軸承試驗(yàn)機(jī)網(wǎng)絡(luò)單元及其應(yīng)用

郭紹鵬, 李榮德

(洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司 試驗(yàn)技術(shù)開發(fā)部，河南 洛陽(yáng) 471039)

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日新月異的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)測(cè)控技術(shù)也由簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)傳輸發(fā)展到現(xiàn)在的群測(cè)群控，網(wǎng)絡(luò)測(cè)控產(chǎn)品多種各樣，其通常作為下位機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的測(cè)控。軸承試驗(yàn)機(jī)是專門對(duì)軸承性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試的試驗(yàn)設(shè)備，其調(diào)控對(duì)象為主軸電動(dòng)機(jī)或液壓、氣動(dòng)比例減壓閥。目前，軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)以“工控機(jī)+A/D卡+D/A卡+I/O卡+RS485卡”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是通信速度高，直觀，調(diào)試方便；缺點(diǎn)是成本高，控制線多、長(zhǎng)，信號(hào)易被干擾，系統(tǒng)越大開發(fā)生產(chǎn)周期越長(zhǎng)、工作量大、網(wǎng)絡(luò)化困難?；诖?，介紹了一種Silabs公司推出的以C8051F005型單片機(jī)作為單元核心的多功能模塊，其非常適合在軸承試驗(yàn)機(jī)上作為信號(hào)采集、A/D輸出及與上位機(jī)通信的功能單元使用。

1 C8051F005芯片介紹

C8051F005單片機(jī)原理如圖1所示，其性能指標(biāo)為：12位ADC 8路單端或4路差分輸入，最大采樣速度為100 kHz；一個(gè)可編程放大器，增益為16，8，4，2，1，0.5；內(nèi)置溫度傳感器(±3 ℃)；兩個(gè)12位DAC；21個(gè)矢量中斷源； 4字節(jié)寬I/O端口；所有口線均耐5 V電壓，可同時(shí)使用硬件SMBus(I2CTM兼容)、 SPITM及UART串口;可編程的16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列有5個(gè)捕捉/比較模塊；精確的VDD監(jiān)視器和欠壓檢測(cè)器片內(nèi)JTAG調(diào)試和邊界掃描，片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試(不需仿真器)，支持?jǐn)帱c(diǎn)，單步，觀察點(diǎn)，堆棧監(jiān)視器，觀察/修改存儲(chǔ)器和寄存器；內(nèi)部可編程振蕩器為2～16 MHz，外部振蕩器為晶體、RC，C或外部時(shí)鐘，可在運(yùn)行中切換時(shí)鐘源，適于節(jié)電模式時(shí)使用。

圖1 C8051F005單片機(jī)原理圖

2 工作原理

2.1 下位機(jī)

以網(wǎng)絡(luò)測(cè)試單元作為軸承試驗(yàn)機(jī)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試系統(tǒng)下位機(jī)為目標(biāo)。單元以C8051F005單片機(jī)為核心，測(cè)試軸承溫度、振動(dòng)、載荷等試驗(yàn)參數(shù)，并通過二線制RS485通信方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，同時(shí)接收上位機(jī)指令執(zhí)行動(dòng)作控制及載荷調(diào)節(jié)等。溫度、振動(dòng)、載荷等參數(shù)在0～+5 V，+1～+5 V或-5～+5 V的模擬電壓信號(hào)由IN0～I(xiàn)N7通道輸入，經(jīng)電阻衰減網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入C8051F005進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；0～+24 V轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)經(jīng)光耦隔離后經(jīng)C8051F005多功能端口P0口P0.2位進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)試；電動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)檢測(cè)等開關(guān)量脈沖信號(hào)經(jīng)光耦隔離后經(jīng)P3口進(jìn)行識(shí)別；類似潤(rùn)滑電動(dòng)機(jī)、加載電動(dòng)機(jī)的啟停、加熱器啟停等信號(hào)控制，則由C8051F005的P1口通過繼電器J0～J7實(shí)現(xiàn)；載荷調(diào)節(jié)由C8051F005自帶的兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)輸出控制比例放大器由比例閥實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)測(cè)試單元需3組供電電源，+5 V/3 A電源經(jīng)AS1117穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后，提供+3.3 V DC供C8051F005及外圍低壓器件使用；+24 V電源經(jīng)LM7812穩(wěn)壓器穩(wěn)壓到+12 V，+12 V經(jīng)ICL7660S器件進(jìn)行DC-DC變換為-12 V，此±12 V電源作為信號(hào)放大電源使用； +5 V/3 A電源連同另一路+5 V/1 A電源用于信號(hào)光電隔離供電及JTAG邏輯接口編程及仿真時(shí)使用。另外，網(wǎng)絡(luò)測(cè)試單元與上位機(jī)信息交換通過SP3485芯片和6N137高速光耦實(shí)現(xiàn)。

