在工業(yè)生產(chǎn)測(cè)試過程中，經(jīng)常要對(duì)溫度、流量、壓力等模擬量進(jìn)行采集，對(duì)繼電器、接觸器等開關(guān)量進(jìn)行控制，此外還有步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)進(jìn)行精確的位移控制。開發(fā)一種基于計(jì)算機(jī)的機(jī)床測(cè)試系統(tǒng)，把各種控制量集成在一起構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)很有必要。本文以一臺(tái)計(jì)算機(jī)為主控制器，采用Windows風(fēng)格接口軟件，計(jì)算和測(cè)試速度快，信息處理能力強(qiáng)，系統(tǒng)集成度高，工作界面友好，操作方便，實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)測(cè)試過程自動(dòng)化，提高了測(cè)試效率和準(zhǔn)確性。

系統(tǒng)主要功能及特點(diǎn)

    系統(tǒng)以對(duì)機(jī)床性能影響大的參數(shù)集成測(cè)試為主要目的，具有以下功能和特點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)對(duì)減速器具有測(cè)量載荷，進(jìn)行空載試驗(yàn)、負(fù)載試驗(yàn)、慣性負(fù)載試驗(yàn)、離合器通斷試驗(yàn)、回差試驗(yàn)等功能，可同時(shí)對(duì)X、Y1、Y2三軸進(jìn)行測(cè)試；
（2）系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)具有在線測(cè)量；調(diào)高精度功能，最多可同時(shí)測(cè)試8機(jī)頭，對(duì)進(jìn)給距離具有自動(dòng)設(shè)置和用戶給定功能，誤差值隨著機(jī)頭的進(jìn)給實(shí)時(shí)計(jì)算并顯示；
（3）具有自動(dòng)測(cè)試時(shí)間設(shè)定、加虛擬負(fù)載、載荷調(diào)節(jié)功能；
（4）對(duì)控制系統(tǒng)具有高溫老化試驗(yàn)功能，自動(dòng)監(jiān)測(cè)和記錄系統(tǒng)狀態(tài)；
（5）測(cè)量數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超標(biāo)立即報(bào)警或停止實(shí)驗(yàn)；
（6）測(cè)試結(jié)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(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行深層分析和統(tǒng)計(jì)。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和組成

    系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，以計(jì)算機(jī)作為主控制器。計(jì)算機(jī)有著豐富的軟硬件資源和強(qiáng)大的系統(tǒng)功能，運(yùn)算和控制速度高，在現(xiàn)場(chǎng)控制上有著良好的控制性能。系統(tǒng)其他部分都通過接口卡與計(jì)算機(jī)相連，被其控制同時(shí)為其提供測(cè)試數(shù)據(jù)。通過執(zhí)行計(jì)算機(jī)上的接口軟件，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。主要有以下部分：

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

主控制器

    系統(tǒng)的主控制器由一臺(tái)工控計(jì)算機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)器、CRT彩色顯示器和打印機(jī)等組成。計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，通過接口卡控制其他部分動(dòng)作，采集測(cè)試數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和分析，完成系統(tǒng)集成的各項(xiàng)測(cè)試功能，同時(shí)在測(cè)試的過程中，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，如果發(fā)現(xiàn)超標(biāo)即進(jìn)行報(bào)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。操作者可通過顯示器、鍵盤和鼠標(biāo)進(jìn)行人機(jī)操作，選擇相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目，輸入必要的測(cè)試參數(shù)，監(jiān)測(cè)整個(gè)測(cè)試過程，并進(jìn)行相應(yīng)的文件操作，通過打印機(jī)打印測(cè)試結(jié)果。

接口模塊

    接口模塊主要包括隔離驅(qū)動(dòng)卡，輸入輸出接口卡。輸入輸出接口卡負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試裝置的控制和數(shù)據(jù)采集，分為數(shù)字信號(hào)接口和模擬信號(hào)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(qū)動(dòng)卡數(shù)字輸入（DI）數(shù)字輸出（DO）采用研華PCI-734。具體通道數(shù)確定如下：

數(shù)字輸入（DI）：
 轉(zhuǎn)矩傳感器 3路
 碼盤 18路
 故障報(bào)警 3路

模擬輸入（AI）：
 接近傳感器 8路

數(shù)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(hào) 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(jì)DI：24路，AI：8路，DO：18路，AO：6路。

