張文君，夏 鯤，毛 崢

（上海理工大學電氣工程系，上海 200093；2.上海理工大學創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學院；3.上海船舶設(shè)備研究所)

0 引言

近年來，行星滾柱絲杠在航天航空和船舶方面的應用取得了驕人的成績，但對行星滾柱絲杠的性能的正確評估一直是限制其廣泛應用的重要瓶頸，行星滾柱絲杠綜合性能對其應用設(shè)備的安全起到兜底作用。對行星滾柱絲杠綜合性能安全有效的檢測具有重要意義。

本文設(shè)計了行星滾柱絲杠綜合性能試驗平臺上位機系統(tǒng)，包括界面設(shè)計、邏輯設(shè)計和通信接口設(shè)計。該系統(tǒng)具備測量功能、控制功能、保存功能、數(shù)據(jù)查詢功能和通信功能。以上幾種功能相互獨立，又互為補充。通信是數(shù)據(jù)采集和控制的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集和控制的正確執(zhí)行由通信來反映。數(shù)據(jù)保存是數(shù)據(jù)查詢的前提和必要條件，數(shù)據(jù)查詢可以驗證數(shù)據(jù)保存是否成功。

1 行星滾柱絲杠綜合性能試驗系統(tǒng)整體設(shè)計

本文設(shè)計的上位機PC 與外部設(shè)備的連接方式主要是三種類型：①具備串口通信的傳感器直接與LABVIEW 實現(xiàn)RS232 通信，本文中的拉壓力傳感器、聲級計屬于I 類傳感器；②II 類傳感器經(jīng)過NI-PCI 板卡后，上位機LABVIEW 通過自帶的DAQ 助手可以實現(xiàn)與板卡間的通信，II類傳感器有圓光柵、鉑電阻及其后續(xù)電路；③PLC 與上位機LABVIEW 通過TCP/IP 直接通信，通信接口為RJ45。從而系統(tǒng)實現(xiàn)PCPLC-伺服系統(tǒng)-執(zhí)行機構(gòu)的控制回路和傳感器-PC的測量回路。行星滾柱絲杠綜合性能試驗平臺整體框架如圖1所示。

圖1 行星滾柱絲杠綜合性能試驗平臺整體框架

2 行星滾柱絲杠綜合性能上位機系統(tǒng)設(shè)計

2.1 上位機系統(tǒng)設(shè)計框架

本文對行星滾柱絲杠綜合性能測試過程中的加速度信號、速度信號、位移信號、拉壓力和噪聲信號進行研究后，所設(shè)計的行星滾柱絲杠綜合性能上位機測試系統(tǒng)應具備測量功能、控制功能、保存功能、查詢功能和通信功能。行星滾柱絲杠綜合性能上位機系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 上位機系統(tǒng)框圖

根據(jù)以上功能的設(shè)計需求，并考慮到使用的便利性和邏輯的完整性。系統(tǒng)設(shè)計了一個系統(tǒng)啟動的主界面、兩個試驗界面和若干小的交互界面。主界面包含了可跳轉(zhuǎn)至高速試驗界面、精度試驗界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面、系統(tǒng)參數(shù)界面以及登錄界面，主界面如圖3 所示，高速試驗界面主界面和精度試驗主界面分別如圖4和圖5所示。

圖3 系統(tǒng)主界面

圖4 高速試驗界面

圖5 精度試驗界面

2.2 測量功能

在行星滾柱絲杠試驗臺對絲杠進行測量過程中，需要對速度、加速度、溫度、溫位移、位移、噪聲和拉壓力進行實時測量，防止過大的負載對行星滾柱絲杠進行造成不可逆的損傷，同時保證人身安全和試驗臺的安全。高速試驗測量界面包含速度、加速度、噪聲和振動的波形顯示，如圖6 所示。精度試驗包含位移時間關(guān)系圖，如圖7所示。

圖6 高速試驗測量界面

圖7 精度試驗測量界面

在測量功能的設(shè)計過程中，靈活的使用事件結(jié)構(gòu)完成各種不同功能之間的運行，上位機LABVIEW 通過While 循環(huán)掃描事件結(jié)構(gòu)，當上位機捕捉到不同的事件時，執(zhí)行對應的程序，當上位機捕捉到“開始”按鈕的事件時，開始采集傳感器數(shù)據(jù)并進行實時顯示。精度試驗測量功能編程面板如圖8所示。

