基于計算機的機床測試系統

　　在工業(yè)生產(chǎn)測試過(guò)程中，經(jīng)常要對溫度、流量、壓力等模擬量進(jìn)行采集，對繼電器、接觸器等開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制，此外還有步進(jìn)電機和伺服電機進(jìn)行精確的位移控制。開(kāi)發(fā)一種基于計算機的機床測試系統，把各種控制量集成在一起構成閉環(huán)控制系統很有必要。本文以一臺計算機為主控制器，采用Windows風(fēng)格接口軟件，計算和測試速度快，信息處理能力強，系統集成度高，工作界面友好，操作方便，實(shí)現了多參數測試過(guò)程自動(dòng)化，提高了測試效率和準確性。

　　系統主要功能及特點(diǎn)

　　系統以對機床性能影響大的參數集成測試為主要目的，具有以下功能和特點(diǎn)：

　?。?）系統對減速器具有測量載荷，進(jìn)行空載試驗、負載試驗、慣性負載試驗、離合器通斷試驗、回差試驗等功能，可同時(shí)對X、Y1、Y2三軸進(jìn)行測試；
　?。?）系統對自動(dòng)調高系統具有在線(xiàn)測量；調高精度功能，最多可同時(shí)測試8機頭，對進(jìn)給距離具有自動(dòng)設置和用戶(hù)給定功能，誤差值隨著(zhù)機頭的進(jìn)給實(shí)時(shí)計算并顯示；
　?。?）具有自動(dòng)測試時(shí)間設定、加虛擬負載、載荷調節功能；
　?。?）對控制系統具有高溫老化試驗功能，自動(dòng)監測和記錄系統狀態(tài)；
　?。?）測量數據動(dòng)態(tài)顯示，如果發(fā)現數據超標立即報警或停止實(shí)驗；
　?。?）測試結果進(jìn)行自動(dòng)分析和打印，并可進(jìn)行相關(guān)文件操作，以便對測試結果進(jìn)行深層分析和統計。

　　系統硬件結構和組成

　　系統采用模塊式結構，以計算機作為主控制器。計算機有著(zhù)豐富的軟硬件資源和強大的系統功能，運算和控制速度高，在現場(chǎng)控制上有著(zhù)良好的控制性能。系統其他部分都通過(guò)接口卡與計算機相連，被其控制同時(shí)為其提供測試數據。通過(guò)執行計算機上的接口軟件，系統的硬件結構框圖如圖1所示。主要有以下部分：

　　圖1  系統結構框圖

　　主控制器

　　系統的主控制器由一臺工控計算機、標準鍵盤(pán)、鼠標器、CRT彩色顯示器和打印機等組成。計算機作為系統的主控制器，通過(guò)接口卡控制其他部分動(dòng)作，采集測試數據，并對這些數據進(jìn)行復雜的計算和分析，完成系統集成的各項測試功能，同時(shí)在測試的過(guò)程中，對測試結果進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，如果發(fā)現超標即進(jìn)行報警處理，并自動(dòng)記錄故障時(shí)刻，以便操作者采取相關(guān)措施。操作者可通過(guò)顯示器、鍵盤(pán)和鼠標進(jìn)行人機操作，選擇相應的測試項目，輸入必要的測試參數，監測整個(gè)測試過(guò)程，并進(jìn)行相應的文件操作，通過(guò)打印機打印測試結果。

　　接口模塊

　　接口模塊主要包括隔離驅動(dòng)卡，輸入輸出接口卡。輸入輸出接口卡負責計算機對測試裝置的控制和數據采集，分為數字信號接口和模擬信號接口，模擬輸入（AI）采用研華PCI-726，模擬輸出（AO）采用研華PCI-1710，隔離驅動(dòng)卡數字輸入（DI）數字輸出（DO）采用研華PCI-734。具體通道數確定如下：

　　數字輸入（DI）：
　　轉矩傳感器 3路
　　碼盤(pán) 18路
　　故障報警 3路

　　模擬輸入（AI）：
　　接近傳感器 8路

　　數字輸出（DO）：
　　離合器 3路
　　脈沖禁止 3路
　　SV-ON 3路
　　脈沖串 3路
　　符號 3路
　　C-MODE 3路

　　模擬輸出（AO）：
　　伺服指令： 3路
　　加載控制： 3路

　　總計DI：24路，AI：8路，DO：18路，AO：6路。

　　本系統采用的輸入輸出接口卡均為PCI總線(xiàn)，由于測試和控制量較多，所以采用了三塊接口卡，通過(guò)硬件調線(xiàn)，設置其基地址分別為300H和330H。模擬信號輸入輸出通道相互獨立，分辨率為12位，其信號范圍如下：

