基于LABVIEW的行星滚柱丝杠综合性能试验平台上位机系统设计

张文君，夏 鲲，毛 峥

（上海理工大学电气工程系，上海 200093；2.上海理工大学创新创业学院；3.上海船舶设备研究所)

0 引言

近年来，行星滚柱丝杠在航天航空和船舶方面的应用取得了骄人的成绩，但对行星滚柱丝杠的性能的正确评估一直是限制其广泛应用的重要瓶颈，行星滚柱丝杠综合性能对其应用设备的安全起到兜底作用。对行星滚柱丝杠综合性能安全有效的检测具有重要意义。

本文设计了行星滚柱丝杠综合性能试验平台上位机系统，包括界面设计、逻辑设计和通信接口设计。该系统具备测量功能、控制功能、保存功能、数据查询功能和通信功能。以上几种功能相互独立，又互为补充。通信是数据采集和控制的基础，数据采集和控制的正确执行由通信来反映。数据保存是数据查询的前提和必要条件，数据查询可以验证数据保存是否成功。

1 行星滚柱丝杠综合性能试验系统整体设计

本文设计的上位机PC 与外部设备的连接方式主要是三种类型：①具备串口通信的传感器直接与LABVIEW 实现RS232 通信，本文中的拉压力传感器、声级计属于I 类传感器；②II 类传感器经过NI-PCI 板卡后，上位机LABVIEW 通过自带的DAQ 助手可以实现与板卡间的通信，II类传感器有圆光栅、铂电阻及其后续电路；③PLC 与上位机LABVIEW 通过TCP/IP 直接通信，通信接口为RJ45。从而系统实现PCPLC-伺服系统-执行机构的控制回路和传感器-PC的测量回路。行星滚柱丝杠综合性能试验平台整体框架如图1所示。

图1 行星滚柱丝杠综合性能试验平台整体框架

2 行星滚柱丝杠综合性能上位机系统设计

2.1 上位机系统设计框架

本文对行星滚柱丝杠综合性能测试过程中的加速度信号、速度信号、位移信号、拉压力和噪声信号进行研究后，所设计的行星滚柱丝杠综合性能上位机测试系统应具备测量功能、控制功能、保存功能、查询功能和通信功能。行星滚柱丝杠综合性能上位机系统框图如图2所示。

图2 上位机系统框图

根据以上功能的设计需求，并考虑到使用的便利性和逻辑的完整性。系统设计了一个系统启动的主界面、两个试验界面和若干小的交互界面。主界面包含了可跳转至高速试验界面、精度试验界面、历史数据查询界面、系统参数界面以及登录界面，主界面如图3 所示，高速试验界面主界面和精度试验主界面分别如图4和图5所示。

图3 系统主界面

图4 高速试验界面

图5 精度试验界面

2.2 测量功能

在行星滚柱丝杠试验台对丝杠进行测量过程中，需要对速度、加速度、温度、温位移、位移、噪声和拉压力进行实时测量，防止过大的负载对行星滚柱丝杠进行造成不可逆的损伤，同时保证人身安全和试验台的安全。高速试验测量界面包含速度、加速度、噪声和振动的波形显示，如图6 所示。精度试验包含位移时间关系图，如图7所示。

图6 高速试验测量界面

图7 精度试验测量界面

在测量功能的设计过程中，灵活的使用事件结构完成各种不同功能之间的运行，上位机LABVIEW 通过While 循环扫描事件结构，当上位机捕捉到不同的事件时，执行对应的程序，当上位机捕捉到“开始”按钮的事件时，开始采集传感器数据并进行实时显示。精度试验测量功能编程面板如图8所示。

图8 精度试验测量功能编程面板

2.3 控制功能

行星滚柱丝杠上位机系统可对伺服系统进行控制。上位机前面板输入控制参数，将其创建属性节点，将属性节点的值与通讯模块连接，通过TCP 通信将其发送至PLC，实现上位机对PLC 的控制，从而实现上位机对伺服系统的控制。行星滚柱丝杠综合性能控制程序设计如图9所示。

图9 控制功能编程面板

上面对构成控制功能的程序设计做了说明，本文所设计的上位机可以通过前面板进行速度/加速度试验的选择，并可灵活的对运行模式和润滑方式进行设置，同时速度和加速度提供手动输入，使用者只需键盘上输入欲控制参数即可。同时为了人身安全和试验台本身安全，上位机进行了软限位处理，运动位置只能在左限位和右限位之间，否则控制系统发送停机命令，整个伺服控制系统无法启动。控制功能设计界面如图10所示。

图10 控制功能界面设计

2.4 保存功能

行星滚柱丝杠综合性能测试过程中，可以实时的观察各种指标的变化情况，但是仅仅试验过程中观察是不够的，有时候需要对行星滚柱丝杠的性能数据进行溯源时，需要找做过的试验的数据，可见试验数据的保存弥足珍贵。在上位机PC 控制伺服系统运行过程中，实时采集数据，并实时保存所采集数据，存在本地缓冲区，当试验完成后，试验者可自主选择是否对试验数据进行保存。试验完成后，点击“保存”按钮即将试验和时间对应关系保存到本地的电子表格中，若不想保存，不做任何处理，下一次试验启动时，缓冲区数据自动清除。数据实时存储的编程面板如图11所示。