圖8 精度試驗測量功能編程面板

2.3 控制功能

行星滾柱絲杠上位機系統(tǒng)可對伺服系統(tǒng)進行控制。上位機前面板輸入控制參數(shù)，將其創(chuàng)建屬性節(jié)點，將屬性節(jié)點的值與通訊模塊連接，通過TCP 通信將其發(fā)送至PLC，實現(xiàn)上位機對PLC 的控制，從而實現(xiàn)上位機對伺服系統(tǒng)的控制。行星滾柱絲杠綜合性能控制程序設(shè)計如圖9所示。

圖9 控制功能編程面板

上面對構(gòu)成控制功能的程序設(shè)計做了說明，本文所設(shè)計的上位機可以通過前面板進行速度/加速度試驗的選擇，并可靈活的對運行模式和潤滑方式進行設(shè)置，同時速度和加速度提供手動輸入，使用者只需鍵盤上輸入欲控制參數(shù)即可。同時為了人身安全和試驗臺本身安全，上位機進行了軟限位處理，運動位置只能在左限位和右限位之間，否則控制系統(tǒng)發(fā)送停機命令，整個伺服控制系統(tǒng)無法啟動?？刂乒δ茉O(shè)計界面如圖10所示。

圖10 控制功能界面設(shè)計

2.4 保存功能

行星滾柱絲杠綜合性能測試過程中，可以實時的觀察各種指標的變化情況，但是僅僅試驗過程中觀察是不夠的，有時候需要對行星滾柱絲杠的性能數(shù)據(jù)進行溯源時，需要找做過的試驗的數(shù)據(jù)，可見試驗數(shù)據(jù)的保存彌足珍貴。在上位機PC 控制伺服系統(tǒng)運行過程中，實時采集數(shù)據(jù)，并實時保存所采集數(shù)據(jù)，存在本地緩沖區(qū)，當試驗完成后，試驗者可自主選擇是否對試驗數(shù)據(jù)進行保存。試驗完成后，點擊“保存”按鈕即將試驗和時間對應關(guān)系保存到本地的電子表格中，若不想保存，不做任何處理，下一次試驗啟動時，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)自動清除。數(shù)據(jù)實時存儲的編程面板如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)實時存儲編程面板

2.5 數(shù)據(jù)查詢功能

對于一個完善的上位機系統(tǒng)，開發(fā)數(shù)據(jù)查詢功能是非常必要的。本文所開發(fā)的歷史數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)可對前期試驗的數(shù)據(jù)進行快速的查詢。具體可在檢索項目下拉菜單選擇絲杠編號、試驗日期、試驗單位、試驗人員等四種查詢方式，四個查詢字段是“與”關(guān)系，可根據(jù)一項或多項字段進行精準查詢。在查詢結(jié)果的候選項中，點擊相應的條目，即可立即顯示對應的試驗數(shù)據(jù)和試驗波形圖。歷史數(shù)據(jù)查詢功能界面設(shè)計如圖12所示。

圖12 歷史數(shù)據(jù)查詢界面設(shè)計

2.6 通信功能

本文所用到的通信方式主要有三種：①串口通信，適用于含有RS232或者RS485通信協(xié)議的傳感器；②PCI 板卡通信，適用于TTL 脈沖信號和模擬電流信號，分別接入NI 的脈沖板卡和模擬電流板卡；③TCP通信，適用于上位機與PLC的通信。

串口通信的方式通常是有只發(fā)不收、只收不發(fā)、邊發(fā)邊收、發(fā)一次后面一直讀取。根據(jù)通信協(xié)議，本文選擇給傳感器發(fā)一次數(shù)據(jù)，讀取一次傳感器數(shù)值的方法進行通信。串口通訊選擇順序執(zhí)行，首先選用VISA配置串口對COM口、波特率、數(shù)據(jù)位和校驗位進行配置，再通過VISA 寫入對傳感器發(fā)送報文，執(zhí)行發(fā)送后選擇VISA 讀取對傳感器數(shù)值進行讀取，最后選用VISA 關(guān)閉結(jié)束串口通信。以拉壓力傳感器為例，上位機與串口之間的通信如圖13所示。

