基于NI PXIe的轴承试验机集中测控系统

王媛媛，郭亮，刘文胜，候军

(1.洛阳LYC轴承有限公司，河南 洛阳 471039；2.航空精密轴承国家重点实验室，河南 洛阳 471039)

新研制开发的轴承，其性能好坏,是否满足实际工况需求,使用寿命如何，均需要通过各项性能、寿命试验进行标定。对于某特殊使用场合的轴承产品，由于轴承类型多、直径范围大、实际加载方式不同等因素，需采用不同试验机模拟其实际工况，因此，基于NI PXIe设计测控系统，以对3台不同的试验机进行集中测量控制。

1 轴承试验机的组成

试验机主要包括机械系统、润滑系统、液压加载系统、电气控制系统和测量控制系统等。虽然每台试验机的加载范围及试验轴承的尺寸不尽相同，但其机械结构和电气控制系统基本一致。

1.1 机械系统

试验机机械系统由主轴系统、安装平台、轴向和径向加载装置、驱动系统等组成。测控系统通过通信控制变频器的频率，再由变频器驱动主轴电动机以3 000～26 000 r/min的转速运行。轴系的一端装有转速传感器用以采集主轴实际转速，测控系统的显示界面可以随时设定主轴的转速，可实时显示转速和主轴电动机的工作电流值，如果电流值有异常波动，在显示界面能及时弹出报警画面。

1.2 润滑系统

试验机的润滑系统主要由润滑电动机和润滑回油电动机组成，向试验轴承及陪试轴承提供设定的油量，并及时将壳体中的润滑油抽回润滑油箱。电气控制柜面板上的智能仪表经RS485通信实时显示压力、流量传感器测量所得各支路流量和压力的实时值，以便试验人员远程监控润滑油的流量和压力是否正常，并及时对各支路上的润滑油流量进行手动调节。

1.3 液压加载系统

试验机的加载系统主要由油泵、电液比例阀和油缸组成，试验时按载荷谱向试验轴承施加轴向和径向载荷。LabVIEW程序控制NI PXIe-6704电流输出模块输出4～20 mA的电流信号，经比例放大板进行功率放大后驱动比例阀运动，控制调节油缸的运动速度及加载力，实现快速平稳地加载。

2 PXIe测控系统

NI PXIe测控系统由机箱、控制器、外围I/O模块3个基本部分组成。根据实际工况，基于PXIe的模块化结构同时控制3台试验机。其中一台试验机的转速要求高达26 000 r/min，使用高性能的变频器驱动电主轴实现；其余2台试验机的转速要求不高，使用主轴伺服驱动器控制主轴伺服电动机完成。由于每台试验机上试验轴承的数量不同，所以安装的传感器也不同，测控系统如图1所示。

图1 测控系统简图Fig.2 Diagram of measurement and control system

2.1 控制器

选用NI PXIe-8133作为嵌入式控制器，其配有双核处理器，可将各个任务分为多个线程执行，从而提高系统的整体性能，是模块化仪器和数据采集的理想选择。

系统具体配置为：1.73 GHz双核Intel Core i7-820M处理器，8 GB/s系统带宽和2 GB/s每插槽带宽的高带宽PXIe控制器；2 GB(双通道1 333 MHz)的DDR3 RAM，最大为8 GB；2个10/100/1 000 BASE-TX(千兆)以太网卡；4组高速USB，以及ExpressCard/34，GPIB，串口等接口。

2.2 数据采集卡

由于整个系统包含3台试验机，需对每台试验机上试验轴承和陪试轴承的温度、压力、振动等信号进行采集或监控，采集通道较多,考虑方便后期的检修维护，故选用3块 NI PXIe-6363 数据采集卡进行数据采集。

PXIe-6363具有32路模拟输入通道，4路模拟输出及4路32位计时器/定时器，针对PWM、编码器、频率、事件计数，并板载NI-STC3定时和同步技术以提供高级计时功能。

2.3 电流输出模块

3台试验机上合计8个液压比例阀，比例阀的放大板接收4～20 mA的电流信号。针对实际应用需求并储备一定余量，选用NI PXIe-6704控制所有的比例阀，其电流输出模块的功能为：16路电流输出，16位分辨率，0.1～20 mA范围用户定义上电状态，8条(5V TTL/CMOS)数字I/O线。

