滾動直線導軌測控系統設計論文

1測控系統設計分析

1．1試驗檯結構設計

測試系統的作用是控制機械部件進行運作，其中，驅動部件帶動試驗檯面部件，使其能夠在牀身上進行往復的運動;加載部件能夠對被測導軌進行正確的加載，並且可以調節力的大小，從而使試驗裝置進行模擬加載跑合試驗;並對相關壽命試驗參數進行監測和採集。這些功能的實現需要搭建完善的測控硬件系統，並且根據所需要實現的功能，編制完善的試驗控制軟件、測試軟件、數據分析軟件等，使試驗檯能夠按照預計的方案進行試驗，並能夠獲得導軌副相關參數如:型號、載荷、震動等相對工作時間的變化曲線。本試驗檯主要由測控系統、加載力控制系統、驅動電機控制系統及數據採集系統組成。

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檯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。爲了提高試驗效率，試驗檯面上表面設定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定一條被測導軌副，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，實現被測導軌可以分別加載或是同時加載;由於工作時，導軌所承受的載荷是變化的，因此加載力的調節範圍需要較大，並且現在廠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)，並且其傳動平穩，可以實現自動過載保護，具有使用壽命長、體積小、重量輕等優點，滿足本試驗檯的需求。因此加載部件主要由龍門和三個液壓缸組成，三個液壓缸並排安裝在龍門頂部，可分別對三條被測導軌副進行加載，並且可以根據實際加載要求更換不同上下加載工裝。

1．2．2加載力控制系統設計

液壓缸加載的控制分爲加載動作的控制和加載力大小的控制。加載動作即爲液壓缸的伸出和縮回，可以透過三位四通電磁換向閥來控制;加載力的大小透過減壓閥來控制。根據試驗要求，現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電壓信號後，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後，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工作。減壓閥的控制信號AO要求可以透過程序提供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範圍的電壓，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，工控機控制採集卡PCI-1720輸出0～10V的電壓信號，板卡VO口輸出的電壓信號發送給相應的減壓閥，減壓閥爲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，，當電磁閥右電磁鐵爲高信號，左電磁鐵爲低信號時，油缸的活塞向下運動，實現伸出動作;當電磁閥左電磁鐵爲高信號，右電磁鐵爲低信號時，油缸的活塞向上運動，實現縮回動作。經分析PCI-7260可以提供8通道大功率繼電器輸出，並且可以單獨控制，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口向電磁閥發送數字信號，六個DO口分別控制三個液壓缸的伸出與縮回動作。由於電磁閥裏有磁鐵線圈，當斷電時，它會產生電感電流，其中與電磁閥並聯的二極管就是爲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驅動電機控制系統

1．3．1電機控制的分析

，本試驗檯的運動透過在試驗檯面的一側安裝齒條，齒條與驅動部件中的齒輪齧合，在驅動部件的帶動下實現試驗檯面部件往復運動的功能。驅動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，來控制電機的轉速，從而控制試驗檯面的移動速度，並且變頻器透過接受相應的數字信號可以控制電機的啓動和停止;電機要實現正反轉控制，將其電源的相序中任意兩相對調即可，當試驗檯面運動到最大試驗位置時，變頻器會接收到相應的數字信號，並且可以輸出信號給電機來改變轉向。同時，由於電機的控制程序有出錯的可能，使電機不能正常的正反轉，所以還要設計一個急停開關，可以透過人工控制使機牀瞬停。

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，電機的啓動、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，並可單獨控制，經分析PCI-1716可以提供16位數字量輸入/輸出通道，並且可以提供0～10V的模擬輸出，由於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，因此選用繼電器用於電機的控制系統中，起到電控開關的作用，根據所選板卡、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、啓動和正/反轉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口發出的數字信號後，繼電器便處於接通狀態，變頻器的端口接受到信號後，在輸出信號控制電機的電機的停止、啓動和正/反轉;正向到位和反向到位信號時要透過光電開關控制的，光電開關安裝在試驗檯面試驗範圍的最遠端，試驗檯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口的發出信號，透過工控機中所編程序控制反饋給電機正反轉開關，改變電機的轉向，從而實現試驗檯面的往復運動。正極限和反極限開關是由兩個限位開關實現的，兩個限位開關安裝在試驗檯運動的最遠端，串聯接在變頻器的急停端口處，一旦試驗檯接觸或是人工觸碰到任意限位開關，試驗檯都會當即停止，防止試驗檯衝出牀身，造成事故。

