基于LabVIEW的高速滾珠絲杠副綜合測(cè)試系統(tǒng)研發(fā)*

袁 帥 杜長(zhǎng)江

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116023)

滾珠絲杠副是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響數(shù)控機(jī)床的整體性能［1］。隨著機(jī)械產(chǎn)品、數(shù)控機(jī)床的高速化、高精度化、復(fù)合化與環(huán)保化發(fā)展，滾珠絲杠副也需要向高速化、高精度化方向發(fā)展，而高速、精密滾珠絲杠副必須有先進(jìn)的性能檢測(cè)裝置作為保障。

由于國(guó)外高精技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)口受限以及對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的封鎖，目前，國(guó)內(nèi)高速滾珠絲杠副的發(fā)展水平和國(guó)外相比還有不小的差距。除了原材料和加工設(shè)備的精度等因素外，沒(méi)有完善的試驗(yàn)檢測(cè)手段是制約其發(fā)展的一個(gè)重要原因。因此，建立并實(shí)施一套高速滾珠絲杠副綜合性能測(cè)試系統(tǒng)是突破制約高速精密滾珠絲杠副性能提高瓶頸的關(guān)鍵。

為滿(mǎn)足高檔數(shù)控機(jī)床對(duì)滾珠絲杠副的要求，國(guó)內(nèi)專(zhuān)家學(xué)者圍繞滾珠絲杠副性能檢測(cè)展開(kāi)了大量研究，取得了一些成果：張佐營(yíng)等［2］對(duì)滾珠絲杠副的軸向振動(dòng)進(jìn)行了研究，探求到滾珠對(duì)返向器的沖擊是激勵(lì)滾珠絲杠副軸向振動(dòng)的主要因素；陳曼龍［3］等提出了一種在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上測(cè)量滾珠絲杠副螺距誤差的方法和理論依據(jù)；劉曉慧［4］等分析了滾珠絲杠副摩擦力矩影響因素，提出了摩擦力矩的測(cè)試方法；文獻(xiàn)［5］采用模塊化設(shè)計(jì)思想，在Windows環(huán)境下，用VC++和Measurement Studio開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)滾珠絲杠副測(cè)試系統(tǒng)；北京機(jī)床研究所焦?jié)嵉龋?］于2000年研制成了“GSZ2000高速滾珠絲杠副性能測(cè)試儀”，該儀器可測(cè)試高速滾珠絲杠副的定位精度、速度及加速度、噪聲、溫升及熱位移；山東博特公司王兆坦等在對(duì)影響滾珠絲杠副熱伸長(zhǎng)的因素及解決對(duì)策研究基礎(chǔ)上［7］，研制開(kāi)發(fā)了多種滾珠絲杠副綜合性能測(cè)量?jī)x器，開(kāi)展了滾珠絲杠副速度、加速度、溫升、熱位移、噪聲、靜剛度、摩擦力矩等性能指標(biāo)的測(cè)量與研究［8-11］；宋現(xiàn)春等［12］提出了一種基于80C552單片機(jī)的摩擦力矩測(cè)量系統(tǒng)，并嘗試將虛擬儀器技術(shù)運(yùn)用到滾珠絲杠副摩擦力矩測(cè)試中來(lái)［13］，使得系統(tǒng)的測(cè)試、分析過(guò)程更加方便、迅速。

調(diào)研結(jié)果表明，現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道或者是僅對(duì)滾珠絲杠副的某項(xiàng)具體檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行研究(如文獻(xiàn)［2-4，12］)；或者針對(duì)某種具體滾珠絲杠(如文獻(xiàn)［5］)進(jìn)行研究；圍繞高速滾珠絲杠副綜合性能測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)展研究的，主要有北京機(jī)床研究所和山東博特公司，其中，北京機(jī)床研究所研發(fā)的“GSZ2000高速滾珠絲杠副性能測(cè)試儀”，因?yàn)楫?dāng)時(shí)采用的軟硬件技術(shù)的限制，該測(cè)試儀能測(cè)量的絲杠副最大長(zhǎng)度為3000 mm，主軸轉(zhuǎn)速僅為l～30 r/min；山東博特公司王兆坦等研發(fā)的滾珠絲杠副綜合性能測(cè)量?jī)x器，能測(cè)量絲杠的最大長(zhǎng)度為2 m，實(shí)際工作行程小于1.8 m，可以完成加速度、速度、定位精度以及絲杠熱伸長(zhǎng)的在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，引入虛擬儀器技術(shù)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了滾珠絲杠副綜合性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)可測(cè)試絲杠副長(zhǎng)度在2～4 m可調(diào)，直徑范圍20～80 mm，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)到6000 r/min，負(fù)載工作臺(tái)最高移動(dòng)速度120 m/min。利用該實(shí)驗(yàn)裝置可對(duì)滾珠絲杠副的加速度、速度、溫升、熱位移、噪聲、定位精度及重復(fù)定位精度、靜剛度、靜載荷及動(dòng)載荷、摩擦力矩等性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，所做研究對(duì)豐富滾珠絲杠副的性能檢測(cè)手段、改進(jìn)改良設(shè)計(jì)缺陷以及提高國(guó)內(nèi)滾動(dòng)部件生產(chǎn)制造業(yè)的整體水平具有一定的參考價(jià)值。

