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        摘 要:為了準(zhǔn)確測(cè)量滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的各項(xiàng)性能參數(shù)，研制了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由傳感器、工控機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)組成，可實(shí)時(shí)測(cè)量滑塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)精度、加速度、振動(dòng)、摩擦力、噪音及溫度的變化情況。測(cè)量過(guò)程用西門子數(shù)控系統(tǒng)控制，由傳感器采集數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將測(cè)量結(jié)果傳輸至工控機(jī)，最后通過(guò)測(cè)量軟件實(shí)時(shí)顯示并保存采樣數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)完全能夠滿足高速、高精度數(shù)據(jù)采集要求。
   
      關(guān)鍵詞:滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副; 綜合性能; 測(cè)控系統(tǒng); 軟件設(shè)計(jì)
 
      0 引言
 
      滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副因具有高精度、高速度及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)越性被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械，成為數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人以及 各 種 測(cè) 量 儀 器 中 不 可 或 缺 的 一 種 重 要 功能 部件［1］。其運(yùn)動(dòng)精度、摩擦、噪音、溫升等性能直接影響到機(jī)床的加工精度及壽命。目前國(guó)際知名滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副廠家 THK、NSK 等均有先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備為其產(chǎn)品質(zhì)量提供保證。因此，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的精確檢測(cè)對(duì)國(guó)內(nèi)滾動(dòng)功能部件及高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展具有重要意義［2］。
 
     要實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副各項(xiàng)性能的準(zhǔn)確測(cè)量，合適的測(cè)量平臺(tái)及測(cè)量方法至關(guān)重要。本文以現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備為平臺(tái)，以 Visual Basic 為編程語(yǔ)言，完成了滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集、處理、保存、查詢及打印輸出的自動(dòng)化與智能化。
 
     1 、測(cè)量裝置
 
     研制的滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能試驗(yàn)臺(tái)如圖 1 所示［3］，可檢測(cè)#35、#45、#55、#65 四種型號(hào)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)精度、加速度、振動(dòng)、摩擦力、噪音、溫升 6 項(xiàng)基本性能。該試驗(yàn)臺(tái)主要由 5 個(gè)部分組成，分別為: 床身部件、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及防護(hù)系統(tǒng)

                  圖 1 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能試驗(yàn)臺(tái)
 
     驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由直線電機(jī)和滑臺(tái)構(gòu)成，由直線電機(jī)推動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)沿滑塊運(yùn)動(dòng)方向作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，可有效保證滑塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性。同時(shí)也可提高整個(gè)系統(tǒng)的高速、高加速性能。測(cè)試系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)工裝、傳感器安裝支架及導(dǎo)軌轉(zhuǎn)接板，其中導(dǎo)軌轉(zhuǎn)接板作為運(yùn)動(dòng)精度測(cè)量的基準(zhǔn)平面，其精度高達(dá) 5 um/4 m，可有效保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。控制系統(tǒng)采用西門子 840Dsl 數(shù)控系統(tǒng)，用以控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度、加速度及起止位置等。防護(hù)系統(tǒng)由數(shù)控軟限位、接觸式限位開(kāi)關(guān)以及防撞器構(gòu)成，通過(guò)多重保護(hù)來(lái)提高試驗(yàn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備的安全性。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。
  
  

     
  
