基于LabVIEW的高速電主軸試驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計*

□ 鄔再新 □ 田旭東 □ 王振華 □ 王保民 □ 張亞軍

蘭州理工大學 機電工程學院 蘭州 730050

基于LabVIEW的高速電主軸試驗臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計*

□ 鄔再新 □ 田旭東 □ 王振華 □ 王保民 □ 張亞軍

蘭州理工大學 機電工程學院 蘭州 730050

設(shè)計了高速電主軸試驗臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)采集卡、變頻器、傳感器、計算機來構(gòu)建試驗臺的硬件系統(tǒng)，并通過PCI總線和串行總線來實現(xiàn)其通信。采用LabVIEW軟件開發(fā)平臺對試驗臺的軟件系統(tǒng)進行了設(shè)計，編寫了電主軸試驗臺的數(shù)據(jù)采集程序、電主軸啟?？刂瞥绦颉?shù)據(jù)存儲程序，對電主軸的轉(zhuǎn)速、壓力、電流信號進行實時采集。通過試驗，獲得了高速電主軸的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等主要參數(shù)，為高速電主軸的機電耦合特性分析提供試驗依據(jù)。

高速電主軸 LabVIEW 數(shù)據(jù)采集

虛擬儀器是以計算機軟件為基礎(chǔ)，結(jié)合相關(guān)硬件而組成的，具有虛擬面板的儀器。虛擬儀器技術(shù)是將計算機軟、硬件和總線技術(shù)相結(jié)合的新興技術(shù)，它同時還包含了一些數(shù)字信號處理、數(shù)學建模等現(xiàn)代方法［1］。虛擬儀器在計算機的基礎(chǔ)上通過添加相關(guān)的軟件和硬件，再結(jié)合以上技術(shù)來完成各種數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測和控制等任務［2-4］。虛擬儀器同時還把一般傳統(tǒng)儀器的功能和面板軟件化，即“軟件即儀器”，使之與計算機融為一體。由于虛擬儀器是以計算機為基礎(chǔ)，所以其具有很高的智能化和強大的處理能力，還節(jié)省了很大的費用，并具有操作性強、易用靈活等特點，用戶在操作過程中可以隨時增加和刪除相應儀器的功能，來滿足各種需求和環(huán)境。

本試驗臺是利用基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來精確測量高速電主軸的電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速等信號［5-8］，為高速電主軸的機電耦合特性研究提供實驗依據(jù)。

1 系統(tǒng)硬件

1.1 試驗臺裝置

選用洛軸120MD36Z8.5型電主軸，最大轉(zhuǎn)速36 000 r/min，功率5 kW，頻率600 Hz，額定電壓380 V，額定電流11 A。電主軸試驗臺如圖1所示。

1.2 測試儀器與設(shè)備

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由臺式電腦、PCI數(shù)據(jù)采集卡、變頻器、荷重傳感器、變送器等部分構(gòu)成。

▲圖1 電主軸試驗臺

▲圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)采集卡采用阿爾泰公司的PCI-8602數(shù)據(jù)采集卡，該數(shù)據(jù)采集卡提供了32路單端/16路差分模擬輸入，4路模擬輸出，8路數(shù)字I/O和12 bit的數(shù)模轉(zhuǎn)換精度及一個最高時基為20 MHz的16 bit定時/計數(shù)器，采樣速率為1～250 000 Hz。

（2）荷重傳感器是通過測量受力載體所受的載荷來完成對物體受力大小測量的傳感器裝置，本系統(tǒng)選擇蚌埠傳感器系統(tǒng)工程有限公司JHBM-500G型荷重傳感器，量程為0～500 kg；BSQ-2型變送器，輸出為0～20 mA，采用穩(wěn)壓開關(guān)電源供電，輸出為直流24 V。

此系列傳感器測得載荷信號后經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換，通過PC中的LabVIEW程序處理數(shù)據(jù)，得到圖像。

