車床工藝系統(tǒng)動剛度在線測量系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文

1、<p>　　車床工藝系統(tǒng)動剛度在線測量系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　針對虛擬儀器技術(shù)在組建測試系統(tǒng)上的巨大優(yōu)勢, 研究了基于虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)車床動態(tài)剛度在線自動測試的方法, 推導(dǎo)了車床動態(tài)剛度在線測試的理論公式。該車床動態(tài)剛度測試系統(tǒng)的硬件是由電渦流位移傳感器、PCI--9118數(shù)據(jù)采集卡及計算機等組成；軟件采用De

2、lphi語言進行開發(fā)，其中包括電渦流位移傳感器的標定，還有用最小二乘法、均值濾波等數(shù)據(jù)處理方法對信號進行處理分析。利用該系統(tǒng)繪出車床動態(tài)剛度曲線, 直觀展現(xiàn)了車床的不同部位的剛度, 為車床加工精度的研究提供了數(shù)據(jù)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：車床剛度；電渦流位移傳感器；PCI-9118數(shù)據(jù)采集卡；Delphi</p><p>　　The Design of Dynamic Stiffne

3、ss Measurement System </p><p>　　for Lathe Technology System</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Lathe dynamic stiffness automatic test method based on virtual instrument t

4、echnology for the great advantages of the virtual instrument technology in the formation of the test system, and derived the theoretical formula of the lathe-line testing of the dynamic stiffness.The lathe dynamic stiffn

5、ess test system hardware by the eddy current displacement sensor, PCI-9118 data acquisition card and computer components;Software development using Delphi language, in which including the calibration of ed</p><

6、;p>　　Key words:The stiffness of lathe;Eddy current displacement sensor;PCI-9118 data acquisition card;Delphi</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p&g

7、t;　　AbstractI</p><p><b>　　1 緒言1</b></p><p>　　1.1 研究課題背景及意義1</p><p>　　1.2 本課題的任務(wù)3</p><p>　　2 車床動態(tài)剛度測量系統(tǒng)總體方案的設(shè)定5</p><p>　　2.1 車床動態(tài)剛度測量原

8、理5</p><p>　　2.2 車床剛度檢測系統(tǒng)開發(fā)平臺7</p><p>　　2.2.1 虛擬儀器概念8</p><p>　　2.2.2 虛擬儀器的組成8</p><p>　　2.2.3 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器9</p><p>　　2.2.4 虛擬儀器的應(yīng)用10</p><p>

9、;　　2.2.5 Delphi語言簡介10</p><p>　　2.3 車床工藝系統(tǒng)動態(tài)剛度測量系統(tǒng)設(shè)計12</p><p>　　3 車床工藝系統(tǒng)動態(tài)剛度檢測系統(tǒng)的硬件配置14</p><p>　　3.1 數(shù)據(jù)采集卡14</p><p>　　3.1.1 數(shù)據(jù)采集卡的選用14</p><p>　　3.

10、1.2 設(shè)計所選數(shù)據(jù)采集卡15</p><p>　　3.2 傳感器的選用17</p><p>　　3.3 車削測力儀的選用21</p><p>　　4 車床工藝系統(tǒng)動態(tài)剛度測量系統(tǒng)軟件設(shè)計23</p><p>　　4.1 軟件構(gòu)成23</p><p>　　4.2 系統(tǒng)操作界面23</p&g

11、t;<p>　　4.3 位移標定模塊24</p><p>　　4.3.1 位移標定模塊的功能簡介24</p><p>　　4.3.2 數(shù)據(jù)采集簡介25</p><p>　　4.3.3 一元線性回歸原理26</p><p>　　4.4 數(shù)據(jù)采集模塊28</p><p>　　4.4.1

12、數(shù)據(jù)采集模塊功能簡介28</p><p>　　4.4.2 數(shù)據(jù)采集簡介29</p><p>　　4.5 數(shù)據(jù)處理模塊30</p><p>　　4.5.1 數(shù)據(jù)處理模塊的功能簡介30</p><p>　　4.5.2 均值濾波31</p><p>　　4.6 數(shù)據(jù)顯示模塊34</p>&

13、lt;p>　　4.7 結(jié)果顯示模塊34</p><p><b>　　結(jié) 論36</b></p><p><b>　　致　　謝38</b></p><p><b>　　參考文獻39</b></p><p><b>　　1 緒言</b>&l

14、t;/p><p>　　1.1 研究課題背景及意義 </p><p>　　車床加工零件時，技術(shù)工人常常為高精度產(chǎn)品不能達到準確的精度而頭疼，提高加工精度往往要耗費了大量時間。產(chǎn)品的加工精度是與機床的剛度直接相關(guān)， 因此，研究機床剛度是提高零件加工精度的一個非常重要的環(huán)節(jié)。由于機床工藝系統(tǒng)是個彈性系統(tǒng)，在切削力作用下，將發(fā)生彈性變形，彈性變形的大小，除了與切削力的大小有關(guān)，還與工藝系統(tǒng)抵抗

15、外力變形的能力有關(guān)，即工藝系統(tǒng)剛度大小。工藝系統(tǒng)剛度反映了工藝系統(tǒng)抵抗外力變形的能力，是評價機床加工精度和加工效率的一個重要指標，同時機床系統(tǒng)的綜合靜剛度值可以作為評價機床設(shè)計，機床結(jié)構(gòu)合理性，機床制造和裝配等一系列質(zhì)量的綜合性質(zhì)量指標。因此，在機械加工中，精確測定工藝系統(tǒng)剛度對認識機床的加工能力，改進工藝系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，進而提高機床加工精度和加工效率有著重要作用。因此，機床剛度的檢測是相當重要的。</p><p>

16、　　俄羅斯著名科學(xué)家門捷列夫曾用以下的話來闡述測量對科學(xué)的意義：“科學(xué)自測量開始，沒有測量，便沒有精密的科學(xué)”。由此可見，測量是人類認識客觀世界的途徑之一，通過對周圍事物的測量給出定量特征，揭示自然規(guī)律。傳統(tǒng)的測量大都集中于對物體單一性質(zhì)的測量，所采用的測量設(shè)備也都十分簡單，功能也非常單一。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，被測量的范圍不斷擴展，其復(fù)雜程度也不斷加深，傳統(tǒng)的人工操作單參數(shù)測量裝置已無法滿足科學(xué)技術(shù)發(fā)展的要求，檢測系統(tǒng)正是伴隨著這一需要

17、而產(chǎn)生的。</p><p>　　檢測系統(tǒng)從傳統(tǒng)的檢測觀點出發(fā)，將被測對象看做具有復(fù)雜內(nèi)部組成的系統(tǒng)，通過構(gòu)筑多方位的測量、處理、分析部件，完成對被測對象高精度、多參數(shù)、多功能的測試任務(wù)。檢測系統(tǒng)一般由測量者、激勵裝置(可選)、被測對象、傳感器、信號調(diào)理、信號處理、顯示記錄、反饋控制等環(huán)節(jié)組成。檢測系統(tǒng)的復(fù)雜程度取決于被檢測信息檢測的難易程度以及所采用的實驗方法。對檢測系統(tǒng)的基本要求是可靠、實用、通用、經(jīng)濟，這些都