                        圖 2 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖
 
      2 、測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
 
      2．1 測(cè)試原理及硬件配置
 
      1) 測(cè)量原理
       
      滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能測(cè)試臺(tái)由直線電機(jī)作驅(qū)動(dòng)，氣浮導(dǎo)軌為主支撐，通過(guò)滑臺(tái)組件帶動(dòng)被測(cè)滑塊沿導(dǎo)軌來(lái)回往復(fù)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)由各傳感器( 拉壓力傳感器、加速度傳感器、振動(dòng)傳感器、噪聲傳感器、溫度傳感器、激光位移傳感器) 及高速數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及處理。其中，拉力傳感器、加速度傳感器、振動(dòng)傳感器用高速數(shù)據(jù)卡采集，傳感器信號(hào)通過(guò)單端模擬量輸入AI 口傳輸至工控機(jī)［4］。為了排除測(cè)試過(guò)程中強(qiáng)電對(duì)信號(hào)的干擾以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，激光位移傳感器采用 USB采集，噪音計(jì)和溫度傳感器采用 ＲS232 串口采集。最后通過(guò)測(cè)試軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波及處理并將處理結(jié)果以曲線的形式顯示出來(lái)，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌各項(xiàng)性能的實(shí)時(shí)測(cè)量及監(jiān)測(cè)。其測(cè)量原理圖如圖 3 所示。
 
 

                         圖 3 測(cè)量原理結(jié)構(gòu)框圖
   
      2) 硬件配置
 
     由于該試驗(yàn)臺(tái)可針對(duì)高精度等級(jí)的導(dǎo)軌進(jìn)行測(cè)量，則要求以高精度的傳感器為測(cè)量基礎(chǔ)。表 1 為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能試驗(yàn)臺(tái)傳感器配置。

                             表 1 傳感器配置

      2．2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方式確定
   
     該試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制主要是針對(duì)直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。其位置控制主要通過(guò)光柵尺測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制［5］。將光柵尺反饋的實(shí)際位置信號(hào)與數(shù)控系統(tǒng)輸入的理論值進(jìn)行比較，從而對(duì)直線電機(jī)的位置進(jìn)行校正。其控制原理為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送指令至驅(qū)動(dòng)單元控制直線電機(jī)沿導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí) NC 控制系統(tǒng)讀取電機(jī)坐標(biāo)值。當(dāng)直線電機(jī)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，光柵尺將脈沖信號(hào)反饋給 NC 控制單元，NC 控制單元將接收到的脈沖信號(hào)與設(shè)定的指令信號(hào)進(jìn)行比較之后經(jīng)驅(qū)動(dòng)單元控制直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置的閉環(huán)控制。此外，工控機(jī)通過(guò) PCI1784U 運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)光柵尺進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)，由公式: 實(shí)際位移 =柵距×脈沖數(shù)可得到直線電機(jī)相對(duì)于零點(diǎn)的實(shí)際位置。其閉環(huán)控制流程如圖 4 所示。

     
                            圖 4 閉環(huán)控制流程圖
   
     3 、測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
 
     3．1 程序主要功能
 
     由于該測(cè)試軟件需要對(duì)滑塊運(yùn)動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)軌的各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及顯示，要求軟件必須實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置、試驗(yàn)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集及顯示、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理及結(jié)果保存、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的查詢、試驗(yàn)報(bào)表的輸出與打印。本程序與 VB6．0 為設(shè)計(jì)平臺(tái)，其程序主界面如圖 5 所示。
 
     1) 監(jiān)控警報(bào)功能。由于該試驗(yàn)裝置由氣浮導(dǎo)軌做主支撐，因此需要對(duì)氣浮氣壓做實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以防止氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)值而導(dǎo)致主導(dǎo)發(fā)生損壞。

    2) 參數(shù)設(shè)置功能。該試驗(yàn)臺(tái)可檢測(cè)#35、#45、#55、#65 四種不同型號(hào)的導(dǎo)軌，通過(guò)參數(shù)設(shè)置對(duì)被測(cè)導(dǎo)軌的試驗(yàn)信息、導(dǎo)軌信息及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行保存，以便最終查詢及報(bào)表輸出。
  
  

    
                          圖5 程序主界面

     3) 數(shù)據(jù)采集功能。通過(guò) Timer 控件讀取板卡接收到的值，采集的同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波及均化處理以排除不正常的高信號(hào)或低信號(hào)，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)顯示并繪制各個(gè)傳感器的原始數(shù)據(jù)曲線。其中曲線的繪制采用iocomp 控件實(shí)現(xiàn)，橫坐標(biāo)為滑塊相對(duì)于絕對(duì)零點(diǎn)的位置，縱坐標(biāo)為傳感器的數(shù)值，如圖 6 所示。
  
