基于NI PXIe的軸承試驗(yàn)機(jī)集中測控系統(tǒng)

王媛媛，郭亮，劉文勝，候軍

(1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471039)

新研制開發(fā)的軸承，其性能好壞,是否滿足實(shí)際工況需求,使用壽命如何，均需要通過各項(xiàng)性能、壽命試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。對于某特殊使用場合的軸承產(chǎn)品，由于軸承類型多、直徑范圍大、實(shí)際加載方式不同等因素，需采用不同試驗(yàn)機(jī)模擬其實(shí)際工況，因此，基于NI PXIe設(shè)計(jì)測控系統(tǒng)，以對3臺不同的試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行集中測量控制。

1 軸承試驗(yàn)機(jī)的組成

試驗(yàn)機(jī)主要包括機(jī)械系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、液壓加載系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)等。雖然每臺試驗(yàn)機(jī)的加載范圍及試驗(yàn)軸承的尺寸不盡相同，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)基本一致。

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)機(jī)械系統(tǒng)由主軸系統(tǒng)、安裝平臺、軸向和徑向加載裝置、驅(qū)動系統(tǒng)等組成。測控系統(tǒng)通過通信控制變頻器的頻率，再由變頻器驅(qū)動主軸電動機(jī)以3 000～26 000 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。軸系的一端裝有轉(zhuǎn)速傳感器用以采集主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速，測控系統(tǒng)的顯示界面可以隨時(shí)設(shè)定主軸的轉(zhuǎn)速，可實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速和主軸電動機(jī)的工作電流值，如果電流值有異常波動，在顯示界面能及時(shí)彈出報(bào)警畫面。

1.2 潤滑系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)的潤滑系統(tǒng)主要由潤滑電動機(jī)和潤滑回油電動機(jī)組成，向試驗(yàn)軸承及陪試軸承提供設(shè)定的油量，并及時(shí)將殼體中的潤滑油抽回潤滑油箱。電氣控制柜面板上的智能儀表經(jīng)RS485通信實(shí)時(shí)顯示壓力、流量傳感器測量所得各支路流量和壓力的實(shí)時(shí)值，以便試驗(yàn)人員遠(yuǎn)程監(jiān)控潤滑油的流量和壓力是否正常，并及時(shí)對各支路上的潤滑油流量進(jìn)行手動調(diào)節(jié)。

1.3 液壓加載系統(tǒng)

試驗(yàn)機(jī)的加載系統(tǒng)主要由油泵、電液比例閥和油缸組成，試驗(yàn)時(shí)按載荷譜向試驗(yàn)軸承施加軸向和徑向載荷。LabVIEW程序控制NI PXIe-6704電流輸出模塊輸出4～20 mA的電流信號，經(jīng)比例放大板進(jìn)行功率放大后驅(qū)動比例閥運(yùn)動，控制調(diào)節(jié)油缸的運(yùn)動速度及加載力，實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)地加載。

2 PXIe測控系統(tǒng)

NI PXIe測控系統(tǒng)由機(jī)箱、控制器、外圍I/O模塊3個(gè)基本部分組成。根據(jù)實(shí)際工況，基于PXIe的模塊化結(jié)構(gòu)同時(shí)控制3臺試驗(yàn)機(jī)。其中一臺試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速要求高達(dá)26 000 r/min，使用高性能的變頻器驅(qū)動電主軸實(shí)現(xiàn)；其余2臺試驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)速要求不高，使用主軸伺服驅(qū)動器控制主軸伺服電動機(jī)完成。由于每臺試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)軸承的數(shù)量不同，所以安裝的傳感器也不同，測控系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 測控系統(tǒng)簡圖Fig.2 Diagram of measurement and control system

2.1 控制器

選用NI PXIe-8133作為嵌入式控制器，其配有雙核處理器，可將各個(gè)任務(wù)分為多個(gè)線程執(zhí)行，從而提高系統(tǒng)的整體性能，是模塊化儀器和數(shù)據(jù)采集的理想選擇。

系統(tǒng)具體配置為：1.73 GHz雙核Intel Core i7-820M處理器，8 GB/s系統(tǒng)帶寬和2 GB/s每插槽帶寬的高帶寬PXIe控制器；2 GB(雙通道1 333 MHz)的DDR3 RAM，最大為8 GB；2個(gè)10/100/1 000 BASE-TX(千兆)以太網(wǎng)卡；4組高速USB，以及ExpressCard/34，GPIB，串口等接口。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

由于整個(gè)系統(tǒng)包含3臺試驗(yàn)機(jī)，需對每臺試驗(yàn)機(jī)上試驗(yàn)軸承和陪試軸承的溫度、壓力、振動等信號進(jìn)行采集或監(jiān)控，采集通道較多,考慮方便后期的檢修維護(hù)，故選用3塊 NI PXIe-6363 數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

PXIe-6363具有32路模擬輸入通道，4路模擬輸出及4路32位計(jì)時(shí)器/定時(shí)器，針對PWM、編碼器、頻率、事件計(jì)數(shù)，并板載NI-STC3定時(shí)和同步技術(shù)以提供高級計(jì)時(shí)功能。

2.3 電流輸出模塊

3臺試驗(yàn)機(jī)上合計(jì)8個(gè)液壓比例閥，比例閥的放大板接收4～20 mA的電流信號。針對實(shí)際應(yīng)用需求并儲備一定余量，選用NI PXIe-6704控制所有的比例閥，其電流輸出模塊的功能為：16路電流輸出，16位分辨率，0.1～20 mA范圍用戶定義上電狀態(tài)，8條(5V TTL/CMOS)數(shù)字I/O線。

