基于LabVIEW的机床数据采集系统设计.pdf

D e s ig n a n d R e s e a 设计与研究 基于 L a b VI E W 的机床数据采集系统设计 韩广亮 曹文智 马晓波 林剑峰 沈阳机床股份有限公 司设计研 究院实验室， 辽宁 沈阳 1 1 0 1 4 2 摘要 主要论述如何通过控制器、 L a b V I E W 及 N I 相关硬件设备搭建能够应用在数控机床行业的多功能 数据采集系统。该系统具有实现简单、 界面友好、 功能齐全、 安全可 靠等优点 。 可以广泛应用到各种 类型的数控机床上。通过数据采集及处理。 对机床各方面性能进行诊断分析。 有利于提高数控机床 的整体性能， 应用前景广阔。 关键词 虚拟仪器L a b V I E W数据采集数控机床 中图分类号 T M9 3 文献标识码 B Th e d e s i g n o f d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m o f t h e ma c h i n e t o o l s b a s e d o n L a b VI E W HAN Gu a n g l i a n g ，C AO We n z h i ，MA Xi a o b o ，L I N J i a n f e n g T h e L a b o f D e s i g n a n d R e s e a r c h C e n t e r ， S h e n y a n g Ma c h i n e T o o l C o ． ，L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2 ， C H N Abs t r a c t Th i s pa p e r d i s c u s s e s h o w t o d e s i g n mu hi f u n c t i o n da t a a c q u i s i t i o n s y s t e m wh i c h i s us e d o n CNC ma c h i n e t o o l s ba s e d o n c o n t r o l l e r ，La b VI EW a nd r e l a t e d h a r d wa r e o f NI ． Th i s s y s t e m i s s i mp l e，u s e r -f rie n d l y i n t e rfa c e，f u nc t i o na l ，s a f e a n d r e l i a b l e．I t c a n b e wi d e l y u s e d o n t y p e s o f CNC ma c h i n e t o o l s ．T h r o ug h d a t a a c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g，i t g i v e s t h e pe rfo r ma n c e o f v a rio u s a s p e c t s o f ma c h i n e d i a g n o s i s，a n d h e l ps t o i mp r o v e t he o v e r a l l p e rfo r ma n c e o f CNC ma c h i n e t o o l s ．The f u t ur e o f t h i s s y s t e m i s b rig ht a n d b r o a d． Ke y wo r d s Vi r t u a l I n s t r u me n t ；L a b VI E W ；Da t a Ac q u i s i t i o n；CNC Ma c h i n e To o l s 随着数控机床应用 的 日益广泛， 市场对数控机床 的性能 、 质量提出了更高的要求 ， 数控机床的加工精度 已经成为产品竞争的焦点和国内外市场竞争的关键所 在 。在数控机床出厂之前 ， 需要对其定位精度 、 重复定 位精度和圆度等方面性能进行 测量验证 ， 这就需要不 同类型的数据采集系统。 目前市售的数据采集系统都包含完整的软件和硬 件 ， 种类繁多， 但其价格与性能基本成正比， 一般都比 8之间的间隙以及动摩擦片 8 与定摩擦片5之间的间 1 一油缸；2 一唇型密封环；3 、5 一定摩擦片；4 一复位弹簧； 6 一连接盘 ；7 一B 轴；8 一动摩擦片；9 一配磨垫。 图2 弹簧摩擦片锁紧结构示意图 L , U I 1等 ／ 一 l l年 隙消除， 并产生摩擦力， 使 轴 7与 y轴滑板锁在一 起 ， 完成 轴在任意角度的锁紧 ； 松开时 ， 油缸 1液压 卸载 ， 复位弹簧 4压迫定摩擦片 3与动摩擦片 8脱开， 实现 B轴在任意角度锁 紧的松 开。弹簧摩擦片锁紧 机构 ， 实现 了机床在任 意位置的加工 ， 扩大 了 B轴功 能和设备工艺范 围， 真正做到完全加工。 