摘 要:为了准确测量滚动直线导轨副的各项性能参数，研制了滚动直线导轨副综合性能试验台的测控系统。该系统由传感器、工控机和数控系统组成，可实时测量滑块在运动过程中的运动精度、加速度、振动、摩擦力、噪音及温度的变化情况。测量过程用西门子数控系统控制，由传感器采集数据并通过数据采集卡将测量结果传输至工控机，最后通过测量软件实时显示并保存采样数据。试验结果表明，该系统完全能够满足高速、高精度数据采集要求。
   
      关键词:滚动直线导轨副; 综合性能; 测控系统; 软件设计
 
      0 引言
 
      滚动直线导轨副因具有高精度、高速度及节能环保等优越性被广泛应用于精密机械，成为数控机床、工业机器人以及 各 种 测 量 仪 器 中 不 可 或 缺 的 一 种 重 要 功能 部件［1］。其运动精度、摩擦、噪音、温升等性能直接影响到机床的加工精度及寿命。目前国际知名滚动直线导轨副厂家 THK、NSK 等均有先进的检测设备为其产品质量提供保证。因此，滚动直线导轨副的精确检测对国内滚动功能部件及高档数控机床的发展具有重要意义［2］。
 
     要实现滚动直线导轨副各项性能的准确测量，合适的测量平台及测量方法至关重要。本文以现有试验设备为平台，以 Visual Basic 为编程语言，完成了滚动直线导轨副综合性能试验台测控系统软件的设计与开发，实现了试验过程中数据采集、处理、保存、查询及打印输出的自动化与智能化。
 
     1 、测量装置
 
     研制的滚动直线导轨副综合性能试验台如图 1 所示［3］，可检测#35、#45、#55、#65 四种型号导轨的运动精度、加速度、振动、摩擦力、噪音、温升 6 项基本性能。该试验台主要由 5 个部分组成，分别为: 床身部件、驱动系统、测试系统、控制系统以及防护系统

                  图 1 滚动直线导轨副综合性能试验台
 
     驱动系统主要由直线电机和滑台构成，由直线电机推动测试系统沿滑块运动方向作往复直线运动，可有效保证滑块在运动过程中的平稳性。同时也可提高整个系统的高速、高加速性能。测试系统主要包括试验工装、传感器安装支架及导轨转接板，其中导轨转接板作为运动精度测量的基准平面，其精度高达 5 um/4 m，可有效保证测量数据的可靠性。控制系统采用西门子 840Dsl 数控系统，用以控制电机的运动速度、加速度及起止位置等。防护系统由数控软限位、接触式限位开关以及防撞器构成，通过多重保护来提高试验台实验过程中设备的安全性。试验装置结构图如图 2 所示。
  
  

     
  
                        图 2 试验装置结构框图
 
      2 、测控系统硬件设计
 
      2．1 测试原理及硬件配置
 
      1) 测量原理
       
      滚动直线导轨副综合性能测试台由直线电机作驱动，气浮导轨为主支撑，通过滑台组件带动被测滑块沿导轨来回往复运动。同时由各传感器( 拉压力传感器、加速度传感器、振动传感器、噪声传感器、温度传感器、激光位移传感器) 及高速数据采集卡和工控机对电压信号进行数据采集及处理。其中，拉力传感器、加速度传感器、振动传感器用高速数据卡采集，传感器信号通过单端模拟量输入AI 口传输至工控机［4］。为了排除测试过程中强电对信号的干扰以保证数据的准确性，激光位移传感器采用 USB采集，噪音计和温度传感器采用 ＲS232 串口采集。最后通过测试软件对信号进行滤波及处理并将处理结果以曲线的形式显示出来，以实现导轨各项性能的实时测量及监测。其测量原理图如图 3 所示。
 
 

                         图 3 测量原理结构框图
   
      2) 硬件配置
 
     由于该试验台可针对高精度等级的导轨进行测量，则要求以高精度的传感器为测量基础。表 1 为滚动直线导轨副综合性能试验台传感器配置。

                             表 1 传感器配置

      2．2 运动控制系统方式确定
   
     该试验台的运动控制主要是针对直线电机的运动控制。其位置控制主要通过光栅尺测量系统实现闭环控制［5］。将光栅尺反馈的实际位置信号与数控系统输入的理论值进行比较，从而对直线电机的位置进行校正。其控制原理为数控系统发送指令至驱动单元控制直线电机沿导轨作直线运动，同时 NC 控制系统读取电机坐标值。当直线电机开始运动，光栅尺将脉冲信号反馈给 NC 控制单元，NC 控制单元将接收到的脉冲信号与设定的指令信号进行比较之后经驱动单元控制直线电机的运动，从而实现电机位置的闭环控制。此外，工控机通过 PCI1784U 运动控制卡对光栅尺进行脉冲计数，由公式: 实际位移 =栅距×脉冲数可得到直线电机相对于零点的实际位置。其闭环控制流程如图 4 所示。

