基于LabVIEW 的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

吳明明，陳 捷，封 楊

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，南京 210009)

0 引言

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)作為高檔數(shù)控機(jī)床的重要功能部件，其性能的高低直接影響甚至決定數(shù)控機(jī)床的精度和總體性能。高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備隸屬于國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020)提出的七大新興產(chǎn)業(yè)之一:高端裝備制造產(chǎn)業(yè)的范疇［1］。

一臺(tái)合格的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，從生產(chǎn)到出廠必然需要對(duì)其精度進(jìn)行多次檢測(cè)，并對(duì)影響其精度的性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)精度檢測(cè)手段有很多，傳統(tǒng)的方法都是針對(duì)單一量檢測(cè)，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)儀器人工操作檢測(cè)記錄數(shù)據(jù)的，成本高，效率低下，且不能給出數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)在實(shí)時(shí)工作狀態(tài)下的多參數(shù)在線(xiàn)檢測(cè)，從而制約了數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的步伐。本文開(kāi)發(fā)的基于多種傳感器、測(cè)試儀器和計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試技術(shù)的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)，能夠同時(shí)檢測(cè)多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，通過(guò)PXI 數(shù)據(jù)采集卡采集一般物理量信號(hào)，通過(guò)USB 和RS485 通訊接口技術(shù)直接采集幾何量信號(hào)，電控系統(tǒng)的PLC 通過(guò)OPC 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)之間的通信連接，上位機(jī)LabVIEW 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析、處理及顯示等功能。這一系統(tǒng)簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，自動(dòng)化水平高，功能齊全，降低了試驗(yàn)成本，具備很好的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)包括四個(gè)組成部分:PXI 測(cè)試系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、加載試驗(yàn)臺(tái)架。

PXI 測(cè)試系統(tǒng)由多種傳感器及測(cè)試儀器、PXI 嵌入式控制器、PXI 數(shù)據(jù)采集卡和虛擬儀器軟件LabVIEW組成，負(fù)責(zé)監(jiān)控試驗(yàn)過(guò)程，對(duì)采集的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以數(shù)字和曲線(xiàn)的形式顯示性能參數(shù)并能根據(jù)客戶(hù)需求自動(dòng)生成報(bào)表。電氣控制系統(tǒng)以PLC 為核心，執(zhí)行控制器發(fā)出的指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓系統(tǒng)的直接操作。液壓系統(tǒng)包括三個(gè)加載油缸，提供試驗(yàn)臺(tái)加載動(dòng)力源。加載試驗(yàn)臺(tái)架用來(lái)安放加載油缸，加載油缸能夠以單獨(dú)或組合加載的形式實(shí)現(xiàn)加載功能［2］。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)組成圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)綜合性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)組成圖

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿(mǎn)足轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)性能測(cè)試及加載試驗(yàn)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，由三組驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變量泵、加載油缸及油冷機(jī)等其他液壓輔助裝置組成，原理圖如圖2 所示。

圖2 液壓系統(tǒng)原理圖

三組電機(jī)、變量泵、加載油缸組合分別實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)軸向、徑向和周向的加載，三條回路的工作原理基本相同，以軸向加載回路為例說(shuō)明。軸向加載缸10.1 的往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向由電磁換向閥6. 1 控制，疊加式節(jié)流閥7.1 實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度和負(fù)載能力的控制，電機(jī)2.1 驅(qū)動(dòng)變量泵1.1 提供加載油液給加載閥組，加載閥組包括比例減壓閥5.1 和安全閥4.1，比例減壓閥調(diào)節(jié)控制油缸加載的最大工作壓力，安全閥4.1 主要起到過(guò)載保護(hù)作用。為了提高加載油液的質(zhì)量在系統(tǒng)吸油口設(shè)置吸油過(guò)濾器11.1，出油口設(shè)置回油過(guò)濾器12.1。選用帶數(shù)顯的壓力計(jì)9.1 和流量計(jì)8.1 方便試驗(yàn)人員監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，提高了試驗(yàn)的安全性。系統(tǒng)設(shè)置了油冷機(jī)14 和加熱器15 實(shí)現(xiàn)對(duì)油液的冷卻和加熱保證系統(tǒng)在安全可靠的溫度范圍內(nèi)工作［3］。