18、是考慮檢測系統(tǒng)組成的前提條件。</p><p>　　國外研究現(xiàn)狀：檢測系統(tǒng)是傳統(tǒng)的測量技術(shù)與微電子技術(shù)和計算機技術(shù)密切結(jié)合的產(chǎn)物，是在微電子與計算機技術(shù)快速發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一門新興學(xué)科。像許多新技術(shù)發(fā)展的情況一樣，檢測系統(tǒng)首先是由于軍事上的需要而發(fā)展起來的。機床剛度檢測技術(shù)的進步是一個逐漸發(fā)展的過程，50 年代開始，西方一些工業(yè)發(fā)達國家就研發(fā)了以故障檢測和性能調(diào)試為主的單項檢測技術(shù)和生產(chǎn)單項設(shè)備。到了60 年代

19、后期，國外檢測診斷技術(shù)隨著大量應(yīng)用電子、光學(xué)、理化與機械相結(jié)合的光機電、理化機電一體化檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用而開始快速發(fā)展。20 世紀50 年代中期，美國在新發(fā)展起來的一代尖端武器的維護檢修方面，面臨著許多棘手的問題，傳統(tǒng)的測量儀器和手工操作方法已無法滿足現(xiàn)實的需要。在這種背景下，提出了多用途“萬能”檢測系統(tǒng)的概念，其最終預(yù)期目標為：不依靠人和有關(guān)的技術(shù)文獻，由非熟悉人員上機進行幾乎全自動的操作，并以計算機的速度完成測試，通過編程的靈活性

20、還可以適應(yīng)人和具體檢測任務(wù)。在這個概念下，美國國防部在1956 年啟動了SETE 計劃的研究項目，成為現(xiàn)代檢測系統(tǒng)大規(guī)模研究的開端。從20世紀60年代開始，檢測系統(tǒng)就應(yīng)用于工業(yè)，在吸取早期軍事上的</p><p>　　國內(nèi)研究現(xiàn)狀：改革開放以來，隨著檢測和診斷技術(shù)日新月異的發(fā)展，我國的機床性能測試技術(shù)也在隨著時代的腳步迅速的發(fā)展，對于檢測技術(shù)和設(shè)備的需求的增加，使我國加快了研發(fā)的速度，已經(jīng)研制了多種機床檢測儀器。

21、重視硬件技術(shù)的開發(fā)，輕視難度大、研發(fā)過程漫長的檢測方法、標準等基礎(chǔ)技術(shù)的研究是我國檢測技術(shù)發(fā)展中一直存在的問題。檢測技術(shù)的不斷提高，要求我們要使與硬件相配套的檢測軟件技術(shù)也得到大幅度的提高，才能使我國的檢測技術(shù)得到更好的發(fā)展。設(shè)備的智能化，專業(yè)化等問題是我國設(shè)備檢測與國外相差較遠的地方，因此要加快智能化發(fā)展速度，切實提高檢測水平是我們的工作重點。信息技術(shù)的發(fā)展也是的我們可以將檢測技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化共享，從而做到信息資源共享、硬件資源共享、軟

22、件資源共享。</p><p>　　虛擬儀器(VI, Virtual Instrument) 是計算機技術(shù)介入儀器領(lǐng)域形成的一種新型的、富有生命力的儀器種類, 其實質(zhì)是利用計算機顯示器的顯示功能來模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板, 以多種形式表達輸出測量結(jié)果, 利用計算機強大的軟件功能實現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運算、分析和處理, 利用I/O接口設(shè)備完成信號的采集、測量和調(diào)理, 從而完成各種測試功能, 是較成功的虛擬儀器軟件。</p

23、><p>　　過去, 車床剛度的測定是在非切削狀態(tài)下, 模擬切削時受力情況, 對機床施加靜載荷, 測得各部件在不同載荷下的變形, 做出相應(yīng)的剛度特性曲線, 并計算出機床的剛度。目前, 機床剛度的測定方法有單向加載測定法和三向加載測定法。前者是傳統(tǒng)的測量方法, 缺點是不符合機床加工時承受三向切削分力的情況, 一般只能用于比較機床部件剛度的大小; 后者采用三向加載測定法更接近切削時的真實情況, 但測量時施加載荷的大小和位

24、移量的值是由千分表顯示的, 人工處理數(shù)據(jù)、繪制機床剛度特性曲線的測量方法, 具有測量效率低、誤差大等缺點。為了克服上述缺點, 筆者采用誤差復(fù)映原理, 采用與實際切削完全一致的工作狀態(tài)測定車床剛度的方法, 利用Delphi軟件開發(fā)平臺, 研究開發(fā)了一種精度高、性價比高、界面友好、智能化的應(yīng)變測試虛擬儀器系統(tǒng)。</p><p>　　本課題研究的意義是將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到機床剛度測量系統(tǒng)的硬件驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集、結(jié)果分析、

25、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)輸出等，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計方法，實現(xiàn)了對機床剛度測量系統(tǒng)的基于虛擬儀器思想的程控，對虛擬儀器技術(shù)在控制領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一個范例。主要的意義主要包含一下幾個方面。</p><p>　　1）加強了對所學(xué)理論知識的理解，如誤差復(fù)映，均值濾波，一元線性回歸方程等；</p><p>　　2）熟悉了電渦流位移傳感器檢測技術(shù)，對檢測系統(tǒng)有了解。</p><p>　　3

26、）熟悉了Delphi開發(fā)環(huán)境及PCI9118數(shù)據(jù)采集卡的采集原理。</p><p>　　2）通過對機床剛度的檢測，可以準確了解機床的剛度，為機床的加工精度范圍提供了一個參考，從而保證加工零件的精度；</p><p>　　1.2 本課題的任務(wù)</p><p>　　機床在加工工件時，機床的零部件受力會發(fā)生變形使刀具和工件間產(chǎn)生相對彈性位移，根據(jù)誤差復(fù)映原理，零件在加工

27、前的誤差，都以與原誤差相似的形狀復(fù)映到加工后的零件上去。機械加工工藝系統(tǒng)剛度越大，復(fù)映在工件上的誤差越小，因此機床系統(tǒng)剛度的大小直接影響了工具的加工精度和生產(chǎn)效率，所以機床設(shè)計時對機床的剛度有一定的要求。機床系統(tǒng)剛度現(xiàn)已作為評價機床設(shè)計，機床結(jié)構(gòu)合理性，機床制造和裝配等一系列質(zhì)量的綜合指標。分析機床受力變形對加工精度，生產(chǎn)效率和抗振性的影響，實屬必要。在此，本次設(shè)計利用Delphi軟件及其PCI9118數(shù)據(jù)采集卡，對車床工藝系統(tǒng)靜剛度的

28、檢測系統(tǒng)進行設(shè)計和研究，以獲得機床的靜剛度，便于更好的指導(dǎo)生產(chǎn)。本課題的研究方向主要包含以下幾個方面。</p><p>　　1） 工藝系統(tǒng)動態(tài)剛度的測量原理</p><p>　　2） 硬件原理及數(shù)據(jù)采集原理</p><p>　　3） 一元線性回歸原理</p><p>　　4） 剛度檢測數(shù)據(jù)處理原理</p><p>　　

29、5） 軟件系統(tǒng)原理及設(shè)計說明</p><p><b>　　6） 實驗結(jié)果分析</b></p><p>　　2 車床動態(tài)剛度測量系統(tǒng)總體方案的設(shè)定</p><p>　　2.1 車床動態(tài)剛度測量原理</p><p>　　機床靜剛度實驗方法有靜態(tài)加載測定法和工作狀態(tài)測定法（生產(chǎn)法）兩種。靜態(tài)加載測定法只能 近似模擬切削時的

