基于LabVIEW 的數(shù)控轉臺綜合性能試驗臺測試系統(tǒng)設計*

吳明明，陳 捷，封 楊

(南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院，南京 210009)

0 引言

數(shù)控轉臺作為高檔數(shù)控機床的重要功能部件，其性能的高低直接影響甚至決定數(shù)控機床的精度和總體性能。高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備隸屬于國家中長期科學和技術發(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］。

一臺合格的數(shù)控轉臺，從生產(chǎn)到出廠必然需要對其精度進行多次檢測，并對影響其精度的性能參數(shù)進行測試分析。數(shù)控轉臺精度檢測手段有很多，傳統(tǒng)的方法都是針對單一量檢測，運用專業(yè)儀器人工操作檢測記錄數(shù)據(jù)的，成本高，效率低下，且不能給出數(shù)控轉臺在實時工作狀態(tài)下的多參數(shù)在線檢測，從而制約了數(shù)控轉臺產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的步伐。本文開發(fā)的基于多種傳感器、測試儀器和計算機輔助測試技術的數(shù)控轉臺綜合性能試驗臺測試系統(tǒng)，能夠同時檢測多個數(shù)據(jù)采集點，通過PXI 數(shù)據(jù)采集卡采集一般物理量信號，通過USB 和RS485 通訊接口技術直接采集幾何量信號，電控系統(tǒng)的PLC 通過OPC 通信協(xié)議實現(xiàn)和上位機之間的通信連接，上位機LabVIEW 軟件實現(xiàn)對測試數(shù)據(jù)的分析、處理及顯示等功能。這一系統(tǒng)簡化了轉臺測試系統(tǒng)結構，自動化水平高，功能齊全，降低了試驗成本，具備很好的應用價值。

1 系統(tǒng)組成結構

數(shù)控轉臺綜合性能試驗臺測試系統(tǒng)包括四個組成部分:PXI 測試系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、加載試驗臺架。

PXI 測試系統(tǒng)由多種傳感器及測試儀器、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，負責監(jiān)控試驗過程，對采集的測試數(shù)據(jù)進行分析處理，以數(shù)字和曲線的形式顯示性能參數(shù)并能根據(jù)客戶需求自動生成報表。電氣控制系統(tǒng)以PLC 為核心，執(zhí)行控制器發(fā)出的指令，實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的直接操作。液壓系統(tǒng)包括三個加載油缸，提供試驗臺加載動力源。加載試驗臺架用來安放加載油缸，加載油缸能夠以單獨或組合加載的形式實現(xiàn)加載功能［2］。數(shù)控轉臺綜合性能試驗臺測試系統(tǒng)組成圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)控轉臺綜合性能試驗臺測試系統(tǒng)組成圖

2 液壓系統(tǒng)設計

液壓系統(tǒng)的設計滿足轉臺試驗臺性能測試及加載試驗的設計要求。系統(tǒng)結構簡單、操作方便，由三組驅動電機、變量泵、加載油缸及油冷機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、變量泵、加載油缸組合分別實現(xiàn)對轉臺軸向、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明。軸向加載缸10.1 的往復運動方向由電磁換向閥6. 1 控制，疊加式節(jié)流閥7.1 實現(xiàn)對油缸往復運動速度和負載能力的控制，電機2.1 驅動變量泵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 主要起到過載保護作用。為了提高加載油液的質量在系統(tǒng)吸油口設置吸油過濾器11.1，出油口設置回油過濾器12.1。選用帶數(shù)顯的壓力計9.1 和流量計8.1 方便試驗人員監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)，提高了試驗的安全性。系統(tǒng)設置了油冷機14 和加熱器15 實現(xiàn)對油液的冷卻和加熱保證系統(tǒng)在安全可靠的溫度范圍內工作［3］。

3 計算機測控系統(tǒng)設計

3.1 PXI 測試系統(tǒng)

PXI 測試系統(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 測試系統(tǒng)結構圖如圖3 所示。多種傳感器測試的信號直接由PXI 數(shù)據(jù)采集卡采集進入上位機控制器中，激光干涉儀、千分表、激光位移傳感器等測試儀器以USB 接口的形式直接連接控制器。LabVIEW上位機監(jiān)控程序作為人機交互界面包括PXI 數(shù)據(jù)采集程序和自動控制程序兩個部分，試驗人員可以通過對程序的操作來設置試驗參數(shù)，選擇試驗項目。試驗過程中信號檢測設備將信號送入PXI 系統(tǒng)中，信號經(jīng)調理分析以數(shù)字或圖形的形式顯示在人機交互界面上，PXI 數(shù)據(jù)采集程序實現(xiàn)對系統(tǒng)全部測試數(shù)據(jù)的采集，顯示，存儲等功能，能夠根據(jù)試驗的需要自動生成報表，供后續(xù)試驗分析使用。自動控制程序通過OPC 通訊協(xié)議實現(xiàn)對PLC 的控制，從而實現(xiàn)對液壓加載系統(tǒng)的控制［4-6］。LabVIEW 測試程序主界面如圖4 所示。