（3）變頻器采用SINAMICS G120系列變頻器，功率模塊為PM240，控制單元為CU250S-2PN，通信協(xié)議為PROFINET IO，2個模擬量輸出，2個模擬量輸入，用于采集電主軸的轉(zhuǎn)速和電流，并控制電主軸轉(zhuǎn)速。

2 軟件編程

2.1 系統(tǒng)軟件構(gòu)架

基于LabVIEW的高速電主軸機電耦合特性數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用模塊化思想編程，主要有參數(shù)設(shè)定模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)保存模塊，系統(tǒng)軟件構(gòu)成如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由模擬信號輸入、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換、信號處理、接口模塊等組成，數(shù)據(jù)采集是通過傳感器采集被測對象所輸出的信號并使其轉(zhuǎn)換成適于測量的物理量或電信號，再經(jīng)后續(xù)電路和儀器進行傳輸、變換、放大、運算等使之成為易于處理和記錄的信號［9-10］。采集數(shù)據(jù)時先給定初始速度，采集相應數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后，改變電主軸轉(zhuǎn)速，再一次進行數(shù)據(jù)采集。

2.3 數(shù)據(jù)采集與保存子程序

數(shù)據(jù)采集程序用LabVIEW軟件直接編寫。其數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)保存程序、電主軸啟?？刂瞥绦蚍謩e如圖4～圖6所示。

（1）AD數(shù)據(jù)讀取函數(shù)：用于讀取數(shù)據(jù)采集卡采集的實際數(shù)值。

（2）標度變換：由于程序設(shè)定量程為0～10V，數(shù)據(jù)采集卡精度為16位，所以用10 000除以65 536，用所得值乘以實際采集到電壓值進行電壓值轉(zhuǎn)換，得到實際電壓值，再根據(jù)各個信號的測量范圍進行變換。

（3）抽取一維數(shù)組：通過3個“虛擬通道”采集到高速電主軸的各個數(shù)字信號，為了將其分別顯示在各自的波形圖表中，需要將它們從組合的信號里分離出來，用抽取一維數(shù)組將元素分成若干輸出組，依次輸出，再進行變換，得到所需值。

圖5左邊的“創(chuàng)建以系統(tǒng)時間為文件名”程序:每次保存數(shù)據(jù)的文件名稱以數(shù)據(jù)采集剛開始的系統(tǒng)時間命名，以方便查詢系統(tǒng)每個時刻所采集到的數(shù)據(jù)；格式化字符串：使字符串、時間標識、布爾或數(shù)值數(shù)據(jù)格式化為文本；磁盤流讀/寫文本文件:LabVIEW中文本文件以ASCII碼的格式存儲測量數(shù)據(jù)，因此通用性很好，利用磁盤流讀/寫文本文件，不但提高了文本文件的讀寫速度，還可以實現(xiàn)隨機讀寫，特別適合用于連續(xù)讀寫文件。“等待”函數(shù):等待給定的時間長度 ，為了減少程序的CPU占用率以及控制數(shù)據(jù)采集的速度。數(shù)字I/O函數(shù)的輸入：接收計算機發(fā)出的開關(guān)量信號，以對電主軸實施啟?？刂?。

▲圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

▲圖4 數(shù)據(jù)采集與顯示核心程序

▲圖5 數(shù)據(jù)保存核心程序

▲圖6 電主軸啟?？刂瞥绦?/p>

計算機通過上述數(shù)據(jù)采集、保存電主軸轉(zhuǎn)速控制程序，實現(xiàn)對電主軸的實時變速采集，采集高速電主軸的速度、轉(zhuǎn)矩、電流等信號，高速電主軸的數(shù)據(jù)采集前面板如圖7所示。

▲圖7 三通道采集人機界面

表1 空載時電主軸實驗數(shù)據(jù)

3 實驗結(jié)果及分析

空載時電主軸的部分實驗數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制電主軸空載時的電流和壓力曲線，如圖8～圖9所示。

