基于LABVIEW的行星滾柱絲杠綜合性能試驗(yàn)平臺(tái)上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文君，夏 鯤，毛 崢

（上海理工大學(xué)電氣工程系，上海 200093；2.上海理工大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院；3.上海船舶設(shè)備研究所)

0 引言

近年來(lái)，行星滾柱絲杠在航天航空和船舶方面的應(yīng)用取得了驕人的成績(jī)，但對(duì)行星滾柱絲杠的性能的正確評(píng)估一直是限制其廣泛應(yīng)用的重要瓶頸，行星滾柱絲杠綜合性能對(duì)其應(yīng)用設(shè)備的安全起到兜底作用。對(duì)行星滾柱絲杠綜合性能安全有效的檢測(cè)具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)了行星滾柱絲杠綜合性能試驗(yàn)平臺(tái)上位機(jī)系統(tǒng)，包括界面設(shè)計(jì)、邏輯設(shè)計(jì)和通信接口設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具備測(cè)量功能、控制功能、保存功能、數(shù)據(jù)查詢(xún)功能和通信功能。以上幾種功能相互獨(dú)立，又互為補(bǔ)充。通信是數(shù)據(jù)采集和控制的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)采集和控制的正確執(zhí)行由通信來(lái)反映。數(shù)據(jù)保存是數(shù)據(jù)查詢(xún)的前提和必要條件，數(shù)據(jù)查詢(xún)可以驗(yàn)證數(shù)據(jù)保存是否成功。

1 行星滾柱絲杠綜合性能試驗(yàn)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的上位機(jī)PC 與外部設(shè)備的連接方式主要是三種類(lèi)型：①具備串口通信的傳感器直接與LABVIEW 實(shí)現(xiàn)RS232 通信，本文中的拉壓力傳感器、聲級(jí)計(jì)屬于I 類(lèi)傳感器；②II 類(lèi)傳感器經(jīng)過(guò)NI-PCI 板卡后，上位機(jī)LABVIEW 通過(guò)自帶的DAQ 助手可以實(shí)現(xiàn)與板卡間的通信，II類(lèi)傳感器有圓光柵、鉑電阻及其后續(xù)電路；③PLC 與上位機(jī)LABVIEW 通過(guò)TCP/IP 直接通信，通信接口為RJ45。從而系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PCPLC-伺服系統(tǒng)-執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制回路和傳感器-PC的測(cè)量回路。行星滾柱絲杠綜合性能試驗(yàn)平臺(tái)整體框架如圖1所示。

圖1 行星滾柱絲杠綜合性能試驗(yàn)平臺(tái)整體框架

2 行星滾柱絲杠綜合性能上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

本文對(duì)行星滾柱絲杠綜合性能測(cè)試過(guò)程中的加速度信號(hào)、速度信號(hào)、位移信號(hào)、拉壓力和噪聲信號(hào)進(jìn)行研究后，所設(shè)計(jì)的行星滾柱絲杠綜合性能上位機(jī)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)具備測(cè)量功能、控制功能、保存功能、查詢(xún)功能和通信功能。行星滾柱絲杠綜合性能上位機(jī)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 上位機(jī)系統(tǒng)框圖

根據(jù)以上功能的設(shè)計(jì)需求，并考慮到使用的便利性和邏輯的完整性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)的主界面、兩個(gè)試驗(yàn)界面和若干小的交互界面。主界面包含了可跳轉(zhuǎn)至高速試驗(yàn)界面、精度試驗(yàn)界面、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)界面、系統(tǒng)參數(shù)界面以及登錄界面，主界面如圖3 所示，高速試驗(yàn)界面主界面和精度試驗(yàn)主界面分別如圖4和圖5所示。

圖3 系統(tǒng)主界面

圖4 高速試驗(yàn)界面

圖5 精度試驗(yàn)界面

2.2 測(cè)量功能

在行星滾柱絲杠試驗(yàn)臺(tái)對(duì)絲杠進(jìn)行測(cè)量過(guò)程中，需要對(duì)速度、加速度、溫度、溫位移、位移、噪聲和拉壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，防止過(guò)大的負(fù)載對(duì)行星滾柱絲杠進(jìn)行造成不可逆的損傷，同時(shí)保證人身安全和試驗(yàn)臺(tái)的安全。高速試驗(yàn)測(cè)量界面包含速度、加速度、噪聲和振動(dòng)的波形顯示，如圖6 所示。精度試驗(yàn)包含位移時(shí)間關(guān)系圖，如圖7所示。

圖6 高速試驗(yàn)測(cè)量界面

圖7 精度試驗(yàn)測(cè)量界面

在測(cè)量功能的設(shè)計(jì)過(guò)程中，靈活的使用事件結(jié)構(gòu)完成各種不同功能之間的運(yùn)行，上位機(jī)LABVIEW 通過(guò)While 循環(huán)掃描事件結(jié)構(gòu)，當(dāng)上位機(jī)捕捉到不同的事件時(shí)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)的程序，當(dāng)上位機(jī)捕捉到“開(kāi)始”按鈕的事件時(shí)，開(kāi)始采集傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。精度試驗(yàn)測(cè)量功能編程面板如圖8所示。

