軸承模擬試驗(yàn)設(shè)備測(cè)控的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

李靳東，郭紹鵬，程旭彥

（洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司試驗(yàn)技術(shù)開(kāi)發(fā)部，河南洛陽(yáng)471039；）

1 前言

2 測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式及硬件構(gòu)成

2.1 測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式

軸承模擬試驗(yàn)設(shè)備用來(lái)模擬軸承在實(shí)際工況下的承載能力、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)以及使用壽命等指標(biāo)，主要用于汽車(chē)輪轂軸承的模擬試驗(yàn)[1]，可為整車(chē)試驗(yàn)提供模擬數(shù)據(jù)支持。測(cè)控系統(tǒng)將軸承所承受載荷簡(jiǎn)化為軸向以及徑向載荷進(jìn)行監(jiān)控，主軸轉(zhuǎn)速由變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者電主軸進(jìn)行測(cè)控，同時(shí)在軸承外圈安置溫度傳感器和振動(dòng)傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中的溫度和振動(dòng)變化以確定軸承的實(shí)際使用壽命，還可根據(jù)不同軸承的具體試驗(yàn)要求輔以加熱或者泥水噴濺裝置。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

測(cè)控系統(tǒng)硬件由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集以及信號(hào)控制板卡、通訊板卡、濾波裝置、外圍電氣系統(tǒng)、傳感器和液壓比例閥等構(gòu)成。文章主要介紹與計(jì)算機(jī)相關(guān)的部分。

(1)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)由工業(yè)用鋼質(zhì)機(jī)箱（配合14槽PCI/ISA總線工業(yè)級(jí)底板，可提供極大的使用擴(kuò)展）、PICMG1.0總線標(biāo)準(zhǔn)全長(zhǎng)CPU卡、使用Inter主流芯片組配合雙核CPU、內(nèi)存以及硬盤(pán)光驅(qū)組成，具有高可靠性、硬件配置可裝配擴(kuò)充性、可維護(hù)性等特點(diǎn)，能夠滿足工業(yè)環(huán)境下長(zhǎng)期高效的正常使用。

(2)整個(gè)系統(tǒng)要完成測(cè)控工作，必須通過(guò)各種數(shù)據(jù)采集板卡、信號(hào)控制板卡、通訊板卡等來(lái)實(shí)現(xiàn)。軸承模擬試驗(yàn)設(shè)備需要測(cè)試軸承外圈溫度、軸向徑向載荷、振動(dòng)信號(hào)等不超過(guò)10個(gè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào),控制軸向徑向載荷的方向和大小、電機(jī)啟停等。基于可靠性和經(jīng)濟(jì)性的需要，選擇一塊多功能數(shù)據(jù)采集卡，如凌華公司（ADLINK）的ACL-8112PG[2]就可以完成以上測(cè)控內(nèi)容。此類(lèi)板卡一般提供16路以上單端或者8路以上雙端信號(hào)輸入（A/D功能）；可編程指定增益從0.5～1000；16路以上數(shù)字輸出（DO）和數(shù)字輸入(DI)；2路模擬輸出(D/A功能)以及3個(gè)可編程的8254定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；采用ISA總線形式[3]?？梢酝瓿涩F(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、載荷控制、電機(jī)啟?？刂?、無(wú)人值守電機(jī)狀態(tài)監(jiān)控等測(cè)控系統(tǒng)所需的全部功能。板卡提供單路100kHz以上的采樣頻率，自帶驅(qū)動(dòng)可以調(diào)用函數(shù)使用所有功能，或者由使用者嵌入?yún)R編語(yǔ)言訪問(wèn)指定寄存器使用板卡各項(xiàng)功能。板卡12位的采樣數(shù)據(jù)位可以表示的數(shù)據(jù)精度為0.02%，軸承模擬試驗(yàn)設(shè)備的信號(hào)采集精度要求最高不會(huì)超過(guò)0.2%，板卡高于一個(gè)數(shù)量級(jí)的精度完全能夠滿足其使用要求。

(3)該系統(tǒng)使用變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)使主軸旋轉(zhuǎn)，主流變頻器都支持標(biāo)準(zhǔn)的mobus通訊協(xié)議，利用485總線與計(jì)算機(jī)進(jìn)行雙向通訊測(cè)控。使用RS485的接口卡來(lái)完成通訊任務(wù)，達(dá)到無(wú)級(jí)變速以及監(jiān)視電機(jī)轉(zhuǎn)速電流等測(cè)試數(shù)據(jù)的作用。通訊板卡最好選擇帶光隔離器，可使計(jì)算機(jī)和其他設(shè)備不會(huì)被地環(huán)流損壞，增加惡劣環(huán)境下的可靠性。