1．4數據採集系統

1．4．1數據採集分析

試驗檯往復執行時，被測導軌的振動狀態可以體現導軌的`使用壽命狀況，透過監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，加載力也要實時監測，確保被測導軌所承受的載荷是按預設的大小施加的;，由於液壓系統中的油缸及油路管道對於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測。

1．4．2數據採集系統設計

振動量、加載力及液壓力的採集都可以透過板卡採集，並傳送給工控機中顯示出來，經分析PCI-1716可以提供16路單端模擬量輸入，滿足試驗需求，傳感器將採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介面上，實現了實時監控被測導軌參數的目的。試驗檯進行壽命試驗時，工控機透過輸出卡PCI1716給變頻器信號，變頻器控制驅動電機的轉速，使試驗檯按預計的速度執行，當試驗檯接觸到光電開關時，光電開關給變頻器信號，實現試驗檯的正反轉，當試驗檯執行超過設計範圍時，限位開關起到急停作用，工控機還可以透過控制採集卡的數字輸出，來控制潤滑泵的使用，對被測導軌進行潤滑;試驗檯正常執行時，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輸出卡的數字信號，來控制液壓缸的動作，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;試驗檯正常加載執行時，振動傳感器不斷的將採集到的三條導軌的機械振動量轉化成電信號，電信號透過調理儀的分析轉化，傳送給採集卡PCI1716，從而可以在工控機的記錄儀裏觀測到振動的變化曲線，記錄試驗檯不同執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，針對本試驗檯所要實現的功能，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變化曲線的監測，數據分析軟件的功能主要是對於試驗數據的分析、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境，數據處理軟件記錄這些參數的設定，接着把被測件安裝在被測導軌副轉接板上，透過按鍵控制開啓潤滑系統，爲試驗的進行做準備;接下來，啓動加載液壓缸對被測導軌副進行加載(先空轉，然後逐步加載)，透過控制伺服閥以及壓力傳感器的監測將載荷加至指定值，並保持載荷不變，來模擬導軌實際工況;然後，啓動振動傳感器，在線監測振動量的變化情況，啓動電機控制系統，使工作臺面按試驗計劃往復運作。在測試軟件裏，可以對振動量實時監測顯示，試驗者透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，並且導軌的行程沒有達到額定值，說明此產品不合格，數據處理軟件記錄下此不合格導軌的資訊;若被測導軌沒有發生點蝕現象並且行程達到額定值，則說明導軌的壽命合格，數據處理軟件同樣也記錄下此合格導軌的資訊，如此完成導軌的壽命試驗。

2．2試驗檯程序主介面

程序的主介面是利用VisualBasic6．0編寫的，程序的主介面，介面上包含了參數的設定、壽命試驗的實施、加載力及振動的監測、板卡及電機的測試和被測導軌數據的分析，數據存儲、數據查詢及數據的輸出報表等功能。

2．3壽命試驗程序介面

壽命試驗執行的程序介面，可以控制試驗檯往復執行以及加載力的控制。

2．4參數監測介面

，可以實時觀測加載力的變化，振動變化曲線是透過iocomp控件來繪製的，縱座標爲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採用VisualBasic6．0編寫，並結合Access數據庫設計了導軌副壽命測量資訊數據庫、人員及測量標準數據庫以及數據庫管理軟件，用於儲存導軌副參數資訊，壽命測量原始數據，分析數據結果等，能夠很好地滿足工廠的實際生產測量需要。

3試驗檯設計成果

爲滾動直線導軌壽命試驗檯實物圖，在已經設計好的試驗檯機械結構的基礎上，運用上文所分析設計的測控系統，試驗檯面已經可以模擬工況的往復執行，並且液壓加載系統可以爲三根被測導軌提供0～30t的加載力，在加載力爲30t時，試驗檯面可以最高速度正常執行，振動傳感器所收集到的信號可以在參數監測介面進行監測，同時試驗數據透過數據處理軟件儲存在數據庫中，隨時可以被調用分析。

4結束語

本文針對滾動直線導軌副試驗檯所需實現的功能問題，對其測控系統進行了研究。結合滾動直線導軌副壽命試驗裝置，提出了試驗檯測控系統的設計方案，用以實現模擬被測導軌在工況下的執行、導軌的加載以及參數的監測功能。本文提出的滾動直線導軌副試驗檯測控系統的設計方案，可爲滾動直線導軌副試驗檯的研製提供參考，有助於提高國產滾動直線導軌副的性能。爲滾動直線導軌副壽命參數的分析提供了試驗基礎。