基于cRIO的銑齒機(jī)主軸箱試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計*

陳科安，陳 捷，洪榮晶，艾真?zhèn)?/p>

基于cRIO的銑齒機(jī)主軸箱試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計*

陳科安，陳 捷，洪榮晶，艾真?zhèn)?/p>

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，南京 210009)

主軸箱是銑齒機(jī)設(shè)備中的重要部件，為分析驗證主軸箱的綜合性能，根據(jù)通用齒輪裝置型式試驗方法標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計開發(fā)了一套主軸箱試驗臺測控系統(tǒng)。系統(tǒng)以cRIO和CDAQ作為下位機(jī)，ABB ACS850多傳動系統(tǒng)作為驅(qū)動核心，安裝LabVIEW的PC機(jī)作為上位機(jī)。系統(tǒng)中，試驗臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了能量封閉的功能，監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了模擬主軸箱的實際工況的功能，測試系統(tǒng)實現(xiàn)了對主軸箱運行信號的采集與保存。經(jīng)調(diào)試運行，該測控系統(tǒng)實現(xiàn)了測控一體化、高頻信號動態(tài)采集、能量反饋的要求，具有可靠性高，測控精確，運行穩(wěn)定和應(yīng)用廣泛的特點。

銑齒機(jī)；主軸箱；試驗臺；測控系統(tǒng)；LabVIEW；cRIO

0 引言

主軸箱傳動裝置作為銑齒機(jī)設(shè)備的通用零部件，起連接和傳遞動力的作用，其性能和質(zhì)量的好壞直接影響整個銑齒機(jī)的安全性能和經(jīng)濟(jì)效益[1]。所研究的數(shù)控銑齒機(jī)主軸箱采用多級齒輪傳動，主軸伺服電機(jī)所產(chǎn)生的動力通過主軸箱內(nèi)各個位置上的傳動齒輪和傳動軸傳遞到主軸刀盤上。由于主軸箱工況復(fù)雜，需滿足大功率切削、高速和高精加工的要求，其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性備受關(guān)注。主軸箱具有傳動比固定、傳動力矩大、結(jié)構(gòu)緊湊和恒定功率傳動的特點。在實際工況中，容易產(chǎn)生振動、齒輪嚙入嚙出沖擊、齒側(cè)間隙、時變嚙合剛度、齒輪嚙合的彈性變形、安裝以及制造誤差等因素形成內(nèi)部激勵，都可能使得主軸箱產(chǎn)生有害的振動。因此，作為銑齒機(jī)的關(guān)鍵部件，主軸箱的性能影響著整個銑齒機(jī)的性能[2-3]。在銑齒機(jī)出廠前，有必要按照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5077-1991《通用齒輪裝置型式試驗方法》、JB/T 9050.3-1999《圓柱齒輪減速器加載試驗方法》和JB/T 9721-1999《工程機(jī)械減速器型式試驗方法》對主軸箱進(jìn)行出廠試驗，檢驗主軸箱是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

設(shè)計分為總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和測控程序設(shè)計，試驗臺總體結(jié)構(gòu)采用直流母線的電封閉功率流方式，以實現(xiàn)能量封閉；測控程序采用cRIO+LabVIEW方式，以實現(xiàn)測控一體化。

1 銑齒機(jī)主軸箱試驗臺系統(tǒng)搭建

1.1 系統(tǒng)需求

根據(jù)《通用齒輪裝置型式試驗方法》、《圓柱齒輪減速器加載試驗方法》和《工程機(jī)械減速器型式試驗方法》的要求，測控系統(tǒng)需滿足如下條件：

(1)可對主軸箱進(jìn)行空載試驗、加載試驗、傳動效率試驗、超載試驗、齒面接觸疲勞壽命試驗、溫升試驗、噪聲試驗和振動試驗，試驗要求滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

(2)可實時采集、顯示試驗數(shù)據(jù)。

(3)可對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)歸檔，并且可在線讀取。

1.2 主軸箱試驗臺測控分析

在系統(tǒng)設(shè)計之前，根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場調(diào)研，確定相應(yīng)的測控需求，制定出如下要求：

