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滾動(dòng)直線(xiàn)導軌測控系統設計論文
1測控系統設計分析
1．1試驗臺結構設計
測試系統的作用是控制機械部件進(jìn)行運作，其中，驅動(dòng)部件帶動(dòng)試驗臺面部件，使其能夠在床身上進(jìn)行往復的運動(dòng);加載部件能夠對被測導軌進(jìn)行正確的加載，并且可以調節力的大小，從而使試驗裝置進(jìn)行模擬加載跑合試驗;并對相關(guān)壽命試驗參數進(jìn)行監測和采集。這些功能的實(shí)現需要搭建完善的測控硬件系統，并且根據所需要實(shí)現的功能，編制完善的試驗控制軟件、測試軟件、數據分析軟件等，使試驗臺能夠按照預計的方案進(jìn)行試驗，并能夠獲得導軌副相關(guān)參數如:型號、載荷、震動(dòng)等相對工作時(shí)間的變化曲線(xiàn)。本試驗臺主要由測控系統、加載力控制系統、驅動(dòng)電機控制系統及數據采集系統組成。
1．2加載力控制系統
1．2．1試驗的加載力分析
我國目前的壽命試驗臺可以進(jìn)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接板，每條被測導軌副轉接板上均設置一條被測導軌副，被測導軌副轉接板可以根據被測導軌副型號的不同進(jìn)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(jìn)行加載，實(shí)現被測導軌可以分別加載或是同時(shí)加載;由于工作時(shí)，導軌所承受的載荷是變化的，因此加載力的調節范圍需要較大，并且現在廠(chǎng)家所使用的導軌最大承載可達到30t，根據以上要求，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(dòng)平穩，可以實(shí)現自動(dòng)過(guò)載保護，具有使用壽命長(cháng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，滿(mǎn)足本試驗臺的需求。因此加載部件主要由龍門(mén)和三個(gè)液壓缸組成，三個(gè)液壓缸并排安裝在龍門(mén)頂部，可分別對三條被測導軌副進(jìn)行加載，并且可以根據實(shí)際加載要求更換不同上下加載工裝。
1．2．2加載力控制系統設計
液壓缸加載的控制分為加載動(dòng)作的控制和加載力大小的控制。加載動(dòng)作即為液壓缸的伸出和縮回，可以通過(guò)三位四通電磁換向閥來(lái)控制;加載力的大小通過(guò)減壓閥來(lái)控制。根據試驗要求，現設計加載力控制的液動(dòng)原理圖，當液壓站本身通路正常時(shí)，三個(gè)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(jìn)入的方向，從而控制油缸的伸出和縮回動(dòng)作，蓄能器7的作用是保壓，可以避免電機長(cháng)期連續工作。減壓閥的控制信號AO要求可以通過(guò)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(mǎn)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(xiàn)，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(dòng)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字信號，每?jì)晌桓叩托盘柨刂埔粋�(gè)電磁閥，，當電磁閥右電磁鐵為高信號，左電磁鐵為低信號時(shí)，油缸的活塞向下運動(dòng)，實(shí)現伸出動(dòng)作;當電磁閥左電磁鐵為高信號，右電磁鐵為低信號時(shí)，油缸的活塞向上運動(dòng)，實(shí)現縮回動(dòng)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(mǎn)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(xiàn)，工控機控制板卡PCI-7260的NO和COM口向電磁閥發(fā)送數字信號，六個(gè)DO口分別控制三個(gè)液壓缸的伸出與縮回動(dòng)作。由于電磁閥里有磁鐵線(xiàn)圈，當斷電時(shí)，它會(huì )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驅動(dòng)電機控制系統
1．3．1電機控制的分析
