摘 要:為了準確測量滾動直線導軌副的各項性能參數，研制了滾動直線導軌副綜合性能試驗臺的測控系統。該系統由傳感器、工控機和數控系統組成，可實時測量滑塊在運動過程中的運動精度、加速度、振動、摩擦力、噪音及溫度的變化情況。測量過程用西門子數控系統控制，由傳感器采集數據并通過數據采集卡將測量結果傳輸至工控機，最后通過測量軟件實時顯示并保存采樣數據。試驗結果表明，該系統完全能夠滿足高速、高精度數據采集要求。
關鍵詞:滾動直線導軌副; 綜合性能; 測控系統; 軟件設計
0 引言
滾動直線導軌副因具有高精度、高速度及節能環保等優越性被廣泛應用于精密機械，成為數控機床、工業機器人以及 各 種 測 量 儀 器 中 不 可 或 缺 的 一 種 重 要 功能 部件［1］。其運動精度、摩擦、噪音、溫升等性能直接影響到機床的加工精度及壽命。目前國際知名滾動直線導軌副廠家 THK、NSK 等均有先進的檢測設備為其產品質量提供保證。因此，滾動直線導軌副的精確檢測對國內滾動功能部件及高檔數控機床的發展具有重要意義［2］。
要實現滾動直線導軌副各項性能的準確測量，合適的測量平臺及測量方法至關重要。本文以現有試驗設備為平臺，以 Visual Basic 為編程語言，完成了滾動直線導軌副綜合性能試驗臺測控系統軟件的設計與開發，實現了試驗過程中數據采集、處理、保存、查詢及打印輸出的自動化與智能化。
1 、測量裝置
研制的滾動直線導軌副綜合性能試驗臺如圖 1 所示［3］，可檢測#35、#45、#55、#65 四種型號導軌的運動精度、加速度、振動、摩擦力、噪音、溫升 6 項基本性能。該試驗臺主要由 5 個部分組成，分別為: 床身部件、驅動系統、測試系統、控制系統以及防護系統
圖 1 滾動直線導軌副綜合性能試驗臺
驅動系統主要由直線電機和滑臺構成，由直線電機推動測試系統沿滑塊運動方向作往復直線運動，可有效保證滑塊在運動過程中的平穩性。同時也可提高整個系統的高速、高加速性能。測試系統主要包括試驗工裝、傳感器安裝支架及導軌轉接板，其中導軌轉接板作為運動精度測量的基準平面，其精度高達 5 um/4 m，可有效保證測量數據的可靠性。控制系統采用西門子 840Dsl 數控系統，用以控制電機的運動速度、加速度及起止位置等。防護系統由數控軟限位、接觸式限位開關以及防撞器構成，通過多重保護來提高試驗臺實驗過程中設備的安全性。試驗裝置結構圖如圖 2 所示。
圖 2 試驗裝置結構框圖
2 、測控系統硬件設計
2．1 測試原理及硬件配置
1) 測量原理
滾動直線導軌副綜合性能測試臺由直線電機作驅動，氣浮導軌為主支撐，通過滑臺組件帶動被測滑塊沿導軌來回往復運動。同時由各傳感器( 拉壓力傳感器、加速度傳感器、振動傳感器、噪聲傳感器、溫度傳感器、激光位移傳感器) 及高速數據采集卡和工控機對電壓信號進行數據采集及處理。其中，拉力傳感器、加速度傳感器、振動傳感器用高速數據卡采集，傳感器信號通過單端模擬量輸入AI 口傳輸至工控機［4］。為了排除測試過程中強電對信號的干擾以保證數據的準確性，激光位移傳感器采用 USB采集，噪音計和溫度傳感器采用 ＲS232 串口采集。最后通過測試軟件對信號進行濾波及處理并將處理結果以曲線的形式顯示出來，以實現導軌各項性能的實時測量及監測。其測量原理圖如圖 3 所示。
圖 3 測量原理結構框圖
2) 硬件配置
由于該試驗臺可針對高精度等級的導軌進行測量，則要求以高精度的傳感器為測量基礎。表 1 為滾動直線導軌副綜合性能試驗臺傳感器配置。
表 1 傳感器配置
2．2 運動控制系統方式確定
該試驗臺的運動控制主要是針對直線電機的運動控制。其位置控制主要通過光柵尺測量系統實現閉環控制［5］。將光柵尺反饋的實際位置信號與數控系統輸入的理論值進行比較，從而對直線電機的位置進行校正。其控制原理為數控系統發送指令至驅動單元控制直線電機沿導軌作直線運動，同時 NC 控制系統讀取電機坐標值。當直線電機開始運動，光柵尺將脈沖信號反饋給 NC 控制單元，NC 控制單元將接收到的脈沖信號與設定的指令信號進行比較之后經驅動單元控制直線電機的運動，從而實現電機位置的閉環控制。此外，工控機通過 PCI1784U 運動控制卡對光柵尺進行脈沖計數，由公式: 實際位移 =柵距×脈沖數可得到直線電機相對于零點的實際位置。其閉環控制流程如圖 4 所示。