(1)主軸箱裝配質(zhì)量測試：嚙合齒輪軸線平行度、軸承預(yù)緊和適度、脹套鎖緊程度和同步帶輪平行度測試。要求：

①嚙合齒輪對待軸線平行度：主要考核嚙合質(zhì)量，主要表像為嚙合斑點以及加載聲音的變化檢測參數(shù)為加速度和噪聲。

②軸承預(yù)緊程度是否合適：呈現(xiàn)形式為軸承溫度上升。檢測參數(shù)為溫度。

③脹套鎖緊程度：主要原因是鎖緊力過小，造成同步帶打滑，檢測標(biāo)準(zhǔn)為驅(qū)動電機(jī)扭矩大小。檢測參數(shù)為扭矩。

(2)空載噪音測試：噪聲標(biāo)準(zhǔn)小于82db為合格。檢測參數(shù)為噪聲。

(3)規(guī)定沖擊載荷譜下噪音測試：特別測試在銑削斷續(xù)載荷下的齒輪撞擊gear rattle噪音及gear whine噪音情況。要求：規(guī)定沖擊載荷譜(類似于正弦波)，模擬切削力載荷，提供時域和頻域的波形并設(shè)計加載模式。

(4)齒輪疲勞強(qiáng)度測試：銑齒機(jī)主軸箱第3軸，在載荷大和速度快的情況下，會造成軸的損壞。

(5)齒輪箱溫升測試和溫度場分析：溫度測試。

(6)齒輪箱振動測試：三軸加速度測量，按照齒輪箱檢測標(biāo)準(zhǔn)完成。

(7)主軸箱實際輸出扭矩和功耗測試：測量扭矩和轉(zhuǎn)速功耗計算。

1.3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗臺總體結(jié)構(gòu)有機(jī)械開式功率流試驗臺、機(jī)械閉式功率流試驗臺和電封閉功率流試驗臺這三種類型[4]：

(1)機(jī)械開式功率流試驗臺產(chǎn)生的能量不能進(jìn)行回收，消耗大，不能無級加載，僅適用于科研、教學(xué)和小型生產(chǎn)廠。

(2)機(jī)械封閉式功率流齒輪箱試驗臺中液力加載器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，維護(hù)成本高，系統(tǒng)的功率受液力加載器的限制，傳動系統(tǒng)傳動鏈長，機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，機(jī)械安裝精度高，費時多。

(3)電封閉功率流試驗臺的交流電(來自電網(wǎng))經(jīng)過整流裝置轉(zhuǎn)換為直流電給直流母線供電，直流電經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電為驅(qū)動電機(jī)供電，然后驅(qū)動齒輪箱，加載電機(jī)產(chǎn)生的電能經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為直流電，返回直流母線，能量在內(nèi)部循環(huán)，系統(tǒng)只需要通過整流器來獲得系統(tǒng)因為摩擦所消耗的能量即可。經(jīng)分析比較后采用基于直流母線的電封閉功率流試驗臺[5]。

試驗臺測控系統(tǒng)有PLC+WINCC和cRIO+LabVIEW方式。PLC+WINCC方式無法實現(xiàn)高頻信號采集和數(shù)據(jù)處理分析，多用于數(shù)字量及低頻信號的測控系統(tǒng)系統(tǒng)。cRIO+LabVIEW方式不僅可以實現(xiàn)低頻信號和高頻信號采集，還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理和分析[6-8]。

試驗臺總體結(jié)構(gòu)由機(jī)械系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)組成。機(jī)械系統(tǒng)由聯(lián)軸器、傳動軸和機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)組成；傳動系統(tǒng)由變頻器和電機(jī)組成；測控系統(tǒng)由傳感器、LabVIEW、cRIO、CDAQ和工控機(jī)等組成；輔助系統(tǒng)由消隙液壓站和冷卻設(shè)備組成?？傮w結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 銑齒機(jī)主軸箱測控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

