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1、DOI：10.13196/j.cims.2003.06.80.qinxd.017第9卷第6期计算机集成制造系统)CIMSVol.9No.62003年6月ComputerIntegratedManufacturingSystemsJun.2003文章编号:1006-5911(2003)06-0500-04基于开放式数控系统的车刀磨损监控技术研究秦旭达,王国锋,冷永刚,王太勇(天津大学机械工程学院,天津300072)摘要:研究了采用工业PC机、电机控制卡和数据采集卡构成的开放式数控系统的体系结构和功能。在加工过程中,数据采集单元实时采集刀具的振动信号,经过数字滤波,运用多元回归建模技术,建立了车
2、削过程刀具磨损监测模型。该方法也可以方便地建立适合不同切削过程要求的监控模块。实验表明,在开放式数控系统平台上,可实现车刀磨损程度监控技术,保证了加工过程的稳定性。关键词:开放式数控系统;动态辨识;刀具磨损;偏最小二乘回归中图分类号:TP274;TH165.2文献标识码:A在机械制造过程中,加工过程监控的目的是保卡实时采集切削工况参数,通过动态辩识模块的分证制造系统的稳定性和可靠性,以提高产品质量及析,得出工况状态,反馈到数控系统,采取相应控制生产效率。对加工过程进行监控,重点在于对加工策略,控制加工过程,保证切削系统的稳定性和加工过程进行动态辩识,如刀具磨损程度、是否发生颤振效率。等。现有
3、的普通数控系统不具有数据采集和加工状Windows操作系统运行于保护模式,所能访问态辩识的功能,为了实现数据采集、状态辩识与控制的内存不再受640K的限制,因此,以Windows操作功能,我们结合具体实验设备及条件,在原有C616系统为平台的数控系统的开发成为发展趋势,但在机床进行数控改造的基础上开发了基于工业PC机Windows下实时性能不好。VxD(VirtualDevice的开放式数控系统,并以车削过程中刀具磨损监测Driver)是用来扩展Windows操作系统功能的一类为例,说明基于开放式数控系统的加工过程动态辨程序,最初是用来支持硬件设备管理的,它以DLL识与监控技术原理及应用。形
4、式链入Windows操作系统的核心层(ring0)。本文采用VtoolsD开发VxD程序来实现较高精度的1开放式数控系统结构定时,以此来实现数控系统的强实时任务,如位置控本文以工业PC机为基础,配以电机控制卡和制(4ms)、插补(8ms)等。VxD程序中,采用Win-数据采集卡,构成开放式数控系统,其功能结构如图dows系统本身所提供的虚拟定时器API,并有VxD[1,2]1所示。本系统是基于Windows操作系统开发提供的时钟中断,通过时间回调函数来保证其实时[3]的,具有操作界面友好,开发程序可移植性好的优性。点,其顶层采用VC++编程,底层以VxD技术为支当数控系统工作时,工业PC机通
5、过控制软件持,从而实现了开放式数控系统的高精度定时。本对电机控制卡进行读写操作,并向控制卡发出位移、开放式数控系统由工业PC机对电机控制卡发出运速度、加速度等命令。伺服电机控制卡根据数控系动指令,完成切削过程。在加工过程中,由数据采集统的位置命令值产生信号,并由它控制伺服驱动单收稿日期:2002-09-23;修订日期:2002-12-25。基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175081)。作者简介:秦旭达(1973-),男,黑龙江哈尔滨人,天津大学机械工程学院博士后,主要从事机械加工过程动态辨识、状态与设备状态监测等研究。E-mail:xuda.qin@263.sina.com。第6期
6、秦旭达等:基于开放式数控系统的车刀磨损监控技术研究501元。数据采集单元主要由A/D转换部分、智能单元基于此,振动信号对刀具磨损程度敏感的频带为3K(80C196)以及与系统总线的接口三部分组成。该~6KHz,采用带通滤波是提取振动信号特征的有效单元通过CPU(80C196)管理A/D采样过程,并完方法。本文设计了IIR滤波器,对振动信号进行实成数据预处理。同时独立完成各种模拟量的数据采时滤波。这种滤波器为数字滤波器,采用参数设置集,并与PC机以双口RAM方式传递数据。动态辨方式,可以方便地改变带通滤波的频带范围。本文识单元根据机械加工设备和加工过程需要,对设备采用的带通滤波频带范围是3K~
7、5KHz。的关键部件和加工过程进行实时动态辨识,得到设备及加工过程的状态,反馈到数控系统,采取相应控制策略。3刀具磨损监测技术切削加工过程中,刀具磨损与破损是影响被加2车削过程刀具振动信号特点分析工零件精度和表面质量的重要因素,严重的刀具磨损还会引起切削颤振,损坏机床、刀具、工具和零件。利用锤击法对实验车床的刀具)刀架系统进行切削加工时,刀具后刀面与工件已加工表面的磨损模态分析,得出前几阶的固有频率如表1所示
