滚动直线导轨测控系统设计论文

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1测控系统设计分析

1．1试验台结构设计

测试系统的作用是控制机械部件进行运作，其中，驱动部件带动试验台面部件，使其能够在床身上进行往复的运动;加载部件能够对被测导轨进行正确的加载，并且可以调节力的大小，从而使试验装置进行模拟加载跑合试验;并对相关寿命试验参数进行监测和采集。这些功能的实现需要搭建完善的测控硬件系统，并且根据所需要实现的功能，编制完善的试验控制软件、测试软件、数据分析软件等，使试验台能够按照预计的方案进行试验，并能够获得导轨副相关参数如:型号、载荷、震动等相对工作时间的变化曲线。本试验台主要由测控系统、加载力控制系统、驱动电机控制系统及数据采集系统组成。

1．2加载力控制系统

1．2．1试验的加载力分析

我国目前的寿命试验台可以进行单条导轨的试验，然而加载力不能变化，加载方式单一，不能提供高加载。为了提高试验效率，试验台面上表面设置相互平行的三条被测导轨副转接板，每条被测导轨副转接板上均设置一条被测导轨副，被测导轨副转接板可以根据被测导轨副型号的不同进行更换，保证了试验装置的通用性，因此需要三组加载力装置分别对三条被测导轨进行加载，实现被测导轨可以分别加载或是同时加载;由于工作时，导轨所承受的载荷是变化的，因此加载力的调节范围需要较大，并且现在厂家所使用的导轨最大承载可达到30t，根据以上要求，选择液压加载的方式，液压加载可以提供高压力(30t)，并且其传动平稳，可以实现自动过载保护，具有使用寿命长、体积小、重量轻等优点，满足本试验台的需求。因此加载部件主要由龙门和三个液压缸组成，三个液压缸并排安装在龙门顶部，可分别对三条被测导轨副进行加载，并且可以根据实际加载要求更换不同上下加载工装。

1．2．2加载力控制系统设计

液压缸加载的控制分为加载动作的控制和加载力大小的控制。加载动作即为液压缸的伸出和缩回，可以通过三位四通电磁换向阀来控制;加载力的大小通过减压阀来控制。根据试验要求，现设计加载力控制的液动原理图，当液压站本身通路正常时，三个减压阀8接收到AO电压信号后，输出相应的压力，压力变送器可以监测减压阀输出压力的大小，换向阀10接收到减压阀给的压力信号后，可以给油缸11相应的液压力，换向阀的左右电磁铁的通断，可以控制油缸流量进入的方向，从而控制油缸的伸出和缩回动作，蓄能器7的作用是保压，可以避免电机长期连续工作。减压阀的控制信号AO要求可以通过程序提供0～10V的电压信号，工控机给输出卡信号，使板卡输出相应的模拟电压信号给减压阀，经分析PCI-1720是一款具有4路模拟量输出口的输出卡，可以提供0～10V范围的电压，满足试验需求。结合所选板卡及试验要求，设计加载力大小控制接线，工控机控制采集卡PCI-1720输出0～10V的电压信号，板卡VO口输出的电压信号发送给相应的减压阀，减压阀为液压缸的运动提供压力。电磁阀的控制信号DO要求所选的控制板卡可以给出六位的数字信号，每两位高低信号控制一个电磁阀，，当电磁阀右电磁铁为高信号，左电磁铁为低信号时，油缸的活塞向下运动，实现伸出动作;当电磁阀左电磁铁为高信号，右电磁铁为低信号时，油缸的活塞向上运动，实现缩回动作。经分析PCI-7260可以提供8通道大功率继电器输出，并且可以单独控制，满足试验需求。结合所选板卡及试验要求，设计电磁阀的控制接线，工控机控制板卡PCI-7260的NO和COM口向电磁阀发送数字信号，六个DO口分别控制三个液压缸的伸出与缩回动作。由于电磁阀里有磁铁线圈，当断电时，它会产生电感电流，其中与电磁阀并联的二极管就是为了释放这些电感电流，防止这些电流加在板卡的端口，影响板卡的性能。