30、切削力，與實際條件有一定的誤差。工作狀態(tài)測定法可在一定程度上避免這些誤差。但工作狀態(tài)法在部件的實驗中不能用，只能用在整機靜剛度實驗。本課題采用工作狀態(tài)法（生產(chǎn)法）測定機床靜剛度。</p><p>　　當車床加工偏心試件時, 根據(jù)誤差復(fù)映原理, 加工前毛坯的誤差會復(fù)映到零件中去, 其主要原因就是由于車床的零部件受力會發(fā)生變形, 使刀具和工件間產(chǎn)生相對彈性位移。車床加工系統(tǒng)剛度越大,復(fù)映在工件上的誤差越小。工作狀態(tài)測

31、定法是加工剛度很大的偏心試件時, 當偏心試件轉(zhuǎn)一周時, 切削半徑發(fā)生變化, 背吃刀量發(fā)生變化, 則切削力發(fā)生變化。對于機床來說, 剛度是一個定值, 當切削力發(fā)生變化時, 機床系統(tǒng)的變形量也會發(fā)生變化, 那么當試件加工完一周以后, 已加工表面由于誤差復(fù)映試件同樣會是偏心的。在坯料偏心量和切削量都不變的情況下, 已加工表面的偏差大小, 將和機床的剛度有關(guān)。</p><p>　　圖1-1 測量試件簡圖</p&g

32、t;<p>　　圖1-2 偏心試件誤差的復(fù)映</p><p>　　當在其它條件完全相同時，已加工表面偏差與坯料偏心的比值，就表現(xiàn)為剛度。機床-工件-刀具工藝系統(tǒng)的剛度計算公式為:</p><p><b>　　( 1)</b></p><p>　　式中: 為工藝系統(tǒng)剛度; 為機床系統(tǒng)剛度, N/mm; 為工件剛度, N/ mm;

33、 為刀具剛度, N/mm。檢測時, 假定刀具剛度、工件剛度遠遠大于機床的剛度, 計算時可以忽略工件、刀具的變形, 此時有:</p><p>　　在加工偏心試件時, 工件一周內(nèi)切削深度從最小切深變到最大切深 , 對應(yīng)切削力為 , ; 與此同時, 機床變形也從最小變形 變到最大變形 , 即得到帶有偏心的已加工表面。機床變形相應(yīng)為:</p><p>　　已加工表面的偏差變?yōu)?</p>

34、;<p><b>　　（2）</b></p><p>　　, 為加工時最大和最小切削力, N;</p><p>　　為已加工工件的偏心偏差, mm。</p><p>　　忽略變形和 對切削力的影響, 則得到:</p><p>　　用車刀在試件前端1、中間2、后端3 處分別加工, 則機床剛度有如下關(guān)系:<

35、;/p><p>　　（3） </p><p>　　式中: ，， 分別為車刀在加工1, 2, 3 偏心處的機床系統(tǒng)剛度; ，，分別為車床床頭, 床尾, 刀架部件的剛度, N/ mm。解方程組得:</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　由以上所述,

36、 通過測得刀具加工試件時的切削力, 以及試件已加工表面的偏差值, 就可以得到車床的系統(tǒng)剛度以及部件的剛度。試件已加工表面的偏差值可以電渦流傳感器來測定，切削力則采用八角環(huán)形電阻應(yīng)變式車削測力儀來測定。</p><p>　　2.2 車床剛度檢測系統(tǒng)開發(fā)平臺 </p><p>　　本系統(tǒng)主要是利用虛擬儀器設(shè)計車床動剛度在線檢測系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)是20世紀90年代計算機系統(tǒng)和儀器系統(tǒng)技術(shù)革命

37、的產(chǎn)物，它在測試測量與控制領(lǐng)域中占有重要地位，并正成為當今世界流行的儀器構(gòu)成方案。</p><p>　　2.2.1 虛擬儀器概念</p><p>　　伴隨著微電子技術(shù)，計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展及其在電工電子測量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，測量儀器不斷進步，依次出現(xiàn)了數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器，同時也由單臺儀器逐漸發(fā)展到疊加式儀器系統(tǒng)、虛擬儀器系統(tǒng)等。</p><p>

38、;　　1986年美國國家儀器公司首先提出了虛擬儀器的概念。所謂虛擬儀器是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與功能化模塊結(jié)合起來，用戶可以利用計算機強大的圖形環(huán)境和在線幫助功能，建立中英文界面的虛擬儀器軟面板，完成對儀器的控制、數(shù)據(jù)分析、存儲和顯示，改變傳統(tǒng)儀器的使用方式，提高儀器的功能和使用效率，大幅度降低儀器的價格，且用戶可以根據(jù)自己的需要定義儀器的功能。</p><p>　　虛擬儀器技術(shù)利用PC機高速數(shù)據(jù)采集和處理能

39、力，對被測對象進行數(shù)據(jù)采集、分析、存儲、顯示等。虛擬儀器排除了干擾信號和模擬電路引起的誤差，大大提高了測試精度。虛擬儀器控制功能強，有自動調(diào)零、自動調(diào)節(jié)量程、自動轉(zhuǎn)換極性和自動校準等功能。虛擬儀器沒有常規(guī)儀器的控制面板，而是利用計算機強大的圖形環(huán)境，在計算機屏幕上建立起圖形的軟面板來代替常規(guī)的儀器控制面板。用戶通過鼠標或鍵盤操作軟面板來進行操作，操作方便，易于掌握 。</p><p>　　虛擬儀器的基本思想是利用

40、計算機來管理儀器、組織儀器系統(tǒng)，進而逐步代替儀器完成某些功能，最終達到取代傳統(tǒng)電子儀器的目的。虛擬儀器實質(zhì)上是軟硬結(jié)合、虛實結(jié)合的產(chǎn)物，是充分利用最新的計算機技術(shù)來實現(xiàn)和擴展傳統(tǒng)儀器的功能。在虛擬儀器系統(tǒng)中硬件僅僅是為了解決信號的輸入輸出，軟件才是整個儀器的關(guān)鍵。</p><p>　　2.2.2 虛擬儀器的組成 </p><p>　　虛擬儀器包括硬件和軟件兩個基本要素。硬件的主要功能是獲取

41、真實世界中的被測信號,可分為兩類:一類是滿足一般科學(xué)研究與工程領(lǐng)域測試任務(wù)要求的虛擬儀器。最簡單的是基于PC總線的插卡式儀器,也包括帶GPIB接口和串行接口的儀器；另一類是用于高可靠性的關(guān)鍵任務(wù)，如航空、航天、國防等應(yīng)用的儀器系統(tǒng)，由計算機統(tǒng)一管理、統(tǒng)一操作。 </p><p>　　軟件的功能定義了儀器的功能。因此，虛擬儀器最重要、最核心的技術(shù)是虛擬儀器軟件開發(fā)環(huán)境。作為面向儀器的軟件環(huán)境應(yīng)具備以下特點：一是軟件

42、環(huán)境是針對測試工程師而非專業(yè)程序員，因此，編程必須簡單，易于理解和修改；二是具有強大的人機交互界面設(shè)計功能，容易實現(xiàn)模擬儀器面板；三是具有強大的數(shù)據(jù)分析能力和數(shù)據(jù)可視化分析能力，提供豐富的儀器總線接口硬件驅(qū)動程序。</p><p>　　2.2.3 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器 </p><p>　　虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，在概念和功能上有重大突破。通常，傳統(tǒng)儀器在完成某個測試任務(wù)時，需要許多儀器，如

43、示波器、電壓表、頻率分析儀、信號發(fā)</p><p>　　生器等，對復(fù)雜的數(shù)字電路系統(tǒng)還需要邏輯分析儀、IC測試儀等。這么多的儀器不僅價格昂貴、體積大、占用空間，而且相互連接起來費事。而虛擬儀器將計算機資源與儀器硬件、DSP技術(shù)結(jié)合，在系統(tǒng)內(nèi)共享硬件資源，既有普通儀器的功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能。它把由廠家定義儀器功能的方式轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎脩糇约憾x儀器功能，用戶可根據(jù)測試功能的需要，自己設(shè)計所需要的儀器系統(tǒng)，只