(4)設(shè)備主要干擾源來(lái)自變頻器，在做好地線處理和變頻器抗干擾措施后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的具體情況，選擇合適的電阻電容，組成阻容濾波裝置，就可以得到準(zhǔn)確的采樣信號(hào)，保證試驗(yàn)的進(jìn)行。

3 測(cè)控系統(tǒng)的軟件編程原理以及實(shí)現(xiàn)方式

3.1 軟件編程工具

編程軟件使用Borland公司出品的C++Builder5.0，這款軟件以C++為核心，內(nèi)置了100多個(gè)完全封裝了Windows公用特性且具有完全可擴(kuò)展性（包括全面支持ActiveX控件）的可重用控件，結(jié)合可視化開(kāi)發(fā)環(huán)境可以高效靈活地編制工業(yè)級(jí)別的測(cè)控程序[4]。

3.2 軸承模擬設(shè)備測(cè)控軟件的實(shí)現(xiàn)方法

軟件是一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)數(shù)值進(jìn)行顯示保存，控制設(shè)備按照用戶要求正常運(yùn)轉(zhuǎn)，監(jiān)視設(shè)備運(yùn)行，達(dá)到無(wú)人值守功能，所以一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)是否完善，測(cè)控軟件具有決定性作用。下面將著重介紹軟件在軸承模擬試驗(yàn)設(shè)備中的應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)方法。

每個(gè)城市都會(huì)有自己的蔬菜供給基地，湯翠就住在那兒，南菜村。本來(lái)，城市是朝北規(guī)劃的，湯翠他們就有些眼氣。眼氣也就那么一會(huì)兒，日子還得過(guò)下去，南菜雖不比新規(guī)劃的北區(qū)好，但趕上好形勢(shì)了，變化也算得上日新月異。

測(cè)控軟件按照其功能主要分為測(cè)試模塊、控制模塊以及其他譬如存儲(chǔ)、界面顯示、打印等輔助模塊。

3.2.1 測(cè)試模塊

測(cè)試模塊主要完成現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換工作以及與變頻器的數(shù)據(jù)通訊工作。

需要測(cè)試的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)有2個(gè)溫度、1個(gè)振動(dòng)、軸向徑向力傳感器。傳感器通過(guò)各自配套的放大器輸出0～5V或者0～10V信號(hào)，對(duì)應(yīng)其線性的信號(hào)輸出。比如溫度傳感器量程為0～200℃，電壓輸出為0～5V，1V電壓值即對(duì)應(yīng)溫度值為40℃，同理，其他傳感器也有線性電壓輸出關(guān)系。測(cè)試信號(hào)通過(guò)前置的濾波裝置去除干擾信號(hào)，接入數(shù)據(jù)采集卡，測(cè)控軟件利用板卡提供的數(shù)據(jù)寄存器存儲(chǔ)地址以及偏移量，結(jié)合匯編語(yǔ)言編制數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)程序，完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換（A/D）。

ACL-8112PG數(shù)據(jù)寄存器為12位表示，即2的12次方為4096個(gè)整數(shù)來(lái)表示現(xiàn)場(chǎng)的模擬信號(hào)。如果板卡輸入信號(hào)的電壓量程為0～5V，那么寄存器里存放的數(shù)字表示為0～4096；比如溫度一路信號(hào)在寄存器里存儲(chǔ)為1024，線性對(duì)應(yīng)信號(hào)輸入電壓應(yīng)為1024×5/4096等于1.25V，單位電壓值對(duì)應(yīng)溫度值為40℃，可以得出此時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)溫度為1.25×40=50℃。以此類(lèi)推，力傳感器、振動(dòng)傳感器均可以這樣得到計(jì)算機(jī)可以處理的采樣數(shù)值。

雖然信號(hào)經(jīng)過(guò)前置的濾波處理，但是一些微小的雜波和線間干擾還是會(huì)影響到數(shù)據(jù)的精確。為了保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，軟件利用8112PG板卡具備100kHz的采樣頻率這個(gè)特點(diǎn)，全速采集所需的信號(hào)放入內(nèi)存數(shù)組，進(jìn)行軟件濾波，根據(jù)信號(hào)的特點(diǎn)采取不同濾波法。算術(shù)平均濾波法為連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，N值越大，信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低，適用于溫度等變化較慢的信號(hào)；防脈沖干擾平均濾波法為連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù)，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值,然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，適用于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，可以消除可能出現(xiàn)的短暫脈沖干擾所引起的采樣值偏差；還有一些濾波法，比如滑動(dòng)平均濾波法、限幅平均濾波法等，可以選擇使用來(lái)提高信號(hào)的準(zhǔn)確性[5]。對(duì)于交流輸出的振動(dòng)傳感器來(lái)說(shuō)，不能使用軟件濾波來(lái)進(jìn)行處理，可根據(jù)信號(hào)的干凈程度來(lái)選擇合適的高速采樣頻率對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行采集處理。