    本系統(tǒng)采用的輸入輸出接口卡均為PCI總線，由于測(cè)試和控制量較多，所以采用了三塊接口卡，通過硬件調(diào)線，設(shè)置其基地址分別為300H和330H。模擬信號(hào)輸入輸出通道相互獨(dú)立，分辨率為12位，其信號(hào)范圍如下：

輸入范圍：-10V～+10V
輸出范圍：-10V～+10V

    接口卡的數(shù)字輸入輸出信號(hào)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(tǒng)運(yùn)行的安全性，系統(tǒng)還采用了一塊隔離驅(qū)動(dòng)卡，通過光電隔離等手段來保證計(jì)算機(jī)信號(hào)和外界信號(hào)的隔離，并把接口卡的輸出信號(hào)放大為伺服驅(qū)動(dòng)器和離合器等所需強(qiáng)度控制信號(hào)。

運(yùn)動(dòng)控制模塊

    主要包括伺服系統(tǒng)和加載系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)和光電碼盤組成，其主要作用是控制測(cè)試過程中被測(cè)減速器按照一運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)中，采用了3套松下（MINAS）伺服系統(tǒng)分別控制X、Y1、Y2三軸，該系統(tǒng)有速度控制、位置控制和轉(zhuǎn)矩控制三種控制方式，能滿足測(cè)試過程中的各種運(yùn)動(dòng)控制要求，在使用前，需進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，有關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：

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

    伺服驅(qū)動(dòng)器受計(jì)算機(jī)接口卡控制，接口卡的伺服指令輸出為+3V時(shí)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分。計(jì)算機(jī)還通過接口卡控制伺服驅(qū)動(dòng)器的符號(hào)位、輸出禁止、SV-ON位和C-MODE位。符號(hào)為1時(shí)對(duì)應(yīng)CCW方向(正轉(zhuǎn)),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(cè)試過程中，根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目不同，計(jì)算機(jī)按照程序改變這些控制信號(hào)，使伺服電機(jī)工作于不同方式和狀態(tài)。

    加載系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)向軸端提供虛擬負(fù)載，加載控制器接受計(jì)算機(jī)輸出的模擬信號(hào)，并根據(jù)這個(gè)信號(hào)調(diào)整加載裝置流過的電流，進(jìn)而控制軸端轉(zhuǎn)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(jì)算機(jī)輸入輸出接口卡連接，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理，進(jìn)而把相對(duì)位移的微變量提供給計(jì)算機(jī)，系統(tǒng)共采用8個(gè)接近傳感器測(cè)試調(diào)高精度。

    轉(zhuǎn)矩傳感器選用JN338轉(zhuǎn)矩傳感器，該傳感器可實(shí)現(xiàn)能源及信號(hào)的非接觸傳遞，并做到了傳遞與是否旋轉(zhuǎn)無關(guān)，與轉(zhuǎn)速大小無關(guān)，與旋轉(zhuǎn)方向無關(guān)，輸出信號(hào)為脈沖信號(hào)。

    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(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，另一方面供計(jì)算機(jī)采集，計(jì)算機(jī)通過軟件對(duì)編碼器輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)總值與脈沖當(dāng)量的積即為位移量，而短時(shí)間內(nèi)的位移量即為瞬時(shí)速度。

接口軟件開發(fā)

    系統(tǒng)接口軟件主應(yīng)用程序是在Windows操作系統(tǒng)下，用可視化程序開發(fā)工具Visual Basic6.0開發(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(tǒng)軟件框圖

    Visual Basic6.0是一門功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)高級(jí)可視化編程語言，但卻不能直接訪問計(jì)算機(jī)輸入輸出接口，為了解決這一問題，系統(tǒng)用C++語言編制了一個(gè)動(dòng)態(tài)連接庫(DLL)，對(duì)硬件端口的訪問功能全在連接庫中實(shí)現(xiàn)，當(dāng)需要訪問某個(gè)端口時(shí)，調(diào)用相應(yīng)的連接庫函數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接。這樣不但實(shí)現(xiàn)了預(yù)定功能，而且使軟件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，節(jié)約了大量系統(tǒng)資源。

結(jié)論

    以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)床測(cè)試系統(tǒng)，運(yùn)行平穩(wěn)，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(dá)到了0.024mm,重復(fù)定位精度X軸Y1軸Y2軸都達(dá)到了0.015mm。