基于Labview的切削力数据采集和分析系统设.docx
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基于Labview的切削力数据采集和分析系统设
摘要
随着切削加工向着高速、高精度、高度自动化方向发展，对切削过程的测试技术也提出了越来越高的要求。
为了使这些高度自动化加工设备充分发挥其优良性能，确保加工质量，提高生产效率，对刀具加工过程进行测试就越来越重要。
大量的研究结果表明，对于切削力的测量对金属切削研究起事半功倍的作用。
因此，对于切削加工数据采集和分析的研制显得由为重要。
本论文首先对数据采集现状，发展指出了传统过程数据采集方式存在的不足。
探讨了虚拟仪器的概念，框架结构，Labview开发平台，然后使用国家仪器公司（NationalInstrument）提供的软件平台（LabVIEW）和美国NIPxle6388的数据采集卡搭建了基于虚拟仪器的切削力测量系统，并在Labview环境下编写了切削加工数据采集和分析系统的程序，该程序实现了三通道切削力的采集和监测。
并且实现采集数据的TDMS格式存储、数据的回放分析。
求任意段的平均值和均方差根。
最后，将本系统具体应用在铣削加工和切割加工的试验中，结合图表和显示结果，来分析不同的切削参数和测试系统参数对切削力的影响，同时观察本系统对小力测量的情况，从而验证该系统采集数据的准确性和稳定性，并且能够对小力进行测量。
本系统还证明了以虚拟仪器为基础的测量系统是方便、低成本、实用、而且可靠的。
关键词：
虚拟仪器；切削加工；数据采集；LabVIEW
ABSTRACT
Highrequestwasputforwardfortestingofcuttingprocessalongwithcuttingprocessisdevelopingtohighspeed,highprecisionandhighautomatization.Inordertoexertgoodperformanceofhighautomatizationequipment,ensuremachiningqualityandprovemanufactureefficiency,itismoreimportanttotestforstateoftoolmachiningprocess.Alotofinvestigationindicatesthatmeasuringthecuttingforceandcuttingtemperaturerapidlyandexactlycanhelptoresearchthemetalcuttingbetter.Thedataacquisitionandprocessingsystemforcuttingprocessinghavebeenveryimportant.
Fordataacquisitioninthispaperthestatusquo,development,thispaperpointedouttheshortcomingsofthetraditionaldataacquisitionprocess.Thispaperprobesintotheconceptofvirtualinstrument,framestructure,theLabviewdevelopmentplatform.abased—computermeasuringsystemwasformedbyusingthesoftwareofNI..Inthissystem,voltagesignalofsingleorthreechannelscouldbemeasuredquicklyandeasily.Anddatawasrealizedstoredindatabase.
Finally,thesystemappliedinmillingandcuttingtest.Chartanddisplaytheresultsanalysisofdifferentcuttingparametersandtheinfluenceofparametersoncuttingforcetestingsystem,atthesametimeobservethesystemforasmallforcemeasurement,soastoverifyaccuracyandstabilityofthesystemtocollectdata,andcanbeonthesmallforcemeasurements.
BytheresearchesofVIitwasprovedthatthiswayofmeasuringisconvenient,reliable,lowcost,andeffective.
