楊丹峰，王芳，馬聰，朱川峰

（洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039）

軸承試驗(yàn)機(jī)的性能很大程度上取決于測(cè)控系統(tǒng)，測(cè)控系統(tǒng)直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性［1］。以往的試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)采用C＋＋Builder編程環(huán)境，但其編程復(fù)雜，可用于界面設(shè)計(jì)的控件類型較少且樣式陳舊，難以滿足開發(fā)者在設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)用戶界面時(shí)對(duì)控件、圖形及圖表的各種需求［2］。

虛擬儀器基于“軟件就是儀器”的理念，采用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上研發(fā)的LabVIEW 編程語(yǔ)言摒棄了難懂的文本代碼，采用圖形方式編程，編程的同時(shí)進(jìn)行同步編譯，有利于發(fā)現(xiàn)編程錯(cuò)誤［3］，使計(jì)算機(jī)編程變得簡(jiǎn)單。目前，LabVIEW 已應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、測(cè)試測(cè)量、運(yùn)動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)仿真等眾多領(lǐng)域。

在此，將LabVIEW 編程語(yǔ)言引入軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了軸承溫度、振動(dòng)、系統(tǒng)壓力、加載載荷等試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、分析、記錄及保存，并對(duì)試驗(yàn)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速、加載載荷、潤(rùn)滑溫度等參數(shù)進(jìn)行精確控制，使軸承試驗(yàn)機(jī)按照指定的狀態(tài)運(yùn)行，同時(shí)具有互鎖、報(bào)警、急停等一系列保護(hù)功能。

1 軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)硬件由工控機(jī)、ADLINK PCI總線的數(shù)據(jù)采集板卡、信號(hào)調(diào)理電路、傳感器、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路放大、隔離、濾波后，由ADLINK數(shù)據(jù)采集板卡進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換后進(jìn)入計(jì)算機(jī)，通過(guò)LabVIEW 軟件分析、處理、顯示及保存，并以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)為依據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制。

2 LabVIEW 軟件設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)主程序

LabVIEW 程序由前面板和程序框圖組成，前面板是程序與用戶交互使用的界面，程序框圖供用戶編寫程序代碼。軸承試驗(yàn)機(jī)程序前面板如圖2所示，程序前面板以圖表和數(shù)值2種形式顯示試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)還顯示當(dāng)前試驗(yàn)所運(yùn)行的周期、步驟、時(shí)間，以方便工作人員觀察，界面最下邊分別顯示當(dāng)前試驗(yàn)機(jī)、變頻器的工作狀態(tài)。

圖2 軸承試驗(yàn)機(jī)程序界面

試驗(yàn)機(jī)程序結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由數(shù)據(jù)采集處理、運(yùn)行循環(huán)控制、加載系統(tǒng)PID控制以及菜單選項(xiàng)處理4部分構(gòu)成。

圖3 軸承試驗(yàn)機(jī)程序框圖結(jié)構(gòu)

2.2 程序功能實(shí)現(xiàn)

串口通信、數(shù)據(jù)采集處理、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)、記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和PID控制是實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。

2.2.1 串口通信

PLC、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、溫控儀與工控機(jī)之間采用RS485通信協(xié)議。通過(guò)RS485通信，工控機(jī)可以很容易監(jiān)測(cè)各設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。RS485通信屬于串口通信，LabVIEW 軟件中的OPC Server可以直接實(shí)現(xiàn)。但是OPC Server在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)通信時(shí)工作效率會(huì)降低，而試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行時(shí)需要進(jìn)行大量信息的實(shí)時(shí)傳遞。為保證通信效率和質(zhì)量，針對(duì)試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)的RS485通信程序如圖4所示。

圖4 RS485串口通信程序

該程序首先對(duì)串口進(jìn)行初始化，調(diào)用VISA配置串口函數(shù)完成串口資源、波特率、數(shù)據(jù)比特、奇偶校驗(yàn)、停止位的設(shè)置。將數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)后由VISA寫入函數(shù)發(fā)送到串口通信板卡，再發(fā)送至下位機(jī)［4］。經(jīng)過(guò)0.1 s的等待時(shí)間后調(diào)用VISA讀取函數(shù)對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確則將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)據(jù)輸出；否則將數(shù)據(jù)丟掉，重新進(jìn)行1次問(wèn)答。循環(huán)執(zhí)行3次問(wèn)答，若還沒有采集到正確的數(shù)據(jù)，則判定通信出錯(cuò)，結(jié)束通信程序。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集處理