44、要將具有一種或多種功能的通用模塊相結(jié)合，并且調(diào)用不同功能的軟件模塊，就能組成不同的儀器功能。將傳感器采集的電信號放大和整形后，經(jīng)A/D變換存入內(nèi)存，再由計算機軟件處理，并顯示輸出，就可以組成虛擬示波器、虛擬計數(shù)器、頻譜分析儀、虛擬多用表等。利用DSP及相應(yīng)的算法，將所生成的數(shù)據(jù)送入D/A轉(zhuǎn)換器，再經(jīng)信號調(diào)理產(chǎn)生所需的信號，又可構(gòu)成虛擬儀器信號發(fā)生器。當測試要求改變時，只要增加或更改儀器軟硬件模塊，就可以構(gòu)成新的儀器，而不必重新購買整臺儀

45、器。因此，虛擬儀器充分發(fā)揮了計算機的作用，便于與計算機通信相結(jié)合來建立計算機網(wǎng)絡(luò)，組建復(fù)雜的測試系統(tǒng)。虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較如表2.1所示。</p><p>　　表2.1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器 </p><p>　　由上表可以看出虛擬儀器相對于傳統(tǒng)儀器的優(yōu)點，在實際檢測系統(tǒng)中虛擬儀器也

46、表現(xiàn)了它具有優(yōu)越性的一面。利用虛擬儀器思想建立的測試系統(tǒng)提高了測量精度和測量速度、減少了開關(guān)和電纜，系統(tǒng)易于擴充、易于修改，使得測試系統(tǒng)體積小、靈活方便、成本低、效率高，成為現(xiàn)代測試系統(tǒng)發(fā)展的主流。虛擬儀器軟面板上具有與實際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈及其它控制部件。用戶通過鼠標或鍵盤操作軟面板，檢驗儀器的通信和操作。在系統(tǒng)集成后，用戶不用編寫測試程序，即可進行測試、測量，實現(xiàn)了測試的自動化、智能化。</p><p&

47、gt;　　2.2.4 虛擬儀器的應(yīng)用 </p><p>　　虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢在于用戶可自行定義儀器的功能和結(jié)構(gòu)等，且構(gòu)建容易，轉(zhuǎn)換靈活，因此應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。目前，國內(nèi)外有許多部門和公司都在積極地開展這些方面的研究和應(yīng)用工作。比如，國內(nèi)許多大學(xué)都在嘗試將虛擬儀器應(yīng)用到實驗教學(xué)和計算機輔助教學(xué)中，清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建汽車發(fā)動機檢測系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動機出廠前的自動檢測。虛擬儀器已在超大規(guī)模集成電路測試、模擬

48、電路/數(shù)字電路測試、現(xiàn)代家用電器測試以及航天、軍事、生物醫(yī)學(xué)、工廠測試、電工技術(shù)領(lǐng)域等的可移動式現(xiàn)場測試工作中得到應(yīng)用，且應(yīng)用領(lǐng)域還將不斷拓寬。</p><p>　　2.2.5 Delphi語言簡介</p><p>　　在硬件設(shè)備確定的情況下，建立虛擬儀器平臺要求上層編程語言的選擇要與硬件系統(tǒng)具有良好通訊連接。實驗基于PCI-9118 數(shù)據(jù)采集卡，可以選擇的語言有VB、VC++、C++B

49、uilder、Delphi及圖形化語言LabVIEW 等與之無縫連接。分析比較以上的軟件語言，要開發(fā)通用的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，我們要選用了Borland公司的Delphi語言。</p><p>　　在古希臘神話里，DELPHI是智慧女神，米開朗基羅在意大利有著名的DELPHI雕像。Delphi也是一個希臘地名，那里的阿波羅神廟神諭非常靈驗，所以古希臘各個城邦都信奉Delphi那里阿波羅神廟預(yù)言，由Borland

50、公司推出的Delphi是全新的可視化編程環(huán)境，為我們提供了一種方便、快捷的Windows應(yīng)用程序開發(fā)工具。它使用了MicrosoftWindows圖形用戶界面的許多先進特性和設(shè)計思想，采用了彈性可重復(fù)利用的完整的面向?qū)ο蟪绦蛘Z言(Object-Oriented Language）、當今世界上最快的編譯器、最為領(lǐng)先的數(shù)據(jù)庫技術(shù)。對于廣大的程序開發(fā)人員來講，使用Delphi開發(fā)應(yīng)用軟件，無疑會大大地提高編程效率，而且隨著應(yīng)用的深入，您將會發(fā)

51、現(xiàn)編程不再是枯燥無味的工作——Delphi的每一個設(shè)計細節(jié)，都將帶給您一份欣喜。</p><p>　　DELPHI擁有一個可視化的集成開發(fā)環(huán)境(IDE），采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言O(shè)bjectPascal和基于部件的開發(fā)結(jié)構(gòu)框架。Delphi它提供了500多個可供使用的構(gòu)件，利用這些部件，開發(fā)人員可以快速地構(gòu)造出應(yīng)用系統(tǒng)。開發(fā)人員也可以根據(jù)自己的需要修改部件或用Delphi本身編寫自己的部件。</p>

52、<p>　　“真正的程序員用c，聰明的程序員用Delphi”，這句話是對Delphi最經(jīng)典、最實在的描述。Delphi被稱為第四代編程語言，它具有簡單、高效、功能強大的特點。和VC相比，Delphi更簡單、更易于掌握，而在功能上卻絲毫不遜色；和VB相比，Delphi則功能更強大、更實用?？梢哉fDelphi同時兼?zhèn)淞薞C功能強大和VB簡單易學(xué)的特點。它一直是程序員至愛的編程工具。 </p><p>　　

53、Delphi具有以下的特性：基于窗體和面向?qū)ο蟮姆椒?，高速的編譯器，強大的數(shù)據(jù)庫支持，與Windows編程緊密結(jié)合，強大而成熟的組件技術(shù)。但最重要的還是Object Pascal語言，它才是一切的根本。Object Pascal語言是在Pascal語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，簡單易學(xué)。</p><p>　　Delphi提供了各種開發(fā)工具，包括集成環(huán)境、圖像編輯（Image Editor），以及各種開發(fā)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用程序

54、，如DesktopDataBase Expert等。除此之外，還允許用戶掛接其它的應(yīng)用程序開發(fā)工具，如Borland公司的資源編輯器（Resourse Workshop）。</p><p>　　在Delphi眾多的優(yōu)勢當中，它在數(shù)據(jù)庫方面的特長顯得尤為突出：適應(yīng)于多種數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，從客戶機/服務(wù)機模式到多層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式；高效率的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和新一代更先進的數(shù)據(jù)庫引擎；最新的數(shù)據(jù)分析手段和提供大量的企業(yè)組件。<

55、;/p><p>　　Delphi語言特點：（1）直接編譯生成可執(zhí)行代碼，編譯速度快。由于Delphi編譯器采用了條件編譯和選擇鏈接技術(shù)，使用Delphi界面它生成的執(zhí)行文件更加精煉，運行速度更快。在處理速度和存取服務(wù)器方面，Delphi的性能遠遠高于其他同類產(chǎn)品。 (2）支持將存取規(guī)則分別交給客戶機或服務(wù)器處理的兩種方案，而且允許開發(fā)人員建立一個簡單的部件或部件集合，封裝起所有的規(guī)則，并獨立于服務(wù)器和客戶機，所有的數(shù)

