直線電動機驅動的直線導軌副綜合測試平臺的設計與實現

廣東高新凱特精密機械股份有限公司 （江門 529100）曹鵬杰 伍金順

1.綜合測試平臺的設計背景

不同的使用環境對直線導軌副的高速性、平穩性、低噪聲等各項性能的要求越來越高。為了應對這種狀況，提升本公司產品品質，開拓高端市場，公司決定開發一種由直線電動機驅動的直線導軌副綜合測試平臺，采用U形直線電動機驅動測試導軌副，實現被測試導軌副的高速、高加速度、高頻往復等極限運動。本測試平臺上設置有溫度傳感器、加速度計、測聲計等多種測試設備。通過本平臺可測量導軌副各種極限運行狀態下的噪聲、振動、溫升、壽命等綜合運動性能，通過測量數據的分析能更好地指導產品設計與研發。

2.綜合測試平臺的設計方案與關鍵技術

（1）設計方案 本綜合測試平臺的結構簡單實用，被測導軌副安裝在U形直線電動機一旁，在電動機的帶動下作直線往復運動，配上測量儀器就可在線測量導軌副運動狀態下的綜合情況。能夠測試25、30、35、45、55、65六種型號24種規格產品；選用的U形直線電動機的峰值推力3 000N，持續推力750N；當負載為100kg時，加速度可達3m/s2，速度可達180m/min，測試行程設計為2m；可在線測量導軌副在高速運行狀態下的噪聲、振動、溫升以及在高頻往復極限運動情況下的壽命。

直線導軌副綜合測試平臺主要由三部分組成，機械部分、計算機控制系統和測試分析軟件。整個系統主要由測量部分(包括各種傳感器和直線電動機) 、機械部分、計算機等部分組成。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

（2）設計難點與關鍵技術 本次綜合測試平臺的硬件部分設計由于采用了直線電動機驅動，大大地簡化了機械部分，各種傳感器的位置排布也比較寬松，各種硬件設備的選購及組裝都相對比較容易。整個設計的難點與關鍵技術完全在于軟件的設計與實現，而軟件部分的難點在于測試分析軟件的設計，其中溫度與噪聲的測試比較簡單，可以直接采集讀取，基本上不需要處理分析就可以得出比較直觀的數據，但是振動加速度數據的采集及處理就具有相當的難度。如何將速度傳感器獲取滑塊上下的振動信號進行積分變換，求出振動的速度和位移信號就是關鍵技術的體現。

由于振動信號的低頻部分對位移振動幅值的大小起著決定性的作用，而在測試信號中，往往因測試儀器溫度變化造成的零點漂移含有長期趨勢項，數據積分變換時趨勢項對變換結果影響比較突出，尤其是二次積分時，位移曲線可能完全失真。加速度信號中除了有趨勢項存在外，還有高頻噪聲，需要采用濾波器進行濾波，除去信號中的直流分量和噪聲干擾成分，修正波形。這些都是需要攻克的難點。

3.綜合測試平臺硬件設計與實現

綜合測試平臺的硬件包括兩個部分，一部分是測試平臺機械部分的設計，包括測試平臺的總體布局與測試傳感器位置分布的設計。另一部分是硬件控制系統的設計，論述了傳感器與數據采集卡、運動控制卡、直線電動機的選擇，運動控制系統的設計。

（1）設備總體布局 本綜合測試平臺的組成如圖2所示。可以看出，由于采用了直線電動機驅動，大大地簡化了機械部分的結構，替代了傳統的絲杠、皮帶等傳動部件，沒有了機械接觸，減小了摩擦，從而降低了系統噪聲及振動的干擾，提高測試的準確度。另外還選擇了特殊的靜音拖鏈，采用耐磨損連接替代普通的銷孔連接且節距小，使得拖鏈運行噪聲更低。

圖2 總體布局

（2）測試傳感器的分布 機械部分除了支撐與傳動結構以外還有各種傳感器的布置。如圖2所示，噪聲計通過支架安裝在離被測導軌副垂直高度200～500mm的上方，可測出導軌副以不同運行速度通過噪聲計下方時的噪聲曲線。如圖3所示，加速度計安裝在被測滑塊上表面，通過對滑塊表面上下振動的加速度數據作分析處理，可以得到導軌副在各種運行速度下的振動速度與位移曲線；溫度傳感器安裝在滑塊上表面，實時測量導軌副運行時滑塊的溫升情況。

圖3 傳感器分布

（3）硬件控制系統的設計 綜合測試平臺硬件控制系統的設計主要是計算機控制部分的設計，根據系統性能和測量精度的要求選擇了相關的傳感器、數據采集卡、運動控制卡、直線電動機及其驅動器并提出了運動控制的解決方案。硬件控制系統的組成如圖4所示。工業控制計算機連接運動控制卡和數據采集模塊，運動控制卡和伺服系統相連接用于驅動綜合測試平臺，傳感器的采集信號線和數據采集卡相連，最后送入工控機。另外還包括顯示與打印等輸入輸出設備。