Keywords:
Virtualinstrument;machining;Thedatacollection;LabVIEW
目录
第一章绪论1
1.1课题背景1
1.2数据采集系统现状1
1.3数据采集研究的必要性及不足之处2
1.4本研究所达到的目标4
第二章切削加工测试与分析系统软件设计5
2.1虚拟仪器5
2.1.1虚拟仪器的概念5
2.1.2虚拟仪器与传统仪器的比较6
2.1.3虚拟仪器测试系统的组成7
2.1.4虚拟仪器的开发语言8
2.1.5图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW8
2.2软件总体设计9
2.2.1软件设计要求9
2.2.2系统软件框架9
2.2.3软件开发工具选择10
2.3软件模块设计10
2.3.1数据采集和存储模块设计10
2.3.2数据读取和分析模块设计19
第三章实验验证24
3.1实验研究方案24
3.2实验条件和实验设备25
3.3实验数据27
第四章总结和展望32
4.1总结32
4.2展望32
致谢
参考文献
第一章绪论
1.1课题背景
切削力是金属切削过程中的重要状态参量。
切削力测量是金属切削研究中一项重要实验技术，不仅对研究金属切削机理．计算机床功率，进行刀具、机床、夹具的设计，优化切削用量和刀具几何参数等具有非常重要的作用意义，而且在自动化生产中，切削力是切削过程自适应控制中的重要参数，也是监测切削过程和刀具工作状态的重要信号。
切削过程参数的计算机辅助测量虽然是比较陈旧的课题，但随着虚拟仪器技术的提出和发展，给它带来了新的科研生命力，虚拟仪器有较大的编程方便性、较强的功能和灵活性，尤其是综合测量、数据处理和图形化显示方面。
所以本课题的研究是建立在虚拟仪器基础上。
1.2数据采集系统现状
目前传统数据采集主要有两种实现方法，一是利用PC机外接的数据采集卡，通过各种计算机总线或OPC方式送至计算机完成数据记录或显示；一是利用工业组态软件的方法，通过软件实现与计算机外围接口的通信，从而获取数据[1]。
1.国外数据采集系统的现状
随着国外微电子技术、计算机技术、测控技术和数字通信技术的发展，近几年国外数据采集产品层次全面，涵盖了从实际电流、电压信号的数据采集，到工业总线上的数据采集，从单体数据采集设备到基于计算机的数据采集系统，都有很成熟的产品及应用。
其主要特点可以概括为以下几个方面：
（1）元器件高度集成，智能化程度提高，运行前需要设置的参数较少，或者集成有显示面板及按钮，参数设置直观、方便，并且具有较轻的重量；采用防水防撞击的密封外壳，能适应恶劣的工业环境；
（2）数据分析功能强大，不仅有常用的时域分析和频域分析，而且还可以进行数字滤波、数学和逻辑运算等功能；
（3）硬件具备大容量储存器，不仅提高了从低频到高频频率测量范围，使其能适应信号从低速到高速的各种监测范围需要，而且可以装载多种采集策略配置文件，方便多种场合下快速应用[1]。
2.国内数据采集系统的现状
上世纪80年代末到90年代初，国内一些厂家已研制出了多种单体数据采集器，开发出多种计算机板卡层面的采集卡，能够适应一般信号连续采集和故障诊断。
同时，
国内的工业组态软硬件也有了很大进步，北京亚控科技的组态王、北京三维力控科技的ForceControl等一批优秀工业组态软件取得了广泛的应用，除了主要参与系统控制外，其数据采集水平也在不断提高[1]。
1.3数据采集研究的必要性及不足之处
1研究数据采集的必要性
数据采集是一种直观分析数据的方法，数据采集系统是微型计算机应用的一个重要领域。
随着科技的不断发展，人类对获取信息量要求的增加，数据采集已成为信息获取的主要手段，数据采集技术已广泛应用于社会生活、生产的各个领域[2]。
在工业自动化领域，工业规模越来越大，工业控制系统信息集成程度不断提高，人们对控制系统信息量的需求也越来越大，数据采集已经被广泛应用于分布式生产领域。
如石油、化工生产过程的数据采集应用；钢铁热连轧的应用[3]。
其次，在科学研究等领域中，随着计算机技术的发展与普及，数字设备正越来越多地取代模拟设备，计算机测控技术正发挥着越来越重要的作用。
外部世界的大部分信息是以连续变化的物理形式出现的，例如温度、压力、位移、速度等。
将这些数据进行量化编码，转变成数字量，这一过程需要通过数据采集来完成。
数据采集系统是计算机与外部世界联系的桥梁，高速度、高精度的数据采集系统是获取原始数据信息和大量动态信号的主要途径，使研究瞬间物理过程成为可能[3]。
总之，由于数据采集系统在数据分析及过程研究等方面的价值，使其成为不实际参与控制，但在控制系统中必须考虑的重要环节，数据采集与分析处理是否及时，成为与工作效率、产品性能价格比以及取得的经济效益息息相关的因素。