56、據(jù)轉(zhuǎn)移通過這些部件來完成。這樣，大大減少了對服務(wù)器的請求和網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)傳輸量，提高了應(yīng)用處理的速度。 (3）提供了許多快速方便的開發(fā)方法，使開發(fā)人員能用盡可能少的重復(fù)性工作完成各種不同的應(yīng)用。利用項目模板和專家生成器可以很快建立項目的構(gòu)架，然后根據(jù)用戶的實際需要逐步完善。 (4）具有可重用性和可擴展性。開發(fā)人員不必再對諸如標簽、按鈕及對話框等Windows的常見部件進行編程。Delphi包含許多可以重復(fù)使用的部件，允許用戶控制Windo

57、ws的開發(fā)效果。 (5）具有強大的數(shù)據(jù)存取功能。它的數(shù)據(jù)處理工具BDE(BorlandDatabaseEngine）是一個標準的中介軟件層，可以用來處理當前流行</p><p>　　2.3 車床工藝系統(tǒng)動態(tài)剛度測量系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　本系統(tǒng)主要是在虛擬儀器的平臺上用Delphi語言設(shè)計車床工藝系統(tǒng)動態(tài)剛度測量系統(tǒng)。其原理圖如圖2-1所示。</p><p>

58、;　　圖2-1 測量系統(tǒng)原理圖</p><p>　　首先，壓電式測力儀采集車削力信號，電渦流傳感器采集位移信號，分別通過電荷放大器將信號處理，然后通過接線端子送到PCI9118數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡利用Delphi軟件編寫的數(shù)據(jù)采集程序?qū)?shù)據(jù)送入計算機，計算機通過虛擬儀器做的界面可以對采集回來的數(shù)據(jù)進行同步顯示，并對數(shù)據(jù)進行分析、處理后顯示車床工藝系統(tǒng)靜剛度曲線、機床系統(tǒng)剛度值和車床車頭、車尾和刀架部件剛度值，

59、同時還可以對數(shù)據(jù)進行存儲，以便查看歷史記錄。</p><p>　　3 車床工藝系統(tǒng)動態(tài)剛度檢測系統(tǒng)的硬件配置</p><p>　　車床靜剛度檢測測試系統(tǒng)的硬件包括基礎(chǔ)硬件和外圍硬件。系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件平臺選用工業(yè)控制計算機作為硬件系統(tǒng)的核心, 集中控制車床剛度檢測的信號采集、分析計算、數(shù)據(jù)顯示和存儲等輸出。外圍硬件則主要實現(xiàn)信號的采集與處理功能, 它包括前面介紹的車床靜剛度檢測的八角環(huán)式電阻

60、應(yīng)變式車削測力儀、電渦流傳感器作為信號的傳感器, 信號調(diào)理電路, 多功能數(shù)據(jù)采集卡和各種計算機內(nèi)置插槽。</p><p>　　3.1 數(shù)據(jù)采集卡</p><p>　　3.1.1 數(shù)據(jù)采集卡的選用</p><p>　　信號采集與處理系統(tǒng)是虛擬儀器系統(tǒng)中最重要的部分, 其功能和性能直接影響虛擬儀器測試系統(tǒng)的測試速度和測試精度。多功能數(shù)據(jù)采集卡是本測試系統(tǒng)外置硬件的核

61、心部分。選擇一款合適的數(shù)據(jù)采集卡，首先要了解數(shù)據(jù)采集卡的核心部件—A/D變換器，此外還應(yīng)該了解板卡上一些有關(guān)部件和一些選用的指標。 </p><p>　　(1)數(shù)據(jù)分辨率和精度 </p><p>　　精度和分辨率有所不同，精度除了涉及A/D轉(zhuǎn)換精度外還考慮測試系統(tǒng)各部分誤差。采集板卡的分辨率必須大于所要求的測試精度。 </p><p><b>　　最高采樣

62、速度 </b></p><p>　　數(shù)據(jù)采集卡的最高采樣速度一般用最高采樣頻率(Hz)來表示，它表示其單通道采樣能使用的最高采樣頻率，這也就限制了該數(shù)據(jù)采集卡能夠處理信號的最高頻率(最高采樣頻率/2 )。如果要進行多通道采樣，則能夠達到的采樣頻率是原最高采樣頻率除以通道數(shù)。 </p><p><b>　　(3)通道數(shù) </b></p><

63、;p>　　通道數(shù)指能夠同時采樣的通道數(shù)，根據(jù)測試任務(wù)選擇。任務(wù)的通道可自行設(shè)定，采集任務(wù)可以在DAQmx中進行建立。 </p><p>　　(4)數(shù)據(jù)總線接口類型 </p><p>　　不同的總線接口類型的數(shù)據(jù)采集板卡的接口硬件形式不一樣，數(shù)據(jù)傳遞的規(guī)則和數(shù)據(jù)傳遞的速度也不一樣，PCI總線是臺式計算機中目前最通用的總線，而筆記本電腦中常用PXMCIA總線、PXI和VXI總線是比較新興

64、的高速傳輸總線。 </p><p><b>　　(5)是否有隔離 </b></p><p>　　好的數(shù)據(jù)采集板卡每個通道的輸入和輸出端之間帶有隔離放大器。對于工作在強電磁場干擾環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，選擇具有隔離配置的數(shù)據(jù)采集板卡才能保證數(shù)據(jù)采集的可靠性。 </p><p>　　(6)板卡本身是否帶有微處理器 </p><p&

65、gt;　　自身帶有微處理器(CPU)的數(shù)據(jù)采集卡可以當作主機的下位機使用，自行控制采樣的進行。 </p><p>　　(7)是否有標定功能 </p><p>　　數(shù)據(jù)采集卡使用一段時間后，器件值會有變化，基準電壓也可能會改變，零點會漂移。對于高精度的數(shù)據(jù)采集，需要每隔一段時間進行精度標定，好的數(shù)據(jù)采集卡具有自我標定功能，但價格高很多。 </p><p>　　(8)支

66、持的軟件驅(qū)動程序及軟件平臺 </p><p>　　和數(shù)據(jù)采集卡的硬件接口類似，買來的數(shù)據(jù)采集板卡能在什么軟件環(huán)境中使用，使用起來是否還需要自己編制驅(qū)動程序，這也是選擇一款數(shù)據(jù)采集卡很重要的因素。選擇數(shù)據(jù)采集卡的軟件除了和現(xiàn)有的測試系統(tǒng)兼容以外，還應(yīng)考慮其更廣泛的兼容性和靈活性，以備在其他測試任務(wù)和系統(tǒng)中也能使用。另外，數(shù)據(jù)采集卡的選擇還有一些常用的指標，如輸入電壓的最大范圍、輸入增益的種類、是否有模擬輸出、輸入觸

67、發(fā)的類型等。</p><p>　　3.1.2 設(shè)計所選數(shù)據(jù)采集卡 </p><p>　　本設(shè)計選用PCI一9118系列數(shù)據(jù)采集卡,該卡是臺灣ADLINK公司生產(chǎn)的一種高速數(shù)據(jù)采集卡，能用于Windows或DOS編程環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集。PCI一9118系列是一族功能強大的高速多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡。這一家族中的所有成員都具有共同的架構(gòu)與核心特性。它們是用于高速、無間隔數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的理想采

