減速齒輪箱試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

黃 帥 ，洪榮晶 ，，崔君君 ，潘裕斌

（1.南京工業(yè)大學機械與動力工程學院，江蘇 南京 210009；2.南京工業(yè)大學江蘇省工業(yè)裝備數(shù)字制造及控制技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210009）

1 引言

減速齒輪箱通常由各種齒輪傳動機構(gòu)組成，是連接動力源和執(zhí)行機構(gòu)的中間裝置，起匹配轉(zhuǎn)速和傳遞轉(zhuǎn)矩的作用，是許多機械設備傳動機構(gòu)的重要部件之一[1]。為了保證齒輪箱可靠運行，按照國家相關(guān)標準要求，新開發(fā)的齒輪箱應照標準JB/T 5077-1991《通用齒輪裝置型式試驗方法》和JB/T 9721-1999《工程機械減速器型式試驗方法》完成出廠試驗。作為齒輪箱型式試驗中的重要組成部分，監(jiān)控系統(tǒng)的合理設計可有效實現(xiàn)整體系統(tǒng)的控制與監(jiān)測?，F(xiàn)階段，監(jiān)控系統(tǒng)設計實現(xiàn)方式多樣，文獻[2]采用Wincc開發(fā)的齒輪箱試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)，雖然具有穩(wěn)定的控制能力，但Wincc 軟件本身最高采樣率為250ms，只能對低頻信號監(jiān)測，無法對噪聲等高頻信號進行監(jiān)測，還需采用專門的測試軟件對高頻信號監(jiān)測；文獻[3-4]基于Visual C++和Visual Basic 編寫試驗臺的監(jiān)控系統(tǒng)部分，控制和監(jiān)測性能較好，但編程復雜，對后期功能擴展和維護技術(shù)要求高，不利于工程上普遍應用推廣。LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言編寫程序，在虛擬儀器中應用最為廣泛。

針對上述問題，以某企業(yè)實際試驗需求為研究背景，基于NI-Labview 為平臺開發(fā)了一套集控制和監(jiān)測為一體的減速齒輪箱試驗臺監(jiān)控操作系統(tǒng)。該系統(tǒng)操作簡單，有效提高了自動化的程度和通用性。

2 試驗臺總體結(jié)構(gòu)

減速齒輪箱試驗臺采用背靠背的電封閉式結(jié)構(gòu)[5]，主要由機械系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。機械系統(tǒng)由、柔性聯(lián)軸器、被試齒輪箱、陪試齒輪箱和機械支撐結(jié)構(gòu)組成；傳動系統(tǒng)由電機、傳動軸、變頻器和電機編碼器組成；控制系統(tǒng)由上位機Labview、傳感器和下位機PLC 組成。三維結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

在試驗臺正拖控制時，驅(qū)動電機控制模式為速度模式，驅(qū)動被試齒輪箱運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相同；負載電機控制模式為轉(zhuǎn)矩模式，作為發(fā)電機對被試齒輪箱進行加載，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩方向相反，并通過變頻器的逆變單元將再生的能量回饋到直流母線中供驅(qū)動電機使用。驅(qū)動電機帶動整個系統(tǒng)運動，并根據(jù)編碼器的測量值進行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制。加載電機提供試驗所需要的載荷，模擬減速齒輪箱在實際工況時所受的載荷，扭矩轉(zhuǎn)速傳感器實時檢測被試齒輪箱試驗時的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，并將所測得的轉(zhuǎn)矩值反饋到PLC 中進行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

減速齒輪箱試驗臺硬件設計包括控制系統(tǒng)硬件和監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計，總體結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 硬件系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall Architecture of Hardware System

（1）控制系統(tǒng)硬件設計：控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的控制，其硬件主要包括上位機、PLC、擴展通信模塊和驅(qū)動控制系統(tǒng)等。PLC 和擴展通信模塊分別采用西門子S7-300 系列的CPU 313C-2DP 型和CP 343-1，上位機采用裝有Labview 軟件的研華工控機，通過PROFINET 和擴展通信模塊連接與PLC 進行網(wǎng)絡通信。驅(qū)動控制系統(tǒng)采用西門子S120 系列變頻器，控制單元為CU320。整流裝置選擇帶有回饋功能的有源電源模塊（ALM），配有相同功率的電抗模塊（AIM），能夠?qū)崿F(xiàn)直流母線電壓的控制和電機再生能量的回饋利用[6]。兩個單軸的電機模塊對應驅(qū)動1PH8 系列的22KW 交流異步伺服電機，S120 各個模塊之間通過內(nèi)部的高速DRIVE-CLiQ 通訊接口進行連接，控制單元能夠自動識別各個模塊，進行自動配置，并通過PROFIBUS-DP 與PLC通信進行數(shù)據(jù)的高速傳輸，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的實時控制。