，本試驗臺的運動(dòng)通過(guò)在試驗臺面的一側安裝齒條，齒條與驅動(dòng)部件中的齒輪嚙合，在驅動(dòng)部件的帶動(dòng)下實(shí)現試驗臺面部件往復運動(dòng)的功能。驅動(dòng)部件主要是由電機與減速器組成，電機的轉速及其正反轉一般是由變頻器［9］控制的，變頻器根據工控機輸入的電壓量，來(lái)控制電機的轉速，從而控制試驗臺面的移動(dòng)速度，并且變頻器通過(guò)接受相應的數字信號可以控制電機的啟動(dòng)和停止;電機要實(shí)現正反轉控制，將其電源的相序中任意兩相對調即可，當試驗臺面運動(dòng)到最大試驗位置時(shí)，變頻器會(huì )接收到相應的數字信號，并且可以輸出信號給電機來(lái)改變轉向。同時(shí)，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，所以還要設計一個(gè)急停開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)人工控制使機床瞬停。
1．3．2電機控制系統設計
變頻器接收到的電壓量和數字信號都可以由工控機的板卡提供，電機的啟動(dòng)、停止和正反轉要求所選的控制板卡可以給出三位的數字信號，并可單獨控制，經(jīng)分析PCI-1716可以提供16位數字量輸入/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中，起到電控開(kāi)關(guān)的作用，根據所選板卡、電器元件及試驗要求，設計使用五個(gè)繼電器分別控制電機的停止、啟動(dòng)和正/反轉信號開(kāi)關(guān)以及正向到位和反向到位開(kāi)關(guān)，當繼電器的輸入端接受到板卡PCI-1716相應DO口發(fā)出的數字信號后，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(dòng)和正/反轉;正向到位和反向到位信號時(shí)要通過(guò)光電開(kāi)關(guān)控制的，光電開(kāi)關(guān)安裝在試驗臺面試驗范圍的最遠端，試驗臺面運動(dòng)到最大試驗距離時(shí)，會(huì )遮擋光電開(kāi)關(guān)，光電開(kāi)關(guān)給PCI-1716相應DI口的發(fā)出信號，通過(guò)工控機中所編程序控制反饋給電機正反轉開(kāi)關(guān)，改變電機的轉向，從而實(shí)現試驗臺面的往復運動(dòng)。正極限和反極限開(kāi)關(guān)是由兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)實(shí)現的，兩個(gè)限位開(kāi)關(guān)安裝在試驗臺運動(dòng)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(kāi)關(guān)，試驗臺都會(huì )當即停止，防止試驗臺沖出床身，造成事故。
1．4數據采集系統
1．4．1數據采集分析
試驗臺往復運行時(shí)，被測導軌的振動(dòng)狀態(tài)可以體現導軌的使用壽命狀況，通過(guò)監測振動(dòng)量相對工作時(shí)間的變化曲線(xiàn)，可以分析導軌的磨損狀況;同時(shí)，加載力也要實(shí)時(shí)監測，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(jìn)行監測。
1．4．2數據采集系統設計
振動(dòng)量、加載力及液壓力的采集都可以通過(guò)板卡采集，并傳送給工控機中顯示出來(lái)，經(jīng)分析PCI-1716可以提供16路單端模擬量輸入，滿(mǎn)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(xiàn)顯示在電腦界面上，實(shí)現了實(shí)時(shí)監控被測導軌參數的目的。試驗臺進(jìn)行壽命試驗時(shí)，工控機通過(guò)輸出卡PCI1716給變頻器信號，變頻器控制驅動(dòng)電機的轉速，使試驗臺按預計的速度運行，當試驗臺接觸到光電開(kāi)關(guān)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)給變頻器信號，實(shí)現試驗臺的正反轉，當試驗臺運行超過(guò)設計范圍時(shí)，限位開(kāi)關(guān)起到急停作用，工控機還可以通過(guò)控制采集卡的數字輸出，來(lái)控制潤滑泵的使用，對被測導軌進(jìn)行潤滑;試驗臺正常運行時(shí)，需要對被測導軌進(jìn)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輸出卡的數字信號，來(lái)控制液壓缸的動(dòng)作，液壓力計記錄液壓缸的內部輸出壓強，力傳感器監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(shí)，振動(dòng)傳感器不斷的將采集到的三條導軌的機械振動(dòng)量轉化成電信號，電信號通過(guò)調理儀的分析轉化，傳送給采集卡PCI1716，從而可以在工控機的記錄儀里觀(guān)測到振動(dòng)的變化曲線(xiàn)，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(dòng)變化曲線(xiàn)，從而來(lái)分析導軌的壽命。