68、集卡產(chǎn)品?？ㄉ系?024個FIFO單元保證了在Windows操作系統(tǒng)下高速數(shù)據(jù)采集能力。下列獨特的特性使得PCI一9118適于在高性能要求下應(yīng)用：</p><p>　　32位PCI總線。即插即用；PCI-9118DG/L及PCI-9118HG/L具有12位分辨率，采樣率高達333kS/s的功能。PCI-9118/L系列具備256位通道增益序列，可在不同增益下，對每個通道都進行高速數(shù)據(jù)采集，并實現(xiàn)非順序自動模擬輸入

69、掃描功能。板載1k采樣點A/D FIFO保證了在Windows操作系統(tǒng)下可靠的高速數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)可通過總線主控DMA實現(xiàn)無間隙、高流量的連續(xù)傳輸，即使海量數(shù)據(jù)亦應(yīng)付自如。每個通道采樣參數(shù)可以人工設(shè)置，如：信號模式(單端或差分)、信號增益、采樣頻率、通道號、采樣點數(shù)等等。</p><p>　　PCI一9118卡采集的數(shù)據(jù)與計算機間數(shù)據(jù)的傳輸很靈活，可采用DMA傳輸方式和非DMA傳輸方式(軟件模式和中斷模式)，采用D

70、MA傳輸模式可以大大提高數(shù)據(jù)傳送速度，在DMA工作方式中有一種叫contDMA工作方式，簡稱CDMA工作方式，即采用雙緩存技術(shù)，從而實現(xiàn)對信號的連續(xù)不間斷的A/D轉(zhuǎn)換。</p><p>　　雙緩存原理：實現(xiàn)雙緩存連續(xù)輸入操作的數(shù)據(jù)緩沖器邏輯上是一個環(huán)行緩沖器。它分為兩個相等的部分。雙緩沖器輸入首先寫到環(huán)形緩沖器的前半部分(見圖3-1A)。當數(shù)據(jù)開始向環(huán)形緩沖器的后半部分寫后，可以把前半部分的數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖器中

71、?，F(xiàn)在可以根據(jù)應(yīng)用需要在用戶緩沖器中處理數(shù)據(jù)(見圖3-1B)。采集數(shù)據(jù)在填滿環(huán)形緩沖器的后半部分后，數(shù)據(jù)重新寫進前半緩沖區(qū)覆蓋掉舊的數(shù)據(jù)。現(xiàn)在可以把環(huán)形緩沖器的后半部分數(shù)據(jù)拷貝到用戶緩沖器中。用戶緩沖器中的數(shù)據(jù)又可以進行處理(見圖3-1C)。這個過程可以無限期地重復(fù)下去為應(yīng)用提供一個連續(xù)的數(shù)據(jù)流(見圖3-1D)。</p><p>　　圖3-1 環(huán)行緩沖器工作原理示意</p><p>　　

72、雙緩存模式與單緩存模式的比較：單緩沖器數(shù)據(jù)傳輸模式是進行連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸中</p><p>　　最常用的方法。在單緩沖器輸入操作中，在特定的采樣速率下固定數(shù)目的采樣值被送到用戶緩沖器中。在用戶緩沖器中可以分析、顯示數(shù)據(jù)，或者把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到硬盤中可以分析、顯示數(shù)據(jù)，或者把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到硬盤中以后處理。單緩沖器操作實現(xiàn)起來相對簡單，</p><p>　　并且能充分利用設(shè)備硬件的速度。然而，單緩沖器操作的

73、最大缺點是輸入的最大數(shù)據(jù)量受限于在驅(qū)動程序中初始分配的存儲空間，以及計算機自由存儲空間的大小。在雙緩沖器操作中，如上所敘，數(shù)據(jù)緩沖器作為一個環(huán)形緩沖器使用。因而，不同于單緩沖器操作，雙緩沖器操作重復(fù)使用同一個緩沖器，能夠輸入和輸出無窮數(shù)目的數(shù)據(jù)點而不需要一個無窮大空間的存儲器，然而，雙緩沖器數(shù)據(jù)傳輸可能產(chǎn)生不希望的結(jié)果，這就是數(shù)據(jù)履蓋。在把數(shù)據(jù)拷貝到傳輸緩沖器前，設(shè)備有可能覆蓋了前面的數(shù)據(jù)。另一個數(shù)據(jù)覆蓋問題發(fā)生在拷貝數(shù)據(jù)的時候。因此，

74、處理數(shù)據(jù)的時間至少要快于設(shè)備讀取數(shù)據(jù)的速率。對大多數(shù)的應(yīng)用來說，這種要求依賴于計算機系統(tǒng)和編程語言的速度和效率。所以，雙緩沖器模式可能不適于高速輸入的應(yīng)用。</p><p>　　PCI一9118數(shù)據(jù)采集卡軟件介紹：PCI一9118的主要特點PCI一9118是基于32位帶</p><p>　　總線主控功能的PCI卡，能廣泛用于DOS和WIN 9X，2000及NT下的數(shù)據(jù)采集，支持VB、Vc+

75、+、Delphi、BC5等編程語言。PCI一9118為用戶提供多種驅(qū)動包，有基于Windows系統(tǒng)的DLL庫，也有跟其他軟件(LabVIEW，HP VEE，DosyLab等)連接的接口包，在DOS環(huán)境下采用DOS Library：Windows95環(huán)境下采用基于Windows95的DLL；Windows98/2000/NT下采用PCIS—DASK。PCIS—DASK不但包含采集卡的驅(qū)動程序而且包含針對Windows98/2000/NT的

76、DLL，這幾種軟件充分體現(xiàn)了該卡在實際數(shù)據(jù)采集中的靈活性、方便性。另外還為用戶創(chuàng)建了包括ActiveX控件的DAQBench。DAQBench中，每個數(shù)據(jù)采集卡都是一個控件，通過對其屬性、事件和方法的設(shè)置和編程，可操縱數(shù)據(jù)采集卡按指定模式采樣。</p><p>　　3.2 傳感器的選用</p><p>　　傳感器是一種測量裝置，它能感受或響應(yīng)規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律將敏感元件轉(zhuǎn)換來

77、的模擬信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出信號以滿足信息的轉(zhuǎn)換、處理、存儲、記錄、顯示和控制等要求。傳感器的好壞直接影響采集數(shù)據(jù)的精確度，對檢測系統(tǒng)有直接的影響。對傳感器有如下要求： </p><p>　?、?準確性。傳感器的輸出信號必須準確反應(yīng)其輸入量，即被測量變化。因此，傳感器的輸出與輸入關(guān)系必須是嚴格的單值函數(shù)關(guān)系，且最好是線性關(guān)系，即只要被測量的變化對傳感器有作用，非被測量則沒有作用，真正做到這一點是困難的。一般要求

78、非被測量對傳感器的影響很小，可以忽略不計。 </p><p>　　⑵ 穩(wěn)定性。即傳感器的輸入輸出的單值函數(shù)是不隨時間變化的，且受外界其他因素的干擾很小，工藝上還能準確地復(fù)現(xiàn)。 </p><p>　?、?靈敏性。即要求較小的輸入量便可得到較大的輸出信號。 </p><p>　　本設(shè)計選擇江蘇聯(lián)能電子技術(shù)有限公司的電渦流傳感器（CWY-DO-510)作為檢測元件，來完成

79、信號的傳送。電渦流傳感器的最大特點是非接觸測量，這是被廣泛應(yīng)用的主要原因，其優(yōu)點是靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強、不受油污等介質(zhì)的影響。因此常被用于對大型旋轉(zhuǎn)機械的軸向位移、脹差、軸振動、軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)進行長期實時監(jiān)測?？梢苑治龀鲈O(shè)備的工作狀況和故障的早期預(yù)報，有效地對設(shè)備進行保護及進行預(yù)測性維修。</p><p>　　傳感器的工作原理：傳感器系統(tǒng)的工作機理是電渦流效應(yīng)。如圖3-2所示，當接通傳感器系統(tǒng)電源時，在