（2）監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計：監(jiān)測系統(tǒng)主要實現(xiàn)對被試齒輪箱的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、溫度、噪聲和振動進行采集、監(jiān)測。其硬件主要采用以NI-CDAQ9188 為核心的可移動數(shù)據(jù)采集箱，配以NI-9234 采集模塊對噪聲、振動實時采集，NI-9205 采集模塊對被試齒輪箱四個測點的溫度進行采集，數(shù)據(jù)采集箱將采集到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C中做后續(xù)處理。為提高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的測量精度和控制精度，被試齒輪箱端采用德國HBM 公司生產(chǎn)量程為1KN·M的 T40B 扭矩傳感器，精度可達 0.05%F·S，用 mp60 顯示儀表將扭矩和轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)成DP 總線傳入PLC 中。陪試齒輪箱端在保證測量精度的前提下，為降低硬件成本，采用北京三晶JN338-A 型扭矩傳感器，精度可達0.1%F·S，通過RS232 串口總線將信號傳入上位機Labview 中顯示出來。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計及實現(xiàn)

通過對齒輪箱型式加載試驗方法的研究分析并結(jié)合企業(yè)提出的功能要求，如整體系統(tǒng)具有故障自診斷和報警功能，電機系統(tǒng)具有過電壓、過電流、過載、急停等保護功能，監(jiān)控系統(tǒng)主要包括主電機控制模塊、自動控制模塊、數(shù)據(jù)保存歸檔模塊和報警信息模塊以及退出五大功能模塊。減速齒輪箱試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)總體功能架構(gòu)，如圖3 所示。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)Fig.3 Functional Architecture of Monitoring System Software

3.2.1 主電機控制

主電機控制模塊主要控制驅(qū)動電機和加載電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速控制模式、啟停、限幅等控制參數(shù)，然后進行手動控制性能試驗。西門子S120 變頻器參數(shù)和PLC 之間通過PROFIBS-DP 總線和標準 S7 功能塊 SFC14（DPRD_DAT）/SFC15（DPWR_DAT）進行周期性通信[7]，并以控制字接收和發(fā)送驅(qū)動裝置的運動控制狀態(tài)數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、電壓、電流和電機溫度等）。上位機軟件Labview和PLC 通過OPC 協(xié)議綁定電機變量，并通過虛擬儀器后面板程序框圖將電機控制狀態(tài)參數(shù)實時顯示在界面中，如圖4 所示。

圖4 主電機控制界面Fig.4 Main Motor Control Interface

3.2.2 自動控制

根據(jù)企業(yè)相關(guān)要求，自動控制模塊可以方便、快捷地通過編制程序，滿足電機試驗運行速度扭矩曲線，主要包含正弦、方波和斜波等多種交變載荷曲線類型。當自動控制開啟后，電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩將按照預先設定的載荷譜進行自動加載試驗。在程序的監(jiān)控界面中，通過字符串和布爾顯示控件實時顯示程序通訊、采集和電機等狀態(tài)參數(shù)變量，有效了解試驗運行狀況；通過樹形控件顯示轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩加載載荷譜的信息參數(shù)，波形圖表實時顯示驅(qū)動端和加載端轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩曲線，自動測試控制界面，如圖5 所示。

自動控制模塊中載荷譜加載程序架構(gòu)采用Labview 生產(chǎn)者/消費者的設計模式，使用隊列操作函數(shù)在同一程序框圖的不同部分進行數(shù)據(jù)通信[8]。先在組合框中定義方波、正弦波和斜坡等曲線類型分別為0、1 和2 等，并編寫相對應的事件結(jié)構(gòu)使設定的曲線波形參數(shù)傳遞到隊列中，然后將隊列中的參數(shù)和其對應的名稱捆綁入隊列。在消費者結(jié)構(gòu)中按名稱解除捆綁進行出隊列操作，然后按波形類型進入定時循環(huán)函數(shù)中并將波形類型對應的參數(shù)傳遞到進入條件結(jié)構(gòu)執(zhí)行曲線循環(huán)。在自動控制中使用隊列傳遞波形函數(shù)參數(shù)可以實現(xiàn)同種波形類型曲線不同參數(shù)連續(xù)交替和多種波形類型曲線之間相互交替。