1.4 試驗臺硬件系統(tǒng)設(shè)計

試驗臺硬件設(shè)計包括測控系統(tǒng)硬件設(shè)計、傳動系統(tǒng)硬件設(shè)計和輔助系統(tǒng)硬件設(shè)計。

(1)測控系統(tǒng)硬件設(shè)計：測控系統(tǒng)分為測試系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)。測試系統(tǒng)使用到的傳感器有溫度傳感器、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、三軸加速度傳感器和噪聲傳感器。采集的信號有脈沖信號、低頻信號和高頻信號。通過電控柜內(nèi)的cRIO 9068中的采集卡來實現(xiàn)對脈沖信號和低頻信號的采集。脈沖信號為轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號，由NI-9411采集卡進(jìn)行脈沖信號采集；低頻信號包含了溫度傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和變頻器輸出信號，輸出4～20mA電流信號，通過I/V板轉(zhuǎn)換為1～5V電壓信號，由NI-9205采集卡進(jìn)行信號采集；通過移動小車內(nèi)的CDAQ 9174中的采集卡來實現(xiàn)對振動噪聲信號的采集。高頻信號包含了三軸加速度傳感器和噪聲傳感器輸出的信號，由NI-9234采集卡進(jìn)行信號采集。將振動噪聲信號采集設(shè)計成移動小車方式，可以更加靈活方便的實現(xiàn)信號的動態(tài)采集。監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)視信號和控制信號，監(jiān)視信號包括反饋信號和故障信號，由NI-9425進(jìn)行信號采集；控制信號包括數(shù)字量輸出控制和模擬量輸出控制，分別通過NI-9476和NI-9263實現(xiàn)輸出控制。

(2)傳動系統(tǒng)采用電功率封閉設(shè)計方式，通過變頻器ABB ACS850拖動電機(jī)ABB QABP，并通過主軸箱將動力傳遞給加載電機(jī)。ACS850是一款直接轉(zhuǎn)矩控制變頻器，通過與電機(jī)上的轉(zhuǎn)速編碼器連接，實現(xiàn)與變頻器的閉環(huán)控制功能，使傳動系統(tǒng)能夠精確控制轉(zhuǎn)速，并且采用了IGBT整流單元，具備能量反饋、高效節(jié)能和低碳環(huán)保的功能[9-10]。

(3)輔助系統(tǒng)采用消隙液壓站和冷卻風(fēng)機(jī)實現(xiàn)輔助功能。在試驗運行時，消隙液壓站用于消除齒間間隙，冷卻風(fēng)機(jī)用于冷卻運行設(shè)備。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 銑齒機(jī)主軸箱硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 銑齒機(jī)主軸箱試驗臺監(jiān)控程序設(shè)計

2.1 試驗臺監(jiān)控原理

試驗臺中，采用直流母線電封閉來實現(xiàn)試驗臺的能量封閉。對于系統(tǒng)來說，監(jiān)控的任務(wù)是通過上位機(jī)和下位機(jī)實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)的控制，并且在運行過程中對當(dāng)前運行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視[11]。總體監(jiān)控程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 銑齒機(jī)主軸箱控制原理圖

2.2 試驗臺監(jiān)控軟件實現(xiàn)

試驗臺的監(jiān)控系統(tǒng)是通過cRIO實現(xiàn)的，包括傳動系統(tǒng)監(jiān)控及輔助系統(tǒng)監(jiān)控。在傳動系統(tǒng)中，通過對變頻器進(jìn)行I/O控制，進(jìn)而完成對驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制以及對加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制。在輔助系統(tǒng)中，對消隙液壓站和冷卻風(fēng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控程序采用模塊化設(shè)計方式，分為初始化主體程序、試驗程序、試驗臺報警程序和急停程序。

(1)初始化主體程序：初始化程序作用是進(jìn)行初始化復(fù)位操作和檢查運行條件。初始化復(fù)位操作進(jìn)行I/O點復(fù)位操作，使設(shè)備處于初始化狀態(tài)。檢查運行條件進(jìn)行試驗條件判斷，保證在試驗所需的工作全部滿足的情況下，才允許開始試驗。