圖 4 閉環控制流程圖
3 、測控系統軟件設計
3．1 程序主要功能
由于該測試軟件需要對滑塊運動過程中導軌的各項性能參數進行實時采集及顯示，要求軟件必須實現試驗參數的設置、試驗狀態的實時監測、試驗數據的采集及顯示、試驗數據的處理及結果保存、試驗數據的查詢、試驗報表的輸出與打印。本程序與 VB6．0 為設計平臺，其程序主界面如圖 5 所示。
1) 監控警報功能。由于該試驗裝置由氣浮導軌做主支撐，因此需要對氣浮氣壓做實時監測，以防止氣壓低于標準值而導致主導發生損壞。
2) 參數設置功能。該試驗臺可檢測#35、#45、#55、#65 四種不同型號的導軌，通過參數設置對被測導軌的試驗信息、導軌信息及環境參數進行保存，以便最終查詢及報表輸出。
圖5 程序主界面
3) 數據采集功能。通過 Timer 控件讀取板卡接收到的值，采集的同時對數據進行濾波及均化處理以排除不正常的高信號或低信號，然后對數據進行存儲和實時顯示并繪制各個傳感器的原始數據曲線。其中曲線的繪制采用iocomp 控件實現，橫坐標為滑塊相對于絕對零點的位置，縱坐標為傳感器的數值，如圖 6 所示。
圖 6 數據采集界面
4) 數據處理功能。數據采集完成后從數據庫讀取傳感器的原始數據并對其進行計算以得到需要的結果，并繪制結果曲線。
5) 數據存儲功能。本程序的數據存儲通過 VB 與 Access數據庫的對接來實現。分別建立試驗人員信息表、參數表、原始數據表、結果數據表來存儲不同試驗階段的數據以方便最終的查詢與打印輸出。人員信息表主要用以存儲試驗人員的個人信息及密碼，參數表主要用以存儲每次試驗的導軌信息及導軌重要參數等，原始數據表主要用以存儲試驗過程中傳感器直接采集且未通過處理分析的數據以方便后期查詢及輸出。結果數據表用以存儲針對試驗數據所給出的試驗結果，以便輸出報表及后期查詢。
6) 數據查詢功能。試驗結束后可在數據查詢界面通過試驗日期或導軌型號對試驗原始數據及結果數據進行查詢、刪除、修改等。
7) 打印報表功能。試驗結束后可在試驗界面打印本次試驗的報表，也可通過查詢界面對歷史數據進行打印。報表包括試驗參數、試驗結果、試驗曲線圖片。
3．2 主程序流程圖
系統主程序流程如圖 7 所示，實驗開始前先設置試驗參數。進入試驗界面后打開板卡、USB 接口及 ＲS232 接口并開始檢測氣浮氣壓是否達到設定值，同時檢測數控信號。數控系統控制電機找到零點位置后，將傳感器針對當前位置初始化。當數控開始執行數控程序時給工控機發送信號，同時程序識別信號開始采集。采集完成后對原始數據進行數據處理得到最終結果。最后保存數據并打印輸出，至此完成一次試驗由采集到輸出結果的全部過程。
圖7 主程序流程圖
4 、試驗驗證
為驗證實驗臺測控系統的可行性，現對國內某廠家#45 導軌運動精度進行試驗檢測，分 別 在 4 m/min、12 m/min、20 m/min 的速度下進行檢測，其試驗結果曲線
如圖 8、圖 9、圖 10 所示。表 2 為多次試驗數據對比。
圖8 第 1 次試驗
圖 9 第 2 次試驗
圖 10 第 3 次試驗
表 2 結果數據對比
5 、結語
針對滾動直線導軌副綜合性能試驗臺對滾動直線導軌副綜合性能的檢測所需實現的功能問題進行了研究，并提出了試驗臺測控系統的設計方案。由試驗結果可看出試驗數據具有較高的重復性，其實驗結果具有較高的可行度，從而證明該方案的可行性，可為滾動直線導軌副綜合性能的研究提供較為可靠的試驗基礎并對相關領域的研究具有借鑒意義。
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