圖8 精度試驗(yàn)測(cè)量功能編程面板

2.3 控制功能

行星滾柱絲杠上位機(jī)系統(tǒng)可對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制。上位機(jī)前面板輸入控制參數(shù)，將其創(chuàng)建屬性節(jié)點(diǎn)，將屬性節(jié)點(diǎn)的值與通訊模塊連接，通過(guò)TCP 通信將其發(fā)送至PLC，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)PLC 的控制，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)伺服系統(tǒng)的控制。行星滾柱絲杠綜合性能控制程序設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 控制功能編程面板

上面對(duì)構(gòu)成控制功能的程序設(shè)計(jì)做了說(shuō)明，本文所設(shè)計(jì)的上位機(jī)可以通過(guò)前面板進(jìn)行速度/加速度試驗(yàn)的選擇，并可靈活的對(duì)運(yùn)行模式和潤(rùn)滑方式進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)速度和加速度提供手動(dòng)輸入，使用者只需鍵盤(pán)上輸入欲控制參數(shù)即可。同時(shí)為了人身安全和試驗(yàn)臺(tái)本身安全，上位機(jī)進(jìn)行了軟限位處理，運(yùn)動(dòng)位置只能在左限位和右限位之間，否則控制系統(tǒng)發(fā)送停機(jī)命令，整個(gè)伺服控制系統(tǒng)無(wú)法啟動(dòng)。控制功能設(shè)計(jì)界面如圖10所示。

圖10 控制功能界面設(shè)計(jì)

2.4 保存功能

行星滾柱絲杠綜合性能測(cè)試過(guò)程中，可以實(shí)時(shí)的觀察各種指標(biāo)的變化情況，但是僅僅試驗(yàn)過(guò)程中觀察是不夠的，有時(shí)候需要對(duì)行星滾柱絲杠的性能數(shù)據(jù)進(jìn)行溯源時(shí)，需要找做過(guò)的試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，可見(jiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存彌足珍貴。在上位機(jī)PC 控制伺服系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)保存所采集數(shù)據(jù)，存在本地緩沖區(qū)，當(dāng)試驗(yàn)完成后，試驗(yàn)者可自主選擇是否對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。試驗(yàn)完成后，點(diǎn)擊“保存”按鈕即將試驗(yàn)和時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系保存到本地的電子表格中，若不想保存，不做任何處理，下一次試驗(yàn)啟動(dòng)時(shí)，緩沖區(qū)數(shù)據(jù)自動(dòng)清除。數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的編程面板如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)編程面板

2.5 數(shù)據(jù)查詢(xún)功能

對(duì)于一個(gè)完善的上位機(jī)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)查詢(xún)功能是非常必要的。本文所開(kāi)發(fā)的歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)系統(tǒng)可對(duì)前期試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的查詢(xún)。具體可在檢索項(xiàng)目下拉菜單選擇絲杠編號(hào)、試驗(yàn)日期、試驗(yàn)單位、試驗(yàn)人員等四種查詢(xún)方式，四個(gè)查詢(xún)字段是“與”關(guān)系，可根據(jù)一項(xiàng)或多項(xiàng)字段進(jìn)行精準(zhǔn)查詢(xún)。在查詢(xún)結(jié)果的候選項(xiàng)中，點(diǎn)擊相應(yīng)的條目，即可立即顯示對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)波形圖。歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)功能界面設(shè)計(jì)如圖12所示。

圖12 歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)界面設(shè)計(jì)

2.6 通信功能

本文所用到的通信方式主要有三種：①串口通信，適用于含有RS232或者RS485通信協(xié)議的傳感器；②PCI 板卡通信，適用于TTL 脈沖信號(hào)和模擬電流信號(hào)，分別接入NI 的脈沖板卡和模擬電流板卡；③TCP通信，適用于上位機(jī)與PLC的通信。

串口通信的方式通常是有只發(fā)不收、只收不發(fā)、邊發(fā)邊收、發(fā)一次后面一直讀取。根據(jù)通信協(xié)議，本文選擇給傳感器發(fā)一次數(shù)據(jù)，讀取一次傳感器數(shù)值的方法進(jìn)行通信。串口通訊選擇順序執(zhí)行，首先選用VISA配置串口對(duì)COM口、波特率、數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)位進(jìn)行配置，再通過(guò)VISA 寫(xiě)入對(duì)傳感器發(fā)送報(bào)文，執(zhí)行發(fā)送后選擇VISA 讀取對(duì)傳感器數(shù)值進(jìn)行讀取，最后選用VISA 關(guān)閉結(jié)束串口通信。以拉壓力傳感器為例，上位機(jī)與串口之間的通信如圖13所示。

