流位移传感器进行测量，测出信号分别通过仪表放大器和DGB-5A电感测微仪进行信号处理，均匀加载装置选择了110BYG404型步进电机。

位移和压力传感器输出的模拟信号通过A/D转换，输出数字信号。

由于测到的输出信号较小，必须要进行功率放大，而功放源为经过电源板降压、稳压、滤波处理的三相交流电，此时输出的信号带动步进电机进行工作，即步进电机在数字信号的控制下对刚性装置进行均匀加载和均匀卸载，此时刀架、头架、尾架位移随着力的均匀变化而发生均匀变化。

由力与刀架和力与头架、尾架位移比值分别得出刀架、头架和尾架的刚度[4]。

2.3数学模型

在切削力的作用下，工艺系统将在各个受力方向产生相应的弯曲变形，影响最大的是误差敏感方向，所以工艺系统刚度是指切削力在加工表面法向的分力Fy与Fx、Fz同时作用下产生的沿法向的变形之间的值:

K系统=Fy/Y系统（2-1）

它反映工艺系统抵抗引起其变形的外力的能力。

同理，机床的静刚度是指工艺系统在静态条件也就是静载荷下抵抗变形的能力：

K系统=F法/Y法综（2-2）

在零件的加工过程中，工艺系统各部分在切削力作用下将在各个受力方向产生相应的变形。

从对零件加工精度的影响程度来看，以加工表面法线方向的变形影响最大。

将工艺系统刚度K系定义为零件加工表面法向分力F系与在该力作用下，刀具在此方向上相对工件的变形位移量y法之间的比值，即：

K系=F法/y法（2-3）

在试验台的坐标系中,我们定义工件所受的刀具的切削力为P,可以将切削力P分解，从而得到工件所受的各个方向的分力为:

Px=Psinα,Py=Pcosα·sinβ,Pz=Pcosα·cosβ（2-4）

X—轴向,Y—径向,Z—垂直于XY方向

在进行机床静刚度检测时，机床前部顶尖和尾部顶尖的中间部分都是加载装置载荷的主要作用点,而此时在机床的床头、刀架、尾架的力是作用力P在Y方向上的分力Py,分别为1/2Py、Py、1/2Py,机床的床头、刀架、尾架在各自作用力

下的变形分别为y床头、y刀架、y尾架,刚度分别为:

（2-5）

（2-6）

（2-7）

由此得出机床总的静刚度：

K=1/[1/

+1/4（1/

+1/

）]（2-8）

2.4测试装置机械结构

在实验过程中，我们需要运用步进电机进行加载。

加载过程中，我们通过计算机命令,发出电机加载信号，来控制步进电机运行，并且按某一速度转动,从而顺利的带动螺杆运动,实现螺杆转矩转变为轴向力，作用在了显示的扇形板上,再通过压力传感器的连接传至我们设计的模拟车刀上,实现了切削状态的模拟，从而产生我们所需要的切削力P。

（如图2-1）

图2-1机床静刚度测试装置机械机构

1.固定套2.刀架3.弓形支架4.模拟车刀5.电阻应变片式压力传感器6.扇形板7.头架顶尖8.推力螺母9.推力螺杆10.步进电机11.顶尖12.尾座C1、C2、C3为电涡流位移传感器

2.5系统总体方案软件部分

软件设计是本测试系统设计的重点部分,它包括数据采集显示、数据帅选、数据保存、数据图形打印，图形历史形成比对等功能:

①测试系统能够对被测物进行数据的准确测量、分析和后期处理。

②所设计的系统操作界面要简洁，功能要齐全，操作要顺手。

③书写的程序代码需要有准确完整的注解，且程序要简洁规范。

④程序无逻辑性错误，容错性好，并且能顺利稳定的运行。

图2-2总体方案软件部分

2.6系统总体方案硬件部分

硬件设计是测试系统的设计的重要部分。

选择一些普通的常用的机械元件，装配成测头装置。

同时配合传感器，放大器，A/D转化器，步进电机等组成所需的硬件设计。

（如图2-3）

图2-3总体方案硬件部分

2.7本章小节

本章对机床静刚度测试系统进行了整体的规划设计，结合测试系统的原理以及建立的数学模型，分别从测试系统的硬件和软件部分进行了阐述。

通过对设计原理和设计要求的分析和实验方案论证最终选定了总体方案。

并分别对软件部分和硬件部分提出了符合测试系统的一些要求。

第三章机床静刚度测试系统硬件的设计

根据硬件的设计方案选择合适的传感器，并对传感器进行标定。

定下采样部分所需的元件。

初步设计驱动控制装置，选定合适的步进电机[5]。

对信号采集及抗干扰滤波等方面进行必要的分析和研究。

认真仔细的完成硬件部分的设计过程，为软件部分做好准备。

3.1硬件设计方案

机床工艺系统静刚度计算机测试系统的具体设计方案如图3-1所示：

图3-1机床静刚度测试系统硬件设计方案

3.2采样部分——传感器

传感器的侠义定义是指：

传感器是将被测某一非电量转换成与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。

广义定义是指从一个系统中接受功率，通常以另一种形式的功率送到第二个系统中的器件[6]。

一般情况传感器是由四个环节组成：

敏感元件，传感元件，测量电路，辅助电源。

3.2.1传感器的选择

变形量测量采用S2900型电涡流位移传感器,是一种非接触式将间隙转换成电压值的传感器系统（技术参数见表3-1）。

由DGB-5A型电感测微仪进行处理。

测微仪既能连接一个传感器单独测量又能连接两个传感器作和差演算。

本次设计采用了30μm的量程，其精度为-0.5~+0.5μm。

主要参数如下：

稳定度在-10~+10μm档上小于或等于1个分度值/4h；温度稳定性20～40oC范围内小于或等于1个分度值/10oC；电源220V50HZ；输出直流电压-1~+1V（指示表满刻度时）。

表3-1位移传感器技术参数

测量范围

工作频率

灵敏度

重量

工作温度

允许电缆长度

2mm

0~5KHz

+2.5v/mm

120g

-20℃~80℃

300m

电涡流位移传感器只要应用于导体的静（动）态位移测量其最大量程可达数百mm，分辨率为0.1%，凡是可以变成位移的非电量都可以用电涡流传感器来完成，如材料的热膨胀系数、钢水液位、液体压力等。

由于电涡流式传感器的测量范围宽、反应速度快，可以非接触测量，故常用于在线监测[7]。

力的测量采用BPR-40电阻应变式压力传感器，具有较好的抗振、抗冲击特性和良好的静/动态特性。

主要技术参数见表3-2：

表3-2压力传感器技术参数

量程

灵敏度

温度输出灵敏度变化

激励电压

桥路电阻

工作温度

1.6~2.5MPa

1~1.5mv/v

<±0.5%/℃

10v（AC/DC）

350Ω

-10℃~+60℃

由于压力传感器输出电压小，为mv级。

为了增大系统测试的灵敏度,需要对压力传感器的输出电压进行放大,经过实验可知,当施加力到3000N时，即加力上限时，压力传感器输出电压为10mv,因A/D采集范围为：