  

     
  
                           圖 6 數(shù)據(jù)采集界面
 
     4) 數(shù)據(jù)處理功能。數(shù)據(jù)采集完成后從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取傳感器的原始數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算以得到需要的結(jié)果，并繪制結(jié)果曲線。
  
     5) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。本程序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通過(guò) VB 與 Access數(shù)據(jù)庫(kù)的對(duì)接來(lái)實(shí)現(xiàn)。分別建立試驗(yàn)人員信息表、參數(shù)表、原始數(shù)據(jù)表、結(jié)果數(shù)據(jù)表來(lái)存儲(chǔ)不同試驗(yàn)階段的數(shù)據(jù)以方便最終的查詢與打印輸出。人員信息表主要用以存儲(chǔ)試驗(yàn)人員的個(gè)人信息及密碼，參數(shù)表主要用以存儲(chǔ)每次試驗(yàn)的導(dǎo)軌信息及導(dǎo)軌重要參數(shù)等，原始數(shù)據(jù)表主要用以存儲(chǔ)試驗(yàn)過(guò)程中傳感器直接采集且未通過(guò)處理分析的數(shù)據(jù)以方便后期查詢及輸出。結(jié)果數(shù)據(jù)表用以存儲(chǔ)針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所給出的試驗(yàn)結(jié)果，以便輸出報(bào)表及后期查詢。
 
     6) 數(shù)據(jù)查詢功能。試驗(yàn)結(jié)束后可在數(shù)據(jù)查詢界面通過(guò)試驗(yàn)日期或?qū)к壭吞?hào)對(duì)試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)及結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、刪除、修改等。
 
     7) 打印報(bào)表功能。試驗(yàn)結(jié)束后可在試驗(yàn)界面打印本次試驗(yàn)的報(bào)表，也可通過(guò)查詢界面對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行打印。報(bào)表包括試驗(yàn)參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果、試驗(yàn)曲線圖片。
 
     3．2 主程序流程圖
 
     系統(tǒng)主程序流程如圖 7 所示，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前先設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)。進(jìn)入試驗(yàn)界面后打開(kāi)板卡、USB 接口及 ＲS232 接口并開(kāi)始檢測(cè)氣浮氣壓是否達(dá)到設(shè)定值，同時(shí)檢測(cè)數(shù)控信號(hào)。數(shù)控系統(tǒng)控制電機(jī)找到零點(diǎn)位置后，將傳感器針對(duì)當(dāng)前位置初始化。當(dāng)數(shù)控開(kāi)始執(zhí)行數(shù)控程序時(shí)給工控機(jī)發(fā)送信號(hào)，同時(shí)程序識(shí)別信號(hào)開(kāi)始采集。采集完成后對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到最終結(jié)果。最后保存數(shù)據(jù)并打印輸出，至此完成一次試驗(yàn)由采集到輸出結(jié)果的全部過(guò)程。
 
 

      
              圖7 主程序流程圖
 
      4 、試驗(yàn)驗(yàn)證
 
     為驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的可行性，現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)某廠家#45 導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，分 別 在 4 m/min、12 m/min、20 m/min 的速度下進(jìn)行檢測(cè)，其試驗(yàn)結(jié)果曲線
如圖 8、圖 9、圖 10 所示。表 2 為多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比。

                                 圖8 第 1 次試驗(yàn)
  

      
  
                               圖 9 第 2 次試驗(yàn)
  

      
  
                                 圖 10 第 3 次試驗(yàn)
 
   
                          表 2 結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比

    
    
     5 、結(jié)語(yǔ)
 
     針對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能試驗(yàn)臺(tái)對(duì)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能的檢測(cè)所需實(shí)現(xiàn)的功能問(wèn)題進(jìn)行了研究，并提出了試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。由試驗(yàn)結(jié)果可看出試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有較高的重復(fù)性，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較高的可行度，從而證明該方案的可行性，可為滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副綜合性能的研究提供較為可靠的試驗(yàn)基礎(chǔ)并對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的研究具有借鑒意義。