圖13 上位機(jī)LABVIEW讀取拉壓力數(shù)值

NI公司的PCI板卡與LABVIEW 之間通信十分便利，在使用之前，可在NI公司的官網(wǎng)下載DAQ 的安裝包，安裝完后便可在LABVIEW 中選擇DAQ 助手對(duì)通信進(jìn)行配置，選擇與實(shí)物對(duì)應(yīng)的型號(hào)和通道，即可實(shí)現(xiàn)與板卡之間的通信。無(wú)論是模擬量還是脈沖量，DAQ 所輸出的值與真實(shí)物理量之間存在一個(gè)倍數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，只需在輸出端乘以對(duì)應(yīng)的系數(shù)，就可以得到傳感器的數(shù)值。NI 通過(guò)PCI 板卡與上位機(jī)LABVIEW通信的程序設(shè)計(jì)如圖14所示。

圖14 PCI板卡與上位機(jī)通信程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)LABVIEW 與PLC 有多種通信方式，由于上位機(jī)和PLC 都有RJ45 接口，本文選擇TCP 通信方式。PLC 端完成IP 地址的正確設(shè)置以及對(duì)遠(yuǎn)程PUT/GET 進(jìn)行授權(quán)，并在PLC 端軟件里面創(chuàng)建一個(gè)DB 數(shù)據(jù)塊，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)塊優(yōu)化塊的訪問(wèn)。上位機(jī)端則需配置以太網(wǎng)地址，保證與PLC 端的IP 地址在同一網(wǎng)段內(nèi)但是IP不能完全相同，完全相同的IP會(huì)帶來(lái)訪問(wèn)沖突的問(wèn)題，從而導(dǎo)致不能正常建立通信連接。配置好IP后，在LABVIEW 端對(duì)通信參數(shù)進(jìn)行配置，便可實(shí)現(xiàn)與PLC的通信，上位機(jī)與PLC之間的TCP通信LABVIEW程序設(shè)計(jì)如圖15所示。

圖15 上位機(jī)與PLC之間TCP通信程序設(shè)計(jì)

3 行星滾柱絲杠綜合性能上位機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)

經(jīng)檢測(cè)，該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，具有測(cè)量功能、控制功能、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)查詢(xún)和通信功能。測(cè)量功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)行星滾柱絲杠綜合性能測(cè)量試驗(yàn)中各種傳感器的數(shù)據(jù)采集，速度、加速度、溫度、溫位移、位移、噪聲和拉壓力等。控制功能的開(kāi)發(fā)使得只需上位機(jī)進(jìn)行控制參數(shù)設(shè)定，通過(guò)通信的方式傳送給PLC，便可實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)的控制。數(shù)據(jù)保存功能讓試驗(yàn)人員可對(duì)每次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行自主保存，且保存格式統(tǒng)一，無(wú)須使用者手動(dòng)輸入，統(tǒng)一化的保存方法也為查詢(xún)帶來(lái)便利。數(shù)據(jù)查詢(xún)功能的開(kāi)發(fā)讓歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)變得高效，本文設(shè)計(jì)的歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)系統(tǒng)，可選擇多種字段進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)，絲杠編號(hào)、試驗(yàn)日期、試驗(yàn)單位和試驗(yàn)人員可任選其一進(jìn)行查詢(xún)。通信功能的開(kāi)發(fā)讓上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集和對(duì)PLC 的控制得以實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要用到三種通信方式，串口通信、PCI 通信和TCP通信。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，與機(jī)械部分進(jìn)行了聯(lián)調(diào)。通過(guò)上位機(jī)發(fā)送控制參數(shù)，設(shè)定速度、加速度以及電機(jī)的行程完成了高速試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖16所示。

圖16 高速試驗(yàn)測(cè)試界面

同時(shí)，通過(guò)上位機(jī)對(duì)起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)、運(yùn)行速度和五個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的設(shè)置后，上位機(jī)將控制參數(shù)發(fā)送至PLC，傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，完成了精度試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖17所示。

圖17 精度試驗(yàn)測(cè)試界面

4 結(jié)束語(yǔ)

為了對(duì)行星滾柱絲杠綜合性能進(jìn)行測(cè)試，本文借助LABVIEW，設(shè)計(jì)了行星滾柱絲杠綜合性試驗(yàn)平臺(tái)上位機(jī)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)采集絲杠的多種性能參數(shù)，對(duì)高速試驗(yàn)下的速度、加速度、噪聲、溫度變化、溫位移進(jìn)行測(cè)量。可對(duì)精度試驗(yàn)下的位移進(jìn)行測(cè)量，并完成精度計(jì)算。數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)查詢(xún)?yōu)樵囼?yàn)復(fù)現(xiàn)提供了便利。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可對(duì)行星滾柱絲杠綜合性能進(jìn)行測(cè)試，并可對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和查詢(xún)，該系統(tǒng)推廣價(jià)值很大。