2.2 上位機(jī)

上位機(jī)為控制中心，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(網(wǎng)絡(luò)單元)進(jìn)行控制，網(wǎng)絡(luò)單元和上位機(jī)通過485通信方式相互交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)控功能。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法是在單片機(jī)中建立公共地址區(qū)，在該地址區(qū)存放單片機(jī)A/D采樣數(shù)據(jù)、數(shù)字輸入、輸出數(shù)據(jù)、D/A輸出數(shù)據(jù)、脈沖計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)的流向如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流向圖

2.3 可靠性

由于設(shè)備需在惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期工作，可靠性尤為重要。為提高試驗(yàn)機(jī)的安全性和抗干擾能力，本單元中采取的措施有：

(1)采用DC-DC變換及降壓穩(wěn)壓措施，供信號(hào)變換、信號(hào)隔離電路使用，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

(2)穩(wěn)壓器件選用低壓差型AS1117器件，減少發(fā)熱，使模塊小型化并安裝在鋁材殼體內(nèi)，提高散熱效果和熱穩(wěn)定性。

(3)進(jìn)線端增加電抗器，用電容濾波方式為運(yùn)放提供干凈電源，減少電源污染。

(4)采取脈沖輸入信號(hào)電路通過光耦與CPU隔離、控制驅(qū)動(dòng)電路通過繼電器與CPU部分隔離；使主機(jī)與殼體接觸良好，并確保接地良好；RC濾波和軟件濾波聯(lián)合使用；PCB板布置電磁屏蔽層[1]等措施，加強(qiáng)信號(hào)抗干擾能力，提高測(cè)控準(zhǔn)確性。

3 實(shí)際應(yīng)用

試驗(yàn)中，通過控制試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速、軸向力和徑向力大小對(duì)軸承的使用工況進(jìn)行模擬，一套工裝上可安裝4套軸承，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。其中，軸承轉(zhuǎn)速、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)電流、軸向力、徑向力、振動(dòng)為整機(jī)的測(cè)試參數(shù)，1#～4#軸承溫度是4套軸承外圈測(cè)試點(diǎn)的溫度。網(wǎng)絡(luò)單元的功能是將現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)(如軸向力，振動(dòng)，溫度等)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)發(fā)給計(jì)算機(jī)，再將上位機(jī)傳來的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成DA輸出，施加給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行部件，執(zhí)行部件(包括變頻器，液壓比例閥等)將電壓值轉(zhuǎn)換成頻率、壓力輸出到電氣元件，達(dá)到對(duì)試驗(yàn)工況的模擬控制。表1為軸承試驗(yàn)機(jī)對(duì)T60-120軸承的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)條件：轉(zhuǎn)速3 000 r/min，軸向力為60 kN，徑向力為150 kN，加速、加載過程控制在30 s以內(nèi)。由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，靜態(tài)誤差小于1%FS,動(dòng)態(tài)誤差小于2%FS，完全滿足試驗(yàn)要求。

表1 試驗(yàn)記錄

4 結(jié)束語(yǔ)

以C8051F005作為單元核心的多功能模塊在軸承試驗(yàn)機(jī)中起下位機(jī)作用，上位機(jī)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)從軸承試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)平臺(tái)上提取。若將本單元拓展應(yīng)用到其他測(cè)控場(chǎng)合，上位機(jī)可以是計(jì)算機(jī)、PLC、觸摸屏等具有異步串行RS485通信功能的設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)可以是一切具有標(biāo)準(zhǔn)0～5 V DC或4～20 mA輸出的傳感器、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字輸入輸出接口或標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)單元在其中起中介作用，整個(gè)過程中單元只負(fù)責(zé)采樣、輸出和傳送，并不參與數(shù)據(jù)整理和計(jì)算，計(jì)算決策權(quán)完全由上位機(jī)控制[2]。網(wǎng)絡(luò)單元可以應(yīng)用在工業(yè)、冶金、鍛造等多種對(duì)測(cè)控信號(hào)在精度和控制時(shí)序上要求不是很高的環(huán)境，其成本低，可靠性高，適合普遍推廣。

另外，若想增強(qiáng)模塊的功能，還可以選擇其他功能更加強(qiáng)大的單元核心，如可以實(shí)現(xiàn)高速AD采樣速率，100 M以太網(wǎng)通信速率的高性能單板機(jī)，其采樣精度高，單元內(nèi)部直接可以進(jìn)行數(shù)字濾波，實(shí)時(shí)反應(yīng)快，可滿足更高的工業(yè)環(huán)境要求，但其開發(fā)難度與開發(fā)成本也相應(yīng)地提高，可以根據(jù)需要進(jìn)行合適的開發(fā)。