3 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 PXI 測(cè)試系統(tǒng)

PXI 測(cè)試系統(tǒng)由虛擬儀器軟件LabVIEW 和PXI系統(tǒng)組成，PXI 系統(tǒng)包括PXI1062Q 機(jī)箱、PXIe8135 嵌入式控制器、PXI6238 數(shù)據(jù)采集卡和PXIe4492 數(shù)據(jù)采集卡，PXI 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。多種傳感器測(cè)試的信號(hào)直接由PXI 數(shù)據(jù)采集卡采集進(jìn)入上位機(jī)控制器中，激光干涉儀、千分表、激光位移傳感器等測(cè)試儀器以USB 接口的形式直接連接控制器。LabVIEW上位機(jī)監(jiān)控程序作為人機(jī)交互界面包括PXI 數(shù)據(jù)采集程序和自動(dòng)控制程序兩個(gè)部分，試驗(yàn)人員可以通過(guò)對(duì)程序的操作來(lái)設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)，選擇試驗(yàn)項(xiàng)目。試驗(yàn)過(guò)程中信號(hào)檢測(cè)設(shè)備將信號(hào)送入PXI 系統(tǒng)中，信號(hào)經(jīng)調(diào)理分析以數(shù)字或圖形的形式顯示在人機(jī)交互界面上，PXI 數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)全部測(cè)試數(shù)據(jù)的采集，顯示，存儲(chǔ)等功能，能夠根據(jù)試驗(yàn)的需要自動(dòng)生成報(bào)表，供后續(xù)試驗(yàn)分析使用。自動(dòng)控制程序通過(guò)OPC 通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC 的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓加載系統(tǒng)的控制［4-6］。LabVIEW 測(cè)試程序主界面如圖4 所示。

圖3 PXI 測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)LabVIEW 測(cè)試程序主界面

3.2 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)以SIEMENS S7-300 為控制核心，上位機(jī)控制器通過(guò)OPC 通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC 的控制，試驗(yàn)人員能夠通過(guò)手動(dòng)和自動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣系統(tǒng)的控制。手動(dòng)控制通過(guò)上位機(jī)人機(jī)界面按鈕實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)控制通過(guò)上位機(jī)調(diào)用自動(dòng)控制程序?qū)崿F(xiàn)。上位機(jī)或操作臺(tái)發(fā)送控制電機(jī)啟停和電磁閥動(dòng)作的數(shù)字量信號(hào)進(jìn)入PLC，PLC 通過(guò)控制繼電器動(dòng)作實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作，電磁閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)通過(guò)PLC 模擬信號(hào)輸出通道實(shí)現(xiàn)，壓力傳感器、流量傳感器檢測(cè)的液壓缸實(shí)時(shí)工作信號(hào)以模擬量的形式通過(guò)隔離模塊進(jìn)入PLC，PLC 實(shí)時(shí)上傳模擬量信號(hào)和數(shù)字量信號(hào)進(jìn)行上位機(jī)監(jiān)控［7，8］，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓加載系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。電氣控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 電氣控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4 轉(zhuǎn)臺(tái)性能測(cè)試試驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及參考項(xiàng)目說(shuō)明書(shū)的設(shè)計(jì)要求提出了7 種轉(zhuǎn)臺(tái)性能測(cè)試試驗(yàn)項(xiàng)目，已在上位機(jī)軟件中設(shè)置［9-10］。在上位機(jī)LabVIEW 軟件的主界面上每一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)應(yīng)一個(gè)控制按鈕，能夠自動(dòng)調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)相關(guān)性能參數(shù)的測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)按照指定的格式保存及顯示，試驗(yàn)過(guò)程中上位機(jī)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，如系統(tǒng)出現(xiàn)異常將會(huì)以報(bào)警及自動(dòng)停機(jī)的方式提醒試驗(yàn)人員。具體試驗(yàn)項(xiàng)目及方法如下:

(1)空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn):使轉(zhuǎn)臺(tái)按照低速、中速、高速分別正反轉(zhuǎn)各運(yùn)行15min，觀察振動(dòng)頻率和噪聲聲壓是否正常，檢測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)是否可靠、穩(wěn)定有無(wú)阻滯現(xiàn)象，其評(píng)價(jià)閥值根據(jù)不同產(chǎn)品多次實(shí)驗(yàn)獲得;

(2)負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn):按轉(zhuǎn)臺(tái)的最大承載重量的25%，50%，75%，100%加載，分別高速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)，低速運(yùn)轉(zhuǎn)不得少于一圈，檢驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)在負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)是否正常，考核轉(zhuǎn)臺(tái)的承載能力及剛度;

(3)分度精度試驗(yàn):轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面內(nèi)每30°選擇一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)作為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)，轉(zhuǎn)臺(tái)按數(shù)控系統(tǒng)設(shè)置的方向和角度轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)出實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度和指定角度之差即為定位精度，轉(zhuǎn)臺(tái)按一定角度正反重復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)5 次，測(cè)出停止位和基準(zhǔn)點(diǎn)的差值得到重復(fù)定位精度;

(4)靜載試驗(yàn):轉(zhuǎn)臺(tái)靜止不動(dòng)，液壓缸按轉(zhuǎn)臺(tái)額定載荷的25%，50%，75%，100%分別單向加載30min，考核轉(zhuǎn)臺(tái)靜態(tài)承載能力及剛度;

(5)激振試驗(yàn):安裝激振器使激振器激振頭對(duì)準(zhǔn)轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面，調(diào)用高檔數(shù)控機(jī)床如銑齒機(jī)、磨齒機(jī)等切削試驗(yàn)采集的載荷譜，進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載模擬轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際切削工況，對(duì)比轉(zhuǎn)臺(tái)在實(shí)際切削和模擬激振的情況下的切削力傳感器的測(cè)試信號(hào);

(6)制動(dòng)力矩試驗(yàn):將轉(zhuǎn)臺(tái)固定并鎖緊臺(tái)面，按轉(zhuǎn)臺(tái)周向承載能力的10%施加周向載荷或試驗(yàn)人員手動(dòng)施加周向力矩，檢驗(yàn)臺(tái)面是否有轉(zhuǎn)動(dòng)和位移現(xiàn)象;

(7)溫升試驗(yàn):按轉(zhuǎn)臺(tái)最大承載重量的50%，100%分別中速運(yùn)轉(zhuǎn)30min，檢驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)在一定負(fù)載條件下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面、支架、液壓油等溫度是否異常，蝸輪蝸桿副嚙合處油溫不能超過(guò)75℃;

本系統(tǒng)已在山東煙臺(tái)環(huán)球機(jī)床附件集團(tuán)有限公司投入使用，并且運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)論

數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)以PXI 系統(tǒng)為硬件核心，以L(fǎng)abVIEW 為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)并且結(jié)合了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)測(cè)控技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、自動(dòng)化水平高，測(cè)量精度高，且能夠針對(duì)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行多種試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試，滿(mǎn)足了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。但還是存在一定的不足，系統(tǒng)只是參考相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)建立了數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的幾種性能試驗(yàn)項(xiàng)目，并不能完全的檢測(cè)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的綜合性能，如對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的可靠性和密封性檢測(cè)，沒(méi)能在系統(tǒng)中給出行之有效的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)綜合性能的檢測(cè)在以后的項(xiàng)目研究中還需繼續(xù)努力。

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