1 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成及工作原理

測(cè)試系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在主軸支撐中，角接觸球軸承成對(duì)雙聯(lián)安裝，承受徑向載荷的同時(shí)可以承受雙向軸向載荷，極限轉(zhuǎn)速較高。絲杠與伺服電動(dòng)機(jī)直連，省去齒輪傳遞環(huán)節(jié)，簡(jiǎn)化了實(shí)際系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，布置在工作臺(tái)上的各式傳感器能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)絲杠運(yùn)行時(shí)的各種參數(shù)，實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠綜合特性的在線(xiàn)測(cè)量。

整個(gè)系統(tǒng)的硬件連接及工作原理如圖2。角度編碼器與光柵尺配合使用，由上位機(jī)中IK220對(duì)兩路數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行比較。當(dāng)絲杠運(yùn)行到左右行程極限反轉(zhuǎn)時(shí)，工作臺(tái)由于絲杠的空回間隙不能立即回移，所以光柵尺不會(huì)產(chǎn)生位移脈沖信號(hào)。此時(shí)間段內(nèi)角度編碼器所測(cè)得的主軸轉(zhuǎn)角即為絲杠的空回轉(zhuǎn)角，該值與導(dǎo)程的乘積則為反向間隙。這種測(cè)量方法比利用電動(dòng)機(jī)編碼器進(jìn)行測(cè)量更為精確，消除了中間傳遞環(huán)節(jié)引入的誤差。通過(guò)對(duì)光柵尺輸出的測(cè)量信號(hào)對(duì)時(shí)間進(jìn)行微分計(jì)算，可以間接得到工作臺(tái)的直線(xiàn)速度與加速度。

動(dòng)態(tài)扭矩傳感器由一對(duì)伺服專(zhuān)用高剛性金屬板簧聯(lián)軸器嵌入絲杠與電動(dòng)機(jī)之間，可以直接檢測(cè)電動(dòng)機(jī)輸出端傳遞給絲杠的扭矩值，在高速狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)對(duì)扭矩大小的監(jiān)測(cè)，在低速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)時(shí)可以間接測(cè)量絲杠副的摩擦力矩。加速度計(jì)和鉑電阻貼片分別固定粘貼于螺母附近及其外表面，直徑1/4英寸的精密傳聲器懸掛于工作臺(tái)下方朝向螺母，構(gòu)成對(duì)絲杠溫度和螺母振動(dòng)、噪聲和溫升等特性參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量。紅外溫度傳感器與電渦流微位移傳感器都由支架與測(cè)試臺(tái)床身固定，紅外傳感器能夠非接觸地測(cè)量絲杠的溫度，改進(jìn)了以往需等絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)停止后由人工測(cè)量的檢測(cè)方法，更好地實(shí)現(xiàn)測(cè)量的實(shí)時(shí)性。由于絲杠與左右支撐端均為脹緊連接，絲杠與軸承座不存在相對(duì)移動(dòng)，左支撐固定右支撐浮動(dòng)的裝夾方式?jīng)Q定了絲杠的膨脹伸長(zhǎng)量可以通過(guò)電渦流微位移傳感器測(cè)量脹套鎖緊端蓋的端面變動(dòng)獲得。

2 測(cè)試系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

滾珠絲杠綜合測(cè)試系統(tǒng)采用LabVIEW8.2開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)把子程序的動(dòng)態(tài)調(diào)用技術(shù)與Subpanel控件結(jié)合，為以后程序功能的擴(kuò)展預(yù)留了接入口。系統(tǒng)主要包括儀器校準(zhǔn)和綜合測(cè)試兩部分，如圖3所示。儀器校準(zhǔn)主要實(shí)現(xiàn)測(cè)試臺(tái)上傳感器長(zhǎng)期使用后的再次測(cè)定，通過(guò)輸入標(biāo)準(zhǔn)物理量檢查傳感器輸出值的準(zhǔn)確程度，以便傳感器及時(shí)得到維修和更換，保證采集數(shù)據(jù)的可靠性；綜合測(cè)試包括對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、回放、清除及部分?jǐn)?shù)據(jù)的分析和報(bào)表生成，總體框架應(yīng)用了狀態(tài)機(jī)的編程模式。狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)是采用while循環(huán)內(nèi)嵌套case結(jié)構(gòu)，并用枚舉型常量作為狀態(tài)變量，進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。每個(gè)功能設(shè)置為一個(gè)狀態(tài)分支，彼此間依靠狀態(tài)轉(zhuǎn)換變量連接。在數(shù)據(jù)采集狀態(tài)分支中，為了防止數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的速度不同導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，使用queue技術(shù)將兩個(gè)并行while循環(huán)連接起來(lái)構(gòu)成的生產(chǎn)消費(fèi)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集與儲(chǔ)存。

