廣東高新凱特精密機(jī)械股份有限公司 （江門 529100）曹鵬杰 伍金順

1.綜合測試平臺的設(shè)計(jì)背景

不同的使用環(huán)境對直線導(dǎo)軌副的高速性、平穩(wěn)性、低噪聲等各項(xiàng)性能的要求越來越高。為了應(yīng)對這種狀況，提升本公司產(chǎn)品品質(zhì)，開拓高端市場，公司決定開發(fā)一種由直線電動機(jī)驅(qū)動的直線導(dǎo)軌副綜合測試平臺，采用U形直線電動機(jī)驅(qū)動測試導(dǎo)軌副，實(shí)現(xiàn)被測試導(dǎo)軌副的高速、高加速度、高頻往復(fù)等極限運(yùn)動。本測試平臺上設(shè)置有溫度傳感器、加速度計(jì)、測聲計(jì)等多種測試設(shè)備。通過本平臺可測量導(dǎo)軌副各種極限運(yùn)行狀態(tài)下的噪聲、振動、溫升、壽命等綜合運(yùn)動性能，通過測量數(shù)據(jù)的分析能更好地指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與研發(fā)。

2.綜合測試平臺的設(shè)計(jì)方案與關(guān)鍵技術(shù)

（1）設(shè)計(jì)方案 本綜合測試平臺的結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，被測導(dǎo)軌副安裝在U形直線電動機(jī)一旁，在電動機(jī)的帶動下作直線往復(fù)運(yùn)動，配上測量儀器就可在線測量導(dǎo)軌副運(yùn)動狀態(tài)下的綜合情況。能夠測試25、30、35、45、55、65六種型號24種規(guī)格產(chǎn)品；選用的U形直線電動機(jī)的峰值推力3 000N，持續(xù)推力750N；當(dāng)負(fù)載為100kg時(shí)，加速度可達(dá)3m/s2，速度可達(dá)180m/min，測試行程設(shè)計(jì)為2m；可在線測量導(dǎo)軌副在高速運(yùn)行狀態(tài)下的噪聲、振動、溫升以及在高頻往復(fù)極限運(yùn)動情況下的壽命。

直線導(dǎo)軌副綜合測試平臺主要由三部分組成，機(jī)械部分、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和測試分析軟件。整個(gè)系統(tǒng)主要由測量部分(包括各種傳感器和直線電動機(jī)) 、機(jī)械部分、計(jì)算機(jī)等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（2）設(shè)計(jì)難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù) 本次綜合測試平臺的硬件部分設(shè)計(jì)由于采用了直線電動機(jī)驅(qū)動，大大地簡化了機(jī)械部分，各種傳感器的位置排布也比較寬松，各種硬件設(shè)備的選購及組裝都相對比較容易。整個(gè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)完全在于軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，而軟件部分的難點(diǎn)在于測試分析軟件的設(shè)計(jì)，其中溫度與噪聲的測試比較簡單，可以直接采集讀取，基本上不需要處理分析就可以得出比較直觀的數(shù)據(jù)，但是振動加速度數(shù)據(jù)的采集及處理就具有相當(dāng)?shù)碾y度。如何將速度傳感器獲取滑塊上下的振動信號進(jìn)行積分變換，求出振動的速度和位移信號就是關(guān)鍵技術(shù)的體現(xiàn)。

由于振動信號的低頻部分對位移振動幅值的大小起著決定性的作用，而在測試信號中，往往因測試儀器溫度變化造成的零點(diǎn)漂移含有長期趨勢項(xiàng)，數(shù)據(jù)積分變換時(shí)趨勢項(xiàng)對變換結(jié)果影響比較突出，尤其是二次積分時(shí)，位移曲線可能完全失真。加速度信號中除了有趨勢項(xiàng)存在外，還有高頻噪聲，需要采用濾波器進(jìn)行濾波，除去信號中的直流分量和噪聲干擾成分，修正波形。這些都是需要攻克的難點(diǎn)。

3.綜合測試平臺硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

綜合測試平臺的硬件包括兩個(gè)部分，一部分是測試平臺機(jī)械部分的設(shè)計(jì)，包括測試平臺的總體布局與測試傳感器位置分布的設(shè)計(jì)。另一部分是硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，論述了傳感器與數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)動控制卡、直線電動機(jī)的選擇，運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