3 结语 车铣 轴刀架上的固定角度和任意角度锁紧机 构 ， 采用两种不 同的锁紧结构 ， 具有各 自自身 的特点。 三齿盘锁紧承载能力强 ， 刚性高 ， 精度保持性好 ； 弹簧 摩擦片锁紧结构可以实现任意角度的加工。 编辑 李静 收 稿日 期 2 0 1 1 0 5 0 4 8 7 设计与研究 D e s _叼 n a n d R e se a 较昂贵。P X I 面向仪器系统的 P C I 扩展 是一种 由 N I 公司发布的坚 固的基于 P C的测量 和 自动化平 台， 它 继承了 P C I 的电气信号 ， 拥有 如 P C I b u s的极高传输 数据能力， 因此能够有高达 1 3 2 5 2 8 M b y t e ／ s 的传输 性能， 在软件上是完全兼容的， 这使它成为测量和自动 化系统 的高性 能 、 低成本 运 载平 台。其 主要 由 L a b V I E W、 控制器、 P X I 机箱、 数据采集卡及相关 的传感器 组成 ， 所选择的 P X I 机箱 高度为 3 U的四槽机箱 ， 可以 在其插槽内插入4种不同类型的数据采集卡， 只需修 改相应 的 L a b V I E W 程序就可以组成 4套不同的数 据 采集系统， 实现一机多用， 大幅度地降低了测量成本。 1 L a b V I E W 简 介 L a b V I E W 是美 国 N I 公司具有革命性 的图形化虚 拟仪器开发环境 ， 是业界领先 的测试 、 测量和控制系统 的开发工具。它内置信号采集 、 测量分析 与数据显示 功能 ， 集开发 、 调试 、 运行于一体 ， 不仅提供 了几乎所有 经典的信号处理函数和大量现代的高级信号分析工 具 ， 而且 L a b V I E w 虚拟仪 器程序 V i r t u a l I n s t r u m e n t ， 简称 V I 可以非 常容易地与各种数据 采集硬件 、 以太 网系统无缝集成 ， 与各种主流 的现场总线通信 以及与 大多数通用数据库链接 。“ 软件就是仪器” 反映 了其 虚拟仪器技术的本质特征⋯。 L a b V I E W 2 0 0 9版本 中的 N I D A Q m x是 N I 公 司为 数据采集提供的一款高效便捷 的驱动软件 ， 它除 了作 为驱动实现软硬件 的连接以外还提供 了很多方便用户 进行数据采集的功能模块 。D A Q助手就是 由 D A Q m x 提供的， 由于它是交互式配置界面， 通过简单地修改 D A Q的相关配置 ， 可以快速反复地修改应用程序 以适 应新的测试测量需求。 2系统功能设计 上面已经提过 ， 高度为 3 U的四槽 P X I 机箱配置 不同的数据采集 卡可以构成不 同类型 的数据 采集系 统。本文仅 以 N I P X I 一 6 1 2 3多功能数据采集模块 为 例， 设计针对数控机床编码器的数据采集系统。 2 ． 1 硬件实现 该数据采集 系统 主要 由控 制器 、 P X I 机箱 、 显 示 器 、 数据采集卡及放 大器等设备构成。控制器选用的 是 N I P X I 一 8 1 1 0 ， 它是一款高度为 3 U的四核嵌入式控 制器 ， 配备了 2 ． 2 6 G Hz 的 I n t e l RC o r e T M 2 Q 9 1 0 0 四核处理器， 可最高支持 4 G B 8 0 0 M H z D D R 2内存以 及高性能的7 2 0 0转硬盘驱动器， 是业内3 U P X I 系列 中性能最强劲的嵌入式控制器。P X I 机箱选用 的是 N I P X I 一1 0 3 1 ， 该机箱 是高度为 3 U 的高功率 四槽机箱 。 数据采集卡应根据采集对象编码器 的特点进行选择 。 目 前应用在数控机床上的编码器大体可以分为两种类 型 一种是输出为 5 V的方波信号； 另一种是输出为 1 V p p的正弦波信号， 分辨率一般为 1 0 2 4 ， 在对编码 器数据进行采集的时候， 每秒都需要保存大量的数据。 根据以上编码 器在数 据采集 中的特点 ， 我们选 用 N I P X I 一 6 1 2 3 S系列多功能数据采集模块。其具 有每通 道专用的模数转换器 A D C ， 可获得最强的设备处理 能力和更高的多通道精度。N I P X I - 6 1 2 3具有每通道 5 0 0 k S的采样速率 、 4个 1 ． 2 5 V到 1 0 V 的输入范 围、 2个 2 4位计数器／ 定时器和 8条硬件定时数字 I ／ O 线 ， 适用于高速、 连续的数据记录等多种应用场合。 2 ． 2 软件设计 根据 V I 结构化的特征 ， 把整个系统分为数据采集 和信号分析 ， 以友好的图形界面与用户进行交互。 2 ． 2 ． 1 数据采集 数据采集模块主要是根据用户的通道配置和定时 与触发设置从编码器 中获得数据。采集到的数据经过 一 定的处理转化为电动机 的转速 ， 最后 以直观的图形 方式呈现于用户面前 ， 数据以文本 的形式保存 到计算 机 中。数据采集 过程分为 3步 ①初始 化／ 配置计 数 卡； ②采样、 数据保存 ； ③释放计数卡。