數(shù)據(jù)采集包括數(shù)據(jù)采集板卡接收的傳感器數(shù)據(jù)和通信采集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集板卡采用PCI總線數(shù)據(jù)采集板卡，其內(nèi)置了LabVIEW 驅(qū)動(dòng)程序DAQpilot，可以方便進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。通信采集的數(shù)據(jù)包括變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器、PLC的工作狀態(tài)、各種儀器儀表數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)采集處理的實(shí)現(xiàn)采用“生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型”［5］，流程如圖5所示。“生產(chǎn)者-消費(fèi)者模型”采用隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)，上半部分的循環(huán)產(chǎn)生（采集）數(shù)據(jù)，下半部分循環(huán)消費(fèi)（處理）數(shù)據(jù)。

圖5 數(shù)據(jù)采集處理流程圖

試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)中，變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生大量的電磁干擾，往往會(huì)使測(cè)試信號(hào)疊加各種頻率的噪聲，影響測(cè)試的準(zhǔn)確性，所以需對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，以提高系統(tǒng)信噪比。濾波處理可分為硬件濾波和數(shù)字濾波，硬件濾波不僅成本較高，而且不易實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字濾波通過(guò)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，配置簡(jiǎn)單，幾乎無(wú)成本，隨時(shí)間無(wú)老化效應(yīng)。LabVIEW 帶有多種數(shù)字濾波器，如中值濾波、數(shù)字形態(tài)濾波器、FIR加窗濾波器、小波分析等。

2.2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)

試驗(yàn)機(jī)程序中有大量需要設(shè)置和頻繁調(diào)用的數(shù)據(jù)，如設(shè)定試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的載荷譜數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理時(shí)的一些變量、測(cè)量對(duì)象的報(bào)警值、試驗(yàn)的基本信息等。針對(duì)數(shù)據(jù)需要頻繁調(diào)用和存儲(chǔ)的特點(diǎn)，采用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

Microsoft Access是在Windows環(huán)境下非常流行的桌面型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，NI LabVIEW軟件提供了該數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接工具包（Database Connectivity Toolkit），可方便的對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行保存、修改、刪除和查詢等。數(shù)據(jù)庫(kù)操作流程圖如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫(kù)操作流程圖

2.2.4 記錄數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

軸承試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，必須按照要求存儲(chǔ)記錄。

LabVIEW 中常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式有3種：ASCII文件格式、直接二進(jìn)制存儲(chǔ)和TDMS文件格式。使用LabVIEW 設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)通過(guò)TDMS文件存儲(chǔ)形式對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。TDMS兼顧了其他2種文件格式的優(yōu)點(diǎn)，高速、易存取、占用磁盤空間小，而且方便其他用戶或應(yīng)用程序訪問(wèn)。

2.2.5 PID 控制

PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便，是控制工程中技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的控制策略。LabVIEW 提供了PID控制工具包，可快速有效地搭建數(shù)字PID控制器，精確可靠地完成系統(tǒng)控制需求。利用PID.vi搭建的液壓系統(tǒng)PID控制如圖7所示。

圖7 液壓系統(tǒng)PID控制

為驗(yàn)證液壓系統(tǒng)載荷PID控制的有效性，在T60-120F軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖8所示，由圖可知，測(cè)控系統(tǒng)對(duì)載荷的控制精確快速，其響應(yīng)時(shí)間在3 s內(nèi)，控制精度可達(dá)到設(shè)定值的±1%。

圖8 液壓系統(tǒng)載荷PID控制

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)軸承工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，對(duì)軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的測(cè)試精度、反應(yīng)靈敏度、自動(dòng)控制程度、數(shù)據(jù)處理分析的能力等都將提出越來(lái)越高的要求。LabVIEW 編程語(yǔ)言在測(cè)試測(cè)量、控制、信號(hào)處理、振動(dòng)分析等領(lǐng)域的開發(fā)研究達(dá)到了先進(jìn)的水平，在軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用將推動(dòng)高性能軸承試驗(yàn)技術(shù)迅速向前發(fā)展。

以LabVIEW 為開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建了軸承試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，完成了試驗(yàn)機(jī)監(jiān)測(cè)與控制的一系列要求，與傳統(tǒng)測(cè)控系統(tǒng)相比，提高了系統(tǒng)工作效率，保證了控制的可靠性?？紤]對(duì)軸承施加載荷是對(duì)軸承質(zhì)量考核的重要因素，單純的PID液壓加載控制雖然能夠達(dá)到良好的控制精度，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，在后期的工作中可以引入系統(tǒng)辨識(shí)理論對(duì)液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行模型建立，在精確模型基礎(chǔ)上進(jìn)行控制將提高系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和精度。