2.4 串行通信模塊

系統(tǒng)采用RS485通信方式控制3臺試驗(yàn)機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速,并讀取主軸電動機(jī)的電流值；與儀表通信,在界面上顯示潤滑油的流量和壓力；與PLC通信,讀取主軸實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值及各種報(bào)警信息。故選用NI PXIe-8431/16通信模塊，其采用標(biāo)準(zhǔn)的RS485通信協(xié)議，包含2個(gè)8端口分支電纜，可選用4線或2線收發(fā)器模式，適用于全雙工和半雙工通信。

2.5 機(jī)箱

由于測控系統(tǒng)中的板卡較多，故選用9槽的NI PXIe-107機(jī)箱。NI PXIe-1078還可將PCI Express連接集成至各個(gè)插槽的背板，可滿足各種測試和測量應(yīng)用的需求，其每個(gè)插槽中都可連接PXI Express模塊，最多有5個(gè)插槽支持可兼容標(biāo)準(zhǔn)PXI混合總線的模塊。另外，機(jī)箱還納入了內(nèi)置定時(shí)與同步特性，包括10，100 MHz參考時(shí)鐘以及PXI觸發(fā)總線?？刂破?、數(shù)據(jù)采集卡、電流輸出模塊、串行通信模塊安裝在機(jī)箱中構(gòu)成的測控系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)Fig.2 Measurement and control system

3 測控軟件設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)選用Windows 7，測控系統(tǒng)軟件開發(fā)工具選用NI開發(fā)者套件，包含：NI LabVIEW專業(yè)開發(fā)系統(tǒng)，NI Measurement Studio，LabWindows/CVI，NI LabVIEW SignalExpress，所有NI儀器驅(qū)動程序以及完整的NI LabVIEW和NI LabWindows/CVI附加工具。應(yīng)用軟件采用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，模塊化編程，具有較強(qiáng)的可讀性和可移植性。遵循軟件工程化方法。

3.2 設(shè)計(jì)要求

測控系統(tǒng)軟件主要功能是完成對產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量、采集、記錄。此外，系統(tǒng)軟件應(yīng)具有使用方便、操作靈活的人機(jī)交互界面，便于技術(shù)人員操作使用。設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)測控軟件的功能完善、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性好，運(yùn)行安全、可靠，并具備故障報(bào)警功能。

3.3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測控軟件與硬件的正常數(shù)據(jù)傳輸，測控系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software architecture diagram of measurement and control system

其數(shù)據(jù)傳輸原理為：首先，數(shù)據(jù)采集控制分系統(tǒng)在驅(qū)動程序控制下對系統(tǒng)各設(shè)備信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并將數(shù)據(jù)存放在驅(qū)動程序的緩沖區(qū)中；然后，經(jīng)過I/O接口軟件中的接口函數(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴蠈討?yīng)用軟件的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；同時(shí)，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)結(jié)果由計(jì)算機(jī)CPU形成控制指令，通過I/O接口輸出，以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)各設(shè)備的控制。

I/O接口軟件是底層軟件，一般采用動態(tài)連接庫，可以根據(jù)具體需要編寫適當(dāng)程序，為測控軟件與驅(qū)動程序之間提供信息傳遞，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測控軟件與硬件的聯(lián)調(diào)。

3.4 程序運(yùn)行流程

在進(jìn)入測控程序時(shí)，測試儀器必須首先通過自檢以保證測試系統(tǒng)的安全性。測控程序具體流程如圖4所示。

圖4 測控系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 Software flowchart of measurement and control system

3.5 試驗(yàn)機(jī)界面顯示

試驗(yàn)機(jī)界面如圖5所示，其采用選項(xiàng)卡控件實(shí)現(xiàn)，可方便地在3臺試驗(yàn)機(jī)界面之間切換，同時(shí)也對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了很好的歸類。每臺試驗(yàn)機(jī)的數(shù)據(jù)也通過選項(xiàng)卡控件分布在不同畫面中，包括首頁(參數(shù)設(shè)置)、試驗(yàn)軸承數(shù)據(jù)顯示、陪試軸承數(shù)據(jù)顯示、振動曲線顯示和報(bào)警顯示等界面。

圖5 軸承試驗(yàn)機(jī)顯示界面Fig.5 Display interface of bearing tester

4 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)中的伺服控制器由測控系統(tǒng)經(jīng)RS485通信接收運(yùn)行頻率指令，驅(qū)動伺服電動機(jī)按不同的頻率運(yùn)轉(zhuǎn)。電控系統(tǒng)還控制潤滑、回油和液壓電機(jī)的啟動與停止。電控系統(tǒng)的面板上包含電壓表、電流表、溫控表、流量表、壓力表，用以顯示各項(xiàng)參數(shù)。

5 結(jié)束語

基于NI PXIe測控系統(tǒng)同時(shí)對3臺試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行集中測量控制，很好地完成軸承類型多、直徑范圍大、載荷區(qū)間大、試驗(yàn)時(shí)間緊迫的任務(wù)。相對于以前的每臺試驗(yàn)機(jī)配置一套測控系統(tǒng)來說，集中控制的試驗(yàn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)只需一位軸承試驗(yàn)人員即可完成對3臺試驗(yàn)機(jī)的監(jiān)控，降低了成本、節(jié)約了人力物力。該測控系統(tǒng)投入使用后，已完成了近30個(gè)軸承型號的壽命試驗(yàn)和極限試驗(yàn)，為軸承的設(shè)計(jì)與改型提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。