车床切削力的测试系统设计.doc

前言 随着科学技术的发展，人们对自动化的要求越来越高，对于车床切削力的检测，我院机械设计系学生原来使用的方法是通过测力仪以及动态电阻应变仪在双对数坐标纸上测绘出电压变化曲线，再根据曲线进行计算，得到力的变化曲线以及力与各车床参数之间的关系曲线和经验公式。这种数据采集和数据处理均靠人工进行的方法既繁琐又不精确。而随着电子技术的迅速发展以及微型计算机技术的普及，自动检测技术在机械工业的发展中得到了广泛的应用。尤其是面向对象程序设计语言和单片机的出现，使自动检测系统的成本及精度得到了明显的改观。实验室的切削力实验也多采用计算机辅助测试。 随着软件技术的快步发展，面向对象的程序设计语言相继出现，Visual Basic语言以其实用、方便、快捷、开发周期短、广泛而强大的功能越来越被广大编程人员所亲赖，本系统的上位机部分就采用这种语言来编写的。 经过调试，结果表明：此系统简化了传统的测量电路，工作效率高，测量准确，实现了切削力测试系统的自动化。 本文首先论述了整体系统工程的工作原理，然后是方案论证，接着分别介绍了硬件电路设计和软件系统设计。 重点介绍了软件系统程序的编写过程，同时也对硬件的原理设计做了简练的叙述，最后讲述了软件测试及软硬件联通调试。 方案论证 本车床切削力的测试系统分上、下位机两部分，本文主要对上位机进行设计。上位机的主要任务是接收下位机传送过来的切削力数据，将其存储，并对采集的数据进行处理，得到切削力与进给量，切削力与切削深度，切削力与切削速度之间的关系曲线和经验公式，并能显示力的波形。 图1.1为机床切削力的计算机辅助采集与处理系统简图。测力仪将主切削力Fc转变成电压信号VFc；经过电阻动态应变仪和低通滤波放大器将信号放大；再经过A/D转换器转换成数字信号，输入给单片机或微型计算机；计算机按预编程序对数字信号进行分析处理与计算，将其结果（切削力测量值及经验公式）以及各种关系曲线和随时间变化的力的曲线显示出来，也可以用打印机将切削力的各种影响曲线和随时间变化的曲线打印出来。该系统不仅可以测量切削力的平均值，而且可测得切削力的瞬时值，时间间隔在100us~25ms之间。 图1.1 切削力的计算机辅助采集与处理系统框图 根据系统的设计要求，上位机部分可以分为用户控制界面模块、串口通信模块、数据存储模块、数据处理模块、曲线绘制模块以及曲线打印模块。以下介绍上位机的设计方案选择。 1.高级语言的选择 随着软件技术的快步发展，面向对象的应用程序的相继出现，许多设计语言都能够实现上下位机通信的编写，像Visual Basic语言、Visual C++语言、Visual FoxPro语言等等。对于目前短期开发的系统而言，Visual Basic语言以其实用、方便、快捷、开发周期短、ActiveX控件丰富、可移植性好、广泛而强大的功能越来越被广大编程人员所亲赖。似乎有些专业的编程人员也放弃了Visual C++而改用了Visual Basic之类的RAD编程工具，尽管Visual C++在灵活性、代码紧凑、运行速度快以及底层开发等方面Visual Basic是无法与其比拟的，但编写Visual C++应用程序过长的调试和开发周期确实有点不适应当今的应用程序开发环境。因此在本系统的设计中，采用Visual Basic语言来设计系统的上位机部分。 2.界面的设计 使用高级语言编程可以在PC机上编制非常友好、直观的人机控制界面。把原来的人体直接控制变成了鼠标、键盘的间接控制；并且通过直观的控制界面可以很容易的实现控制，对现场的控制情况一目了然，增加了操作人员的视觉感、安全感，简化了操作。用户通过各窗体与应用程序对话，而程序相对于用户是隐藏的，用户只要求程序能实现他们的具体要求，而不关心程序是如何组织的，因此，一个好的应用程序，应该具有友好的用户界面。 3.串口通信模块的设计 由于系统对数据传输的速度要求并不高，同时考虑串口的价格比并口低，因此本系统采用串口进行通信。Visual Basic语言的MSComm通信控件提供了一系列标准通信命令接口，它允许建立串口连接，还可以发送命令、进行数据交换以及监视和响应在通信过程中可能发生的各种事件和错误，从而可以用它建立全双工的、事件驱动的、高效使用的通信程序。因此在设计中采用MSComm控件处理通信问题是必要的选择。要把上位机的数据送到串行端口上以及怎样才能把串行端口上数据接收进来，是上位机编程中的关键部分。 4.数据处理 由于系统要求的是单因素测力，在刀具、被切削的材料、应变仪固定的情况下，切削力主要与三个因素有关，即切削深度、切削速度、进给量。而且固定任意其中的两个量，则切削力与剩余的一个量成指数关系，两边取对数，则变成了线性关系，即在双对数的坐标纸上曲线是直线，因此在数据处理模块采用了一元线性回