【文章內容簡介】 儀器系統(tǒng)包括儀器硬件和應用軟件兩大部分。儀器硬件是計算機的外圍電路，與計算機一起構成了虛擬儀器系統(tǒng)的硬件環(huán)境，是應用軟件的基礎；應用軟件則是虛擬儀器的核心，在基本硬件確定后，軟件通過不同功能模塊即軟件模塊的組合構成多種儀器，賦予系統(tǒng)特有的功能，以實現(xiàn)不同的測量功能。 。虛擬儀器應用程序的開發(fā)平臺有很多種，莫倩最流行的是美國國家儀器（National Instruments,NI）公司的LABVIEW。LABVIEW是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench （實驗室虛擬儀器工程平臺）單詞首字母組合。LABVIEW環(huán)境中的開發(fā)的每個程序稱為Virtual Instrument（VI）。用LABVIEW作為虛擬儀器開發(fā)平臺的最大優(yōu)勢就是程序開發(fā)效率高，這主要是由于它提供了幾乎所有的經典的信號處理函數(shù)和大量現(xiàn)代的高級信號分析函數(shù)，這些函數(shù)用圖標的方式提供給用戶，使用者采用圖標與連線的方式，可以像畫電路板一樣編寫程序，非常形象，直白又便于修改和移植。才外LABVIEW程序非常容易和各種數(shù)據(jù)采集硬件集成。還可以和多種主流的工業(yè)現(xiàn)場總線通信以及與大多數(shù)通用的數(shù)據(jù)庫連接，根據(jù)經驗，使用LABVIEW開發(fā)虛擬儀器比使用基于文本的語言開發(fā)效率可以提高10~15倍，同時LABVIEW在信號處理等方面的強大功能有遠非組態(tài)軟件可比。第2章 刀具系統(tǒng)對刀具狀態(tài)監(jiān)控的研究,一方面要加強基礎理論的研究,獲得對刀具時效敏感的特征,發(fā)展使用可靠的新型決策模型。另一方面要加強理論和實踐相結合,才能使刀具狀態(tài)監(jiān)控技術得到進一步的完善［18］。在加工過程中有許多種狀態(tài)信號從不同角度反映刀具狀態(tài)的變化，監(jiān)測信號選擇的好壞往往是決定監(jiān)控系統(tǒng)成敗的關鍵因素。監(jiān)測信號應具備對刀具狀態(tài)的變化反應靈敏和迅速，便于在線測量，不改變加工系統(tǒng)結構，信號受環(huán)境干擾小，具有較高的信噪比等特點。常用的刀具狀態(tài)監(jiān)測信號有切削力、功率/扭矩、聲發(fā)射信號(AE)、振動、溫度、切削參數(shù)、電流等。監(jiān)測信號用相應的傳感器獲得并進行預處理，信號預處理的內容包括隔離、放大、濾波、A/D轉換等。特征提取是對監(jiān)測信號的進一步加工處理，從大量信號中提取出與刀具狀態(tài)變化相關的參數(shù)，一方面可以提高信號的信噪比，另一方面可以減少后期數(shù)據(jù)的處理量，提高運算速度。目前廣泛使用的特征提取方法主要有時域分析方法(均值、差值、相關系數(shù)、導數(shù)值等)、頻域分析方法(快速傅立葉變換、功率譜等)和時頻分析方法(短時FFT、小波分析〕。特征提取后可獲得反映信號本質的特征數(shù)據(jù)，它的品質對監(jiān)測系統(tǒng)的性能和可靠性具有很重要的影響作用。狀態(tài)識別是根據(jù)所獲得的刀具狀態(tài)特征參數(shù)通過識別模型對加工過程的刀具狀態(tài)進行分類判斷，其核心是所采用的模型。模型的功能是實現(xiàn)從特征空間到狀態(tài)空間的映射，模型可由物理關系或者根據(jù)經驗公式建立。根據(jù)模型的特點可以分為固定參數(shù)模型、適應性模型和自學習模型等。多模型系統(tǒng)的思路是對加工過程刀具狀態(tài)的檢測信號通過多個模型進行分析，以獲得更多的監(jiān)測信息，這種系統(tǒng)在不增加設備成本的情況下，通過軟件處理獲得更多的刀具狀態(tài)信息，使監(jiān)測更準確更可靠。當前采用建模的主要方法有統(tǒng)計方法、模式識別專家系統(tǒng)、神經網(wǎng)絡等。 第3章 數(shù)據(jù)采集虛擬儀器主要用于獲取真實物理世界的數(shù)據(jù)，也就是說，虛擬儀器必須要有數(shù)據(jù)采集的功能。從這個角度來說，數(shù)據(jù)采集就是虛擬儀器的核心，使用虛擬儀器必須要掌握如何進行數(shù)據(jù)采集。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概念在科研、生產和日常生活中，模擬量的測量和控制是經常的。