圖4 硬件控制系統組成

依據設計要求，選取了深圳雷賽公司的DMC2210兩軸運動控制卡，北京雙諾AC6616P數據采集卡，廣州華頡公司的凌華工控機，新加坡ACCEL直線電動機，美國COPLEY驅動器等相關的電子設備。傳感器選用了朗斯公司LC01系列壓電式加速度傳感器與北京賽億凌科公司的PT100溫度傳感器。

4.綜合測試平臺的軟件設計與實現

（1）運動控制軟件的設計實現 通過工控機，以Windows為操作平臺。利用DMC2210的動態鏈接庫可以很快開發出Windows在平臺下的運動控制系統。DMC2210動態鏈接庫是標準的Windows32位動態鏈接庫，選用的開發工具應支持Windows標準的32位DLL調用。使用VB6.0版本,可以容易、快速地開發基于Windows的簡單運動控制程序。VisualB控制程序按照如下步驟進行：安裝DMC2210驅動程序及函數庫；用VisualB編寫測量儀工作界面；在應用程序中調用運動函數。

編制后的運動控制界面如圖5所示，其中運動參數包括運行速度、往復位移、往復、定長、變速循環和定長距離等；運動控制程序包括啟動、停止、回零點、位置清零、慢速和快速等。同時還可以在控制界面內顯示被測導軌副當前運動狀態，如速度、加速度、當前位置、滑塊實時溫度等。整個控制界面簡單明了，操作方便、實用。

圖5 運動控制界面

（2）數據分析軟件的設計實現 本數據分析軟件主要是對安裝在滑塊上表面的加速度計測量采集的數據進行分析處理，希望得到滑塊在不同運行速度下上下振動的振幅。通過分析這些振動位移與滑塊當時對應的位置來分析查找滑塊產生振動以及振動突變的原因，以此為依據來改進相應產品的設計與加工工藝的改進，提升公司產品的性能與質量。因此，此分析軟件的目的是：當滑塊在導軌上來回高速直線運動時，通過加速度傳感器獲取滑塊上下的振動信號，然后對加速度信號進行積分變換，求出振動的速度和位移信號。

本次測試軟件使用LabVIEW與MATLAB編寫。LabVIEW是工程人員開發測試常用的一種軟件工具。是Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench (實驗室虛擬儀器集成環境)的簡稱，是由美國國家儀器公司推出的一個功能強大而又靈活的儀器和分析軟件應用開發工具。LabVIEW 程序稱為虛擬儀器或簡稱為V I，每個V I都由前面板和框圖程序以及圖標/連接端口三部分組成。LabVIEW不同于基于文本的編程語言，它是一種圖形編程語言——通常稱為G編程語言，其編程過程就是通過圖形符號描述程序的行為。LabVIEW 使用的是科學家和工程師們所熟悉的術語，還使用了易于識別的構造G語言的圖形符號。即使具有很少編程經驗的人也能學會使用LabVIEW，并能夠發現和了解一些有用的基本編程原則。

MATLAB (MATrixLABoratory，矩陣實驗室)是由美國MathWorks公司推出的一套數值計算軟件，分為總包和若干個工具箱，可以實現數值分析、優化、統計、偏微分方程數值解、自動控制、信號處理、圖像處理等若干個領域的計算和圖形顯示功能。它將不同數學分支的算法以函數的形式分類成庫，使用時直接調用這些函數并賦予實際參數就可以解決問題，快速而且準確。

綜上，虛擬儀器編程軟件LabVIEW和數學軟件MATLAB是目前工程技術領域中比較流行的兩種軟件，功能強大，但是各自在某些方面存在著不足和缺點，對于一些需要進行大量數據運算處理的復雜應用，LabVIEW顯得有些力不從心。因此如果在LabVIEW中實現MATLAB的調用，把LabVIEW軟件平臺與MATLAB相結合使用，無疑可以很好地補充LabVIEW的開發功能，大大地拓寬測試軟件的開發范圍。消除趨勢項后速度與位移如圖6所示。

圖6

5.測試與分析總結

通過對導軌副各項性能的綜合測試，測試出導軌副在不同運行速度和時間狀態下的滑塊溫升，可以檢驗滑塊的塑料返向件的耐溫性能。同樣，通過對比導軌副在不同速度下的噪聲，以及對比同速度下的不同廠家生產的同種規格的導軌副的噪聲大小，可以明確定位本公司的產品在靜音性能上與其他品牌產品的差距與優勢，為更好地提升產品在這方面的性能提供了數據支持。

對于振動測試的分析，可以得出滑塊在運動過程中上下振動的位移。通過分析振動位移的波形，可以找出在振動位移最大時滑塊運行的位置與狀態，經過多次測試對比，找到滑塊振動多發區域，對這個區域的導軌的滾道表面質量以及滑塊與滾子的狀態分析，找出導軌副產生振動的原因，以此為依據改進相關的加工工藝與結構設計，提高公司產品品質。