滾動(dòng)直線導(dǎo)軌測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
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1測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析
1．1試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
測試系統(tǒng)的作用是控制機(jī)械部件進(jìn)行運(yùn)作，其中，驅(qū)動(dòng)部件帶動(dòng)試驗(yàn)臺面部件，使其能夠在床身上進(jìn)行往復(fù)的運(yùn)動(dòng);加載部件能夠?qū)Ρ粶y導(dǎo)軌進(jìn)行正確的加載，并且可以調(diào)節(jié)力的大小，從而使試驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬加載跑合試驗(yàn);并對相關(guān)壽命試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測和采集。這些功能的實(shí)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(shí)現(xiàn)的功能，編制完善的試驗(yàn)控制軟件、測試軟件、數(shù)據(jù)分析軟件等，使試驗(yàn)臺能夠按照預(yù)計(jì)的方案進(jìn)行試驗(yàn)，并能夠獲得導(dǎo)軌副相關(guān)參數(shù)如:型號、載荷、震動(dòng)等相對工作時(shí)間的變化曲線。本試驗(yàn)臺主要由測控系統(tǒng)、加載力控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(yàn)的加載力分析
我國目前的壽命試驗(yàn)臺可以進(jìn)行單條導(dǎo)軌的試驗(yàn)，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(yàn)效率，試驗(yàn)臺面上表面設(shè)置相互平行的三條被測導(dǎo)軌副轉(zhuǎn)接板，每條被測導(dǎo)軌副轉(zhuǎn)接板上均設(shè)置一條被測導(dǎo)軌副，被測導(dǎo)軌副轉(zhuǎn)接板可以根據(jù)被測導(dǎo)軌副型號的不同進(jìn)行更換，保證了試驗(yàn)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(dǎo)軌進(jìn)行加載，實(shí)現(xiàn)被測導(dǎo)軌可以分別加載或是同時(shí)加載;由于工作時(shí)，導(dǎo)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(dǎo)軌最大承載可達(dá)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(dòng)平穩(wěn)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)過載保護(hù)，具有使用壽命長、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，滿足本試驗(yàn)臺的需求。因此加載部件主要由龍門和三個(gè)液壓缸組成，三個(gè)液壓缸并排安裝在龍門頂部，可分別對三條被測導(dǎo)軌副進(jìn)行加載，并且可以根據(jù)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(tǒng)設(shè)計(jì)
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(yàn)要求，現(xiàn)設(shè)計(jì)加載力控制的液動(dòng)原理圖，當(dāng)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(yīng)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(yīng)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(jī)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(jī)給輸出卡信號，使板卡輸出相應(yīng)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(yàn)需求。結(jié)合所選板卡及試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)加載力大小控制接線，工控機(jī)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(yīng)的減壓閥，減壓閥為液壓缸的運(yùn)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(shù)字信號，每兩位高低信號控制一個(gè)電磁閥，，當(dāng)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(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)伸出動(dòng)作;當(dāng)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(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)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(dú)控制，滿足試驗(yàn)需求。結(jié)合所選板卡及試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)電磁閥的控制接線，工控機(jī)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(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圈，當(dāng)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(qū)動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)
1．3．1電機(jī)控制的分析