图11 数据实时存储编程面板

2.5 数据查询功能

对于一个完善的上位机系统，开发数据查询功能是非常必要的。本文所开发的历史数据查询系统可对前期试验的数据进行快速的查询。具体可在检索项目下拉菜单选择丝杠编号、试验日期、试验单位、试验人员等四种查询方式，四个查询字段是“与”关系，可根据一项或多项字段进行精准查询。在查询结果的候选项中，点击相应的条目，即可立即显示对应的试验数据和试验波形图。历史数据查询功能界面设计如图12所示。

图12 历史数据查询界面设计

2.6 通信功能

本文所用到的通信方式主要有三种：①串口通信，适用于含有RS232或者RS485通信协议的传感器；②PCI 板卡通信，适用于TTL 脉冲信号和模拟电流信号，分别接入NI 的脉冲板卡和模拟电流板卡；③TCP通信，适用于上位机与PLC的通信。

串口通信的方式通常是有只发不收、只收不发、边发边收、发一次后面一直读取。根据通信协议，本文选择给传感器发一次数据，读取一次传感器数值的方法进行通信。串口通讯选择顺序执行，首先选用VISA配置串口对COM口、波特率、数据位和校验位进行配置，再通过VISA 写入对传感器发送报文，执行发送后选择VISA 读取对传感器数值进行读取，最后选用VISA 关闭结束串口通信。以拉压力传感器为例，上位机与串口之间的通信如图13所示。

图13 上位机LABVIEW读取拉压力数值

NI公司的PCI板卡与LABVIEW 之间通信十分便利，在使用之前，可在NI公司的官网下载DAQ 的安装包，安装完后便可在LABVIEW 中选择DAQ 助手对通信进行配置，选择与实物对应的型号和通道，即可实现与板卡之间的通信。无论是模拟量还是脉冲量，DAQ 所输出的值与真实物理量之间存在一个倍数转换关系，只需在输出端乘以对应的系数，就可以得到传感器的数值。NI 通过PCI 板卡与上位机LABVIEW通信的程序设计如图14所示。

图14 PCI板卡与上位机通信程序设计

上位机LABVIEW 与PLC 有多种通信方式，由于上位机和PLC 都有RJ45 接口，本文选择TCP 通信方式。PLC 端完成IP 地址的正确设置以及对远程PUT/GET 进行授权，并在PLC 端软件里面创建一个DB 数据块，同时对数据块优化块的访问。上位机端则需配置以太网地址，保证与PLC 端的IP 地址在同一网段内但是IP不能完全相同，完全相同的IP会带来访问冲突的问题，从而导致不能正常建立通信连接。配置好IP后，在LABVIEW 端对通信参数进行配置，便可实现与PLC的通信，上位机与PLC之间的TCP通信LABVIEW程序设计如图15所示。

图15 上位机与PLC之间TCP通信程序设计

3 行星滚柱丝杠综合性能上位机系统检测

经检测，该系统功能强大，具有测量功能、控制功能、数据保存、数据查询和通信功能。测量功能实现了对行星滚柱丝杠综合性能测量试验中各种传感器的数据采集，速度、加速度、温度、温位移、位移、噪声和拉压力等。控制功能的开发使得只需上位机进行控制参数设定，通过通信的方式传送给PLC，便可实现伺服系统的控制。数据保存功能让试验人员可对每次试验的数据进行自主保存，且保存格式统一，无须使用者手动输入，统一化的保存方法也为查询带来便利。数据查询功能的开发让历史数据查询变得高效，本文设计的历史数据查询系统，可选择多种字段进行历史数据查询，丝杠编号、试验日期、试验单位和试验人员可任选其一进行查询。通信功能的开发让上位机对数据采集和对PLC 的控制得以实现，本系统的开发主要用到三种通信方式，串口通信、PCI 通信和TCP通信。系统设计完成后，与机械部分进行了联调。通过上位机发送控制参数，设定速度、加速度以及电机的行程完成了高速试验，测试结果如图16所示。

图16 高速试验测试界面

同时，通过上位机对起点坐标、终点坐标、运行速度和五个目标点的设置后，上位机将控制参数发送至PLC，传感器实时采集数据，完成了精度试验，测试结果如图17所示。

图17 精度试验测试界面

4 结束语

为了对行星滚柱丝杠综合性能进行测试，本文借助LABVIEW，设计了行星滚柱丝杠综合性试验平台上位机测量系统。该系统可对伺服系统进行控制，同时采集丝杠的多种性能参数，对高速试验下的速度、加速度、噪声、温度变化、温位移进行测量。可对精度试验下的位移进行测量，并完成精度计算。数据保存和数据查询为试验复现提供了便利。实验结果显示，该系统可对行星滚柱丝杠综合性能进行测试，并可对试验数据进行保存和查询，该系统推广价值很大。