2.4 串行通信模块

系统采用RS485通信方式控制3台试验机的主轴转速,并读取主轴电动机的电流值；与仪表通信,在界面上显示润滑油的流量和压力；与PLC通信,读取主轴实时转速值及各种报警信息。故选用NI PXIe-8431/16通信模块，其采用标准的RS485通信协议，包含2个8端口分支电缆，可选用4线或2线收发器模式，适用于全双工和半双工通信。

2.5 机箱

由于测控系统中的板卡较多，故选用9槽的NI PXIe-107机箱。NI PXIe-1078还可将PCI Express连接集成至各个插槽的背板，可满足各种测试和测量应用的需求，其每个插槽中都可连接PXI Express模块，最多有5个插槽支持可兼容标准PXI混合总线的模块。另外，机箱还纳入了内置定时与同步特性，包括10，100 MHz参考时钟以及PXI触发总线。控制器、数据采集卡、电流输出模块、串行通信模块安装在机箱中构成的测控系统，如图2所示。

图2 测控系统Fig.2 Measurement and control system

3 测控软件设计

3.1 设计原则

计算机操作系统选用Windows 7，测控系统软件开发工具选用NI开发者套件，包含：NI LabVIEW专业开发系统，NI Measurement Studio，LabWindows/CVI，NI LabVIEW SignalExpress，所有NI仪器驱动程序以及完整的NI LabVIEW和NI LabWindows/CVI附加工具。应用软件采用结构化设计，模块化编程，具有较强的可读性和可移植性。遵循软件工程化方法。

3.2 设计要求

测控系统软件主要功能是完成对产品试验数据的测量、采集、记录。此外，系统软件应具有使用方便、操作灵活的人机交互界面，便于技术人员操作使用。设计要求系统测控软件的功能完善、可维护性和可扩展性好，运行安全、可靠，并具备故障报警功能。

3.3 软件系统结构

为实现系统测控软件与硬件的正常数据传输，测控系统的软件体系结构如图3所示。

图3 测控系统软件体系结构图Fig.3 Software architecture diagram of measurement and control system

其数据传输原理为：首先，数据采集控制分系统在驱动程序控制下对系统各设备信号进行数据采集，并将数据存放在驱动程序的缓冲区中；然后，经过I/O接口软件中的接口函数将数据传输到上层应用软件的数据缓冲区，以便对数据进行处理；同时，根据采集的数据结果由计算机CPU形成控制指令，通过I/O接口输出，以实现对系统各设备的控制。

I/O接口软件是底层软件，一般采用动态连接库，可以根据具体需要编写适当程序，为测控软件与驱动程序之间提供信息传递，实现系统测控软件与硬件的联调。

3.4 程序运行流程

在进入测控程序时，测试仪器必须首先通过自检以保证测试系统的安全性。测控程序具体流程如图4所示。

图4 测控系统软件流程图Fig.4 Software flowchart of measurement and control system

3.5 试验机界面显示

试验机界面如图5所示，其采用选项卡控件实现，可方便地在3台试验机界面之间切换，同时也对试验数据进行了很好的归类。每台试验机的数据也通过选项卡控件分布在不同画面中，包括首页(参数设置)、试验轴承数据显示、陪试轴承数据显示、振动曲线显示和报警显示等界面。

图5 轴承试验机显示界面Fig.5 Display interface of bearing tester

4 电控系统

电控系统中的伺服控制器由测控系统经RS485通信接收运行频率指令，驱动伺服电动机按不同的频率运转。电控系统还控制润滑、回油和液压电机的启动与停止。电控系统的面板上包含电压表、电流表、温控表、流量表、压力表，用以显示各项参数。

5 结束语

基于NI PXIe测控系统同时对3台试验机进行集中测量控制，很好地完成轴承类型多、直径范围大、载荷区间大、试验时间紧迫的任务。相对于以前的每台试验机配置一套测控系统来说，集中控制的试验机运转时只需一位轴承试验人员即可完成对3台试验机的监控，降低了成本、节约了人力物力。该测控系统投入使用后，已完成了近30个轴承型号的寿命试验和极限试验，为轴承的设计与改型提供了试验数据。