載荷譜程序管理采用結(jié)構(gòu)中While 外循環(huán)加事件結(jié)構(gòu)，由界面中按鈕觸發(fā)不同的事件結(jié)構(gòu)，主要分為新建曲線、刪除曲線、初始化參數(shù)、曲線預覽、曲線切換、參數(shù)保存、確定加載和退出8種功能結(jié)構(gòu)，其順序功能，如圖6 所示。

3.2.3 數(shù)據(jù)保存

數(shù)據(jù)保存模塊是對電機運行時的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等信息進行保存并歸檔，方便通過采集的參數(shù)對電機控制性能進一步分析和改進。在減速齒輪箱試驗運行的過程中，需要實時保存試驗采集到的數(shù)據(jù)，通過調(diào)用“寫入測量文件VI”程序可將采集到的數(shù)據(jù)按照TDMS 文件格式保存或EXCEL 文件格式保存。對一些高頻信號，為防止其數(shù)據(jù)量過大導致部分數(shù)據(jù)溢出[9]，可手動選擇連續(xù)保存或間隔保存的方式，以此滿足不同的需求。而先進的監(jiān)控系統(tǒng)不但要求試驗流程和測量采集自動化，而且還要求數(shù)據(jù)管理自動化[10]。通過Labview Database Connectivity 模塊為基礎的結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）對本地Microsoft SQL Server 數(shù)據(jù)庫進行綜合管理，部分程序框圖，如圖7 所示。這種數(shù)據(jù)保存方式可對整個過程中的電機和被試齒輪箱等試驗參加進行記錄，并且根據(jù)需要對某一時間段或者整個過程數(shù)據(jù)保存、查詢和分析，能很好幫助試驗人員完成試驗，提高效率。

圖6 載荷譜程序管理順序功能圖Fig.6 Sequence Function Diagram of Load Spectrum Program Management

圖7 數(shù)據(jù)管理部分程序框圖Fig.7 Block Diagram of Data Management Part

3.2.4 報警信息

報警信息模塊是對控制試驗中通訊、電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩超出限幅等故障進行報警代碼實時顯示并自動歸檔，便于對歷史故障信息進行查閱。通過布爾按鈕來反饋當前試驗臺的運行狀況，并通過列表框?qū)⒐收蠒r間、類型等信息顯示出來，方便試驗人員快速查找出故障原因，提高試驗效率，報警信息界面，如圖8 所示。

圖8 報警信息界面圖Fig.8 Alarm Information Interface Diagram

3.3 試驗臺設計成果

現(xiàn)場減速齒輪箱試驗臺，如圖9 所示。運用所設計的監(jiān)控系統(tǒng)，對減速齒輪箱進行加速壽命試驗，所監(jiān)測的振動加速度信號，如圖10 所示。試驗周期為36 天，額定扭矩145Nm，加載扭矩為218Nm，是額定扭矩的1.5 倍。運用式（1）對振動加速度進行特征向量提取，其方根幅值，如圖11 所示。

式中：N—樣本個數(shù)；

xi—樣本集合。

圖9 減速齒輪箱試驗臺實物圖Fig.9 Physical Map of Gearbox Test Bench

圖10 振動加速度Fig.10 Acceleration of Vibration

圖11 方根幅值Fig.11 Square Root Amplitude

試驗結(jié)果可以看出前十八天振動信號較平穩(wěn)，表明減速齒輪箱運轉(zhuǎn)正常；到第十九天后，振動加劇，減速齒輪箱出現(xiàn)早期磨損；但到第三十三天后振動突變，表明減速齒輪箱出現(xiàn)斷齒或嚴重磨損狀況。試驗證明該減速齒輪箱試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)是可行的，達到設計預期。

4 結(jié)論

在“智能制造”的發(fā)展規(guī)劃下，以減速齒輪箱為研究對象，結(jié)合某企業(yè)現(xiàn)場要求，設計了基于Labview 的減速齒輪箱試驗臺監(jiān)控一體化系統(tǒng)，并對減速齒輪箱進行了加速壽命試驗，試驗表明：（1）采用電封閉結(jié)構(gòu)方式的減速齒輪箱試驗臺整體運行平穩(wěn)，能源利用率高。（2）上位機Labview 采用模塊化編程設計，方便后期系統(tǒng)性能的擴展和維護。編寫的自動控制模塊可快速編制減速齒輪箱試驗運行速度和扭矩動態(tài)交變載荷加載曲線，模擬實際加載工況，滿足齒輪箱試驗要求。（3）長期型式試驗和加速壽命試驗過程中，減速齒輪箱試驗臺監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場運行狀況良好，穩(wěn)定性高，為企業(yè)自動化程度及競爭力的提高提供了新思路，具有較廣闊的應用前景。