采用計算機和Windows接口軟件實現機床測試系統的設計

在工業生產測試過程中，經常要對溫度、流量、壓力等模擬量進行采集，對繼電器、接觸器等開關量進行控制，此外還有步進電機和伺服電機進行精確的位移控制。開發一種基于計算機的機床測試系統，把各種控制量集成在一起構成閉環控制系統很有必要。本文以一臺計算機為主控制器，采用Windows風格接口軟件，計算和測試速度快，信息處理能力強，系統集成度高，工作界面友好，操作方便，實現了多參數測試過程自動化，提高了測試效率和準確性。

系統主要功能及特點

系統以對機床性能影響大的參數集成測試為主要目的，具有以下功能和特點：

（1）系統對減速器具有測量載荷，進行空載試驗、負載試驗、慣性負載試驗、離合器通斷試驗、回差試驗等功能，可同時對X、Y1、Y2三軸進行測試；

（2）系統對自動調高系統具有在線測量；調高精度功能，最多可同時測試8機頭，對進給距離具有自動設置和用戶給定功能，誤差值隨著機頭的進給實時計算并顯示；

（3）具有自動測試時間設定、加虛擬負載、載荷調節功能；

（4）對控制系統具有高溫老化試驗功能，自動監測和記錄系統狀態；

（5）測量數據動態顯示，如果發現數據超標立即報警或停止實驗；

（6）測試結果進行自動分析和打印，并可進行相關文件操作，以便對測試結果進行深層分析和統計。

系統硬件結構和組成

系統采用模塊式結構，以計算機作為主控制器。計算機有著豐富的軟硬件資源和強大的系統功能，運算和控制速度高，在現場控制上有著良好的控制性能。系統其他部分都通過接口卡與計算機相連，被其控制同時為其提供測試數據。通過執行計算機上的接口軟件，系統的硬件結構框圖如圖1所示。主要有以下部分：

圖1 系統結構框圖

主控制器

系統的主控制器由一臺工控計算機、標準鍵盤、鼠標器、CRT彩色顯示器和打印機等組成。計算機作為系統的主控制器，通過接口卡控制其他部分動作，采集測試數據，并對這些數據進行復雜的計算和分析，完成系統集成的各項測試功能，同時在測試的過程中，對測試結果進行實時動態顯示，如果發現超標即進行報警處理，并自動記錄故障時刻，以便操作者采取相關措施。操作者可通過顯示器、鍵盤和鼠標進行人機操作，選擇相應的測試項目，輸入必要的測試參數，監測整個測試過程，并進行相應的文件操作，通過打印機打印測試結果。

接口模塊

接口模塊主要包括隔離驅動卡，輸入輸出接口卡。輸入輸出接口卡負責計算機對測試裝置的控制和數據采集，分為數字信號接口和模擬信號接口，模擬輸入（AI）采用研華PCI-726，模擬輸出（AO）采用研華PCI-1710，隔離驅動卡數字輸入（DI）數字輸出（DO）采用研華PCI-734。具體通道數確定如下：

數字輸入（DI）：

轉矩傳感器 3路

碼盤 18路

故障報警 3路

模擬輸入（AI）：

接近傳感器 8路

數字輸出（DO）：

離合器 3路

脈沖禁止 3路

SV-ON 3路

脈沖串 3路

符號 3路

C-MODE 3路

模擬輸出（AO）：

伺服指令： 3路

加載控制： 3路

總計DI：24路，AI：8路，DO：18路，AO：6路。

本系統采用的輸入輸出接口卡均為PCI總線，由于測試和控制量較多，所以采用了三塊接口卡，通過硬件調線，設置其基地址分別為300H和330H。模擬信號輸入輸出通道相互獨立，分辨率為12位，其信號范圍如下：

輸入范圍：-10V～+10V

輸出范圍：-10V～+10V

接口卡的數字輸入輸出信號與TTL電平兼容，易于和其他部分相連，特性如下：

輸入低電平VIL≤0.8V

輸入高電平VIH≥2.0V

輸出低電平VOL≤0.5V

輸出高電平VOH≥2.4V

為了保證系統運行的安全性，系統還采用了一塊隔離驅動卡，通過光電隔離等手段來保證計算機信號和外界信號的隔離，并把接口卡的輸出信號放大為伺服驅動器和離合器等所需強度控制信號。

運動控制模塊

主要包括伺服系統和加載系統。伺服系統由伺服電機驅動器、伺服電機和光電碼盤組成，其主要作用是控制測試過程中被測減速器按照一運動規律運轉。本系統中，采用了3套松下（MINAS）伺服系統分別控制X、Y1、Y2三軸，該系統有速度控制、位置控制和轉矩控制三種控制方式，能滿足測試過程中的各種運動控制要求，在使用前，需進行參數設置，有關參數設置如下：

NO.25=10000， NO.26=7200

NO.27=1， NO.29=3

伺服驅動器受計算機接口卡控制，接口卡的伺服指令輸出為+3V時，伺服電機轉速為1500轉/分。計算機還通過接口卡控制伺服驅動器的符號位、輸出禁止、SV-ON位和C-MODE位。符號為1時對應CCW方向（正轉），脈沖輸出為1時禁止有效，SV-ON低電平有效，C-MODE低電平為速度控制方式，高電平為位置控制方式，在測試過程中，根據測試項目不同，計算機按照程序改變這些控制信號，使伺服電機工作于不同方式和狀態。

加載系統主要負責向軸端提供虛擬負載，加載控制器接受計算機輸出的模擬信號，并根據這個信號調整加載裝置流過的電流，進而控制軸端轉矩。

傳感器模塊

接近傳感器選用量程為20mm，輸出電壓為0～5V的WYD系列直流位移傳感器，該傳感器與電子電路集成一體，安裝使用方便，不需外加放大器，可直接與計算機輸入輸出接口卡連接，進行模數轉換及數據處理，進而把相對位移的微變量提供給計算機，系統共采用8個接近傳感器測試調高精度。

轉矩傳感器選用JN338轉矩傳感器，該傳感器可實現能源及信號的非接觸傳遞，并做到了傳遞與是否旋轉無關，與轉速大小無關，與旋轉方向無關，輸出信號為脈沖信號。

增量式光電編碼器作為速度和位移傳感器，它的輸出一方面提供給伺服系統進行運動控制，另一方面供計算機采集，計算機通過軟件對編碼器輸出信號進行轉換和計數，計數總值與脈沖當量的積即為位移量，而短時間內的位移量即為瞬時速度。

接口軟件開發

系統接口軟件主應用程序是在Windows操作系統下，用可視化程序開發工具Visual Basic6.0開發的。 軟件操作界面采用Windows風格，其框圖如圖2所示。

圖2 系統軟件框圖

Visual Basic6.0是一門功能強大的計算機高級可視化編程語言，但卻不能直接訪問計算機輸入輸出接口，為了解決這一問題，系統用C++語言編制了一個動態連接庫（DLL），對硬件端口的訪問功能全在連接庫中實現，當需要訪問某個端口時，調用相應的連接庫函數，進行動態連接。這樣不但實現了預定功能，而且使軟件結構優化，節約了大量系統資源。

結論

以本系統設計的機床測試系統，運行平穩，界面友好，操作方便，控制精度高，定位精度X軸Y1軸Y2軸都達到了0.024mm，重復定位精度X軸Y1軸Y2軸都達到了0.015mm。

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