　　輸入范圍：-10V～+10V
　　輸出范圍：-10V～+10V

　　接口卡的數字輸入輸出信號與TTL電平兼容，易于和其他部分相連，特性如下：

　　輸入低電平VIL≤0.8V
　　輸入高電平VIH≥2.0V
　　輸出低電平VOL≤0.5V
　　輸出高電平VOH≥2.4V

　　為了保證系統運行的安全性，系統還采用了一塊隔離驅動(dòng)卡，通過(guò)光電隔離等手段來(lái)保證計算機信號和外界信號的隔離，并把接口卡的輸出信號放大為伺服驅動(dòng)器和離合器等所需強度控制信號。

　　運動(dòng)控制模塊

　　主要包括伺服系統和加載系統。伺服系統由伺服電機驅動(dòng)器、伺服電機和光電碼盤(pán)組成，其主要作用是控制測試過(guò)程中被測減速器按照一運動(dòng)規律運轉。本系統中，采用了3套松下（MINAS）伺服系統分別控制X、Y1、Y2三軸，該系統有速度控制、位置控制和轉矩控制三種控制方式，能滿(mǎn)足測試過(guò)程中的各種運動(dòng)控制要求，在使用前，需進(jìn)行參數設置，有關(guān)參數設置如下：

　　NO.25=10000,  NO.26=7200 
　　NO.27=1,  NO.29=3

　　伺服驅動(dòng)器受計算機接口卡控制，接口卡的伺服指令輸出為+3V時(shí)，伺服電機轉速為1500轉/分。計算機還通過(guò)接口卡控制伺服驅動(dòng)器的符號位、輸出禁止、SV-ON位和C-MODE位。符號為1時(shí)對應CCW方向(正轉),脈沖輸出為1時(shí)禁止有效，SV-ON低電平有效，C-MODE低電平為速度控制方式，高電平為位置控制方式，在測試過(guò)程中，根據測試項目不同，計算機按照程序改變這些控制信號，使伺服電機工作于不同方式和狀態(tài)。

　　加載系統主要負責向軸端提供虛擬負載，加載控制器接受計算機輸出的模擬信號，并根據這個(gè)信號調整加載裝置流過(guò)的電流，進(jìn)而控制軸端轉矩。

　　傳感器模塊

　　接近傳感器選用量程為20mm，輸出電壓為0～5V的WYD系列直流位移傳感器，該傳感器與電子電路集成一體，安裝使用方便，不需外加放大器，可直接與計算機輸入輸出接口卡連接，進(jìn)行模數轉換及數據處理，進(jìn)而把相對位移的微變量提供給計算機，系統共采用8個(gè)接近傳感器測試調高精度。

　　轉矩傳感器選用JN338轉矩傳感器，該傳感器可實(shí)現能源及信號的非接觸傳遞，并做到了傳遞與是否旋轉無(wú)關(guān)，與轉速大小無(wú)關(guān)，與旋轉方向無(wú)關(guān)，輸出信號為脈沖信號。

　　增量式光電編碼器作為速度和位移傳感器，它的輸出一方面提供給伺服系統進(jìn)行運動(dòng)控制，另一方面供計算機采集，計算機通過(guò)軟件對編碼器輸出信號進(jìn)行轉換和計數，計數總值與脈沖當量的積即為位移量，而短時(shí)間內的位移量即為瞬時(shí)速度。

　　接口軟件開(kāi)發(fā)

　　系統接口軟件主應用程序是在Windows操作系統下，用可視化程序開(kāi)發(fā)工具Visual Basic6.0開(kāi)發(fā)的. 軟件操作界面采用Windows風(fēng)格,其框圖如圖2所示。

　　圖2  系統軟件框圖

　　Visual Basic6.0是一門(mén)功能強大的計算機高級可視化編程語(yǔ)言，但卻不能直接訪(fǎng)問(wèn)計算機輸入輸出接口，為了解決這一問(wèn)題，系統用C++語(yǔ)言編制了一個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫(DLL)，對硬件端口的訪(fǎng)問(wèn)功能全在連接庫中實(shí)現，當需要訪(fǎng)問(wèn)某個(gè)端口時(shí)，調用相應的連接庫函數，進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接。這樣不但實(shí)現了預定功能，而且使軟件結構優(yōu)化，節約了大量系統資源。

　　結論

　　以本系統設計的機床測試系統，運行平穩，界面友好，操作方便，控制精度高，定位精度X軸Y1軸Y2軸都達到了0.024mm,重復定位精度X軸Y1軸Y2軸都達到了0.015mm。