以臺(tái)達(dá)公司出品的VFD-B變頻器來(lái)說(shuō)，軟件可以使用RS-485通訊功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的無(wú)級(jí)調(diào)速以及主機(jī)轉(zhuǎn)速、電流、電壓等參數(shù)的采集工作。RS-485通訊方式為上位機(jī)下位機(jī)模式，可以通過(guò)各個(gè)下位機(jī)（變頻器）的地址不同，上位機(jī)（工控機(jī)）來(lái)實(shí)現(xiàn)一控多的工作。

3.2.2 控制模塊

控制模塊是軟件的核心，主要完成設(shè)備的載荷調(diào)節(jié)。

模擬汽車(chē)實(shí)際工況就要求軸承徑向載荷一直保持單向施加來(lái)模擬汽車(chē)自重，而軸向力則是模擬汽車(chē)轉(zhuǎn)彎等受力情況，所以載荷的方向控制就集中在軸向載荷的換向上面。監(jiān)控軟件通過(guò)ACL-8112PG板卡的數(shù)字輸出功能，控制相應(yīng)繼電器吸合來(lái)驅(qū)動(dòng)換向閥完成軸向載荷的換向功能。

載荷大小的控制則是利用ACL-8112PG板卡的數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）功能，軟件內(nèi)嵌匯編語(yǔ)言將指定位置寄存器寫(xiě)入12位數(shù)據(jù)，即0-4096之間的整數(shù)值，板卡對(duì)應(yīng)輸出0～5V直流電壓，通過(guò)放大器作用于液壓比例閥來(lái)控制對(duì)應(yīng)油路的載荷大小。

試驗(yàn)人員根據(jù)軸承的具體情況以及汽車(chē)模擬試驗(yàn)的情況，總結(jié)出一套適合的轉(zhuǎn)速載荷譜，包含每一步要求的主軸轉(zhuǎn)速、軸向徑向載荷的大小、載荷的方向、本步運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間等信息，轉(zhuǎn)速載荷譜可以無(wú)限添加或者刪除步驟。在其他輸入項(xiàng)目諸如存儲(chǔ)時(shí)間、循環(huán)次數(shù)以及報(bào)警參數(shù)等等輸入完畢保存后，軟件就會(huì)根據(jù)輸入的步驟進(jìn)行自動(dòng)試驗(yàn)。測(cè)控軟件輸入界面見(jiàn)圖1。

圖1 測(cè)控軟件輸入界面

試驗(yàn)中，軸向徑向載荷同時(shí)作用在試驗(yàn)件的工裝上，懸臂的結(jié)構(gòu)勢(shì)必會(huì)造成兩個(gè)方向載荷的互相干涉，由于徑向載荷方向保持不變，載荷大小一般也保持不變，所以在加載控制程序中對(duì)徑向載荷的大小進(jìn)行適時(shí)調(diào)節(jié)，也就是不間斷地以100ms級(jí)別精度進(jìn)行（設(shè)備中電信號(hào)傳輸為ms級(jí)別或者更高，比例閥芯動(dòng)作為10ms級(jí)別，而油缸克服摩擦力及行程所用時(shí)間基本要到秒級(jí)別，所以此類(lèi)設(shè)備最快的載荷調(diào)節(jié)周期單位為100ms）。由于徑向載荷不停受軸向載荷換向以及大小變化的影響，很難達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)，所以其閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)方式主要選用比例（P）+微分(D)方式。微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的變化率成正比關(guān)系，它能預(yù)測(cè)誤差變化的趨勢(shì)，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。使被控量也就是徑向載荷能夠快速穩(wěn)定在試驗(yàn)要求的數(shù)值[6]。