為了對溫度、振動、聲音、等進行測量和控制，都要先通過傳感器把上述物理量轉換成能模擬物理量的電信號（即模擬電信號），再將模擬電信號經過處理轉換成計算機能識別的數(shù)字量，送入計算機，這就是數(shù)據(jù)采集。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務 傳感器從被測對象獲取有用信息，并將其輸出信號轉換為計算機能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機進行相應的處理，得出所需的數(shù)據(jù)。同時，將計算機得到的數(shù)據(jù)進行顯示、存儲或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分數(shù)據(jù)還將被生產過程中的計算機控制系統(tǒng)用來進行某些物理量的控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應有盡可能高的采樣速度，以滿足實時采集、實時處理和實時控制對速度的要求。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能 數(shù)據(jù)采集計算機按照預先選定的采樣周期，對輸入到系統(tǒng)的模擬信號進行采樣，有時還有對數(shù)字信號、開關信號進行采樣。數(shù)字信號和開關信號不受采樣周期的限制，當這類信號到來時，由相應的程序進行處理。 信號調理信號調理是對從傳感器輸出的信號做進一步加工和處理包括對信號的轉換、放大、濾波、存儲、重放和一些專門的信號處理。另外，傳感器輸出信號往往具有機、光、電等多種形式。而對信號的后續(xù)處理往往采取電的方式和手段，因而必須吧傳感器輸出信號進一步轉化為適宜于電路處理的電信號，其中包括電信號的放大。通過信號的調理，獲得最終希望的便于傳輸，顯示和記錄，以及可以做進一步后續(xù)處理的信號。 二次數(shù)據(jù)計算通常把直接由傳感器采集到的數(shù)據(jù)稱為一次數(shù)據(jù)，把通過對一次數(shù)據(jù)進行某種數(shù)學運算而獲得的數(shù)據(jù)稱為二次數(shù)據(jù)。二次數(shù)據(jù)計算主要有求和、最大值、最小值、平均值、累積值、變化率、樣本方差與標準方差統(tǒng)計方式等。 數(shù)據(jù)顯示顯示裝置可把各種數(shù)據(jù)以方便于操作者觀察的方式顯示出來，屏幕上顯示的內容一般稱為畫面。常見的畫面有：相關畫面、趨勢圖、模擬圖、一覽表等。 數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)存儲就是按照一定的時間間隔，如一小時，一天，一個月等，定期將某些重要數(shù)據(jù)存儲在外部存儲器上。 打印輸出打印輸出就是按照一定的時間間隔，如分鐘、小時、月的要求，定期將各種數(shù)據(jù)以表格或圖形的形式打印出來 人機聯(lián)系 人機聯(lián)系是指操作人員通過鍵盤、鼠標或觸摸屏與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對話，完成對系統(tǒng)的運行方式，采樣周期等參數(shù)和一些采集設備的通信接口參數(shù)的設置。此外，還可以通過它選擇系統(tǒng)功能，選擇輸出需要的畫面等。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件 計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件基本組成，計算機數(shù)據(jù)刺激系統(tǒng)硬件部分一般由傳感器、前置放大電路、濾波器、多路模擬開關、采樣保持器、模數(shù)轉換器和計算機系統(tǒng)組成。 傳感器傳感器的作用是把非電物理量（如振動、溫度、聲音等）轉變成模擬電量（如電壓、電流、電阻），通常把傳感器輸出到A/D轉換器輸出的這一段信號通道稱為模擬通道。 前置放大電路前置放大電路用來放大和緩沖輸入信號。由于傳感器輸出的信號較?。ǔＳ脽犭娕嫉妮敵鲎兓趲缀练綆资练g，電阻應變片的輸出電壓的變化只有幾個毫伏），因此需要加以放大以滿足大多數(shù)A/D轉換器的滿量程輸入5～10V的要求。由于各類傳感器輸出信號的情況各不相同，因此放大器的種類也很多。 