滾動直線導軌測控系統(tǒng)設計論文

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1測控系統(tǒng)設計分析

1．1試驗臺結構設計

測試系統(tǒng)的作用是控制機械部件進行運作，其中，驅(qū)動部件帶動試驗臺面部件，使其能夠在床身上進行往復的運動;加載部件能夠?qū)Ρ粶y導軌進行正確的加載，并且可以調(diào)節(jié)力的大小，從而使試驗裝置進行模擬加載跑合試驗;并對相關壽命試驗參數(shù)進行監(jiān)測和采集。這些功能的實現(xiàn)需要搭建完善的測控硬件系統(tǒng)，并且根據(jù)所需要實現(xiàn)的功能，編制完善的試驗控制軟件、測試軟件、數(shù)據(jù)分析軟件等，使試驗臺能夠按照預計的方案進行試驗，并能夠獲得導軌副相關參數(shù)如:型號、載荷、震動等相對工作時間的變化曲線。本試驗臺主要由測控系統(tǒng)、加載力控制系統(tǒng)、驅(qū)動電機控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。

1．2加載力控制系統(tǒng)

1．2．1試驗的加載力分析

我國目前的壽命試驗臺可以進行單條導軌的試驗，然而加載力不能變化，加載方式單一，不能提供高加載。為了提高試驗效率，試驗臺面上表面設置相互平行的三條被測導軌副轉(zhuǎn)接板，每條被測導軌副轉(zhuǎn)接板上均設置一條被測導軌副，被測導軌副轉(zhuǎn)接板可以根據(jù)被測導軌副型號的不同進行更換，保證了試驗裝置的通用性，因此需要三組加載力裝置分別對三條被測導軌進行加載，實現(xiàn)被測導軌可以分別加載或是同時加載;由于工作時，導軌所承受的載荷是變化的，因此加載力的調(diào)節(jié)范圍需要較大，并且現(xiàn)在廠家所使用的導軌最大承載可達到30t，根據(jù)以上要求，選擇液壓加載的方式，液壓加載可以提供高壓力(30t)，并且其傳動平穩(wěn)，可以實現(xiàn)自動過載保護，具有使用壽命長、體積小、重量輕等優(yōu)點，滿足本試驗臺的需求。因此加載部件主要由龍門和三個液壓缸組成，三個液壓缸并排安裝在龍門頂部，可分別對三條被測導軌副進行加載，并且可以根據(jù)實際加載要求更換不同上下加載工裝。

1．2．2加載力控制系統(tǒng)設計

液壓缸加載的控制分為加載動作的控制和加載力大小的控制。加載動作即為液壓缸的伸出和縮回，可以通過三位四通電磁換向閥來控制;加載力的大小通過減壓閥來控制。根據(jù)試驗要求，現(xiàn)設計加載力控制的液動原理圖，當液壓站本身通路正常時，三個減壓閥8接收到AO電壓信號后，輸出相應的壓力，壓力變送器可以監(jiān)測減壓閥輸出壓力的大小，換向閥10接收到減壓閥給的壓力信號后，可以給油缸11相應的液壓力，換向閥的左右電磁鐵的通斷，可以控制油缸流量進入的方向，從而控制油缸的伸出和縮回動作，蓄能器7的作用是保壓，可以避免電機長期連續(xù)工作。減壓閥的控制信號AO要求可以通過程序提供0～10V的電壓信號，工控機給輸出卡信號，使板卡輸出相應的模擬電壓信號給減壓閥，經(jīng)分析PCI-1720是一款具有4路模擬量輸出口的輸出卡，可以提供0～10V范圍的電壓，滿足試驗需求。結合所選板卡及試驗要求，設計加載力大小控制接線，工控機控制采集卡PCI-1720輸出0～10V的電壓信號，板卡VO口輸出的電壓信號發(fā)送給相應的減壓閥，減壓閥為液壓缸的運動提供壓力。電磁閥的控制信號DO要求所選的控制板卡可以給出六位的數(shù)字信號，每兩位高低信號控制一個電磁閥，，當電磁閥右電磁鐵為高信號，左電磁鐵為低信號時，油缸的活塞向下運動，實現(xiàn)伸出動作;當電磁閥左電磁鐵為高信號，右電磁鐵為低信號時，油缸的活塞向上運動，實現(xiàn)縮回動作。經(jīng)分析PCI-7260可以提供8通道大功率繼電器輸出，并且可以單獨控制，滿足試驗需求。結合所選板卡及試驗要求，設計電磁閥的控制接線，工控機控制板卡PCI-7260的NO和COM口向電磁閥發(fā)送數(shù)字信號，六個DO口分別控制三個液壓缸的伸出與縮回動作。由于電磁閥里有磁鐵線圈，當斷電時，它會產(chǎn)生電感電流，其中與電磁閥并聯(lián)的二極管就是為了釋放這些電感電流，防止這些電流加在板卡的端口，影響板卡的性能。