圖13 上位機LABVIEW讀取拉壓力數(shù)值

NI公司的PCI板卡與LABVIEW 之間通信十分便利，在使用之前，可在NI公司的官網(wǎng)下載DAQ 的安裝包，安裝完后便可在LABVIEW 中選擇DAQ 助手對通信進行配置，選擇與實物對應的型號和通道，即可實現(xiàn)與板卡之間的通信。無論是模擬量還是脈沖量，DAQ 所輸出的值與真實物理量之間存在一個倍數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，只需在輸出端乘以對應的系數(shù)，就可以得到傳感器的數(shù)值。NI 通過PCI 板卡與上位機LABVIEW通信的程序設(shè)計如圖14所示。

圖14 PCI板卡與上位機通信程序設(shè)計

上位機LABVIEW 與PLC 有多種通信方式，由于上位機和PLC 都有RJ45 接口，本文選擇TCP 通信方式。PLC 端完成IP 地址的正確設(shè)置以及對遠程PUT/GET 進行授權(quán)，并在PLC 端軟件里面創(chuàng)建一個DB 數(shù)據(jù)塊，同時對數(shù)據(jù)塊優(yōu)化塊的訪問。上位機端則需配置以太網(wǎng)地址，保證與PLC 端的IP 地址在同一網(wǎng)段內(nèi)但是IP不能完全相同，完全相同的IP會帶來訪問沖突的問題，從而導致不能正常建立通信連接。配置好IP后，在LABVIEW 端對通信參數(shù)進行配置，便可實現(xiàn)與PLC的通信，上位機與PLC之間的TCP通信LABVIEW程序設(shè)計如圖15所示。

圖15 上位機與PLC之間TCP通信程序設(shè)計

3 行星滾柱絲杠綜合性能上位機系統(tǒng)檢測

經(jīng)檢測，該系統(tǒng)功能強大，具有測量功能、控制功能、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)查詢和通信功能。測量功能實現(xiàn)了對行星滾柱絲杠綜合性能測量試驗中各種傳感器的數(shù)據(jù)采集，速度、加速度、溫度、溫位移、位移、噪聲和拉壓力等?？刂乒δ艿拈_發(fā)使得只需上位機進行控制參數(shù)設(shè)定，通過通信的方式傳送給PLC，便可實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的控制。數(shù)據(jù)保存功能讓試驗人員可對每次試驗的數(shù)據(jù)進行自主保存，且保存格式統(tǒng)一，無須使用者手動輸入，統(tǒng)一化的保存方法也為查詢帶來便利。數(shù)據(jù)查詢功能的開發(fā)讓歷史數(shù)據(jù)查詢變得高效，本文設(shè)計的歷史數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)，可選擇多種字段進行歷史數(shù)據(jù)查詢，絲杠編號、試驗日期、試驗單位和試驗人員可任選其一進行查詢。通信功能的開發(fā)讓上位機對數(shù)據(jù)采集和對PLC 的控制得以實現(xiàn)，本系統(tǒng)的開發(fā)主要用到三種通信方式，串口通信、PCI 通信和TCP通信。系統(tǒng)設(shè)計完成后，與機械部分進行了聯(lián)調(diào)。通過上位機發(fā)送控制參數(shù)，設(shè)定速度、加速度以及電機的行程完成了高速試驗，測試結(jié)果如圖16所示。

圖16 高速試驗測試界面

同時，通過上位機對起點坐標、終點坐標、運行速度和五個目標點的設(shè)置后，上位機將控制參數(shù)發(fā)送至PLC，傳感器實時采集數(shù)據(jù)，完成了精度試驗，測試結(jié)果如圖17所示。

圖17 精度試驗測試界面

4 結(jié)束語

為了對行星滾柱絲杠綜合性能進行測試，本文借助LABVIEW，設(shè)計了行星滾柱絲杠綜合性試驗平臺上位機測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對伺服系統(tǒng)進行控制，同時采集絲杠的多種性能參數(shù)，對高速試驗下的速度、加速度、噪聲、溫度變化、溫位移進行測量?？蓪仍囼炏碌奈灰七M行測量，并完成精度計算。數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)查詢?yōu)樵囼瀼同F(xiàn)提供了便利。實驗結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可對行星滾柱絲杠綜合性能進行測試，并可對試驗數(shù)據(jù)進行保存和查詢，該系統(tǒng)推廣價值很大。