1．3驱动电机控制系统

1．3．1电机控制的分析

，本试验台的运动通过在试验台面的一侧安装齿条，齿条与驱动部件中的齿轮啮合，在驱动部件的带动下实现试验台面部件往复运动的功能。驱动部件主要是由电机与减速器组成，电机的转速及其正反转一般是由变频器［9］控制的，变频器根据工控机输入的电压量，来控制电机的转速，从而控制试验台面的移动速度，并且变频器通过接受相应的数字信号可以控制电机的启动和停止;电机要实现正反转控制，将其电源的相序中任意两相对调即可，当试验台面运动到最大试验位置时，变频器会接收到相应的数字信号，并且可以输出信号给电机来改变转向。同时，由于电机的控制程序有出错的可能，使电机不能正常的正反转，所以还要设计一个急停开关，可以通过人工控制使机床瞬停。

1．3．2电机控制系统设计

变频器接收到的电压量和数字信号都可以由工控机的板卡提供，电机的启动、停止和正反转要求所选的控制板卡可以给出三位的数字信号，并可单独控制，经分析PCI-1716可以提供16位数字量输入/输出通道，并且可以提供0～10V的模拟输出，由于变频器输出的电流量比较高，但是板卡输出的的较小电流信号，因此选用继电器用于电机的控制系统中，起到电控开关的作用，根据所选板卡、电器元件及试验要求，设计使用五个继电器分别控制电机的停止、启动和正/反转信号开关以及正向到位和反向到位开关，当继电器的输入端接受到板卡PCI-1716相应DO口发出的数字信号后，继电器便处于接通状态，变频器的端口接受到信号后，在输出信号控制电机的电机的停止、启动和正/反转;正向到位和反向到位信号时要通过光电开关控制的，光电开关安装在试验台面试验范围的最远端，试验台面运动到最大试验距离时，会遮挡光电开关，光电开关给PCI-1716相应DI口的发出信号，通过工控机中所编程序控制反馈给电机正反转开关，改变电机的转向，从而实现试验台面的往复运动。正极限和反极限开关是由两个限位开关实现的，两个限位开关安装在试验台运动的最远端，串联接在变频器的急停端口处，一旦试验台接触或是人工触碰到任意限位开关，试验台都会当即停止，防止试验台冲出床身，造成事故。

1．4数据采集系统

1．4．1数据采集分析

试验台往复运行时，被测导轨的振动状态可以体现导轨的使用寿命状况，通过监测振动量相对工作时间的变化曲线，可以分析导轨的磨损状况;同时，加载力也要实时监测，确保被测导轨所承受的载荷是按预设的大小施加的;，由于液压系统中的油缸及油路管道对于减压阀输出的压强有损耗，所以减压阀的输出压强也需要进行监测。

1．4．2数据采集系统设计

振动量、加载力及液压力的采集都可以通过板卡采集，并传送给工控机中显示出来，经分析PCI-1716可以提供16路单端模拟量输入，满足试验需求，传感器将采集的信号传送到板卡的AI口，板卡将接收到信号传送给工控机，工控机将信号的变化曲线显示在电脑界面上，实现了实时监控被测导轨参数的目的。试验台进行寿命试验时，工控机通过输出卡PCI1716给变频器信号，变频器控制驱动电机的转速，使试验台按预计的速度运行，当试验台接触到光电开关时，光电开关给变频器信号，实现试验台的正反转，当试验台运行超过设计范围时，限位开关起到急停作用，工控机还可以通过控制采集卡的数字输出，来控制润滑泵的使用，对被测导轨进行润滑;试验台正常运行时，需要对被测导轨进行加载，PCI1720输出卡给减压阀相应的电压信号，使液压缸输出预计的压力，电磁阀接受PCI7260输出卡的数字信号，来控制液压缸的动作，液压力计记录液压缸的内部输出压强，力传感器监控被测导轨所受的加载力，帮助液压缸提供符合试验要求的加载力;试验台正常加载运行时，振动传感器不断的将采集到的三条导轨的机械振动量转化成电信号，电信号通过调理仪的分析转化，传送给采集卡PCI1716，从而可以在工控机的记录仪里观测到振动的变化曲线，记录试验台不同运行速度和不同加载力情况下的被测导轨振动变化曲线，从而来分析导轨的寿命。