     
                            图 4 闭环控制流程图
   
     3 、测控系统软件设计
 
     3．1 程序主要功能
 
     由于该测试软件需要对滑块运动过程中导轨的各项性能参数进行实时采集及显示，要求软件必须实现试验参数的设置、试验状态的实时监测、试验数据的采集及显示、试验数据的处理及结果保存、试验数据的查询、试验报表的输出与打印。本程序与 VB6．0 为设计平台，其程序主界面如图 5 所示。
 
     1) 监控警报功能。由于该试验装置由气浮导轨做主支撑，因此需要对气浮气压做实时监测，以防止气压低于标准值而导致主导发生损坏。

    2) 参数设置功能。该试验台可检测#35、#45、#55、#65 四种不同型号的导轨，通过参数设置对被测导轨的试验信息、导轨信息及环境参数进行保存，以便最终查询及报表输出。
  
  

    
                          图5 程序主界面

     3) 数据采集功能。通过 Timer 控件读取板卡接收到的值，采集的同时对数据进行滤波及均化处理以排除不正常的高信号或低信号，然后对数据进行存储和实时显示并绘制各个传感器的原始数据曲线。其中曲线的绘制采用iocomp 控件实现，横坐标为滑块相对于绝对零点的位置，纵坐标为传感器的数值，如图 6 所示。
  
  

     
  
                           图 6 数据采集界面
 
     4) 数据处理功能。数据采集完成后从数据库读取传感器的原始数据并对其进行计算以得到需要的结果，并绘制结果曲线。
  
     5) 数据存储功能。本程序的数据存储通过 VB 与 Access数据库的对接来实现。分别建立试验人员信息表、参数表、原始数据表、结果数据表来存储不同试验阶段的数据以方便最终的查询与打印输出。人员信息表主要用以存储试验人员的个人信息及密码，参数表主要用以存储每次试验的导轨信息及导轨重要参数等，原始数据表主要用以存储试验过程中传感器直接采集且未通过处理分析的数据以方便后期查询及输出。结果数据表用以存储针对试验数据所给出的试验结果，以便输出报表及后期查询。
 
     6) 数据查询功能。试验结束后可在数据查询界面通过试验日期或导轨型号对试验原始数据及结果数据进行查询、删除、修改等。
 
     7) 打印报表功能。试验结束后可在试验界面打印本次试验的报表，也可通过查询界面对历史数据进行打印。报表包括试验参数、试验结果、试验曲线图片。
 
     3．2 主程序流程图
 
     系统主程序流程如图 7 所示，实验开始前先设置试验参数。进入试验界面后打开板卡、USB 接口及 ＲS232 接口并开始检测气浮气压是否达到设定值，同时检测数控信号。数控系统控制电机找到零点位置后，将传感器针对当前位置初始化。当数控开始执行数控程序时给工控机发送信号，同时程序识别信号开始采集。采集完成后对原始数据进行数据处理得到最终结果。最后保存数据并打印输出，至此完成一次试验由采集到输出结果的全部过程。
 
 

      
              图7 主程序流程图
 
      4 、试验验证
 
     为验证实验台测控系统的可行性，现对国内某厂家#45 导轨运动精度进行试验检测，分 别 在 4 m/min、12 m/min、20 m/min 的速度下进行检测，其试验结果曲线
如图 8、图 9、图 10 所示。表 2 为多次试验数据对比。

                                 图8 第 1 次试验
  

      
  
                               图 9 第 2 次试验
  

      
  
                                 图 10 第 3 次试验
 
   
                          表 2 结果数据对比

    
    
     5 、结语
 
     针对滚动直线导轨副综合性能试验台对滚动直线导轨副综合性能的检测所需实现的功能问题进行了研究，并提出了试验台测控系统的设计方案。由试验结果可看出试验数据具有较高的重复性，其实验结果具有较高的可行度，从而证明该方案的可行性，可为滚动直线导轨副综合性能的研究提供较为可靠的试验基础并对相关领域的研究具有借鉴意义。