濾波器 傳感器以及后續(xù)處理電路中的器件常會產生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種耦合器渠道使信號通道感染上噪聲。為了提高模擬輸入的信號信噪比，常常需要使用濾波器對噪聲信號進行一定的衰減。 多路模擬開關在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往要對多個物理量進行采集，即所謂多路巡回檢測，這可以通過多路模擬開關來實現(xiàn)，這樣可以簡化設計，降低成本。多路模擬開關可以分時選擇來自多個輸入通道中的某一路通道。 采樣/保持器多路模擬開關之后是模擬通道的轉換部分，它包括采樣/保持電路和A/D轉換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取多路模擬開關輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A/D轉換器的轉換精度。 模/數(shù)轉換器 采樣/保持電路輸出的信號傳輸至A/D轉換電路，A/D轉換器是模擬輸入通道的關鍵電路。由于輸入信號變化的速度不同，系統(tǒng)對分辨率、精度、轉換速率及成本的要求也不同，因此A/D轉換器的種類也較多，A/D轉換器輸出的結果輸出給計算機，有的采用并行碼輸出，有的則采用串行嗎輸出。 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)是整個計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心。計算機控制整個計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常工作，并且把A/D轉換器輸出的結果讀入到內存，進行必要的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)處理。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件 模擬信號采集與處理程序 模擬信號采集與處理程序的主要功能是對模擬輸入信號進行采集、標度變換、濾波處理及二次數(shù)據(jù)計算，并將數(shù)據(jù)存入磁盤。 系統(tǒng)管理程序 系統(tǒng)管理程序首先是用來將各個功能模塊程序組織成一個程序系統(tǒng)，并管理和調用各個功能模塊程序，其次是用來管理數(shù)據(jù)文件的存儲和輸出。 通信程序通信程序是用來完成上位機與各個數(shù)據(jù)采集站之間的數(shù)據(jù)傳送工作，它的主要功能有：設置數(shù)據(jù)傳送的波特率，上位機向數(shù)據(jù)采集站群發(fā)送機號，上位機接收和判斷數(shù)據(jù)采集站發(fā)回的機號，命令相應的數(shù)據(jù)采集站傳送數(shù)據(jù)，上位機接收數(shù)據(jù)采集站傳送的數(shù)據(jù)。第4章 刀具磨損監(jiān)測實驗本課題前提以實驗為主，通過修改不同的參數(shù)所得到的實驗數(shù)據(jù)與工件表面的粗糙度值和刀具的實際磨損值來分析不同條件參數(shù)對刀具磨損的影響。在本刀具磨損狀態(tài)監(jiān)測實驗系統(tǒng)中，利用振動傳感器和聲發(fā)射傳感器采集車削過程中的切削力信號，選用多分辨率小波分析對切削力信號進行特征提取，采用神經網(wǎng)絡模型實現(xiàn)刀具磨損狀態(tài)的識別，完成對本刀具磨損狀態(tài)的監(jiān)測。根據(jù)學校組織實驗的機床設備條件，選擇SK40P數(shù)控機床和DL20MH圖41 SK40P數(shù)控機床圖42 DL20MH機床：在刀具狀態(tài)監(jiān)測中，傳感器主要把切削過程的物理量(如切削力)轉換成電信號，便于后一階段的處理。因此，首先要求采集到的電信號必須如實反映刀具磨損狀態(tài)信息。其次，傳感器要與機床配套使用，要求傳感器安裝簡單易行，抗干擾能力強。在切削過程中，與切削過程密切相關的物理量，如切削力、切削功率的變化等可以從不同方面反映刀具狀態(tài)的變化，利用傳感器采集這些變化量并提取特征值建立數(shù)學模型就可以判斷刀具狀態(tài)。但是不同監(jiān)測信號在不同條件下各有優(yōu)勢和局限，相同監(jiān)測信號在不同條件下對刀具磨損的敏感度也不同。由于刀具監(jiān)測中存在切削加工條件的多樣性、切削參數(shù)的多變性、刀具磨鈍的隨機性、模糊性和監(jiān)測信號單調性的矛