2数据采集系统存在的不足
随着工业自动化水平的不断提高，复杂工艺控制对过程控制要求越来越精确，这必然会对大量过程数据进行分析，因此过程数据的采集显得尤为重要，高采样速率、高精度是数据采集系统发展的趋势。
另外，随着工业自动化系统信息集成的发展，要求数据采集系统具有与数据库连接的功能。
目前，工业数据采集主要有两种实现方法，一是利用A/D转换板卡，通过计算机总线将数据送至计算机记录或显示；一是利用组态软件的方法，通过编程实现与计算机外围接口的通信，从而获取数据[4]。
两种方式的共同点是都需要上位机软件为用户提供图形化可视操作界面，但都存在着优缺点。
利用A/D转换板卡的优缺点
优点：
CPU负担较轻，对信号处理响应速度快，采样频率较高，实时性较好。
缺点：
采样信号的通到数量有限，使其应用受到局限。
利用组态软件的方法的优缺点
优点：
实现多信号的采集，编程灵活，用户界面友好，功能丰富。
缺点：
计算机CPU资源占用较大[2-3]。
对于利用软件编程来实现数据采集主要有两种，一种是虚拟仪器，如由NI公司设计的Labwindows是虚拟仪器的一个典型代表。
另一种是专门性很强的工业组态软件，如北京亚控的组态王，GEFanuc的iFIX，SIEMENS的WinCC等工程组态软件
Labwindows虚拟仪器的优缺点
优点：
只需要在该系统中加入多种硬件接口使其能够接入到控制系统中，就可以完成对PLC甚至是大型工艺控制器的数据采集。
用户无需学习针对各类控制器的底层仪器命令，由用户通过图形化语言编程即可实现数据采集[9]。
缺点：
受其设计思想及理念的影响，不能够满足时域范围内的多信号同步分析，同时由于在应用时需要深入学习其程序语言表达方式，甚至还需要用户去编写复杂的接口程序。
工业组态软件的优缺点
优点：
通过图形化的界面与现场控制单元相对应，便于直观了解及控制系统运行状态、工艺流程及过程参数，参与系统的控制，同时可以完成记录数据、生成报表等功能。
缺点：
由于受采样速率及采集信号数量的限制，这种传统工业组态软件不能满足对大量数据进行高速采集的工业场合，如GEFanuc公司的iFIX等，其采样速度默认为100ms，在信号数量比较少的条件下，最快采样速度为50ms，已经无法满足50ms以下或者更高速的数据采集要求[4]。
因此，寻找一种与常规控制系统程序链接方便、系统采样跟踪速度更快、结构相对简单的技术手段，已经成为必然。
1.4本研究所达到的目标
Labview数据采集系统不但能很好的为上述问题提供解决方案，同时提供方便且功能强大的数据分析功能，完全可以满足工业过程数据分析时对于采样速率的要求。
近几年在我国过程自动化数据采集中的应用越来越广泛。
虚拟仪器技术强调利用计算机的强大资源使本来需要硬件实现的技术软件化，在相同的硬件模块条件下通过调用不同软件来实现不同的仪器功能，完成多种参数测试，以便最大限度地降低系统成本，增强系统功能与灵活性，这就是本课题所要的目的。
本文从数据采集系统的结构体系出发，分析了传统数据采集系统存在的不足，在对切削加工数据采集与分析作了介绍分析后，探讨了将Labview数据采集系统应用于机械工程的思路和方法，提出了一种新的高速数据采集、数据分析及数据扩展体系。
本课题的主要工作内容包括以下几点：
1.设计切削力采集与分析系统
a:
完成三通道数据同时采集，获得各切削力在线动态波形曲线显示，监测各向切削力的瞬态值。
b:
实现数据存储。
c:
实现数据读取和分析。
2.分析不同的切削参数和测试系统参数对切削力的影响
第二章切削加工测试与分析系统软件设计
2.1虚拟仪器
2.1.1虚拟仪器的概念
虚拟仪器（VirtualInstrument，VI）的概念是由美国国家仪器公司提出来的，虚拟仪器本质上是虚拟现实一个方面的应用结果。
也就是说虚拟仪器是一种功能意义上的仪器，它充分利用计算机系统强大的数据处理能力，在基本硬件的支持下，利用软件完成数据的采集、控制、数据分析和处理以及测试结果的显示等，通过软、硬件的配合来实现传统仪器的各种功能，大大突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可以方便地对仪器进行维护、拓展和升级[4-5]。
虚拟仪器是基于计算机的仪器，计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向，虚拟仪器就是在通用计算机上加上一组软件和硬件，使得使用者在操作这台计算机时，就像是在操作一台自己设计的专用的传统电子仪器。
在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了实现信号的输入、输出、软件才是整个仪器系统的关键。