0~5v,所以需要通过仪表放大器AD620放大500倍[8]。

3.2.2传感器的标定

传感器标定实际上是针对整个传感器系统的实验，确立传感器输出量和输入量之间的对应关系以及不同使用条件下的误差关系。

电涡流传感器的标定方法：

分步放入标准量块并对应测量，绘出对应曲线求系数的方法。

具体操作方法如下：

在测试的探头和工作台之间依次分别放入同种不同量的标准量块,在每次放入不同标准量块后，分别用万用测量表测出在此时对应传感器的输出电压值。

重复多次这样的操作,就可以绘制出这个电涡流传感器位移与电压的对应曲线,再根据绘制的曲线图能够求出标定系数。

电阻应变片式压力传感器的标定就是利用力与电压两者之间的线性关系建立加载器和传感器输出电压之间的数学关系。

方法：

完全清洁需要测量的物体的表面，然后使用特制胶水将电阻片固定在清洁的物体表面上，连接导线接到电桥接线端子。

实验过程中，发现电阻片和被测的物体会一起发生变形，其电阻值也发生相应的变化。

由此，被测量的变化将转变为电阻的变化。

其电阻变化信号经过检测装置进行处理，转化为力信号显示和电压信号输出。

3.3采样部分——IPC5488可扩展板

数模（D/A）转换和模数（A/D）转换是计算机与外部世界联系的重要接口。

在一个实际的系统中，要用微型计算机来监视和控制过程中产生的各种参数，就首先要用传感器把各种物理参数测量出来，且转换为电信号，再经过A/D转换传送给微型计算机，由计算机对信号进行处理加工再输出。

经放大电路输出的是电压信号，必须经过A/D转换才能被计算机识别，才能经软件处理，以便得到准确的测量结果。

本实验要求的误差是1μm，电感测微仪的输出电压范围是-1V—+1V，选择的量程是30档，由此就可以确定A/D转换器的位数。

设A/D转换器的位数是b，A/D转换器允许的动态工作范围为D，则由《测试技术》知，两相邻量化电平之间之差x为：

x=D/2（b-1）已知:

D=2.5V，x=0.001V，可求得b=12。

本测试系统选用的是12位32路高速A/D板IPC5488。

IPC5488是带光电隔离的高速12位A/D模板，其接口标准为PC总线接口方式。

板内占用2个I/O地址：

base_address+0与base_address+1，其作用如下：

对base_address+0进行写操作，，完成设置模数转换通道的功能。

对base_address+0进行读操作，完成读转换结果的低8位功能。

对base_address+1进行写操作，完成启动A/D转换功能。

对base_address+1进行读操作，完成读转换结果的高4位及读AD状态的功能。

可用于电压信号的精密测量，具有精度高、速度快、量程多、多通道、抗干扰能力强等特点[9]。

电感测微仪的输出直流电压是-1V—+1V（指示表满刻度时），由此可以确定IPC5488板卡每一个通道的输入范围。

此处选择-1.25V—1.25V，由板卡上的跳转器设置。

本板的核心器件是AD1674，分辨率为12位，片内带有10V基准电压、时钟以及三态输入缓冲器。

主要参数：

采样频率100kHz；转换时间10μs；满量程校准误差0.125%；功耗低，仅为385mW。

为了提高测量精度，须采取如下措施:

输入信号放大后的幅值应控制在3/4刻度内，这样利于提高线性度；采用差分输入方式，有利于消除共模干扰；不用的通道接地，防止通道之间相互干扰。

采用差分输入方式可以有效地消除共模干扰。

3.4步进电机及其驱动控制部分

3.4.1步进电机的定义

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。

在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

可以通过控制脉冲个数与脉冲频率来控制角位移量和电机转动的速度和加速度，从而达到准确定位与调速的目的。

3.4.2步进电机的分类及选型

步进电动机的种类很多，按力矩产生的原理可分为反应式和激磁式两种；按相数分则可分为单相、两相和多相三种；按电机结构分可分三种：

永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）。

步进电机的转向只有正转和反转[10]。

本次设计中选择了110YG404型永磁感应子式步进电机，相数为四相。

主要参数见表3-3：

表3-3步进电机技术参数

静力矩（N`M）

电压（V

电流（A

步矩角（°）

空载启动频率（Hz）

空载运行频率（Hz）

8

80

4

0.75/1.5

1500

7000

3.4.3步进电机驱动控制部分

在传统的步进电机控制电路中，步进电机的转动一般采用方波脉冲来控制，通过控制脉冲的频率、个数等，从而控制电机的转速、转向、位移等参变量。

但电机在工作过程中，由于种种原因可能会产生共振,影响电机低频、低速时的工作性能，为了避免电机工作的共振，改善电机在低频低速时的工作性能，并进一步提高步进电机的工作精度，经常可采用细分电路来解决问题。