图 1 所示为数 据采集模块 的部分框 图程序。 图1 数据采集框图程序 在数据采集模块 的前面板用户可以进行通道配置 和定时与触发设置 ， 在通道配置 中可 以选择用哪块计 数器， 进行最小值、 最大值设置， 设置编码器分辨率及 每通道采样数。在定时与触发设置 中可以选择是否启 用滤波器并对滤波器脉宽进行配置 。另外在前面板还 可以对采样数据进行实时显示、 对采集到的数据进行 有选择的回放。图 2为数据采集模块 的用户界面。 2 ． 2 ． 2 信号分析 1 1 ．； ． ； z u 牛 幕1 1棚 信号分析模块从文件重载以前采集并存盘的数 据 ， 对全部数据进行时域和频域分析 ， 并显示相应的时 域图和频域图， 可以对处理过的数 据进行有选择的保 存 ， 以便 以后作进一步的分析 。 图2 数据 采集用户界 面 L a b V I E w 完全 图形化 的编程环境 和数据流 的驱 动方式使用户可以非常直观地观察到程序代码的并行 执行。该 系 统 充 分 利 用 L a b V I E W 的 多 线 程 Mu l - t i t h r e a d i n g 技术 ， 为整个 系统 中的用户 接 口、 数据 采 集 、 信号分析以及文件读写等多个操作 自动分配优先 级 ， 让它们相互独立运行 ， 避免了单线程系统中的调用 阻塞 ， 且不会 浪费 C P U时间 J 。例如 ， 用户接 口操作 被分配在一个特定的线程并被赋予较低的优先级 ， 移 动面板窗 口这样的事件不会影响数据采集等对时间要 求非常严格的操作 ， 从而保证了系统的可靠性 。 利用 L a b V I E W 的 自动错误处理功能， 将主要函数 节点的 e l r o r i n和 e r r o r o u t 端 口顺次连接 ， 可在程序运 行 中某一个函数发生错误时 自动挂起 ， 弹出错误信息 对话框， 高亮显示出错函数的图标并将出错信息依次 向后传递 ， 后续函数将不再进行任何操作 ， 直到程序最 后做 出相应的错误处理⋯。 图 3为信号分析模块 的部分框 图程序。该 V I 主 要使用了 L a b V I E W 中的 Wh i l e L o o p结构来实现整个 程序的数据读取 、 频域分析 、 存储和运行退出等功能。 m 鼹 露 J一 口 ■ 堰 日 Il i a 信号分析框图程序 3 应用示例 目前应用在机床行业 的伺服控制系统大多采用三 闭环结构 ， 其中由内向外分别为 电流环、 速度环和位置 环 图4 。为了保证最终控制效果， 在伺服控制系统 的每一环路都设有控制器 ， 其 中电流环路 和速度环路 采用 P I 控制， 而位置环路只有单独的位置环增益 。动 态响应特性是伺服控制系统最终控制效果的一项重要 性能 ， 通常以系统阶跃响应的超调量、 调整时问和稳态 误差等性能指标来评价系统性能的优劣 。 图4 控制 器结构框 图 应用上面所设计的数据采集系统中的数据采集模 块 ， 可以对数控机床上的编码器进行数据采集 ， 然后经 过信号分析模块的处理 ， 可以分别给 出伺服控制系统 的电流环路 、 速度环路和位置环路的阶跃响应曲线 ， 进 一 步还可以对其进行频域分析 ， 这样就能够得到衡量 伺服控制系统动态性能的超调量 、 调整时间和稳态误 差等量 ， 机床设计者可 以根据机床 的动态特性对伺服 控制系统的参数进行调整 ， 以达到理想的控制效果。 4 结语 本文采用 P C 、 P X I 和 L a b V I E W 多线程技术 ， 开发 了一套专门应用在数控机床行业 的多功能数据采集系 统， 该系统的最大特点是能够实现一机多用 ， 上文仅以 P X I 一 6 1 2 3 计数器为例说明了其如何实现对编码器的 数据采集过程。实践证 明， 整个系统性价比高 ， 通用性 强 ， 界面友好 ， 数据存储方便 ， 性能稳定可靠 ， 而且大大 地降低了机床的测量成本， 其应用前景比较广阔。 参考文献 [ 1 ] N a t io n a l I n s t r u m e n t s ． L a b VI E W u s e r m a n u a l[ M] ．T e x a s N a t i o n al I n s t r u me n t ， 2 0 0 3． [ 2 ] N a t i o n a l I n s t r u m e n t s ． U s i n g L a b VI E W t o e r e a t V l s [ M] ．T e x a s N a t i o n a l I n s t r u me n t ， 2 0 0 0 第一作者 韩广亮， 男， 1 9 8 4年生， 硕 士研究生， 电 气 工程 师 ， 主要研 究方 向 为机 床 电 气设 计 、 机 床调 试 、 数控机床优化与补偿等。 编辑余捷 收 稿日 期 2 0 1 0 1 2 1 6 交 章编 - i l l 1 1 2 5 如 果您想发表对 本变 的看法， 请将文 章编号填入读者意 见调查表中 的相应位置o 89