(2)試驗程序：完成主體程序的初始化后，開始試驗程序，其作用是運行輔助系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)。試驗運行的時候，需要將輔助設(shè)備中的消隙液壓站和冷卻風(fēng)機(jī)打開，然后運行傳動系統(tǒng)。為了提高試驗臺自動化水平，試驗程序包含手動模式和自動模式。手動控制模塊的功能包含對驅(qū)動電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速控制，實現(xiàn)對加載電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩值控制，并且可以設(shè)定試驗時間，當(dāng)運行時間結(jié)束時自動結(jié)束試驗。自動控制模塊采用載荷譜[12]來實現(xiàn)對驅(qū)動電機(jī)和加載電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩控制，按照載荷譜中每一步所設(shè)定的試驗時間來運行，執(zhí)行完當(dāng)前步后執(zhí)行下一步，并且可以設(shè)定總的循環(huán)次數(shù)，在總的循環(huán)結(jié)束后，完成試驗。

(3)試驗臺報警程序：試驗運行過程中，設(shè)備會產(chǎn)生故障，因此需要設(shè)計報警程序?qū)Ξ?dāng)前運行狀態(tài)做出判定。報警程序設(shè)計界面包含指示燈顯示和報警錯誤代碼顯示。

(4)急停程序：當(dāng)試驗臺發(fā)生故障時，需要對試驗臺進(jìn)行急停處理，使設(shè)備停止運行。

2.3 試驗臺監(jiān)控軟件界面

程序的監(jiān)控界面采用LabVIEW2013編寫，監(jiān)控界面包括手動控制、自動控制和狀態(tài)監(jiān)測界面。

在手動控制界面中，通過滑動桿輸出給定變頻器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和試驗時間，通過波形圖表顯示變頻器反饋的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號，通過當(dāng)前運行時間和剩余時間的顯示，詳細(xì)了解試驗運行的時間狀態(tài)，手動控制界面如圖4所示。

圖4 銑齒機(jī)主軸箱手動控制界面

在自動控制界面中，通過載荷譜輸出給定變頻器的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)向和運行時間控制，通過波形圖表顯示變頻器反饋的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩信號，通過當(dāng)前運行時間和剩余時間顯示時間當(dāng)前運行狀態(tài)，自動控制界面如圖5所示。

圖5 銑齒機(jī)主軸箱自動控制界面

在狀態(tài)報警界面中，通過按鈕反饋當(dāng)前運行狀態(tài)和故障報警，并含有顯示當(dāng)前故障原因的顯示框，狀態(tài)報警界面如圖6所示。

圖6 銑齒機(jī)主軸箱狀態(tài)報警界面

3 銑齒機(jī)主軸箱試驗臺測試程序設(shè)計

3.1 試驗臺測試原理

試驗臺測試參數(shù)包含低速信號和高速信號。低速信號包括溫度、變頻器反饋信號、扭矩和轉(zhuǎn)速。高速信號包括振動和噪聲。按照自定義數(shù)據(jù)格式采集數(shù)據(jù)，采用TDMS和EXCEL保存方式進(jìn)行數(shù)據(jù)保存和讀取。

銑齒機(jī)主軸箱測試程序流程包含信號采集配置、信號采集及顯示、信號在線保存和信號離線讀取。

(1)信號采集配置：對于信號采集，需要對信號采集進(jìn)行物理通道配置。首先程序采用自定義換算的方式對物理通道進(jìn)行配置，即通過前面板對每個物理通道的通道名、最大值、最小值、換算前單位、斜率、截距、換算后單位、采樣率和采樣數(shù)進(jìn)行配置。完成以上操作后，需要進(jìn)行DAQmx創(chuàng)建換算(線性)控件來獲取DAQmx創(chuàng)建通道中的DAQ換算名，通過換算才能獲取自定義換算中所需的參數(shù)，在配置物理通道后，以此傳感器校準(zhǔn)即可完成信號采集配置；

(2)信號采集及顯示：信號采集配置完后，需要對信號進(jìn)行采集及顯示。利用自定義換算方式的DAQ助手進(jìn)行信號采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過前面板的波形圖表進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。

(3)信號在線保存：試驗運行過程中，實時保存采集數(shù)據(jù)，程序采用TDMS文件格式保存或EXCEL文件格式保存，并且可以選擇連續(xù)保存或間隔保存的方式，以此滿足不同的需求。

(4)信號離線讀?。涸囼炦\行結(jié)束時，對保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行離線讀取。程序采用TDMS文件格式讀取或EXCEL文件格式讀取，由于保存數(shù)據(jù)量龐大，設(shè)計相應(yīng)的文件過濾程序篩選出所需文件，并且設(shè)計樹形選擇控件，使得文件選擇更加直觀。