根據(jù)系統(tǒng)軟件的功能結(jié)構(gòu)方案，設(shè)計(jì)了4個(gè)分支程序流程，通過(guò)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行調(diào)度。其中，數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)流程如圖4所示。

測(cè)試停止以后會(huì)提示數(shù)據(jù)保存。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)為T(mén)DMS格式，臨時(shí)存儲(chǔ)部分的程序如圖5所示。各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)存于TDMS文件中同一組的不同通道下，同時(shí)在波形圖表中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。這樣設(shè)計(jì)可以節(jié)省硬盤(pán)存儲(chǔ)空間，同時(shí)把采集到的數(shù)據(jù)邊采邊存于本地磁盤(pán)，不會(huì)造成占用過(guò)多內(nèi)存，從而提高了計(jì)算機(jī)的執(zhí)行效率，保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)回放功能可以選擇性查看之前數(shù)據(jù)存儲(chǔ)文件夾下保存的TDMS格式的歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)回放的同時(shí)還可以進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)分析，包括速度、加速度、溫度和位移等時(shí)域信號(hào)的最大、最小值提取，以及噪聲與振動(dòng)信號(hào)的頻譜分析［14］，并把TMDS中文件數(shù)據(jù)輸出到Excel中保存，方便脫離該測(cè)試系統(tǒng)查看和供其他分析使用。其程序?qū)崿F(xiàn)如圖6所示。

報(bào)表生成功能能夠自動(dòng)保存被測(cè)滾珠絲杠的檢測(cè)報(bào)告為Word文件。報(bào)表程序的設(shè)計(jì)使用了LabVIEW的Report Generation函數(shù)子模板下的函數(shù)進(jìn)行編寫(xiě)，程序中靈活運(yùn)行case結(jié)構(gòu)，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)報(bào)表的不同部分進(jìn)行條件選擇，對(duì)相同部分的程序進(jìn)行代碼共用，精簡(jiǎn)了程序的代碼。

3 測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行與測(cè)試仿真實(shí)例分析

測(cè)試系統(tǒng)程序可以在LabVIEW開(kāi)發(fā)平臺(tái)下生成應(yīng)用程序安裝包，在未安裝LabVIEW軟件的機(jī)器上安裝后使用。測(cè)試系統(tǒng)的操作面板如圖7所示。

滾珠絲杠的實(shí)際測(cè)試是按設(shè)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)高速運(yùn)轉(zhuǎn)于滾珠絲杠測(cè)試臺(tái)上，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不同的特性數(shù)據(jù)通過(guò)各自的傳感器一次性完成采集，并送給上位工控機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。為驗(yàn)證綜合測(cè)試系統(tǒng)的多路數(shù)據(jù)采集和處理等功能，將采樣頻率為10 kHz的模擬仿真信號(hào)輸入系統(tǒng)，運(yùn)行5次的結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯鱿到y(tǒng)對(duì)多路信號(hào)同時(shí)采集時(shí)，多路信號(hào)的處理和分支路存儲(chǔ)運(yùn)行正常。

利用NI的硬件配置管理軟件MAX可以實(shí)現(xiàn)脫離硬件進(jìn)行仿真的功能，可以在無(wú)數(shù)據(jù)采集卡的工控機(jī)上進(jìn)行軟件的安裝和程序調(diào)試［15］。使用DAQmx采集卡驅(qū)動(dòng)函數(shù)構(gòu)建的數(shù)據(jù)采集程序如圖9所示，可以實(shí)現(xiàn)單通道或多通道3%噪聲的滿(mǎn)程正弦模擬仿真信號(hào)的輸出。使用MAX創(chuàng)建PCI-M6250多功能數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行系統(tǒng)軟件的程序測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖10所示，證明該系統(tǒng)軟件在線(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集功能調(diào)試成功，軟件運(yùn)行正常。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用各種專(zhuān)業(yè)傳感器及美國(guó)NI多功能M系列數(shù)據(jù)采集卡PCI6250作為測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集前端，以LabVIEW為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于LabVIEW的高速滾珠絲杠副綜合性能測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本低、開(kāi)發(fā)周期短、測(cè)試項(xiàng)目齊全，可測(cè)絲杠規(guī)格范圍廣，測(cè)試臺(tái)主軸轉(zhuǎn)速高，加速度快，能夠滿(mǎn)足多種型號(hào)滾珠絲杠副的性能檢測(cè)。數(shù)據(jù)仿真試驗(yàn)為程序的調(diào)試和驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)支持和試驗(yàn)依據(jù)，程序上各功能的模塊化嵌套設(shè)計(jì)方案使虛擬儀器的功能擴(kuò)展性更強(qiáng)，體現(xiàn)出了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)布局的靈活性、人機(jī)界面的友好性和功能實(shí)現(xiàn)的可行性。該測(cè)試系統(tǒng)的成功研制能夠?yàn)楦咚贊L珠絲杠副關(guān)鍵技術(shù)的不斷改進(jìn)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有參考價(jià)值的測(cè)試數(shù)據(jù)，作為理論轉(zhuǎn)化為實(shí)際的反饋手段，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

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