（1）設(shè)備總體布局 本綜合測試平臺的組成如圖2所示?？梢钥闯?，由于采用了直線電動機(jī)驅(qū)動，大大地簡化了機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)，替代了傳統(tǒng)的絲杠、皮帶等傳動部件，沒有了機(jī)械接觸，減小了摩擦，從而降低了系統(tǒng)噪聲及振動的干擾，提高測試的準(zhǔn)確度。另外還選擇了特殊的靜音拖鏈，采用耐磨損連接替代普通的銷孔連接且節(jié)距小，使得拖鏈運(yùn)行噪聲更低。

圖2 總體布局

（2）測試傳感器的分布 機(jī)械部分除了支撐與傳動結(jié)構(gòu)以外還有各種傳感器的布置。如圖2所示，噪聲計(jì)通過支架安裝在離被測導(dǎo)軌副垂直高度200～500mm的上方，可測出導(dǎo)軌副以不同運(yùn)行速度通過噪聲計(jì)下方時(shí)的噪聲曲線。如圖3所示，加速度計(jì)安裝在被測滑塊上表面，通過對滑塊表面上下振動的加速度數(shù)據(jù)作分析處理，可以得到導(dǎo)軌副在各種運(yùn)行速度下的振動速度與位移曲線；溫度傳感器安裝在滑塊上表面，實(shí)時(shí)測量導(dǎo)軌副運(yùn)行時(shí)滑塊的溫升情況。

圖3 傳感器分布

（3）硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 綜合測試平臺硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是計(jì)算機(jī)控制部分的設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)性能和測量精度的要求選擇了相關(guān)的傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、運(yùn)動控制卡、直線電動機(jī)及其驅(qū)動器并提出了運(yùn)動控制的解決方案。硬件控制系統(tǒng)的組成如圖4所示。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)連接運(yùn)動控制卡和數(shù)據(jù)采集模塊，運(yùn)動控制卡和伺服系統(tǒng)相連接用于驅(qū)動綜合測試平臺，傳感器的采集信號線和數(shù)據(jù)采集卡相連，最后送入工控機(jī)。另外還包括顯示與打印等輸入輸出設(shè)備。

圖4 硬件控制系統(tǒng)組成

依據(jù)設(shè)計(jì)要求，選取了深圳雷賽公司的DMC2210兩軸運(yùn)動控制卡，北京雙諾AC6616P數(shù)據(jù)采集卡，廣州華頡公司的凌華工控機(jī)，新加坡ACCEL直線電動機(jī)，美國COPLEY驅(qū)動器等相關(guān)的電子設(shè)備。傳感器選用了朗斯公司LC01系列壓電式加速度傳感器與北京賽億凌科公司的PT100溫度傳感器。

4.綜合測試平臺的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（1）運(yùn)動控制軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 通過工控機(jī)，以Windows為操作平臺。利用DMC2210的動態(tài)鏈接庫可以很快開發(fā)出Windows在平臺下的運(yùn)動控制系統(tǒng)。DMC2210動態(tài)鏈接庫是標(biāo)準(zhǔn)的Windows32位動態(tài)鏈接庫，選用的開發(fā)工具應(yīng)支持Windows標(biāo)準(zhǔn)的32位DLL調(diào)用。使用VB6.0版本,可以容易、快速地開發(fā)基于Windows的簡單運(yùn)動控制程序。VisualB控制程序按照如下步驟進(jìn)行：安裝DMC2210驅(qū)動程序及函數(shù)庫；用VisualB編寫測量儀工作界面；在應(yīng)用程序中調(diào)用運(yùn)動函數(shù)。

編制后的運(yùn)動控制界面如圖5所示，其中運(yùn)動參數(shù)包括運(yùn)行速度、往復(fù)位移、往復(fù)、定長、變速循環(huán)和定長距離等；運(yùn)動控制程序包括啟動、停止、回零點(diǎn)、位置清零、慢速和快速等。同時(shí)還可以在控制界面內(nèi)顯示被測導(dǎo)軌副當(dāng)前運(yùn)動狀態(tài)，如速度、加速度、當(dāng)前位置、滑塊實(shí)時(shí)溫度等。整個(gè)控制界面簡單明了，操作方便、實(shí)用。

