基于LabVIEW的刀具磨损在线监控系统
冯 艳，罗良玲，夏 林 （南昌大学机电工程学院，江西 南昌 330029）【摘 要】自动监测刀具磨损、分析刀具磨损状况是FMS和CIMS中迫切需要解决的问题。文章提出了机床主轴电机电流与切削参数之间的数学模型，并在LabVIEW技术的基础上，实现了机床主轴电机电流信号的采集、存储和分析。
在自动化制造系统中，刀具磨损的自动监控对提高生产率和和保证加工质量有着重要作用，刀具磨损与破损的监测与故障诊断技术成为机械制造过程自动化的重大技术关键，具有十分重要的意义。为了实现在线的连续监控，对刀具的磨损不能采用停车的直接检测法，而应采用在线的间接检测法，即通过测量能够反映加工状态的动态参数来推算刀具的磨损。一般而言，间接法更适合刀具磨损的在线检测，它是利用刀具磨损状态对不同工作参数的影响来测出刀具磨损量。 这就要求工作参数与磨损状态特征值之间必须有确定的关系。最为常见也最为有效的间接法便是利用切削力监测法、电机功率或电流监测法和声发射监测法。本文提出了机床主轴电机电流与切削参数之间的数学模型，在LabVIEW技术的基础上，实现了机床主轴电机电流信号监控，并验证了该系统的有效性和实用性。
LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是美国NI(National Instrument)公司推出的一种基于G语言（Graphics Language，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具。它使用G图形编程语言在框图中创建应用程序，这种应用程序就称为虚拟仪器。虚拟仪器技术充分体现了“软件就是仪器”的思想，使得传统仪器的一些硬件功能由软件便可以实现。利用LabVIEW软件，设计者可以像搭积木一样，轻松地组建一个自己的测量系统和仪器面板，而无需编写烦琐的计算机代码。用户只需通过操纵计算机的前面板就可实现对被测对象的自动采集、测试和信号分析。而且，LabVIEW可以对采集的原始数据进行存储和读取，以便用户进行分析。
一、切削参数与主轴电流的数学模型
（一）刀具磨损的过程
切削时，刀具在高温条件下，受到工件、切屑的摩擦作用，刀具逐渐被磨耗或出现其他形式的损坏。典型的刀具磨损可分为三个阶段：初期磨损阶段（Ⅰ）、正常磨损阶段（Ⅱ）和急剧磨损阶段（Ⅲ）。在Ⅰ阶段，因为新刀具的切削刃和后刀面不平整或存在缺陷，磨损增长较快。初期磨损阶段过后磨损增长较缓慢，即刀具进入了Ⅱ阶段。当磨损值达到一定值后，随着切削时间的延长，磨损又增长较快，刀具处于急剧磨损期并将丧失切削能力。典型的刀具磨损曲线如图1所示：
图1 典型的刀具磨损曲线
（二）刀具磨损与主轴电流信号的数学模型
以立铣刀铣削过程为例：主轴电流信号不但与刀具的磨损程度有关，还与切削时的主轴转速n(r/min)、υ（mm/min)进给速度、刀具直径d(mm)、切削深度αυ(mm)有着很大的关系。此外，刀具材料、加工工件的材料对电流信号也有着一定的影响。可用公式（1）来表示主轴电流信号与主轴转速n(r/min)、进给速度υ（mm/min)、刀具直径d(mm)、切削深度αυ(mm)以及工件材料的关系：
（1） 式中，是与刀具的材料和工件材料有关的系数。为方便计算，把上式的两边同时取自然对数，则（1）式可表示为：
LnI=Lnk0+b1Lns+b2Lnf+b3LnαP+b4LnD （2）假设测得主轴电流 I 的样本数为，把 用λ来表示，将（2）式写成矩阵形式:Y=AX
（3）式中的系数矩阵A可由最小二乘法确定:
（4）式是否有解，取决于矩阵（XiTX）-1是否存在。若不存在或为病态矩阵，采用Householder变换可以得到（4）式的稳定解。
在切削过程中，若刀具磨损或破损时，必然会引起切削力矩的急剧上升，主轴电机的功率增大，则主轴电机的电流也随之增大。研究表明：主轴电流将会随着刀具磨损量的增大而线性上升，从主轴电流的变化趋势就可以识别出刀具的磨损状态。因此监测主轴电机电流信号可以识别出刀具的磨损状况。用主轴电机的电流作为刀具磨损的监控参数有以下优点：信号提取方便、传感器安装简单、不受加工环境的影响，便于在生产中应用。
二、电流监控系统的组成与软件设计
（一）系统组成
本系统由霍尔电流传感器、直流电源、数据采集卡和计算机组成，如图2所示：
图2 电流信号采集系统组成示意图
该系统中，霍尔电流传感器可测直流、交流和脉动电流，转化为电压输出，在程序中将其乘一系数以转化为电流值，输出信号经接线端子板的模拟输入端接入数据采集卡。本实验中的数据采集卡选用PCI-1710 ，这是一种低成本多功能的采集卡。实验结果表明，该实验方案较好地实现了机床主轴电机电流信号的在线监测和分析。
（二）LabVIEW与普通数据采集卡之间的接口
LabVIEW支持全部NI公司的数据采集卡，但在实际的使用过程中常常会用到非NI公司的产品，这就需要用户正确安装驱动程序。在本测试系统中，安装好数据采集卡之后，还需要安装它的驱动程序，这包括计算机操作系统的驱动程序和LabVIEW的驱动程序以及它的设备管理程序和实例。编制好的虚拟仪器包括前面板（Front Panel）和流程框图（Block Diagrams）。主要方法是：在前面板中放置需要的控件，在流程图中“画”出对控件的控制。对于非NI公司的采集卡（以本系统为例），在编制流程图时，用户只需在Function Palette中选择User Libraries里的Advantech DA&C相关函数库便可以轻松地使数据采集卡开始工作并完成指定的功能。
本系统中，应用程序包括主轴电机电流信号的采集和存储、电流数据回放和数据的分析处理两大部分。采集到的信号如图3所示，图中的电流幅值变化较大，表明刀具此时处于快速磨损期。 图3 电流信号
三、实验系统及结果
（一）实验方案
该实验在摇臂万能铣床X6325上进行，选用φ10和φ16两种规格的三刃高速钢立铣刀，工件材料为45#钢，无切削液切削，按切削条件将实验分成6组，如表1所示：
表1 验分组表 （二）实验结果及分析
表2 试验结果
图4 电流与磨损量的关系曲线
图4清楚地表明：随着切削电流的增大，刀具的磨损当量呈线性增加。用上述实验数据对公式（1）进行推导:
I=0.097×n0.04×υ1.40×αn0.01×d1.10 （5）
从公式（5）可以看出主轴电机电流受刀具直径和进给速度的影响较大。
用公式（5）计算出的电流值I′与实际测得的电流均值I切的相对误差:
相对误差 如表3所示： （下转第71页）
（上接第63页）
表3 相对误差表
实验结果表明实验数据与该数学模型计算的结果吻合，完全能够满足实际工程需要。
四、结语
虚拟仪器是仪器技术与计算机技术深层次结合的产物，它的出现使测量仪器开始进入新时代，并将在机械工程领域发挥巨大作用。本文建立了主轴电机电流与切削参数之间的数学模型，并用LabVIEW技术建立了刀具磨损的主轴电机电流的在线监控系统，为监控刀具磨损提供了一种有效的监测方法，具有实际工程的应用价值。
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