【正文】 )提供的軟件平臺(LabVIEW)和美國NI Pxle 6388的數(shù)據(jù)采集卡搭建了基于虛擬儀器的切削力測量系統(tǒng)，并在Labview環(huán)境下編寫了切削加工數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)的程序，該程序?qū)崿F(xiàn)了三通道切削力的采集和監(jiān)測。本系統(tǒng)還證明了以虛擬儀器為基礎(chǔ)的測量系統(tǒng)是方便、低成本、實(shí)用、而且可靠的。 LabVIEW 目 錄第一章 緒論 1 課題背景 1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)狀 1 2 4第二章 切削加工測試與分析系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 5 5 5 6 虛擬儀器測試系統(tǒng)的組成 7 8——LabVIEW 8 9 9 9 10 10 10 19第三章 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 24 24 25 27第四章 總結(jié)和展望 32 32 32致謝參考文獻(xiàn)第一章 緒論 課題背景切削力是金屬切削過程中的重要狀態(tài)參量。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)現(xiàn)狀目前傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法，一是利用PC機(jī)外接的數(shù)據(jù)采集卡，通過各種計(jì)算機(jī)總線或OPC方式送至計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)記錄或顯示；一是利用工業(yè)組態(tài)軟件的方法，通過軟件實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)外圍接口的通信，從而獲取數(shù)據(jù)[1]。同時(shí)，國內(nèi)的工業(yè)組態(tài)軟硬件也有了很大進(jìn)步，北京亞控科技的組態(tài)王、北京三維力控科技的ForceControl 等一批優(yōu)秀工業(yè)組態(tài)軟件取得了廣泛的應(yīng)用，除了主要參與系統(tǒng)控制外，其數(shù)據(jù)采集水平也在不斷提高[1]。如石油、化工生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；鋼鐵熱連軋的應(yīng)用[3]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)與外部世界聯(lián)系的橋梁，高速度、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是獲取原始數(shù)據(jù)信息和大量動(dòng)態(tài)信號的主要途徑，使研究瞬間物理過程成為可能[3]。目前，工業(yè)數(shù)據(jù)采集主要有兩種實(shí)現(xiàn)方法，一是利用A/D 轉(zhuǎn)換板卡，通過計(jì)算機(jī)總線將數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)記錄或顯示；一是利用組態(tài)軟件的方法，通過編程實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)外圍接口的通信，從而獲取數(shù)據(jù)[4]。利用組態(tài)軟件的方法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)多信號的采集，編程靈活，用戶界面友好，功能豐富。用戶無需學(xué)習(xí)針對各類控制器的底層儀器命令，由用戶通過圖形化語言編程即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集[9]。因此，尋找一種與常規(guī)控制系統(tǒng)程序鏈接方便、系統(tǒng)采樣跟蹤速度更快、結(jié)構(gòu)相對簡單的技術(shù)手段，已經(jīng)成為必然。本文從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系出發(fā)，分析了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)存在的不足，在對切削加工數(shù)據(jù)采集與分析作了介紹分析后，探討了將Labview數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械工程的思路和方法，提出了一種新的高速數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)擴(kuò)展體系。2. 分析不同的切削參數(shù)和測試系統(tǒng)參數(shù)對切削力的影響第二章 切削加工測試與分析系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)虛擬儀器（Virtual Instrument ，VI）的概念是由美國國家儀器公司提出來的，虛擬儀器本質(zhì)上是虛擬現(xiàn)實(shí)一個(gè)方面的應(yīng)用結(jié)果。