1．3驅(qū)動電機控制系統(tǒng)

1．3．1電機控制的分析

，本試驗臺的運動通過在試驗臺面的一側(cè)安裝齒條，齒條與驅(qū)動部件中的齒輪嚙合，在驅(qū)動部件的帶動下實現(xiàn)試驗臺面部件往復運動的功能。驅(qū)動部件主要是由電機與減速器組成，電機的轉(zhuǎn)速及其正反轉(zhuǎn)一般是由變頻器［9］控制的，變頻器根據(jù)工控機輸入的電壓量，來控制電機的轉(zhuǎn)速，從而控制試驗臺面的移動速度，并且變頻器通過接受相應的數(shù)字信號可以控制電機的啟動和停止;電機要實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)控制，將其電源的相序中任意兩相對調(diào)即可，當試驗臺面運動到最大試驗位置時，變頻器會接收到相應的數(shù)字信號，并且可以輸出信號給電機來改變轉(zhuǎn)向。同時，由于電機的控制程序有出錯的可能，使電機不能正常的正反轉(zhuǎn)，所以還要設計一個急停開關，可以通過人工控制使機床瞬停。

1．3．2電機控制系統(tǒng)設計

變頻器接收到的電壓量和數(shù)字信號都可以由工控機的板卡提供，電機的啟動、停止和正反轉(zhuǎn)要求所選的控制板卡可以給出三位的數(shù)字信號，并可單獨控制，經(jīng)分析PCI-1716可以提供16位數(shù)字量輸入/輸出通道，并且可以提供0～10V的模擬輸出，由于變頻器輸出的電流量比較高，但是板卡輸出的的較小電流信號，因此選用繼電器用于電機的控制系統(tǒng)中，起到電控開關的作用，根據(jù)所選板卡、電器元件及試驗要求，設計使用五個繼電器分別控制電機的停止、啟動和正/反轉(zhuǎn)信號開關以及正向到位和反向到位開關，當繼電器的輸入端接受到板卡PCI-1716相應DO口發(fā)出的數(shù)字信號后，繼電器便處于接通狀態(tài)，變頻器的端口接受到信號后，在輸出信號控制電機的電機的停止、啟動和正/反轉(zhuǎn);正向到位和反向到位信號時要通過光電開關控制的，光電開關安裝在試驗臺面試驗范圍的最遠端，試驗臺面運動到最大試驗距離時，會遮擋光電開關，光電開關給PCI-1716相應DI口的發(fā)出信號，通過工控機中所編程序控制反饋給電機正反轉(zhuǎn)開關，改變電機的轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)試驗臺面的往復運動。正極限和反極限開關是由兩個限位開關實現(xiàn)的，兩個限位開關安裝在試驗臺運動的最遠端，串聯(lián)接在變頻器的急停端口處，一旦試驗臺接觸或是人工觸碰到任意限位開關，試驗臺都會當即停止，防止試驗臺沖出床身，造成事故。

1．4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1．4．1數(shù)據(jù)采集分析

試驗臺往復運行時，被測導軌的振動狀態(tài)可以體現(xiàn)導軌的使用壽命狀況，通過監(jiān)測振動量相對工作時間的變化曲線，可以分析導軌的磨損狀況;同時，加載力也要實時監(jiān)測，確保被測導軌所承受的載荷是按預設的大小施加的;，由于液壓系統(tǒng)中的油缸及油路管道對于減壓閥輸出的壓強有損耗，所以減壓閥的輸出壓強也需要進行監(jiān)測。

1．4．2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

振動量、加載力及液壓力的采集都可以通過板卡采集，并傳送給工控機中顯示出來，經(jīng)分析PCI-1716可以提供16路單端模擬量輸入，滿足試驗需求，傳感器將采集的信號傳送到板卡的AI口，板卡將接收到信號傳送給工控機，工控機將信號的變化曲線顯示在電腦界面上，實現(xiàn)了實時監(jiān)控被測導軌參數(shù)的目的。試驗臺進行壽命試驗時，工控機通過輸出卡PCI1716給變頻器信號，變頻器控制驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，使試驗臺按預計的速度運行，當試驗臺接觸到光電開關時，光電開關給變頻器信號，實現(xiàn)試驗臺的正反轉(zhuǎn)，當試驗臺運行超過設計范圍時，限位開關起到急停作用，工控機還可以通過控制采集卡的數(shù)字輸出，來控制潤滑泵的使用，對被測導軌進行潤滑;試驗臺正常運行時，需要對被測導軌進行加載，PCI1720輸出卡給減壓閥相應的電壓信號，使液壓缸輸出預計的壓力，電磁閥接受PCI7260輸出卡的數(shù)字信號，來控制液壓缸的動作，液壓力計記錄液壓缸的內(nèi)部輸出壓強，力傳感器監(jiān)控被測導軌所受的加載力，幫助液壓缸提供符合試驗要求的加載力;試驗臺正常加載運行時，振動傳感器不斷的將采集到的三條導軌的機械振動量轉(zhuǎn)化成電信號，電信號通過調(diào)理儀的分析轉(zhuǎn)化，傳送給采集卡PCI1716，從而可以在工控機的記錄儀里觀測到振動的變化曲線，記錄試驗臺不同運行速度和不同加載力情況下的被測導軌振動變化曲線，從而來分析導軌的壽命。