圖5 運(yùn)動控制界面

（2）數(shù)據(jù)分析軟件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 本數(shù)據(jù)分析軟件主要是對安裝在滑塊上表面的加速度計(jì)測量采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，希望得到滑塊在不同運(yùn)行速度下上下振動的振幅。通過分析這些振動位移與滑塊當(dāng)時(shí)對應(yīng)的位置來分析查找滑塊產(chǎn)生振動以及振動突變的原因，以此為依據(jù)來改進(jìn)相應(yīng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與加工工藝的改進(jìn)，提升公司產(chǎn)品的性能與質(zhì)量。因此，此分析軟件的目的是：當(dāng)滑塊在導(dǎo)軌上來回高速直線運(yùn)動時(shí)，通過加速度傳感器獲取滑塊上下的振動信號，然后對加速度信號進(jìn)行積分變換，求出振動的速度和位移信號。

本次測試軟件使用LabVIEW與MATLAB編寫。LabVIEW是工程人員開發(fā)測試常用的一種軟件工具。是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境)的簡稱，是由美國國家儀器公司推出的一個(gè)功能強(qiáng)大而又靈活的儀器和分析軟件應(yīng)用開發(fā)工具。LabVIEW 程序稱為虛擬儀器或簡稱為V I，每個(gè)V I都由前面板和框圖程序以及圖標(biāo)/連接端口三部分組成。LabVIEW不同于基于文本的編程語言，它是一種圖形編程語言——通常稱為G編程語言，其編程過程就是通過圖形符號描述程序的行為。LabVIEW 使用的是科學(xué)家和工程師們所熟悉的術(shù)語，還使用了易于識別的構(gòu)造G語言的圖形符號。即使具有很少編程經(jīng)驗(yàn)的人也能學(xué)會使用LabVIEW，并能夠發(fā)現(xiàn)和了解一些有用的基本編程原則。

MATLAB (MATrixLABoratory，矩陣實(shí)驗(yàn)室)是由美國MathWorks公司推出的一套數(shù)值計(jì)算軟件，分為總包和若干個(gè)工具箱，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)值分析、優(yōu)化、統(tǒng)計(jì)、偏微分方程數(shù)值解、自動控制、信號處理、圖像處理等若干個(gè)領(lǐng)域的計(jì)算和圖形顯示功能。它將不同數(shù)學(xué)分支的算法以函數(shù)的形式分類成庫，使用時(shí)直接調(diào)用這些函數(shù)并賦予實(shí)際參數(shù)就可以解決問題，快速而且準(zhǔn)確。

綜上，虛擬儀器編程軟件LabVIEW和數(shù)學(xué)軟件MATLAB是目前工程技術(shù)領(lǐng)域中比較流行的兩種軟件，功能強(qiáng)大，但是各自在某些方面存在著不足和缺點(diǎn)，對于一些需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的復(fù)雜應(yīng)用，LabVIEW顯得有些力不從心。因此如果在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)MATLAB的調(diào)用，把LabVIEW軟件平臺與MATLAB相結(jié)合使用，無疑可以很好地補(bǔ)充LabVIEW的開發(fā)功能，大大地拓寬測試軟件的開發(fā)范圍。消除趨勢項(xiàng)后速度與位移如圖6所示。

圖6

5.測試與分析總結(jié)

通過對導(dǎo)軌副各項(xiàng)性能的綜合測試，測試出導(dǎo)軌副在不同運(yùn)行速度和時(shí)間狀態(tài)下的滑塊溫升，可以檢驗(yàn)滑塊的塑料返向件的耐溫性能。同樣，通過對比導(dǎo)軌副在不同速度下的噪聲，以及對比同速度下的不同廠家生產(chǎn)的同種規(guī)格的導(dǎo)軌副的噪聲大小，可以明確定位本公司的產(chǎn)品在靜音性能上與其他品牌產(chǎn)品的差距與優(yōu)勢，為更好地提升產(chǎn)品在這方面的性能提供了數(shù)據(jù)支持。

對于振動測試的分析，可以得出滑塊在運(yùn)動過程中上下振動的位移。通過分析振動位移的波形，可以找出在振動位移最大時(shí)滑塊運(yùn)行的位置與狀態(tài)，經(jīng)過多次測試對比，找到滑塊振動多發(fā)區(qū)域，對這個(gè)區(qū)域的導(dǎo)軌的滾道表面質(zhì)量以及滑塊與滾子的狀態(tài)分析，找出導(dǎo)軌副產(chǎn)生振動的原因，以此為依據(jù)改進(jìn)相關(guān)的加工工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高公司產(chǎn)品品質(zhì)。