基于LabVIEW的高速滾珠絲杠副綜合測試系統研發*

袁 帥 杜長江

(大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116023)

滾珠絲杠副是數控機床的關鍵功能部件，其質量的優劣直接影響數控機床的整體性能［1］。隨著機械產品、數控機床的高速化、高精度化、復合化與環保化發展，滾珠絲杠副也需要向高速化、高精度化方向發展，而高速、精密滾珠絲杠副必須有先進的性能檢測裝置作為保障。

由于國外高精技術產品進口受限以及對相關關鍵技術的封鎖，目前，國內高速滾珠絲杠副的發展水平和國外相比還有不小的差距。除了原材料和加工設備的精度等因素外，沒有完善的試驗檢測手段是制約其發展的一個重要原因。因此，建立并實施一套高速滾珠絲杠副綜合性能測試系統是突破制約高速精密滾珠絲杠副性能提高瓶頸的關鍵。

為滿足高檔數控機床對滾珠絲杠副的要求，國內專家學者圍繞滾珠絲杠副性能檢測展開了大量研究，取得了一些成果：張佐營等［2］對滾珠絲杠副的軸向振動進行了研究，探求到滾珠對返向器的沖擊是激勵滾珠絲杠副軸向振動的主要因素；陳曼龍［3］等提出了一種在三坐標測量機上測量滾珠絲杠副螺距誤差的方法和理論依據；劉曉慧［4］等分析了滾珠絲杠副摩擦力矩影響因素，提出了摩擦力矩的測試方法；文獻［5］采用模塊化設計思想，在Windows環境下，用VC++和Measurement Studio開發工具，設計實現舵機滾珠絲杠副測試系統；北京機床研究所焦潔等［6］于2000年研制成了“GSZ2000高速滾珠絲杠副性能測試儀”，該儀器可測試高速滾珠絲杠副的定位精度、速度及加速度、噪聲、溫升及熱位移；山東博特公司王兆坦等在對影響滾珠絲杠副熱伸長的因素及解決對策研究基礎上［7］，研制開發了多種滾珠絲杠副綜合性能測量儀器，開展了滾珠絲杠副速度、加速度、溫升、熱位移、噪聲、靜剛度、摩擦力矩等性能指標的測量與研究［8-11］；宋現春等［12］提出了一種基于80C552單片機的摩擦力矩測量系統，并嘗試將虛擬儀器技術運用到滾珠絲杠副摩擦力矩測試中來［13］，使得系統的測試、分析過程更加方便、迅速。

調研結果表明，現有文獻報道或者是僅對滾珠絲杠副的某項具體檢測指標進行研究(如文獻［2-4，12］)；或者針對某種具體滾珠絲杠(如文獻［5］)進行研究；圍繞高速滾珠絲杠副綜合性能測試系統開展研究的，主要有北京機床研究所和山東博特公司，其中，北京機床研究所研發的“GSZ2000高速滾珠絲杠副性能測試儀”，因為當時采用的軟硬件技術的限制，該測試儀能測量的絲杠副最大長度為3000 mm，主軸轉速僅為l～30 r/min；山東博特公司王兆坦等研發的滾珠絲杠副綜合性能測量儀器，能測量絲杠的最大長度為2 m，實際工作行程小于1.8 m，可以完成加速度、速度、定位精度以及絲杠熱伸長的在線實時測量。本文在前人研究的基礎上，引入虛擬儀器技術，設計實現了滾珠絲杠副綜合性能檢測實驗臺，實驗臺設計可測試絲杠副長度在2～4 m可調，直徑范圍20～80 mm，主軸最高轉速達到6000 r/min，負載工作臺最高移動速度120 m/min。利用該實驗裝置可對滾珠絲杠副的加速度、速度、溫升、熱位移、噪聲、定位精度及重復定位精度、靜剛度、靜載荷及動載荷、摩擦力矩等性能參數進行測試，所做研究對豐富滾珠絲杠副的性能檢測手段、改進改良設計缺陷以及提高國內滾動部件生產制造業的整體水平具有一定的參考價值。

1 測試系統硬件組成及工作原理

測試系統的基本結構如圖1所示。在主軸支撐中，角接觸球軸承成對雙聯安裝，承受徑向載荷的同時可以承受雙向軸向載荷，極限轉速較高。絲杠與伺服電動機直連，省去齒輪傳遞環節，簡化了實際系統的機械結構。在伺服電動機驅動絲杠帶動工作臺做往復運動的過程中，布置在工作臺上的各式傳感器能夠實時檢測絲杠運行時的各種參數，實現滾珠絲杠綜合特性的在線測量。

整個系統的硬件連接及工作原理如圖2。角度編碼器與光柵尺配合使用，由上位機中IK220對兩路數字脈沖信號進行比較。當絲杠運行到左右行程極限反轉時，工作臺由于絲杠的空回間隙不能立即回移，所以光柵尺不會產生位移脈沖信號。此時間段內角度編碼器所測得的主軸轉角即為絲杠的空回轉角，該值與導程的乘積則為反向間隙。這種測量方法比利用電動機編碼器進行測量更為精確，消除了中間傳遞環節引入的誤差。通過對光柵尺輸出的測量信號對時間進行微分計算，可以間接得到工作臺的直線速度與加速度。