，本試驗(yàn)臺的運(yùn)動(dòng)通過在試驗(yàn)臺面的一側(cè)安裝齒條，齒條與驅(qū)動(dòng)部件中的齒輪嚙合，在驅(qū)動(dòng)部件的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺面部件往復(fù)運(yùn)動(dòng)的功能。驅(qū)動(dòng)部件主要是由電機(jī)與減速器組成，電機(jī)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(jī)輸入的電壓量，來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制試驗(yàn)臺面的移動(dòng)速度，并且變頻器通過接受相應(yīng)的數(shù)字信號可以控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止;電機(jī)要實(shí)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(dāng)試驗(yàn)臺面運(yùn)動(dòng)到最大試驗(yàn)位置時(shí)，變頻器會(huì)接收到相應(yīng)的數(shù)字信號，并且可以輸出信號給電機(jī)來改變轉(zhuǎn)向。同時(shí)，由于電機(jī)的控制程序有出錯(cuò)的可能，使電機(jī)不能正常的正反轉(zhuǎn)，所以還要設(shè)計(jì)一個(gè)急停開關(guān)，可以通過人工控制使機(jī)床瞬停。
1．3．2電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
變頻器接收到的電壓量和數(shù)字信號都可以由工控機(jī)的板卡提供，電機(jī)的啟動(dòng)、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(dú)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(jī)的控制系統(tǒng)中，起到電控開關(guān)的作用，根據(jù)所選板卡、電器元件及試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)使用五個(gè)繼電器分別控制電機(jī)的停止、啟動(dòng)和正/反轉(zhuǎn)信號開關(guān)以及正向到位和反向到位開關(guān)，當(dāng)繼電器的輸入端接受到板卡PCI-1716相應(yīng)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(jī)的電機(jī)的停止、啟動(dòng)和正/反轉(zhuǎn);正向到位和反向到位信號時(shí)要通過光電開關(guān)控制的，光電開關(guān)安裝在試驗(yàn)臺面試驗(yàn)范圍的最遠(yuǎn)端，試驗(yàn)臺面運(yùn)動(dòng)到最大試驗(yàn)距離時(shí)，會(huì)遮擋光電開關(guān)，光電開關(guān)給PCI-1716相應(yīng)DI口的發(fā)出信號，通過工控機(jī)中所編程序控制反饋給電機(jī)正反轉(zhuǎn)開關(guān)，改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺面的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。正極限和反極限開關(guān)是由兩個(gè)限位開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，兩個(gè)限位開關(guān)安裝在試驗(yàn)臺運(yùn)動(dòng)的最遠(yuǎn)端，串聯(lián)接在變頻器的急停端口處，一旦試驗(yàn)臺接觸或是人工觸碰到任意限位開關(guān)，試驗(yàn)臺都會(huì)當(dāng)即停止，防止試驗(yàn)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(yàn)臺往復(fù)運(yùn)行時(shí)，被測導(dǎo)軌的振動(dòng)狀態(tài)可以體現(xiàn)導(dǎo)軌的使用壽命狀況，通過監(jiān)測振動(dòng)量相對工作時(shí)間的變化曲線，可以分析導(dǎo)軌的磨損狀況;同時(shí)，加載力也要實(shí)時(shí)監(jiān)測，確保被測導(dǎo)軌所承受的載荷是按預(yù)設(shè)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(qiáng)有損耗，所以減壓閥的輸出壓強(qiáng)也需要進(jìn)行監(jiān)測。
1．4．2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
振動(dòng)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(jī)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(yàn)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(jī)，工控機(jī)將信號的變化曲線顯示在電腦界面上，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控被測導(dǎo)軌參數(shù)的目的。試驗(yàn)臺進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí)，工控機(jī)通過輸出卡PCI1716給變頻器信號，變頻器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使試驗(yàn)臺按預(yù)計(jì)的速度運(yùn)行，當(dāng)試驗(yàn)臺接觸到光電開關(guān)時(shí)，光電開關(guān)給變頻器信號，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺的正反轉(zhuǎn)，當(dāng)試驗(yàn)臺運(yùn)行超過設(shè)計(jì)范圍時(shí)，限位開關(guān)起到急停作用，工控機(jī)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(dǎo)軌進(jìn)行潤滑;試驗(yàn)臺正常運(yùn)行時(shí)，需要對被測導(dǎo)軌進(jìn)行加載，PCI1720輸出卡給減壓閥相應(yīng)的電壓信號，使液壓缸輸出預(yù)計(jì)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(dòng)作，液壓力計(jì)記錄液壓缸的內(nèi)部輸出壓強(qiáng)，力傳感器監(jiān)控被測導(dǎo)軌所受的加載力，幫助液壓缸提供符合試驗(yàn)要求的加載力;試驗(yàn)臺正常加載運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)傳感器不斷的將采集到的三條導(dǎo)軌的機(jī)械振動(dòng)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(jī)的記錄儀里觀測到振動(dòng)的變化曲線，記錄試驗(yàn)臺不同運(yùn)行速度和不同加載力情況下的被測導(dǎo)軌振動(dòng)變化曲線，從而來分析導(dǎo)軌的壽命。