由于传统的细分

控制电路,步进电机在各种转速下其细分的倍数是相同的,这种细分电路的方法很难同时满足电机运行时的低频和高频特性。

所以本次设计采用了可调细分电路的方法：

在步进电机正常的启动和低速运转时，电机能够低速平稳不丢失；而电机高速运转时,电路自动的递减细分倍数,直至取消细分,以实现高频脉冲的输出。

总之，用不断改变细分倍数的方法，保证电机在各转速下的最佳性能。

步进电动机驱动控制部分由步进电动机细分装置、步进电机、多功能的数据接口卡、电源等组成。

通过微型计算机进行控制操作，发出电机控制信号,由多功能数据接口卡IPC5488的开关量输出通道和定时/计数器输出通道输出，传送至步进电动机细分装置,经过电机细分装置驱动后，电压可以达到125V,电流为5～10A。

电机细分装置可以分成多档以控制不同的电机转速。

3.5采样信号的滤波

在实际应用中，常常希望从一个输入信号中提取或增强所需要的频率分量，滤除或衰减某些不需要的频率分量，这个处理过程称为信号的滤波。

由于线性时不变系统的响应频谱等于系统激励信号频谱和系统频率响应的乘积，因此，只要适当选择系统的频率响应特性，就可以实现信号的滤波功能。

采样绘图程序完成后，理论上要输出理想的平稳的采样信号，但在实际实验中采样信号是由多个频率分量组合而成的，另外还含有噪声和不希望得到的成分，直接影响实验结果，因此，必须对采样信号进行滤波处理，对于实时数据采集系统，为了消除传感器通道中的干扰信号，在硬件措施上常采取有源或无源RLC网络，构成模拟滤波器对信号实现频率滤波。

设计中滤波过程分两部分：

通过硬件滤波和软件滤波。

（1）.硬件滤波

①.低通滤波器（LPF）：

由电阻和电容元件构成。

这是一个最简单的RC低通电路，一般称为无源低通滤波器。

②.两级串联的网络滤波：

两级串联网络滤波并非是简单的叠加，负载效应使第二个低通滤波部分产生的信息对第一个低通滤波部分有反馈作用，效果要强于低通滤波。

但由于实际实验线路连接问题，两级串联会导致滤波电路的稳定性下降，因此本设计过程经过多次实验后选择了简单的低通滤波，选择220μF的电容和1200Ω的电阻。

③.电源低通滤波：

仪表放大器的稳定性对力采样信号的干扰较大，因此实验中对电源进行了低通滤波，电容为47μF。

这样输出信号的稳定性大为提高。

⑵．软件滤波

通过多次采样，得到一个A/D转换的数字系列，然后通过某种处理后，得到一个可信度较高的结果，这种从数据系列中提取逼近真值的方法就被称作软件滤波。

本软件滤波用了取５次采样平均值的方法进行了测试。

对每个通道采样５次后，取５次位移和力值计算出５次的平均值，再计算进行描点绘图，算法如下

Y=AX+（1-A）y

其中Y——本次滤波输出值，A——滤波系数（＜1），X——本次采样值，y——上次滤输出值。

对静载荷测量中，主要的干扰信号是随机的，对于这种非周期的干扰信号，采用软件滤波非常有效，但实验中软件执行时并不能在采样的同时画出采样曲线。

由此分析实验原因得出结论，处理器的速度慢来不及处理绘图过程。

因为绘图过程要求延时，加上采样计算等过程要求时间大于实验所定的采样周期，而采样周期太大不满足整个系统的设计要求。

所以，此软件滤波的方法在现有的硬件条件下无法实现，本次设计也只采用了硬件滤波[11]。

3.6本章小节

本章对机床静刚度测试系统硬件部分进行了设计，一是电涡流位移传感器和电阻应变片压力传感器的选择及标定方法；二是详细介绍了IPC5488可扩展板的功用；三是给出了步进电机的型号和其主要技术参数，对步进电机驱动控制部分进行了详细阐述；四是对信号采集及抗干扰滤波等方面进行研究。