動態扭矩傳感器由一對伺服專用高剛性金屬板簧聯軸器嵌入絲杠與電動機之間，可以直接檢測電動機輸出端傳遞給絲杠的扭矩值，在高速狀態下實現對扭矩大小的監測，在低速平穩運動時可以間接測量絲杠副的摩擦力矩。加速度計和鉑電阻貼片分別固定粘貼于螺母附近及其外表面，直徑1/4英寸的精密傳聲器懸掛于工作臺下方朝向螺母，構成對絲杠溫度和螺母振動、噪聲和溫升等特性參數的實時測量。紅外溫度傳感器與電渦流微位移傳感器都由支架與測試臺床身固定，紅外傳感器能夠非接觸地測量絲杠的溫度，改進了以往需等絲杠轉動停止后由人工測量的檢測方法，更好地實現測量的實時性。由于絲杠與左右支撐端均為脹緊連接，絲杠與軸承座不存在相對移動，左支撐固定右支撐浮動的裝夾方式決定了絲杠的膨脹伸長量可以通過電渦流微位移傳感器測量脹套鎖緊端蓋的端面變動獲得。

2 測試系統軟件開發與實現

滾珠絲杠綜合測試系統采用LabVIEW8.2開發平臺編寫，系統結構把子程序的動態調用技術與Subpanel控件結合，為以后程序功能的擴展預留了接入口。系統主要包括儀器校準和綜合測試兩部分，如圖3所示。儀器校準主要實現測試臺上傳感器長期使用后的再次測定，通過輸入標準物理量檢查傳感器輸出值的準確程度，以便傳感器及時得到維修和更換，保證采集數據的可靠性；綜合測試包括對測得數據的采集、存儲、回放、清除及部分數據的分析和報表生成，總體框架應用了狀態機的編程模式。狀態機結構是采用while循環內嵌套case結構，并用枚舉型常量作為狀態變量，進行狀態轉換。每個功能設置為一個狀態分支，彼此間依靠狀態轉換變量連接。在數據采集狀態分支中，為了防止數據采集與數據存儲的速度不同導致數據的丟失，使用queue技術將兩個并行while循環連接起來構成的生產消費結構，實現高速數據采集與儲存。

根據系統軟件的功能結構方案，設計了4個分支程序流程，通過狀態機進行調度。其中，數據采集與存儲流程如圖4所示。

測試停止以后會提示數據保存。數據的存儲為TDMS格式，臨時存儲部分的程序如圖5所示。各個傳感器的數據存于TDMS文件中同一組的不同通道下，同時在波形圖表中進行實時顯示。這樣設計可以節省硬盤存儲空間，同時把采集到的數據邊采邊存于本地磁盤，不會造成占用過多內存，從而提高了計算機的執行效率，保證系統運行的實時性和穩定性。

數據回放功能可以選擇性查看之前數據存儲文件夾下保存的TDMS格式的歷史數據。數據回放的同時還可以進行相關的數據分析，包括速度、加速度、溫度和位移等時域信號的最大、最小值提取，以及噪聲與振動信號的頻譜分析［14］，并把TMDS中文件數據輸出到Excel中保存，方便脫離該測試系統查看和供其他分析使用。其程序實現如圖6所示。

報表生成功能能夠自動保存被測滾珠絲杠的檢測報告為Word文件。報表程序的設計使用了LabVIEW的Report Generation函數子模板下的函數進行編寫，程序中靈活運行case結構，對各項參數報表的不同部分進行條件選擇，對相同部分的程序進行代碼共用，精簡了程序的代碼。

3 測試系統的運行與測試仿真實例分析

測試系統程序可以在LabVIEW開發平臺下生成應用程序安裝包，在未安裝LabVIEW軟件的機器上安裝后使用。測試系統的操作面板如圖7所示。

滾珠絲杠的實際測試是按設定運動狀態高速運轉于滾珠絲杠測試臺上，在運動過程中，不同的特性數據通過各自的傳感器一次性完成采集，并送給上位工控機進行存儲和處理。為驗證綜合測試系統的多路數據采集和處理等功能，將采樣頻率為10 kHz的模擬仿真信號輸入系統，運行5次的結果如圖8所示。可以看出系統對多路信號同時采集時，多路信號的處理和分支路存儲運行正常。

利用NI的硬件配置管理軟件MAX可以實現脫離硬件進行仿真的功能，可以在無數據采集卡的工控機上進行軟件的安裝和程序調試［15］。使用DAQmx采集卡驅動函數構建的數據采集程序如圖9所示，可以實現單通道或多通道3%噪聲的滿程正弦模擬仿真信號的輸出。使用MAX創建PCI-M6250多功能數據采集卡進行系統軟件的程序測試，測試結果如圖10所示，證明該系統軟件在線實時數據采集功能調試成功，軟件運行正常。

4 結語

本文采用各種專業傳感器及美國NI多功能M系列數據采集卡PCI6250作為測試系統的數據采集前端，以LabVIEW為系統開發平臺，設計實現了基于LabVIEW的高速滾珠絲杠副綜合性能測試系統。該測試系統設計成本低、開發周期短、測試項目齊全，可測絲杠規格范圍廣，測試臺主軸轉速高，加速度快，能夠滿足多種型號滾珠絲杠副的性能檢測。數據仿真試驗為程序的調試和驗證提供了數據支持和試驗依據，程序上各功能的模塊化嵌套設計方案使虛擬儀器的功能擴展性更強，體現出了整個測試系統布局的靈活性、人機界面的友好性和功能實現的可行性。該測試系統的成功研制能夠為高速滾珠絲杠副關鍵技術的不斷改進和產品結構的優化設計提供有參考價值的測試數據，作為理論轉化為實際的反饋手段，具有很好的工程應用價值。

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［15］龍華偉，顧永剛，等.LabVIEW8.2.1與DAQ數據采集［M］.北京：清華大學出版社，2008.