2控制系統軟件設計
根據試驗的需求，系統的軟件設計包括試驗控制軟件、測試軟件、數據分析軟件，針對本試驗臺所要實(shí)現的功能，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(dòng)變化曲線(xiàn)的監測，數據分析軟件的功能主要是對于試驗數據的分析、記錄、調用及輸出打印等。
2．1系統主程序流程圖
系統主程序流程圖，試驗開(kāi)始時(shí)，首先要確定被測滾動(dòng)直線(xiàn)導軌副的型號和加載力大小及其試驗環(huán)境，數據處理軟件記錄這些參數的設置，接著(zhù)把被測件安裝在被測導軌副轉接板上，通過(guò)按鍵控制開(kāi)啟潤滑系統，為試驗的進(jìn)行做準備;接下來(lái)，啟動(dòng)加載液壓缸對被測導軌副進(jìn)行加載(先空轉，然后逐步加載)，通過(guò)控制伺服閥以及壓力傳感器的監測將載荷加至指定值，并保持載荷不變，來(lái)模擬導軌實(shí)際工況;然后，啟動(dòng)振動(dòng)傳感器，在線(xiàn)監測振動(dòng)量的變化情況，啟動(dòng)電機控制系統，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(dòng)量實(shí)時(shí)監測顯示，試驗者通過(guò)觀(guān)察振動(dòng)變化曲線(xiàn)來(lái)分析導軌使用壽命的狀況。當變化曲線(xiàn)有異樣時(shí)，需要觀(guān)測被測導軌是否有點(diǎn)蝕，如果有的話(huà)，并且導軌的行程沒(méi)有達到額定值，說(shuō)明此產(chǎn)品不合格，數據處理軟件記錄下此不合格導軌的信息;若被測導軌沒(méi)有發(fā)生點(diǎn)蝕現象并且行程達到額定值，則說(shuō)明導軌的壽命合格，數據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(xiě)的，程序的主界面，界面上包含了參數的設置、壽命試驗的實(shí)施、加載力及振動(dòng)的監測、板卡及電機的測試和被測導軌數據的分析，數據存儲、數據查詢(xún)及數據的輸出報表等功能。
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。
2．4參數監測界面
，可以實(shí)時(shí)觀(guān)測加載力的變化，振動(dòng)變化曲線(xiàn)是通過(guò)iocomp控件來(lái)繪制的，縱坐標為板卡所收集到的傳感器測得的信號。
2．5數據處理軟件
本測控系統的數據處理軟件是采用VisualBasic6．0編寫(xiě)，并結合Access數據庫設計了導軌副壽命測量信息數據庫、人員及測量標準數據庫以及數據庫管理軟件，用于保存導軌副參數信息，壽命測量原始數據，分析數據結果等，能夠很好地滿(mǎn)足工廠(chǎng)的實(shí)際生產(chǎn)測量需要。
3試驗臺設計成果
為滾動(dòng)直線(xiàn)導軌壽命試驗臺實(shí)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，試驗臺面已經(jīng)可以模擬工況的往復運行，并且液壓加載系統可以為三根被測導軌提供0～30t的加載力，在加載力為30t時(shí)，試驗臺面可以最高速度正常運行，振動(dòng)傳感器所收集到的信號可以在參數監測界面進(jìn)行監測，同時(shí)試驗數據通過(guò)數據處理軟件保存在數據庫中，隨時(shí)可以被調用分析。
4結束語(yǔ)
本文針對滾動(dòng)直線(xiàn)導軌副試驗臺所需實(shí)現的功能問(wèn)題，對其測控系統進(jìn)行了研究。結合滾動(dòng)直線(xiàn)導軌副壽命試驗裝置，提出了試驗臺測控系統的設計方案，用以實(shí)現模擬被測導軌在工況下的運行、導軌的加載以及參數的監測功能。本文提出的滾動(dòng)直線(xiàn)導軌副試驗臺測控系統的設計方案，可為滾動(dòng)直線(xiàn)導軌副試驗臺的研制提供參考，有助于提高國產(chǎn)滾動(dòng)直線(xiàn)導軌副的性能。為滾動(dòng)直線(xiàn)導軌副壽命參數的分析提供了試驗基礎。
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