任何一个使用者都可以通过修改软件的方法，很方便地改变、增减仪器系统的功能与规模，所以有“软件就是仪器”之说。
虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等，其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡（DAQ）、串并口、IEEE488接口（GPIB）卡、VXI控制器以及其他接口卡。
目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合[5]。
2.1.2虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器具有传统独立仪器无法比拟的优势（如表2-1所示）。
在高速度、高带宽和专业测试领域，独立仪器具有无可替代的优势。
在中低档测试领域，虚拟仪器可取代一部分独立仪器的工作，但完成复杂环境下的自动化测试是虚拟仪器的拿手好戏，是传统的独立仪器难以胜任的，甚至不可思议的工作。
（1）传统仪器的面板只有一个，上面布置了种类繁多的显示和操作元件。
由此导致许多识读和操作错误。
虚拟仪器与之不同，它可以通过在几个分面板上的操作来实现比较复杂的功能。
这样，在每个分面板上就可以实现功能操作的单纯化和面板布置的简洁化，从而提高操作的正确性和便捷性。
同时，虚拟仪器的面板上的显示元件和操作元件的种类与形式不受标准元件和加工工艺的限制，由编程来实现，设计者可以根据用户的要求和操作需要来设计仪器面板。
（2）在通用硬件平台确定后，软件取代传统仪器中由硬件完成的仪器功能。
（3）仪器的功能是由用户根据需要用软件来定义，不是事先由厂家定义的。
（4）仪器性能的改进和功能扩展只需更新相关软件设计，不需购买新仪器。
（5）虚拟仪器开放、灵活，与计算机同步发展，与网络及其他周边设备互联。
（6）由于其以PC为核心，使得许多数据处理的过程不必像过去那样由测试仪器本身来完成，而是在软件的支持下，利用PC机CPU的强大的数据处理功能来完成，使得基于虚拟仪器的测试系统的测试精度、速度大为提高，实现自动化、智能化、多任务测量。
（7）可方便地存贮和交换测试数据，测试结果的表达方式更加丰富多样。
（8）虚拟仪器在高性价比的条件下，降低系统开发和维护费用，缩短技术更新周期。
表2.1虚拟仪器与传统仪器的比较
虚拟仪器
传统仪器
开发维护费用低
开发维护费用高
技术更新周期短（0.5～1年）
技术更新周期短（5～10年）
软件是关键
硬件是关键
价格低
价格昂贵
开放、灵活与计算机同步，可重复用和重配置
固定
可用网络联络周边各仪器
只可连有限的设备
自动化、智能化、多功能、远距离传输
功能单一，操作不便
近年来，随着网络技术的发展，己经形成了网络虚拟仪器。
这是一种新型的基于Web技术的虚拟仪器，使得虚拟仪器测试系统成为Internet/Intranet的一部分，实现现场监控和管理。
在当前流行的C/S/D网络模式下，利用嵌入式技术（包括数据库嵌入和网络模块的嵌入）可以充分利用有效资源，提高测试效率[7]。
2.1.3虚拟仪器测试系统的组成
虚拟仪器是基于计算机的仪器。
计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。
这种结合基本有两种方式，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。
随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前已经出现含嵌入式系统的仪器。
另一种方式是将仪器装入计算机。
以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式[8]。
虚拟仪器的组成与传统仪器一样，主要由数据采集与控制、数据分析和处理、结果显示三部分组成。
如图2.1所示。
图2.2虚拟仪器的内部功能的划分
对于传统仪器，这三个部分几乎均由硬件完成；对于虚拟仪器，前一部分由硬件构成，后两部分主要由软件实现。
与传统仪器相比，虚拟仪器设计日趋模块化、标准化，设计工作量大大减小。
通常虚拟仪器测试系统硬件组成部分是由传感器部件、信号调理及信号采集部件（如外置或内置数据采集卡、图形图像采集卡及摄像机及其用于辅助测量并能与计算机通讯的常规仪器等）、通用计算机、打印机等构成。
系统软件部分通常用专用的虚拟仪器开发语言（如LabVIEW）编写而成，并可通过Internet实现网络扩展。
虚拟仪器技术的核心是软件，其软件基本结构如图2.4所示。
用户可以采用各种编程软件来开发自己所需要的应用软件。
以美国NI公司的软件产品LabVIEW和LabWindows/CVI为代表的虚拟仪器专用开发平台是当前流行的集成化开发工具。
