采用計算機和Windows接口軟件實現(xiàn)機床測試系統(tǒng)的設(shè)計

在工業(yè)生產(chǎn)測試過程中，經(jīng)常要對溫度、流量、壓力等模擬量進行采集，對繼電器、接觸器等開關(guān)量進行控制，此外還有步進電機和伺服電機進行精確的位移控制。開發(fā)一種基于計算機的機床測試系統(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。本文以一臺計算機為主控制器，采用Windows風格接口軟件，計算和測試速度快，信息處理能力強，系統(tǒng)集成度高，工作界面友好，操作方便，實現(xiàn)了多參數(shù)測試過程自動化，提高了測試效率和準確性。

系統(tǒng)主要功能及特點

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

（1）系統(tǒng)對減速器具有測量載荷，進行空載試驗、負載試驗、慣性負載試驗、離合器通斷試驗、回差試驗等功能，可同時對X、Y1、Y2三軸進行測試；

（2）系統(tǒng)對自動調(diào)高系統(tǒng)具有在線測量；調(diào)高精度功能，最多可同時測試8機頭，對進給距離具有自動設(shè)置和用戶給定功能，誤差值隨著機頭的進給實時計算并顯示；

（3）具有自動測試時間設(shè)定、加虛擬負載、載荷調(diào)節(jié)功能；

（4）對控制系統(tǒng)具有高溫老化試驗功能，自動監(jiān)測和記錄系統(tǒng)狀態(tài)；

（5）測量數(shù)據(jù)動態(tài)顯示，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)超標立即報警或停止實驗；

（6）測試結(jié)果進行自動分析和打印，并可進行相關(guān)文件操作，以便對測試結(jié)果進行深層分析和統(tǒng)計。

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和組成

系統(tǒng)采用模塊式結(jié)構(gòu)，以計算機作為主控制器。計算機有著豐富的軟硬件資源和強大的系統(tǒng)功能，運算和控制速度高，在現(xiàn)場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算機相連，被其控制同時為其提供測試數(shù)據(jù)。通過執(zhí)行計算機上的接口軟件，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)的主控制器由一臺工控計算機、標準鍵盤、鼠標器、CRT彩色顯示器和打印機等組成。計算機作為系統(tǒng)的主控制器，通過接口卡控制其他部分動作，采集測試數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行復雜的計算和分析，完成系統(tǒng)集成的各項測試功能，同時在測試的過程中，對測試結(jié)果進行實時動態(tài)顯示，如果發(fā)現(xiàn)超標即進行報警處理，并自動記錄故障時刻，以便操作者采取相關(guān)措施。操作者可通過顯示器、鍵盤和鼠標進行人機操作，選擇相應(yīng)的測試項目，輸入必要的測試參數(shù)，監(jiān)測整個測試過程，并進行相應(yīng)的文件操作，通過打印機打印測試結(jié)果。

接口模塊

接口模塊主要包括隔離驅(qū)動卡，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(shù)據(jù)采集，分為數(shù)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(qū)動卡數(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 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(tǒng)采用的輸入輸出接口卡均為PCI總線，由于測試和控制量較多，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(shù)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(tǒng)運行的安全性，系統(tǒng)還采用了一塊隔離驅(qū)動卡，通過光電隔離等手段來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(qū)動器和離合器等所需強度控制信號。

運動控制模塊

主要包括伺服系統(tǒng)和加載系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)由伺服電機驅(qū)動器、伺服電機和光電碼盤組成，其主要作用是控制測試過程中被測減速器按照一運動規(guī)律運轉(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，能滿足測試過程中的各種運動控制要求，在使用前，需進行參數(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)動器受計算機接口卡控制，接口卡的伺服指令輸出為+3V時，伺服電機轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分。計算機還通過接口卡控制伺服驅(qū)動器的符號位、輸出禁止、SV-ON位和C-MODE位。符號為1時對應(yīng)CCW方向（正轉(zhuǎn)），脈沖輸出為1時禁止有效，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，在測試過程中，根據(jù)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(tǒng)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(jù)這個信號調(diào)整加載裝置流過的電流，進而控制軸端轉(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，可直接與計算機輸入輸出接口卡連接，進行模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理，進而把相對位移的微變量提供給計算機，系統(tǒng)共采用8個接近傳感器測試調(diào)高精度。

轉(zhuǎn)矩傳感器選用JN338轉(zhuǎn)矩傳感器，該傳感器可實現(xiàn)能源及信號的非接觸傳遞，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(tǒng)進行運動控制，另一方面供計算機采集，計算機通過軟件對編碼器輸出信號進行轉(zhuǎn)換和計數(shù)，計數(shù)總值與脈沖當量的積即為位移量，而短時間內(nèi)的位移量即為瞬時速度。

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是一門功能強大的計算機高級可視化編程語言，但卻不能直接訪問計算機輸入輸出接口，為了解決這一問題，系統(tǒng)用C++語言編制了一個動態(tài)連接庫（DLL），對硬件端口的訪問功能全在連接庫中實現(xiàn)，當需要訪問某個端口時，調(diào)用相應(yīng)的連接庫函數(shù)，進行動態(tài)連接。這樣不但實現(xiàn)了預定功能，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)計的機床測試系統(tǒng)，運行平穩(wěn)，界面友好，操作方便，控制精度高，定位精度X軸Y1軸Y2軸都達到了0.024mm，重復定位精度X軸Y1軸Y2軸都達到了0.015mm。

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