较为详细地完成了硬件部分的设计过程，为软件部分做好准备。

第四章机床静刚度测试系统软件的设计

运用VisualBasic技术设计编辑出友好的人机界面，设计开发强大的操作功能，如加载、卸载、测量、记录、保存、绘图、打印等，建立历史数据库。

实现全自动化，高效，准确的系统操作。

4.1软件系统概述

VisualBasic是一种可视化的面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可以用于开发Windows环境各种应用程序。

他简单易学，效率高，且功能强大，广泛地应用于各个领域。

采用VB技术设计开发，进行数据采集和工业控制十分方便,软件界面设计非常便捷,编程工作量小,开发周期短,特别适合广大的非计算机专业的工程技术人员掌握和使用[12]。

此次设计选择了用VB进行模块化设计，每个模块均实现系统的某一功能。

例如采样子程序能够实现自动采样功能，而电机正反转子程序能够实现电机的正反转达到加载卸载功能。

模块化的VB程序设计可以简化整体设计的繁琐过程，每个模块实现单一功能。

设计起来要简单的多，并且可以方便的进行调用。

本软件采用了多线程技术,其中主线程是用户的操作界面线程,而子线程是数据的采集线程。

主线程（用户的操作界面线程）需要负责各个线程间的同步进行,并且要承担向子线程（数据的采集线程）传递各项的设计参数,人机界面管理,用户输入的接受等任务。

测试系统运行开始，主线程进行运行并同步建立数据采集线程并运行,将此时输入进来的实验测试的各项参数数据传入到下一子线程,并运行子线程开始进行物体的测试及数据采集。

当测试过程出现异常时,由主线程终止数据采集子线程。

4.2系统软件框图及功能模块

测试系统的设计需由以下几个部分：

数据参数设置模块、数据测量模块、显示和打印模块、数据修改模块、数据存储模块。

（如图4-1）

（1）.数据参数设置模块在进行数据采集前分别输入总切削力的参数、力采集的点数、力通道标定的系数、床头通道标定的系数、刀架通道标定的系数和床尾通道标定的系数。

（2）．数据测量模块均匀加载时，进行数据采集,用压力传感器位和位移传感器分别采集加力的数据和采集床头、刀架和床尾的变形量。

（3）．显示和打印模块分为数据显示和打印模块和图形的显示和打印模块两部分。

在数据采集完成后，进行分析处理，然后利用界面上的控件显示或者打印实际加力值和机床床头、刀架和床尾的变形量。

根据采集分析处理后的数据，绘制出机床的静刚度曲线图，并可以打印。

（4）．数据修改模块可以对采集到的个别不正确数据进行修改。

（5）．实验数据以文件的形式进行存储。

图4-1系统软件框图

4.3动态链接库的建立

数据采集包括数字量采集和模拟量采集，机床受力后，头架、刀架和尾架的位移是由开关量接口卡IPC5488采集，用模拟量接口卡IPC5488采集力的数据。

由于有VB自身的不足,不能直接访问机器的底层硬件。

在控制系统中对计算机的底层硬件进行访问以及利用各种数模转换接口板进行数据采集和控制等方面,仅靠VB是无法实现的。

为此，VB提供了调用动态链接库的DLL（Dynamiclinklibrary）接口,可提供访问机器底层硬件I/O接口的函数实现DLL,完成各种控制系统。

Wt2aIO.dll是为PCI5488系列数据采集卡配置的一个动态连接库，它所封装的函数可以被其它应用程序在运行时直接选用。

操作者可以使用DLL链接库下的任