基于LABVIEW的行星滾柱絲杠綜合性能試驗平臺上位機系統設計

張文君，夏 鯤，毛 崢

（上海理工大學電氣工程系，上海 200093；2.上海理工大學創新創業學院；3.上海船舶設備研究所)

0 引言

近年來，行星滾柱絲杠在航天航空和船舶方面的應用取得了驕人的成績，但對行星滾柱絲杠的性能的正確評估一直是限制其廣泛應用的重要瓶頸，行星滾柱絲杠綜合性能對其應用設備的安全起到兜底作用。對行星滾柱絲杠綜合性能安全有效的檢測具有重要意義。

本文設計了行星滾柱絲杠綜合性能試驗平臺上位機系統，包括界面設計、邏輯設計和通信接口設計。該系統具備測量功能、控制功能、保存功能、數據查詢功能和通信功能。以上幾種功能相互獨立，又互為補充。通信是數據采集和控制的基礎，數據采集和控制的正確執行由通信來反映。數據保存是數據查詢的前提和必要條件，數據查詢可以驗證數據保存是否成功。

1 行星滾柱絲杠綜合性能試驗系統整體設計

本文設計的上位機PC 與外部設備的連接方式主要是三種類型：①具備串口通信的傳感器直接與LABVIEW 實現RS232 通信，本文中的拉壓力傳感器、聲級計屬于I 類傳感器；②II 類傳感器經過NI-PCI 板卡后，上位機LABVIEW 通過自帶的DAQ 助手可以實現與板卡間的通信，II類傳感器有圓光柵、鉑電阻及其后續電路；③PLC 與上位機LABVIEW 通過TCP/IP 直接通信，通信接口為RJ45。從而系統實現PCPLC-伺服系統-執行機構的控制回路和傳感器-PC的測量回路。行星滾柱絲杠綜合性能試驗平臺整體框架如圖1所示。

圖1 行星滾柱絲杠綜合性能試驗平臺整體框架

2 行星滾柱絲杠綜合性能上位機系統設計

2.1 上位機系統設計框架

本文對行星滾柱絲杠綜合性能測試過程中的加速度信號、速度信號、位移信號、拉壓力和噪聲信號進行研究后，所設計的行星滾柱絲杠綜合性能上位機測試系統應具備測量功能、控制功能、保存功能、查詢功能和通信功能。行星滾柱絲杠綜合性能上位機系統框圖如圖2所示。

圖2 上位機系統框圖

根據以上功能的設計需求，并考慮到使用的便利性和邏輯的完整性。系統設計了一個系統啟動的主界面、兩個試驗界面和若干小的交互界面。主界面包含了可跳轉至高速試驗界面、精度試驗界面、歷史數據查詢界面、系統參數界面以及登錄界面，主界面如圖3 所示，高速試驗界面主界面和精度試驗主界面分別如圖4和圖5所示。

圖3 系統主界面

圖4 高速試驗界面

圖5 精度試驗界面

2.2 測量功能

在行星滾柱絲杠試驗臺對絲杠進行測量過程中，需要對速度、加速度、溫度、溫位移、位移、噪聲和拉壓力進行實時測量，防止過大的負載對行星滾柱絲杠進行造成不可逆的損傷，同時保證人身安全和試驗臺的安全。高速試驗測量界面包含速度、加速度、噪聲和振動的波形顯示，如圖6 所示。精度試驗包含位移時間關系圖，如圖7所示。

圖6 高速試驗測量界面

圖7 精度試驗測量界面

在測量功能的設計過程中，靈活的使用事件結構完成各種不同功能之間的運行，上位機LABVIEW 通過While 循環掃描事件結構，當上位機捕捉到不同的事件時，執行對應的程序，當上位機捕捉到“開始”按鈕的事件時，開始采集傳感器數據并進行實時顯示。精度試驗測量功能編程面板如圖8所示。

圖8 精度試驗測量功能編程面板

2.3 控制功能

行星滾柱絲杠上位機系統可對伺服系統進行控制。上位機前面板輸入控制參數，將其創建屬性節點，將屬性節點的值與通訊模塊連接，通過TCP 通信將其發送至PLC，實現上位機對PLC 的控制，從而實現上位機對伺服系統的控制。行星滾柱絲杠綜合性能控制程序設計如圖9所示。

圖9 控制功能編程面板

上面對構成控制功能的程序設計做了說明，本文所設計的上位機可以通過前面板進行速度/加速度試驗的選擇，并可靈活的對運行模式和潤滑方式進行設置，同時速度和加速度提供手動輸入，使用者只需鍵盤上輸入欲控制參數即可。同時為了人身安全和試驗臺本身安全，上位機進行了軟限位處理，運動位置只能在左限位和右限位之間，否則控制系統發送停機命令，整個伺服控制系統無法啟動。控制功能設計界面如圖10所示。

圖10 控制功能界面設計

2.4 保存功能

行星滾柱絲杠綜合性能測試過程中，可以實時的觀察各種指標的變化情況，但是僅僅試驗過程中觀察是不夠的，有時候需要對行星滾柱絲杠的性能數據進行溯源時，需要找做過的試驗的數據，可見試驗數據的保存彌足珍貴。在上位機PC 控制伺服系統運行過程中，實時采集數據，并實時保存所采集數據，存在本地緩沖區，當試驗完成后，試驗者可自主選擇是否對試驗數據進行保存。試驗完成后，點擊“保存”按鈕即將試驗和時間對應關系保存到本地的電子表格中，若不想保存，不做任何處理，下一次試驗啟動時，緩沖區數據自動清除。數據實時存儲的編程面板如圖11所示。