通過對以上數(shù)據(jù)的觀察可知，其最后結(jié)果并不完全接近理想狀態(tài)，即在相同的載荷下，電流隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，壓力隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小，其原因可能有很多種。例如:電主軸運行狀態(tài)不穩(wěn)定；電主軸運行受到外界環(huán)境因素的干擾；傳感器等測量裝置精度低，致使測量數(shù)據(jù)不夠準確。

根據(jù)以上實驗結(jié)果及其分析，后續(xù)工作將對電主軸試驗臺作進一步的改進與完善，使試驗臺能測出精確的數(shù)據(jù)。

▲圖8 電主軸空載時的電流曲線圖

▲圖9 電主軸空載時的壓力曲線圖

4 結(jié)論

利用PCI-8602數(shù)據(jù)采集卡、西門子G120系列變頻器、BSQ-2系列壓力變送器和LabVIEW軟件構(gòu)建一款高速電主軸數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了對高速電主軸3路參數(shù)的自動實時采集、分析、顯示和存儲。系統(tǒng)具有參數(shù)采集精度高、靈活性強、人機界面交互性好等特點，系統(tǒng)還將數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理相互結(jié)合，可以很方便地實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處理到控制的全部工作。此外系統(tǒng)還具有綜合性價比較高、開發(fā)周期短、結(jié)構(gòu)簡單、應用靈活、編程方便、擴展性好等特點，能很好地應對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的后期開發(fā)。

［1］路亞峰，陳義軍，溫新岐，等.虛擬儀器技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望［J］.國外電子測量技術(shù)，2010，29（11）：35-37.

［2］王施平，張緒坤，張進疆.基于LabVIEW的熱泵干燥數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與試驗［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011（8）：40-42.

［3］李玉霞，孟浩然，吳慶林，等.基于LabVIEW的望遠鏡故障診斷與監(jiān)測系統(tǒng)［J］.電子測量技術(shù)，2014,37（1）:84-88.

［4］張健滔，姚志遠，宋小剛，等.基于虛擬儀器的直線超聲電機機械特性測試［J］.振動、測試與診斷，2012，32（2）：218-222.

［5］郜垚.基于LabVIEW的高速機車車輛輔助變流裝置試驗臺的設(shè)計［D］.北京：北京交通大學，2011.

［6］劉龍啟，李銀.基于LabVIEW的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)聽與通信［J］.國外電子測量技術(shù)，2012,31（7）:62-69.

［7］Chen Y，Jin J X.Real-time Measurement and Control System for PMLSM Based on Virtual Instrument［C］. International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices，IEEE，Chengdu，2011.

［8］M Popov A,A Labutin T.Signal Recording System Based on a LabVIEW TM Virtual Instrument Using a Multichannel High Speed ADC ［J］.Measurement Techniques,2011,54（2）:213-218.

［9］朱洪波，康龍云，楊會州.基于LabVIEW 的復合能源電動汽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.測控技術(shù)，2011（8）:19-22.

［10］高明，孟建軍，祁文哲，等.基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.鐵路計算機應用，2009，18（2）：1-3.

（編輯 小 前）

The designed data acquisition system applied to high-speed motorized spindles test station adopts data acquisition card,inverter,sensors and computer to build the hardware system of the test station and achieve their communications via the PCI bus and the serial bus.The software system of the test station is designed by introducing LabVIEW software development platform and the software system covers the data acquisition program for the test station of the motorized spindle,control program for spindle start/stop,data storage program etc.This system can collect the signals for speed,pressure,current in real time.By experiment it is available to obtain the major parameters of high-speed motorized spindle such as its current, torque,speed etc.and provide experimental evidence for analysis of electromechanical coupling features of the high speed motorized spindle.

High Speed Motorized Spindle Lab VIEW Data Acquisition

TH123

A

1000-4998（2015）10-0047-03

*國家自然科學基金資助項目（編號：51165024）

甘肅省自然科學基金資助項目（編號：1208RJZA131）

2015年4月