2控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)試驗(yàn)的需求，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括試驗(yàn)控制軟件、測試軟件、數(shù)據(jù)分析軟件，針對本試驗(yàn)臺所要實(shí)現(xiàn)的功能，控制軟件主要是電機(jī)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(qiáng)、被測導(dǎo)軌加載力及振動(dòng)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(yàn)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(yàn)開始時(shí)，首先要確定被測滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的型號和加載力大小及其試驗(yàn)環(huán)境，數(shù)據(jù)處理軟件記錄這些參數(shù)的設(shè)置，接著把被測件安裝在被測導(dǎo)軌副轉(zhuǎn)接板上，通過按鍵控制開啟潤滑系統(tǒng)，為試驗(yàn)的進(jìn)行做準(zhǔn)備;接下來，啟動(dòng)加載液壓缸對被測導(dǎo)軌副進(jìn)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(dǎo)軌實(shí)際工況;然后，啟動(dòng)振動(dòng)傳感器，在線監(jiān)測振動(dòng)量的變化情況，啟動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)，使工作臺面按試驗(yàn)計(jì)劃往復(fù)運(yùn)作。在測試軟件里，可以對振動(dòng)量實(shí)時(shí)監(jiān)測顯示，試驗(yàn)者通過觀察振動(dòng)變化曲線來分析導(dǎo)軌使用壽命的狀況。當(dāng)變化曲線有異樣時(shí)，需要觀測被測導(dǎo)軌是否有點(diǎn)蝕，如果有的話，并且導(dǎo)軌的行程沒有達(dá)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(dǎo)軌的信息;若被測導(dǎo)軌沒有發(fā)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象并且行程達(dá)到額定值，則說明導(dǎo)軌的壽命合格，數(shù)據(jù)處理軟件同樣也記錄下此合格導(dǎo)軌的信息，如此完成導(dǎo)軌的壽命試驗(yàn)。
2．2試驗(yàn)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(shè)置、壽命試驗(yàn)的實(shí)施、加載力及振動(dòng)的監(jiān)測、板卡及電機(jī)的測試和被測導(dǎo)軌數(shù)據(jù)的分析，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢及數(shù)據(jù)的輸出報(bào)表等功能。
2．3壽命試驗(yàn)程序界面
壽命試驗(yàn)運(yùn)行的程序界面，可以控制試驗(yàn)臺往復(fù)運(yùn)行以及加載力的控制。
2．4參數(shù)監(jiān)測界面
，可以實(shí)時(shí)觀測加載力的變化，振動(dòng)變化曲線是通過iocomp控件來繪制的，縱坐標(biāo)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(jié)合Access數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌副壽命測量信息數(shù)據(jù)庫、人員及測量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)庫管理軟件，用于保存導(dǎo)軌副參數(shù)信息，壽命測量原始數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)結(jié)果等，能夠很好地滿足工廠的實(shí)際生產(chǎn)測量需要。
3試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)成果
為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌壽命試驗(yàn)臺實(shí)物圖，在已經(jīng)設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)臺機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用上文所分析設(shè)計(jì)的測控系統(tǒng)，試驗(yàn)臺面已經(jīng)可以模擬工況的往復(fù)運(yùn)行，并且液壓加載系統(tǒng)可以為三根被測導(dǎo)軌提供0～30t的加載力，在加載力為30t時(shí)，試驗(yàn)臺面可以最高速度正常運(yùn)行，振動(dòng)傳感器所收集到的信號可以在參數(shù)監(jiān)測界面進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)試驗(yàn)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(shí)可以被調(diào)用分析。
4結(jié)束語
本文針對滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副試驗(yàn)臺所需實(shí)現(xiàn)的功能問題，對其測控系統(tǒng)進(jìn)行了研究。結(jié)合滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命試驗(yàn)裝置，提出了試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，用以實(shí)現(xiàn)模擬被測導(dǎo)軌在工況下的運(yùn)行、導(dǎo)軌的加載以及參數(shù)的監(jiān)測功能。本文提出的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，可為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副試驗(yàn)臺的研制提供參考，有助于提高國產(chǎn)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的性能。為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副壽命參數(shù)的分析提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。
作者：朱倩 馮虎田 歐屹 單位：南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院