但是對(duì)于軸向載荷的控制就不適宜使用簡(jiǎn)單的PID調(diào)節(jié)方式，由于頻繁的在拉、壓中位之間轉(zhuǎn)換，載荷的大小發(fā)生變化，同時(shí)徑向載荷的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)也會(huì)對(duì)軸向載荷的調(diào)節(jié)造成很大的干涉影響，試驗(yàn)要求軸向載荷在換向過(guò)程中，從開(kāi)始調(diào)節(jié)到90%穩(wěn)態(tài)控制在2s以內(nèi)。為了解決這些控制中出現(xiàn)的問(wèn)題，軟件設(shè)計(jì)了一種單步限次反饋調(diào)節(jié)的辦法，以圖1輸入的4步轉(zhuǎn)速載荷譜為例：載荷譜中DaFa、DaFr就是軸向載荷和徑向載荷的D/A調(diào)節(jié)電壓（敘述方便，正常使用的測(cè)控軟件此兩項(xiàng)不做顯示）。軸向載荷的調(diào)節(jié)以500ms時(shí)間間隔為調(diào)節(jié)定時(shí)器，比如在轉(zhuǎn)速載荷譜滾動(dòng)到第三步時(shí)，頭兩個(gè)定時(shí)器周期（即1s內(nèi)）DaFa控制量不進(jìn)行調(diào)整仍發(fā)送2.2888 6V,之后以軸向載荷的采樣值為反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)，在滾動(dòng)到第四步時(shí)，DaFa的數(shù)值一起存入轉(zhuǎn)速載荷譜用于下一周期第三步軸向載荷的初始控制量。由于兩種方向載荷的相互影響，就必須對(duì)其中一個(gè)載荷相對(duì)緩慢地調(diào)整以保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。徑向載荷以100ms為時(shí)間間隔實(shí)時(shí)快速調(diào)整，軸向載荷在步驟更替時(shí)需要換向變載，油缸運(yùn)動(dòng)到位也需要大概1s的時(shí)間。所以在頭兩個(gè)定時(shí)器周期也就是1s內(nèi)，軸向載荷調(diào)節(jié)不根據(jù)反饋來(lái)調(diào)整，同時(shí)500ms為時(shí)間間隔的定時(shí)器也保證了軸向載荷調(diào)整的相對(duì)緩慢，平衡了整個(gè)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性。

試驗(yàn)要求的軸向載荷一般都有拉壓和零位，比如圖1中的第二步和第四步。在軸向載荷回零時(shí)，盡管DaFa發(fā)送0電壓信號(hào)，軸向載荷也會(huì)受到徑向載荷的拉力的影響無(wú)法回到零位，影響試驗(yàn)精度。測(cè)控軟件可以智能判斷軸載由壓力方向回零，也就是圖1中第一步滾動(dòng)到第二步的情況，軸向載荷在換向置中位，DaFa發(fā)送0V電壓時(shí)仍存在少許壓力，此時(shí)測(cè)控軟件內(nèi)部將此步控制量0kN換為0.02kN（即換為拉力方向的一個(gè)很小的量），改變軸向載荷方向?yàn)槔Ψ较蜻M(jìn)行載荷調(diào)節(jié)，這樣就可以逐步抵消徑向載荷對(duì)于軸向載荷零位的影響。軸載由拉力方向回零同理可以處理。圖1中第二步，第四步的零位中DaFa就是軟件自動(dòng)調(diào)整消除零位誤差的數(shù)值。圖2為軟件過(guò)零位的調(diào)節(jié)效果。

圖2 測(cè)控軟件監(jiān)控界面

同時(shí)，軟件具備設(shè)備自動(dòng)測(cè)控運(yùn)轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)自動(dòng)保存打印、采樣曲線實(shí)時(shí)顯示以及全程曲線的保存顯示（此功能可存儲(chǔ)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程所有參數(shù)的曲線數(shù)據(jù)，可以宏觀地觀察整個(gè)試驗(yàn)所有采樣參數(shù)的變化情況，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)有參考作用）等功能。整個(gè)測(cè)控軟件在一次輸入完整的運(yùn)轉(zhuǎn)信息后，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的自動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程。完備的報(bào)警處理機(jī)能可以在試驗(yàn)出現(xiàn)所有故障時(shí)及時(shí)報(bào)警，停止設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，關(guān)停所有電機(jī)，保護(hù)設(shè)備免受損害。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的測(cè)控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)方法主要包括硬件構(gòu)成和軟件實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面，通過(guò)測(cè)試和控制兩個(gè)方面介紹了軟件實(shí)現(xiàn)的方法。文章介紹的軸承模擬試驗(yàn)設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際使用，客戶反饋良好，對(duì)其它設(shè)備的測(cè)控系統(tǒng)研發(fā)也有一定的參考價(jià)值。

[1]凌華公司.NI公司板卡說(shuō)明資料[Z].

[2]張金煥，王大力.汽車(chē)輪轂軸承模擬試驗(yàn)技術(shù)[J]，軸承,2002,(9)：24-26.

[3]任家富，虞先國(guó)，陶永莉.數(shù)據(jù)采集與總線技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]陳寬達(dá).C++Builder深度歷險(xiǎn)[M].湖北：華中科技大學(xué)出版社，2002.

[5]祝常紅，彭堅(jiān).數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6]Gene F.Franklin，J.David Powell，Abbas Emami-Naeini.自動(dòng)控制原理與設(shè)計(jì)：第5版[M].李中華，張雨濃,譯.北京：人民郵電出版社,2007.