3.2 試驗臺測試軟件界面

程序的測試界面采用LabVIEW2013編寫，在測試程序中，測試界面為溫度測試界面、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測試界面和振動噪聲測試界面。

在溫度測試界面中，使用波形圖表顯示當(dāng)前的溫度采集值，可以實時動態(tài)的顯示當(dāng)前溫度值；使用自定義多選按鈕實現(xiàn)當(dāng)前溫度顯示的數(shù)量，可以方便操作員選擇性的查看某一溫度值；數(shù)值顯示控件用于顯示當(dāng)前值和最值，可以對溫度值進(jìn)行最值分析。溫度測試界面如圖7所示。

圖7 銑齒機(jī)主軸箱溫度測試界面

在轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測試測試界面中，使用波形圖表顯示輸入輸出轉(zhuǎn)速、輸入輸出扭矩、轉(zhuǎn)矩效率和轉(zhuǎn)速效率；數(shù)值顯示控件用于顯示當(dāng)前值和最值，可以對采集值進(jìn)行最值分析，扭矩和轉(zhuǎn)速測試界面如圖8所示。

圖8 銑齒機(jī)主軸箱轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測試界面

在振動噪聲界面中，使用波形圖表顯示制動信號和噪聲信號；XY圖來顯示噪聲能量撲分析，振動噪聲界面如圖9所示。

圖9 銑齒機(jī)主軸箱振動噪聲測試界面

3.3 試驗臺噪聲信號處理

由于試驗臺包含噪聲信號采集，因此有必要對噪聲信號顯示前進(jìn)行必要的處理。試驗臺中，對其進(jìn)行聲壓級計算和倍頻程圖譜分析，為了模仿人耳對聲音響度的感覺，設(shè)計了A、B、C三個計權(quán)，實驗時采用更貼近人耳的C計權(quán)[13-14]。噪聲信號處理程序如圖10所示。

圖10 銑齒機(jī)主軸箱噪聲處理程序圖

4 結(jié)束語

試驗臺采用了直流電封閉式功率流取代機(jī)械閉式功率流，提高了能量的回收效率，并且結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用基于測控一體化的cRIO+LabVIEW取代先前的PLC+WINCC的測控方式，能夠解決高頻信號采集和信號處理分析的問題。程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法，對于系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可維護(hù)性都具有重要的意義。過程現(xiàn)場實際運行情況表明，該實驗臺具有運行穩(wěn)定、安全、可靠、操作靈活方便和實施性能好的特點。

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(編輯 李秀敏)

Design of Measurement and Control System of Milling Machine Spindle Box Based on cRIO

CHEN Ke-an，CHEN Jie，HONG Rong-jing，AI Zhen-wei

(School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing Tech University , Nanjing 210009, China)

The spindle box is an important part of the gear milling machine equipments. In order to analysis and verify the comprehensive performance of spindle box, I designed and developed a set of spindle box test rig measurement and control system accorded to the general gear type test method standard specification. In this system, I adopt cRIO and CDAQ as the slave computers, ABB ACS850 as the driving core, the installation of the LabVIEW PC as the master computer. In the system, overall structure design has realized the energy closed function, monitoring program has realized the simulation of the actual working condition of the spindle box, the test program has realized the collection and preservation of the spindle box running signal. After the trial run, the measurement and control system has realized the integration of measurement and control, the high frequency signal dynamic collection, the requirement of energy feedback. The measurement and control system has high reliability, measurement and control precision, stable running, and the characteristics of wide application.

gear milling machine；spindle box；test bench；measurement and control system；LabVIEW；cRIO

1001-2265(2017)02-0081-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.020

2016-04-16；

2016-05-03

國家自然科學(xué)基金“特殊工況下轉(zhuǎn)盤軸承損傷機(jī)理及在線監(jiān)測”(51375222)；大型光熱光伏地面發(fā)電站跟蹤系統(tǒng)檢測裝備研究(51202115)

陳科安(1990—)，男，江蘇南通人，南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為銑齒機(jī)主軸箱試驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計，(E-mail)1191387458@qq.com。

TH166;TG659

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