任何一個(gè)使用者都可以通過修改軟件的方法，很方便地改變、增減儀器系統(tǒng)的功能與規(guī)模，所以有“軟件就是儀器”之說。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，獨(dú)立儀器具有無可替代的優(yōu)勢。虛擬儀器與之不同，它可以通過在幾個(gè)分面板上的操作來實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。（3）儀器的功能是由用戶根據(jù)需要用軟件來定義，不是事先由廠家定義的。（7）可方便地存貯和交換測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。在當(dāng)前流行的C/S/D網(wǎng)絡(luò)模式下，利用嵌入式技術(shù)（包括數(shù)據(jù)庫嵌入和網(wǎng)絡(luò)模塊的嵌入）可以充分利用有效資源，提高測試效率[7]。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。 虛擬儀器的內(nèi)部功能的劃分對于傳統(tǒng)儀器，這三個(gè)部分幾乎均由硬件完成；對于虛擬儀器，前一部分由硬件構(gòu)成，后兩部分主要由軟件實(shí)現(xiàn)。虛擬儀器技術(shù)的核心是軟件。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復(fù)用化，和各種硬件儀器驅(qū)動(dòng)軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，虛擬儀器軟件開發(fā)將變得更加快速、方便[10]。這些工作對于那些不熟悉這方面知識的工程設(shè)計(jì)人員來說，要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，這樣直接影響了系統(tǒng)開發(fā)的周期和性能。除此以外還有HP公司的HPVEE ，HPTIG開發(fā)平臺，美國Tektronix公司的EzTest ，TekTNS平臺軟件，這些都是國際上公認(rèn)的優(yōu)秀的虛擬儀器開發(fā)軟件平臺[1011]。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過程都更加形象化。LabVIEW具有一系列無與倫比的優(yōu)點(diǎn)：首先，LabVIEW作為圖形化語言編程，采用流程圖式的編程，運(yùn)用的設(shè)備圖標(biāo)與科學(xué)家、工程師們習(xí)慣的大部分圖標(biāo)基本一致，這使得編程過程和思維過程非常相似；同時(shí)，LabVIEW提供了豐富的VI庫和儀器面板素材庫，近600種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序(可擴(kuò)充)如GPIB設(shè)備控制、VXI總線控制、串行口設(shè)備控制、以及數(shù)據(jù)分析、顯示和存儲；并且LabVIEW還提供了專門用于程序開發(fā)的工具箱，使得用戶能夠設(shè)置斷點(diǎn)，調(diào)試過程中可以使用數(shù)據(jù)探針和動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序來觀察數(shù)據(jù)的傳輸過程，更加便于程序的調(diào)試[13]。傳感器獲取了信號，經(jīng)參比電路對信號進(jìn)行處理后，由數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)軟件將其轉(zhuǎn)化為直觀可見的圖形或數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，得到測量結(jié)果[13]。我們從以下三點(diǎn)對平臺進(jìn)行要求：1 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是系統(tǒng)應(yīng)用軟件最基礎(chǔ)，但也是最為重要的要求。3 容錯(cuò)性容錯(cuò)性是指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)軟件怎樣對錯(cuò)誤進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)分析模式主要是對采下來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括數(shù)據(jù)讀取，數(shù)據(jù)顯示，濾波器、求平均值等。1數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)DAQ系統(tǒng)的基本任務(wù)是物理信號的產(chǎn)生或測量，但是要使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠測量物理信號，必須要使用傳感器把物理信號轉(zhuǎn)換成電信號（電壓或者電流信號）。該計(jì)算機(jī)可以使帶有PCMCIA插槽的超級計(jì)算機(jī)、桌面機(jī)或筆記本電腦。 2數(shù)據(jù)采集卡的選用數(shù)據(jù)采集卡是本系統(tǒng)硬件的核心，它主要完成數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和存儲。