这些软件开发平台提供了强大的仪器软面板设计工具和各种数据处理工具，再加上虚拟仪器硬件厂商提供的各种硬件的驱动程序模块，简化了虚拟仪器的设计工作。
随着软件技术的迅速发展，软件开发的模块化、复用化，和各种硬件仪器驱动软件的模块化、标准化，虚拟仪器软件开发将变得更加快速、方便[10]。
图2.4虚拟仪器软件结构
2.1.4虚拟仪器的开发语言
虚拟仪器系统的开发语言有：
标准C，VisualC++，VisualBasic等通用程序开发语言。
但直接由这些语言开发虚拟仪器系统，是有相当难度的。
除了要花大量时间进行测试系统面板设计外，还要编制大量的设备驱动程序和底层控制程序。
这些工作对于那些不熟悉这方面知识的工程设计人员来说，要花费大量时间和精力，这样直接影响了系统开发的周期和性能。
除了通用程序开发语言以外，还有一些专用的虚拟仪器开发语言和软件，其中有影响的开发软件有：
NI公司的LabVIEW，LabWindows/CVI。
LabVIEW采用图形化编程方案，是非常实用的开发软件。
LabWindows/CVI是为熟悉C语言的开发人员准备的，是在Windows环境下的标准ANSIC开发环境。
除此以外还有HP公司的HP-VEE，HP-TIG开发平台，美国Tektronix公司的Ez-Test，Tek-TNS平台软件，这些都是国际上公认的优秀的虚拟仪器开发软件平台[10-11]。
2.1.5图形化虚拟仪器开发平台——LabVIEW
LabVIEW（LaboratoryVirtualInstrumentEngineering）是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。
LabVIEW集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能。
它还内置了便于应用TCP/PI、ActiveX等软件标准的库函数，是一个功能强大且灵活的软件。
利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都更加形象化。
传统的文本式编程是一种顺序的设计思路，设计者必须写出执行的语句。
而LabVIEW是基于数据流的工作方式，同时是基于图形化的编程，这使得设计者不必掌握大量的编程语言和程序设计技巧便可设计出虚拟仪器系统[11]。
目前，在以PC机为基础的测试和工控软件中，LabVIEW的市场普及率仅次于C++/C语言。
LabVIEW具有一系列无与伦比的优点：
首先，LabVIEW作为图形化语言编程，采用流程图式的编程，运用的设备图标与科学家、工程师们习惯的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过程非常相似；同时，LabVIEW提供了丰富的VI库和仪器面板素材库，近600种设备的驱动程序（可扩充）如GPIB设备控制、VXI总线控制、串行口设备控制、以及数据分析、显示和存储；并且LabVIEW还提供了专门用于程序开发的工具箱，使得用户能够设置断点，调试过程中可以使用数据探针和动态执行程序来观察数据的传输过程，更加便于程序的调试[13]。
因此，LabVIEW受到越来越多工程师、科学家的普遍青睐。
利用LabVIEW，可产生独立运行的可执行文件，它是一个真正的32编译器。
像许多通用的软件一样，LabVIEW提供了Windows、UNIX、Linux、MacintoshOS等多种版本。
2.2软件总体设计
传感器获取了信号，经参比电路对信号进行处理后，由数据采集卡输入计算机，系统软件将其转化为直观可见的图形或数据，并对数据进行分析和处理，得到测量结果[13]。
如果没有采集处理软件，一切没有意义，因此软件设计部分是本课题的一个重要研究内容。
2.2.1软件设计要求
系统应用软件是整个系统的核心，是与用户直接面对的应用平台。
所以此平台就要求具有友好的界面、优良的容错性和维护性；当然，作为工程应用，最为主要的是平台要稳定。
我们从以下三点对平台进行要求：
1稳定性
稳定性是系统应用软件最基础，但也是最为重要的要求。
一切功能在没有稳定性的前提下是没有任何意义。
所以在设计时，要把稳定性作为第一要素进行设计。
2易用性
易用性主要是在操作界面设计上，要符合人对常规事物认识的习惯，如对操作系统风格的习惯、对一般实验仪器使用的习惯等等。
3容错性
容错性是指当系统出现错误时，系统软件怎样对错误进行处理。
表现在如用户错误使用软件时，软件能否给与纠错；再如系统发生错误时，是否能给与用户错误提示等[13-14]。
2.
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