圖3 PXI 測試系統(tǒng)結構圖

圖4 計算機測控系統(tǒng)LabVIEW 測試程序主界面

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，上位機控制器通過OPC 通信協(xié)議實現(xiàn)對PLC 的控制，試驗人員能夠通過手動和自動的方式實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)的控制。手動控制通過上位機人機界面按鈕實現(xiàn)，自動控制通過上位機調用自動控制程序實現(xiàn)。上位機或操作臺發(fā)送控制電機啟停和電磁閥動作的數(shù)字量信號進入PLC，PLC 通過控制繼電器動作實現(xiàn)相應的操作，電磁閥的開度調節(jié)通過PLC 模擬信號輸出通道實現(xiàn)，壓力傳感器、流量傳感器檢測的液壓缸實時工作信號以模擬量的形式通過隔離模塊進入PLC，PLC 實時上傳模擬量信號和數(shù)字量信號進行上位機監(jiān)控［7，8］，最終實現(xiàn)對液壓加載系統(tǒng)的實時控制。電氣控制系統(tǒng)硬件結構圖如圖5 所示。

圖5 電氣控制系統(tǒng)硬件結構圖

4 轉臺性能測試試驗項目

根據(jù)查閱相關標準及參考項目說明書的設計要求提出了7 種轉臺性能測試試驗項目，已在上位機軟件中設置［9-10］。在上位機LabVIEW 軟件的主界面上每一個試驗項目對應一個控制按鈕，能夠自動調用子程序實現(xiàn)相關性能參數(shù)的測試。測試數(shù)據(jù)按照指定的格式保存及顯示，試驗過程中上位機對試驗過程進行實時在線監(jiān)測，如系統(tǒng)出現(xiàn)異常將會以報警及自動停機的方式提醒試驗人員。具體試驗項目及方法如下:

(1)空運轉試驗:使轉臺按照低速、中速、高速分別正反轉各運行15min，觀察振動頻率和噪聲聲壓是否正常，檢測轉臺運轉是否可靠、穩(wěn)定有無阻滯現(xiàn)象，其評價閥值根據(jù)不同產(chǎn)品多次實驗獲得;

(2)負載運轉試驗:按轉臺的最大承載重量的25%，50%，75%，100%加載，分別高速和低速運轉，低速運轉不得少于一圈，檢驗轉臺在負荷狀態(tài)下運轉時是否正常，考核轉臺的承載能力及剛度;

(3)分度精度試驗:轉臺臺面內每30°選擇一個目標點作為測量基準點，轉臺按數(shù)控系統(tǒng)設置的方向和角度轉動，測出實際轉動角度和指定角度之差即為定位精度，轉臺按一定角度正反重復轉動5 次，測出停止位和基準點的差值得到重復定位精度;

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

(5)激振試驗:安裝激振器使激振器激振頭對準轉臺臺面，調用高檔數(shù)控機床如銑齒機、磨齒機等切削試驗采集的載荷譜，進行動態(tài)加載模擬轉臺的實際切削工況，對比轉臺在實際切削和模擬激振的情況下的切削力傳感器的測試信號;

(6)制動力矩試驗:將轉臺固定并鎖緊臺面，按轉臺周向承載能力的10%施加周向載荷或試驗人員手動施加周向力矩，檢驗臺面是否有轉動和位移現(xiàn)象;

(7)溫升試驗:按轉臺最大承載重量的50%，100%分別中速運轉30min，檢驗轉臺在一定負載條件下連續(xù)運轉一段時間后轉臺臺面、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75℃;

本系統(tǒng)已在山東煙臺環(huán)球機床附件集團有限公司投入使用，并且運行良好，達到了預期效果。

5 結論

數(shù)控轉臺試驗臺測試系統(tǒng)以PXI 系統(tǒng)為硬件核心，以LabVIEW 為軟件開發(fā)平臺并且結合了先進的計算機測控技術，系統(tǒng)結構緊湊、自動化水平高，測量精度高，且能夠針對數(shù)控轉臺進行多種試驗項目的測試，滿足了系統(tǒng)設計的要求。但還是存在一定的不足，系統(tǒng)只是參考相關的標準建立了數(shù)控轉臺的幾種性能試驗項目，并不能完全的檢測數(shù)控轉臺的綜合性能，如對轉臺的可靠性和密封性檢測，沒能在系統(tǒng)中給出行之有效的方法，實現(xiàn)對轉臺綜合性能的檢測在以后的項目研究中還需繼續(xù)努力。

［1］國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020 年)［EB/OL］，http://www. gov. cn/jrzg/2006-02/09/content_183787.htm.2006 -02 -09.

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