時(shí)間間隔被稱為采樣間隔或者采樣周期，它的倒數(shù)被稱為采樣頻率，單位是采樣數(shù)/秒。所以，如果只知道該信號的采樣值，并不能指定它的采樣率，缺少了時(shí)間尺度，也不可能指定信號的頻率[1819]。采樣率過低的結(jié)果是還原的信號的頻率看上去與原始信號不同。但是，較長時(shí)間使用很高的采樣率可能會導(dǎo)致沒有足夠的內(nèi)存或者硬盤存儲數(shù)據(jù)太慢。4數(shù)據(jù)采集由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集卡使用的是NI公司的數(shù)據(jù)采集卡，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)時(shí)，由于在Labview里提供了大量的DAQ函數(shù)，這就大大簡化了程序設(shè)計(jì)的難度。1） 通道與增益設(shè)置：完成硬件采集卡上通道的選擇和對各通道對應(yīng)的量程的設(shè)定。不便于后續(xù)的存儲和分析；而但過小時(shí)，則會導(dǎo)致切削力中的有效成分的丟失。然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測得結(jié)果對其做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。但是當(dāng)采樣速率太高時(shí)，相應(yīng)的要影響其它的處理環(huán)節(jié)，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的成本如數(shù)據(jù)分析、存儲速度等。 DAQ助手本課題是同時(shí)采集三個(gè)力所以設(shè)置三個(gè)通道，分別命名為x,y,z,通道。第一種圖形和第二種圖表顯示多一點(diǎn)，它們用于顯示采樣率恒定的數(shù)據(jù)。而波形圖表是保存舊數(shù)據(jù)，新數(shù)據(jù)依次添加到舊數(shù)據(jù)后面，波形連續(xù)向前推進(jìn)顯示，這種方式能夠清楚地觀察數(shù)據(jù)的變化過程，我們需要觀察原始數(shù)據(jù)的整個(gè)變化過程，所以選擇波形圖表來顯示原始數(shù)據(jù)。電子表格只能寫入，不能讀取。該文本格式的弱點(diǎn)表現(xiàn)在三方面：第一，用這種格式保存和讀取文件的時(shí)候需要進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)換，例如，讀取文本文件時(shí)，要將文本文件的ASCII碼轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識別的二進(jìn)制代碼格式，存儲文件的時(shí)候也需要將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為ASCII碼的格式，因而需要花費(fèi)額外的時(shí)間；第二，用這種格式存儲的文件占用的磁盤空間比較大，存儲的速度相對比較慢；第二，對于文本類型的數(shù)據(jù)，不能隨機(jī)訪問其中的某個(gè)數(shù)據(jù)，這樣當(dāng)需要找到文件中某個(gè)位置的數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要把這個(gè)位置之前的所有數(shù)據(jù)全部讀取出來，效率比較低[2021]。4） TDMS文件TDMS格式就是把數(shù)據(jù)以特殊的方式進(jìn)行處理，得出二進(jìn)制形式進(jìn)行操作，主要用于對波形文件的運(yùn)行。 數(shù)據(jù)采集和存儲的程序框圖采集到的信號經(jīng)過一系列的處理、計(jì)算和分析后，從中提取出符合用戶想要的特征量，這才是我們進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的目的。當(dāng)然，信號通過任意一個(gè)中間環(huán)節(jié)時(shí)，由于每一個(gè)環(huán)節(jié)都有自己的傳遞特性，因而都會使信號發(fā)生某些變化，剔除、衰減某些部分，保留、放大某些部分。（2） 穩(wěn)定性高，可預(yù)測。Labview中濾波器模塊所處位置和波形產(chǎn)生模塊所處位置 一致，即信號處理模塊濾波器 濾波器模塊如圖所示根據(jù)沖激響應(yīng)，可將濾波器分為有限沖激響應(yīng)（FIR）和無線沖激響應(yīng)（IIR)濾波器。IIR濾波器的缺點(diǎn)是響應(yīng)非線性。（1） Butterworth在所有頻率上提供平滑的響應(yīng)，但過渡帶下降較為緩慢，陡峭程度同階數(shù)成正比。（5） Bessel具有最為平坦的幅度和相位響應(yīng)。3 信號分析Labview作為一種圖形化編程語言，其功能已經(jīng)相當(dāng)強(qiáng)大了，但是如果要對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，只是單純地運(yùn)用一些基本運(yùn)算符和程序結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法，則會造成復(fù)雜繁瑣的連線。這部分的程序是采用游標(biāo)列表屬性節(jié)點(diǎn)和索引數(shù)組來確定兩個(gè)游標(biāo)的X位置，再將兩X位置相減得到我們所需要的范圍，再由數(shù)組子