2控制系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)試驗的需求，系統(tǒng)的軟件設計包括試驗控制軟件、測試軟件、數(shù)據(jù)分析軟件，針對本試驗臺所要實現(xiàn)的功能，控制軟件主要是電機的控制、液壓缸的加載及潤滑泵的控制，測試軟件主要是液壓缸壓強、被測導軌加載力及振動變化曲線的監(jiān)測，數(shù)據(jù)分析軟件的功能主要是對于試驗數(shù)據(jù)的分析、記錄、調(diào)用及輸出打印等。

2．1系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)主程序流程圖，試驗開始時，首先要確定被測滾動直線導軌副的型號和加載力大小及其試驗環(huán)境，數(shù)據(jù)處理軟件記錄這些參數(shù)的設置，接著把被測件安裝在被測導軌副轉(zhuǎn)接板上，通過按鍵控制開啟潤滑系統(tǒng)，為試驗的進行做準備;接下來，啟動加載液壓缸對被測導軌副進行加載(先空轉(zhuǎn)，然后逐步加載)，通過控制伺服閥以及壓力傳感器的監(jiān)測將載荷加至指定值，并保持載荷不變，來模擬導軌實際工況;然后，啟動振動傳感器，在線監(jiān)測振動量的變化情況，啟動電機控制系統(tǒng)，使工作臺面按試驗計劃往復運作。在測試軟件里，可以對振動量實時監(jiān)測顯示，試驗者通過觀察振動變化曲線來分析導軌使用壽命的狀況。當變化曲線有異樣時，需要觀測被測導軌是否有點蝕，如果有的話，并且導軌的行程沒有達到額定值，說明此產(chǎn)品不合格，數(shù)據(jù)處理軟件記錄下此不合格導軌的信息;若被測導軌沒有發(fā)生點蝕現(xiàn)象并且行程達到額定值，則說明導軌的壽命合格，數(shù)據(jù)處理軟件同樣也記錄下此合格導軌的信息，如此完成導軌的壽命試驗。

2．2試驗臺程序主界面

程序的主界面是利用VisualBasic6．0編寫的，程序的主界面，界面上包含了參數(shù)的設置、壽命試驗的實施、加載力及振動的監(jiān)測、板卡及電機的測試和被測導軌數(shù)據(jù)的分析，數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)的輸出報表等功能。

2．3壽命試驗程序界面

壽命試驗運行的程序界面，可以控制試驗臺往復運行以及加載力的控制。

2．4參數(shù)監(jiān)測界面

，可以實時觀測加載力的變化，振動變化曲線是通過iocomp控件來繪制的，縱坐標為板卡所收集到的傳感器測得的信號。

2．5數(shù)據(jù)處理軟件

本測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件是采用VisualBasic6．0編寫，并結合Access數(shù)據(jù)庫設計了導軌副壽命測量信息數(shù)據(jù)庫、人員及測量標準數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)庫管理軟件，用于保存導軌副參數(shù)信息，壽命測量原始數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)結果等，能夠很好地滿足工廠的實際生產(chǎn)測量需要。

3試驗臺設計成果

為滾動直線導軌壽命試驗臺實物圖，在已經(jīng)設計好的試驗臺機械結構的基礎上，運用上文所分析設計的測控系統(tǒng)，試驗臺面已經(jīng)可以模擬工況的往復運行，并且液壓加載系統(tǒng)可以為三根被測導軌提供0～30t的加載力，在加載力為30t時，試驗臺面可以最高速度正常運行，振動傳感器所收集到的信號可以在參數(shù)監(jiān)測界面進行監(jiān)測，同時試驗數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理軟件保存在數(shù)據(jù)庫中，隨時可以被調(diào)用分析。

4結束語

本文針對滾動直線導軌副試驗臺所需實現(xiàn)的功能問題，對其測控系統(tǒng)進行了研究。結合滾動直線導軌副壽命試驗裝置，提出了試驗臺測控系統(tǒng)的設計方案，用以實現(xiàn)模擬被測導軌在工況下的運行、導軌的加載以及參數(shù)的監(jiān)測功能。本文提出的滾動直線導軌副試驗臺測控系統(tǒng)的設計方案，可為滾動直線導軌副試驗臺的研制提供參考，有助于提高國產(chǎn)滾動直線導軌副的性能。為滾動直線導軌副壽命參數(shù)的分析提供了試驗基礎。

作者：朱倩 馮虎田 歐屹 單位：南京理工大學機械工程學院