2控制系统软件设计

根据试验的需求，系统的软件设计包括试验控制软件、测试软件、数据分析软件，针对本试验台所要实现的功能，控制软件主要是电机的控制、液压缸的加载及润滑泵的控制，测试软件主要是液压缸压强、被测导轨加载力及振动变化曲线的监测，数据分析软件的功能主要是对于试验数据的分析、记录、调用及输出打印等。

2．1系统主程序流程图

系统主程序流程图，试验开始时，首先要确定被测滚动直线导轨副的型号和加载力大小及其试验环境，数据处理软件记录这些参数的设置，接着把被测件安装在被测导轨副转接板上，通过按键控制开启润滑系统，为试验的进行做准备;接下来，启动加载液压缸对被测导轨副进行加载(先空转，然后逐步加载)，通过控制伺服阀以及压力传感器的监测将载荷加至指定值，并保持载荷不变，来模拟导轨实际工况;然后，启动振动传感器，在线监测振动量的变化情况，启动电机控制系统，使工作台面按试验计划往复运作。在测试软件里，可以对振动量实时监测显示，试验者通过观察振动变化曲线来分析导轨使用寿命的状况。当变化曲线有异样时，需要观测被测导轨是否有点蚀，如果有的话，并且导轨的行程没有达到额定值，说明此产品不合格，数据处理软件记录下此不合格导轨的信息;若被测导轨没有发生点蚀现象并且行程达到额定值，则说明导轨的寿命合格，数据处理软件同样也记录下此合格导轨的信息，如此完成导轨的寿命试验。

2．2试验台程序主界面

程序的主界面是利用VisualBasic6．0编写的，程序的主界面，界面上包含了参数的设置、寿命试验的实施、加载力及振动的监测、板卡及电机的测试和被测导轨数据的分析，数据存储、数据查询及数据的输出报表等功能。

2．3寿命试验程序界面

寿命试验运行的程序界面，可以控制试验台往复运行以及加载力的控制。

2．4参数监测界面

，可以实时观测加载力的变化，振动变化曲线是通过iocomp控件来绘制的，纵坐标为板卡所收集到的传感器测得的信号。

2．5数据处理软件

本测控系统的数据处理软件是采用VisualBasic6．0编写，并结合Access数据库设计了导轨副寿命测量信息数据库、人员及测量标准数据库以及数据库管理软件，用于保存导轨副参数信息，寿命测量原始数据，分析数据结果等，能够很好地满足工厂的实际生产测量需要。

3试验台设计成果

为滚动直线导轨寿命试验台实物图，在已经设计好的试验台机械结构的基础上，运用上文所分析设计的测控系统，试验台面已经可以模拟工况的往复运行，并且液压加载系统可以为三根被测导轨提供0～30t的加载力，在加载力为30t时，试验台面可以最高速度正常运行，振动传感器所收集到的信号可以在参数监测界面进行监测，同时试验数据通过数据处理软件保存在数据库中，随时可以被调用分析。

4结束语

本文针对滚动直线导轨副试验台所需实现的功能问题，对其测控系统进行了研究。结合滚动直线导轨副寿命试验装置，提出了试验台测控系统的设计方案，用以实现模拟被测导轨在工况下的运行、导轨的加载以及参数的监测功能。本文提出的滚动直线导轨副试验台测控系统的设计方案，可为滚动直线导轨副试验台的研制提供参考，有助于提高国产滚动直线导轨副的性能。为滚动直线导轨副寿命参数的分析提供了试验基础。

作者：朱倩 冯虎田 欧屹 单位：南京理工大学机械工程学院