圖11 數據實時存儲編程面板

2.5 數據查詢功能

對于一個完善的上位機系統，開發數據查詢功能是非常必要的。本文所開發的歷史數據查詢系統可對前期試驗的數據進行快速的查詢。具體可在檢索項目下拉菜單選擇絲杠編號、試驗日期、試驗單位、試驗人員等四種查詢方式，四個查詢字段是“與”關系，可根據一項或多項字段進行精準查詢。在查詢結果的候選項中，點擊相應的條目，即可立即顯示對應的試驗數據和試驗波形圖。歷史數據查詢功能界面設計如圖12所示。

圖12 歷史數據查詢界面設計

2.6 通信功能

本文所用到的通信方式主要有三種：①串口通信，適用于含有RS232或者RS485通信協議的傳感器；②PCI 板卡通信，適用于TTL 脈沖信號和模擬電流信號，分別接入NI 的脈沖板卡和模擬電流板卡；③TCP通信，適用于上位機與PLC的通信。

串口通信的方式通常是有只發不收、只收不發、邊發邊收、發一次后面一直讀取。根據通信協議，本文選擇給傳感器發一次數據，讀取一次傳感器數值的方法進行通信。串口通訊選擇順序執行，首先選用VISA配置串口對COM口、波特率、數據位和校驗位進行配置，再通過VISA 寫入對傳感器發送報文，執行發送后選擇VISA 讀取對傳感器數值進行讀取，最后選用VISA 關閉結束串口通信。以拉壓力傳感器為例，上位機與串口之間的通信如圖13所示。

圖13 上位機LABVIEW讀取拉壓力數值

NI公司的PCI板卡與LABVIEW 之間通信十分便利，在使用之前，可在NI公司的官網下載DAQ 的安裝包，安裝完后便可在LABVIEW 中選擇DAQ 助手對通信進行配置，選擇與實物對應的型號和通道，即可實現與板卡之間的通信。無論是模擬量還是脈沖量，DAQ 所輸出的值與真實物理量之間存在一個倍數轉換關系，只需在輸出端乘以對應的系數，就可以得到傳感器的數值。NI 通過PCI 板卡與上位機LABVIEW通信的程序設計如圖14所示。

圖14 PCI板卡與上位機通信程序設計

上位機LABVIEW 與PLC 有多種通信方式，由于上位機和PLC 都有RJ45 接口，本文選擇TCP 通信方式。PLC 端完成IP 地址的正確設置以及對遠程PUT/GET 進行授權，并在PLC 端軟件里面創建一個DB 數據塊，同時對數據塊優化塊的訪問。上位機端則需配置以太網地址，保證與PLC 端的IP 地址在同一網段內但是IP不能完全相同，完全相同的IP會帶來訪問沖突的問題，從而導致不能正常建立通信連接。配置好IP后，在LABVIEW 端對通信參數進行配置，便可實現與PLC的通信，上位機與PLC之間的TCP通信LABVIEW程序設計如圖15所示。

圖15 上位機與PLC之間TCP通信程序設計

3 行星滾柱絲杠綜合性能上位機系統檢測

經檢測，該系統功能強大，具有測量功能、控制功能、數據保存、數據查詢和通信功能。測量功能實現了對行星滾柱絲杠綜合性能測量試驗中各種傳感器的數據采集，速度、加速度、溫度、溫位移、位移、噪聲和拉壓力等。控制功能的開發使得只需上位機進行控制參數設定，通過通信的方式傳送給PLC，便可實現伺服系統的控制。數據保存功能讓試驗人員可對每次試驗的數據進行自主保存，且保存格式統一，無須使用者手動輸入，統一化的保存方法也為查詢帶來便利。數據查詢功能的開發讓歷史數據查詢變得高效，本文設計的歷史數據查詢系統，可選擇多種字段進行歷史數據查詢，絲杠編號、試驗日期、試驗單位和試驗人員可任選其一進行查詢。通信功能的開發讓上位機對數據采集和對PLC 的控制得以實現，本系統的開發主要用到三種通信方式，串口通信、PCI 通信和TCP通信。系統設計完成后，與機械部分進行了聯調。通過上位機發送控制參數，設定速度、加速度以及電機的行程完成了高速試驗，測試結果如圖16所示。

圖16 高速試驗測試界面

同時，通過上位機對起點坐標、終點坐標、運行速度和五個目標點的設置后，上位機將控制參數發送至PLC，傳感器實時采集數據，完成了精度試驗，測試結果如圖17所示。

圖17 精度試驗測試界面

4 結束語

為了對行星滾柱絲杠綜合性能進行測試，本文借助LABVIEW，設計了行星滾柱絲杠綜合性試驗平臺上位機測量系統。該系統可對伺服系統進行控制，同時采集絲杠的多種性能參數，對高速試驗下的速度、加速度、噪聲、溫度變化、溫位移進行測量。可對精度試驗下的位移進行測量，并完成精度計算。數據保存和數據查詢為試驗復現提供了便利。實驗結果顯示，該系統可對行星滾柱絲杠綜合性能進行測試，并可對試驗數據進行保存和查詢，該系統推廣價值很大。