80、前置器內(nèi)會產(chǎn)生一個高頻電流信號，該信號通過電纜送到探頭的頭部，在頭部周圍產(chǎn)生交變磁場H1。如果在磁場H1的范圍內(nèi)沒有金屬導(dǎo)體材料接近，則發(fā)射到這一范圍內(nèi)的能量都會全部釋放；反之，如果有金屬導(dǎo)體材料接近探頭頭部，則交變磁場H1將在導(dǎo)體的表面產(chǎn)生電渦流場，該電渦流場也會產(chǎn)生一個方向與H1相反的交變磁場H2。由于H2的反作用，就會改變探頭頭部線圈高頻電流的幅度和相位，即改變了線圈的有效阻抗。這種變化既與電渦流效應(yīng)有關(guān)，又與靜磁學(xué)效應(yīng)有關(guān)，即與

81、金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、幾何形狀、線圈幾何參數(shù)、激勵電流頻率以及線圈到金屬導(dǎo)體的距離等參數(shù)有關(guān)。假定金屬導(dǎo)體是均質(zhì)的，其性能是線性和各向同性的，則線圈——金屬導(dǎo)體系統(tǒng)的物理性質(zhì)通?？捎山饘賹?dǎo)體的磁導(dǎo)率μ、電導(dǎo)率σ、尺寸因子r，線圈與金屬導(dǎo)體距離δ，線圈激勵電流強度I和頻率ω等參數(shù)來描述。因此線圈的阻抗可用函數(shù)Z=F(μ,σ,r,I,ω)來表示。</p><p>　　圖3-2 電渦流作用原理圖</p>

82、;<p>　　如果控制μ、σ、r、δ、I、ω恒定不變，那么阻抗Z就成為距離δ的單值函數(shù)，由麥克斯韋爾公式，可以求得此函數(shù)為一非線性函數(shù)，其曲線為“S”形曲線，在一定范圍內(nèi)可以近似為一線性函數(shù)。</p><p>　　圖3-3 傳感器原理框圖</p><p>　　在實際應(yīng)用中，通常是將線圈密封在探頭中，線圈阻抗的變化通過封裝在前置器中的電子線路的處理轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。這個電

83、子線路并不是直接測量線圈的阻抗，而是采用并聯(lián)諧振法，如圖3-3所示，即在前置器中將一個固定電容和探頭線圈Lx并聯(lián)與晶體管T一起構(gòu)成一個振蕩器，振蕩器的振蕩幅度Ux與線圈阻抗成比例，因此振蕩器的振蕩幅度Ux會隨探頭與被測間距δ改變。Ux經(jīng)檢波濾波，放大，非線性修正后輸出電壓Uo，Uo與δ的關(guān)系曲線如圖3-4所示，可以看出該曲線呈“S”形，即在線性區(qū)中點δ0處(對應(yīng)輸出電壓U0)線性最好，其斜率(即靈敏度)較大，在線性區(qū)兩端，斜率(靈敏度)

84、逐漸下降，線性變差。(δ1，U1)--線性起點，(δ2，U2)--線性末點。表3.1是所選電渦流傳感器的主要技術(shù)參數(shù)。</p><p>　　圖3-4 傳感器輸出特性曲線</p><p>　　表3.1 所選電渦流傳感器主要技術(shù)指標</p><p>　　3.3 車削測力儀的選用</p><p>　　測力儀是研究切削動力學(xué)的重要工具?，F(xiàn)代切削

85、加工正在向高速強力切削、精密超精密加工方向發(fā)展，機床的振動頻率也會遠遠高于系統(tǒng)的固有頻率，這對切削力測量系統(tǒng)提出了新的要求：①測量范圍大、高精度和高分辨率；②實時性好，能夠在線實時測量；③數(shù)據(jù)處理和分析能力強，能夠?qū)?fù)雜多變的切削力信號進行各種處理和分析。</p><p>　　針對這些方面的要求，切削力測量技術(shù)將朝著以下幾方面發(fā)展：</p><p>　?。?）開發(fā)新型彈性元件，優(yōu)化彈性元件

86、結(jié)構(gòu)及應(yīng)變片布片方案，提高應(yīng)變式測力儀固有頻率，有效解決應(yīng)變式測力儀剛度和靈敏度之間的矛盾問題，降低各向力之間的耦合程度；</p><p>　?。?）應(yīng)用集成電路和微電子技術(shù)，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成化，提高數(shù)據(jù)采集的速度與精度；</p><p>　?。?）完善數(shù)據(jù)處理分析軟件的功能，例如通過解耦運算進一步減小測力儀各向力之間的耦合程度，以提高測量精度；</p><p>

87、　　（4）將虛擬儀器技術(shù)引入切削力測試系統(tǒng)，以便對測量數(shù)據(jù)進行多種操作和數(shù)據(jù)庫管理；</p><p>　?。?）建立專家系統(tǒng)，通過對測試數(shù)據(jù)的分析處理，對刀具磨損、切削顫振等情況做出預(yù)報并提出相應(yīng)的治理措施。</p><p>　　車削測力儀必須具備如下性能要求：</p><p>　　（1）必須有足夠的剛度。剛度是指單位變形所需的作用力。要求達到108N/m。<

88、/p><p>　　（2）必須有較高的固有頻率（自振頻率）。要求大于所測力變化頻率的4--5 倍。</p><p>　?。?）應(yīng)有足夠的靈敏度。靈敏度是指單位作用力下測力儀的輸出。要求能測出切削力變化的±1%。靈敏度單位：壓電式用微微庫倫表示，即pC/N （或pC/kgf ）。</p><p>　　（4）各分力間的相互干擾應(yīng)較小。要求干擾小于（3—4）%。<

89、;/p><p>　?。?）測力儀的輸出應(yīng)不受力作用點位置變化的影響。</p><p>　　（6）測力儀的輸出應(yīng)有較好的線性及較小的滯后現(xiàn)象。非線性度應(yīng)小于±3% ，滯后應(yīng)小2%。</p><p>　　根據(jù)上訴條件，選定YDCB--1105型壓電式三向測力儀來測量系統(tǒng)車削力。圖3-6為YDCB一1105型壓電式三向測力儀結(jié)構(gòu)圖，它由底板、中板、隔熱板、上板、4個

90、壓電石英品體i維力傳感器構(gòu)成，并用螺釘連接。由三維力傳感器的力學(xué)特性町知，該測力儀能將空間任何方向的力分解成i個相互正交的分力。根據(jù)需要，通過控制測力儀的剛度(南結(jié)構(gòu)尺寸決定)和預(yù)緊力的大小，就可以設(shè)計出不同測力范同和頻率范圍的測力平臺。</p><p>　　圖3-6 三向壓電測力儀結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4 車床工藝系統(tǒng)動態(tài)剛度測量系統(tǒng)軟件設(shè)計</p><p&

91、gt;<b>　　4.1 軟件構(gòu)成</b></p><p>　　虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件，宗旨是“軟件即儀器”。 軟件將對檢測系統(tǒng)產(chǎn)生決定性的影響。同其他應(yīng)用程序一樣，虛擬儀器軟件的設(shè)計需要經(jīng)歷需求分析、總體設(shè)計、模塊設(shè)計、代碼編寫、總體測試的過程。在這里檢測系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計方法。整個檢測軟件系統(tǒng)分為五個大的模塊，即位移標定模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示和結(jié)果顯示模塊。各模

