作者；张毅
测量与采集出丝锥在切削过程中的力和扭矩可以直观地反映出丝锥的切削性能，通过观察丝锥磨损过程中力和扭矩的变化趋势可以分析出其的切削状态。通过科学实验分析出各切削状态对其寿命的影响，最终期望提高切削效率及延长使用寿命，所以一套稳定可靠的测量系统将成为各项研究工作的基础。本文基于LabVIEW的虚拟仪器技术对现有测量设备进行改造，可以直观地看到加工过程中力和扭矩的变化，从而分析出其在不同条件下对加工过程的影响。
1测量系统设计
本文基于LabVIEW的虚拟仪器技术改造一台原本用来测量铣削与车削力和扭矩的KISTI．ER-9257B型压电式测力仪，使其扩展为丝锥切削过程力和扭矩的测量系统。配合对应的KISTLER-5070A11100型多通道电荷放大器，采用NI公司USB-6351多通道数据采集卡，采集测力仪在切削过程中的电压信号并将其送至计算机。计算机端使用LabVIEW编写相关应用程序，执行各通道模拟信号的数据换算，记录丝锥切削过程中各方向的力和扭矩。改造后系统的总体功能框图如图1所示。
1.1根据测力计测量原理设计相关工装
KISTLER-9257B型压电式测力仪内置4个压电式测力传感器，其具体布局如图2所示。每个传感器都可测量到其所受到的x、y、z三个方向的力。
测力仪通过4个传感器输出8路模拟信号，分别为：Fx1+2、Fx3+4、Fy1+4、Fy2+3、Fzi、Fz2、Fz3、Fz4。根据各路信号通过以下计算方法可得到各方向的力和扭矩：
其中：F，1+2为1号传感器与2号传感器x方向上力的和；Fx3+4为3号传感器与4号传感器x方向上力的和；以此类推。
KISTLER-9257B -般用来测量铣削与车削力和扭矩，但丝锥在通孑L攻丝过程中，切削锥需要完全穿过工件，并保证刀具与测力仪之间留有足够的间隙，所以还需设计相应的垫板；为方便计算各方向的扭矩，各传感器间的a和6参数应相同(KISTI。ER-9257B中a-30 mm、b= 57.5 mm)．被加工工件孔位应能保证在4个传感器的几何中心，最终设计的工装爆炸图与三维总装图如图3所示。试件应制成20 mm×20 mm大小、中心预钻底孔的标准块。垫板通过两个特制的销钉限位，再通过螺栓与测力仪紧固在一起。工件放人垫板上方的槽中，上紧压板完成工件的安装。
1.2 力和扭矩测号软件设计
力和扭矩测量软件采用LabVIEW开发环境，用户只需要通过改变软件就可以实现不同功能，方便日后为测量系统升级（添加实时切削温度采集等）。使用图形化框图编程，效率高，程序可读性强。由于测力仪的小电压信号经过电荷放大器放大后输出8路范围为-10 V～+10 V的电压信号，因此，采集卡的主要任务就是测量并处理这8路模拟信号。采集卡基于LabVIEW的程序结构图如图4所示。图4中，左侧模块功能为设置数据包保存路径与文件名；右侧程序主体为NI-DAQmx数据采集控件(DAQmx. vi)，该控件可交互式配置设备的数据通道和采集任务，自动生成LabVIEW代码并保存为模块。DAQmx控件基于输入的初始设置执行采集任务，它将自动采集8路模拟电压信号，但是这些信号并不是该测量系统的最终数据。更改DAQmx控件模块，加入如图5所示的数据换算单元，最后得到的6组数据，整合成数据包输出到主程序中的波形实时显示区和xls数据文件中。具体实验时，程序自动初始化后会打开用户界面，这时需要填入与实验相关的基本信息：选择USB-6351采集卡为采集设备、选择数据保存路径、输入备注信息（工件材料与刀具信息）、选择需要实时显示的曲线、输入实时显示的采样点数、输入采样时间和采样率。以上参数信息会自动载入程序中的DAQmx控件模块。具体工作流程如图6所示。
最后，可以使用相关数据处理软件处理得到的数据包，从而分析不同条件下对丝锥切削过程的影响。
1.3力和扭矩测量系统的标定
系统的标定是通过实测的方法验证输入与输出之间的关系。由于在丝锥切削过程中，Mz的变化趋势对分析丝锥的切削性能最为重要，因此本文主要描述M：的标定方法。利用设计的装配长度为300 mm的加载杆与若干0. 54 kg标准铝块，以200 mm钳工划线测量铸铁方箱为基座组成M：标定系统，如图7所示。通过标定可以得到静态重复性、线性度等测量系统性能指标。
以1 kHz采样率采集10 s静态扭矩，依次加载标准铝块，每次测量3组取平均值。通过加载实验得到实际结果与理论计算结果之间关系如图8所示。通过标定系统检测，M：在重复度和线性度等方面基本能满足定性与定量分析的需求。
2 丝锥切削力和扭矩测量实验
为了验证本系统的实际使用效果，本文进行了相关实验。攻丝机采用国产WMD0 912攻丝机，刀具选用陕西渭河M8高速钢丝锥，攻丝转速为150 r／min，退丝速度为150 r/min;选择厚度为12 mm的TC4工件材料，底孔为@6.8 mm，采样率为10 kHz。实验测量得到的切削力和扭矩随时间的变化曲线如图9、图10所示。
由于钛合金TC4弹性模量小，切削过程有回弹现象，因此攻丝与退丝过程均呈现出加工扭矩，实际切削过程与理论相吻合。
3结束语
实验结果表明，本套测量系统基本满足了测量丝锥在切削过程中力和扭矩的需求，可为高速钢丝锥新工艺研究提供直观、可靠、科学的数据参考。
4摘要：基于LabVIEW虚拟仪器技术，搭建了丝锥切削力和扭矩测量系统，并以M8高速钢丝锥为研究对象，通过切削TC4实验表明了测量系统工作可靠，且测量数据准确。
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