92、塊之間可以相互進行數(shù)據(jù)交換，它們共同組成車床動剛度測試系統(tǒng)。因此我們對軟件的總體編寫構(gòu)思見檢測系統(tǒng)軟件編程模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 測量系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　4.2 系統(tǒng)操作界面</p><p>　　采集卡將采集到得信號A/D轉(zhuǎn)換后，數(shù)值信號由采集部分進入工控機運算，這時我們需要對系統(tǒng)進行軟件編程，檢測系統(tǒng)的軟

93、件部分的編寫我們主要應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)建立一個虛擬檢測平臺。Delphi是基于窗體和面向?qū)ο?、模塊化處理的語言，程序操作界面是用戶接口，用來向程序輸入必要的數(shù)據(jù)、引導(dǎo)系統(tǒng)完成各種操作（像采集數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、打開數(shù)據(jù)等）、以圖形或數(shù)字的形式顯示測試結(jié)果等。圖4-2是車床動剛度測量系統(tǒng)的操作界面，測量結(jié)果分別用波形圖、數(shù)值顯示。</p><p>　　圖4-2 車床動剛度測量系統(tǒng)的操作界面</p><

94、;p>　　本系統(tǒng)可以讓操作人員觀察到偏差變化曲線、車削力變化曲線、系統(tǒng)剛度曲線以及系統(tǒng)剛度值和車床床頭部件剛度值、刀架部件剛度值、車床床尾部件剛度值等，并且可以對一些數(shù)據(jù)進行保存。由圖4-2可以清楚的看出該車床動剛度測量系統(tǒng)的操作界面由5個模塊組成，即位移標定模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、結(jié)果顯示模塊。下面會對各模塊功能進行大致介紹。</p><p>　　4.3 位移標定模塊</p

95、><p>　　4.3.1 位移標定模塊的功能簡介</p><p>　　位移標定模塊主要是用最小二乘法標定數(shù)據(jù)采集卡采集回的電渦流信號與實際位移的關(guān)系，最終得出一元線性回歸方程。該模塊主要包含實際位移值得輸入，采集信號的獲得，數(shù)據(jù)修改、保存、打開及結(jié)果顯示。各部分的功能如圖4-3位移標定模塊功能圖。</p><p>　　圖4-3 位移標定模塊功能圖</p>

96、<p>　　4.3.2 數(shù)據(jù)采集簡介</p><p>　　數(shù)據(jù)采集就是將模擬的電壓信號，按照采樣定理的要求轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的數(shù)字信號輸入到計算機。在數(shù)據(jù)采集時，需要設(shè)定數(shù)據(jù)的采樣點數(shù)、采樣頻率、通道號以及信號類型等參數(shù)。本系統(tǒng)采用Adlink公司的PCI-9118數(shù)據(jù)采集卡，采用單端輸入，軟件觸發(fā)，雙通道斷續(xù)采集的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣。對電渦流位移傳感器進行標定時，數(shù)據(jù)采集是單個采集，具體的數(shù)據(jù)采集見原理圖

97、。下面對數(shù)據(jù)采集中用的主要函數(shù)進行說明：</p><p>　?。?）采集卡初始化函數(shù)</p><p>　　①函數(shù)StopContAI用來停止DMA模擬信號輸入，其函數(shù)定義為：</p><p>　　Function object. StopContAI（） As Boolean；</p><p>　　說明：該函數(shù)返回值表示該函數(shù)執(zhí)行是否成功，T

98、rue表示執(zhí)行成功，否則返回False。</p><p>　?、谠O(shè)置屬性DeviceName，其設(shè)置方法如下：</p><p>　　object.DeviceName[=string]；</p><p>　?、酆瘮?shù)Open用來打開PCI-9118數(shù)據(jù)采集卡，其函數(shù)定義如下：</p><p>　　Function object.Open（[Er

99、rMsgBox As Variant]）As Boolean；</p><p>　　說明：[ErrMsgBox As Variant]是一個布爾類型變量，默認值為False。當打開采集卡失敗時，若該值為True，則彈出“打開錯誤”的對話框；若該值為False，就會啟用DAQError事件，而不彈出“打開錯誤”的對話框。</p><p><b>　　（2）采集數(shù)據(jù)函數(shù)</b&

100、gt;</p><p>　　函數(shù)ReadSingleAI用來從一路模擬信號通道采集單個數(shù)據(jù)，其函數(shù)定義為：</p><p>　　Function object.ReabSingleAI (channel As Integer, Range As Integer, value As Variant) As Boolean;</p><p><b>　　說明：

101、</b></p><p>　?。á。┖瘮?shù)ReadSingleAI返回值表示該函數(shù)是否成功執(zhí)行，True表示執(zhí)行成功，否則返回False；</p><p>　?。áⅲヽhannel As Integer：模擬信號的輸入通道號0~15；</p><p>　?。á＃㏑ange As Integer：模擬信號的輸入范圍，針對不同型號的PCI-9118是有區(qū)別的，

102、需要查看具體的說明書。</p><p>　　本系統(tǒng)用到的PCI-9118說明如下：</p><p>　?。áぃ﹙alue As Variant：從模擬信號通道讀回來的電壓信號。</p><p>　　4.3.3 一元線性回歸原理</p><p>　　標定對于測量系統(tǒng)來說是很關(guān)鍵的一步，傳感器經(jīng)靜態(tài)標定后，可以獲得靜標曲線，求得靈敏度、線性度等

103、靜標特性指標，并確定線性工作范圍，進而得到利用電渦流傳感器進行測量時的最佳工作點得范圍。本課題采用的是用最小二乘法來對電渦流傳感器進行標定。</p><p>　　根據(jù)電渦流位移傳感器的測量原理和A/D轉(zhuǎn)換原理知，位移變化量與電渦流位移傳感器輸出電壓ΔU成線性關(guān)系，ΔU又與A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值呈線性關(guān)系。由此可見，位移變化量與經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)值也是成線性關(guān)系的。標定時，標定系統(tǒng)應(yīng)該與實際位移測量系統(tǒng)相同。所以，實驗

104、前應(yīng)對位移測量系統(tǒng)進行標定來保證位移測量的準確性，從而保證系統(tǒng)剛度測量的準確性。為此，本系統(tǒng)采用最小二乘法原理來對數(shù)據(jù)進行處理，從而得出標定曲線：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中y表示實際位移變化值，b0、b1稱為標定系數(shù)，x表示采集卡采集回的電壓信號。</p><p>　　由式（1）可知：重點是要求出b0

105、和b1，下面就介紹下用一元線性回歸求標定系數(shù)的方法：</p><p>　　對樣本的一組觀察值（x1, y1),(x2, y2 ),…，(xn ,yn),對每個xi，由線性回歸方程（1）可以確定一回歸值：</p><p>　　這個回歸值與實際觀察值yi之差</p><p>　　刻畫了與回歸直線的偏離度。一個自然的想法就是: 對所有，若與的偏離越小， 則認為直線與所有試

106、驗點擬和得越好。</p><p>　　令 </p><p>　　上式表示所有觀察值與回歸直線的偏離平方和， 刻劃了所有觀察值與回歸直線的偏離度。所謂最小二乘法就是尋求與的估計,,使。</p><p>　　利用微分的方法，求Q關(guān)于，的偏導(dǎo)數(shù)，并令其為零，得：</p><p><b>　　整理得</b>

107、</p><p>　　稱此為正規(guī)方程組，解正規(guī)方程組得:</p><p><b>　?。?)</b></p><p><b>　　其中,。</b></p><p>　　叫做,的最小二乘估計。而</p><p>　　為Y關(guān)于x的一元經(jīng)驗回歸方程。</p><