基于LabVIEW的數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)測(cè)控系統(tǒng)--下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)（一）

一般網(wǎng)絡(luò)化工業(yè)測(cè)控下位機(jī)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)由兩大部分組成：一部分是系統(tǒng)基本功能單元（主要包括：進(jìn)行測(cè)量和管理的下位機(jī)測(cè)控服務(wù)器以及各種測(cè)試模塊和通用數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)部分）；另一部分是連接各基本功能單元的通信網(wǎng)絡(luò)，例如Internet /Ethernet，USB和串口RS232等總線技術(shù)。

3.1工業(yè)數(shù)據(jù)采集與儀器控制技術(shù)研究

一般的工業(yè)測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)硬件系統(tǒng)由各種傳感器、信號(hào)調(diào)理單元、電源、A/D轉(zhuǎn)換單元、下位測(cè)控機(jī)、以太網(wǎng)、上位處理機(jī)、打印機(jī)、總控臺(tái)等單元組成。信號(hào)調(diào)理單元將現(xiàn)場(chǎng)傳感器的各種物理量調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)電量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，由下位測(cè)控機(jī)進(jìn)行初步數(shù)據(jù)處理，通過(guò)以太網(wǎng)與上位處理機(jī)通訊，在上位機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、存儲(chǔ)。

硬件是虛擬儀器工作的基礎(chǔ)，主要完成被測(cè)信號(hào)的采集、傳輸、存儲(chǔ)處理和輸入/輸出設(shè)備等工作，由計(jì)算機(jī)和I/O接口設(shè)備組成。計(jì)算機(jī)一般為一臺(tái)PC機(jī)或工作站，是硬件平臺(tái)的核心，它包括微處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出設(shè)備等，用來(lái)提供實(shí)時(shí)高效的數(shù)據(jù)處理。I/O接口設(shè)備即采集調(diào)理部件，包括PC總線的數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition，DAQ）卡、GPIB總線儀器、VXI總線儀器模塊、PXI總線儀器模塊、LXI總線儀器模塊、串口總線儀器和現(xiàn)場(chǎng)總線儀器模塊等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器，主要完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)場(chǎng)智能單元就是由工業(yè)測(cè)控機(jī)及信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換模塊等所組成。

工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，主要是溫度、壓力、流量和位移信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和控制規(guī)則約束，形成控制量，再由執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生控制動(dòng)作，形成復(fù)雜閉環(huán)控制。對(duì)于這樣的測(cè)控系統(tǒng)，首先必須運(yùn)行安全可靠，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該從多方面仔細(xì)考慮。在滿足安全可靠的前提下，主要解決測(cè)量的準(zhǔn)確性。因?yàn)檎鎸?shí)、準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)才能反映出被測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)性，準(zhǔn)確的控制才有依據(jù)。測(cè)控系統(tǒng)各部分都會(huì)對(duì)準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，特別是在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，必須處理好各個(gè)細(xì)節(jié)，才能保證系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3.2下位機(jī)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一種常用的工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)，本章將研究基于LabVIEW的下位機(jī)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)的下位機(jī)測(cè)控服務(wù)器系統(tǒng)，它是數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件平臺(tái)構(gòu)成如下：

（1）前端測(cè)試對(duì)象：數(shù)控機(jī)床（Computer number control，簡(jiǎn)稱CNC）；

（2）測(cè)試儀器：電流、壓力、溫度等傳感器，機(jī)器視覺(jué)模塊和激光干涉儀；

（3）信號(hào)調(diào)理模塊：將傳感器中的信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量送到采集卡；

（4）數(shù)據(jù)采集卡：選擇阿爾泰的高速采集卡USB2850，工控機(jī)箱；

（5）總線技術(shù)：選擇用USB和串口RS232總線。

整體下位機(jī)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖如下圖3.2所示：

本文以控制和測(cè)試數(shù)控機(jī)床的一些參數(shù)，來(lái)構(gòu)建整個(gè)測(cè)試平臺(tái)。需要測(cè)試的信號(hào)：伺服電機(jī)的電流信號(hào)，機(jī)床主軸的位移，機(jī)床主軸的溫度等。電流傳感器采用電流傳感器主要測(cè)試數(shù)控機(jī)床的消耗電流，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)車間環(huán)境，由于數(shù)控機(jī)床的電源線無(wú)法改動(dòng)，因此電流傳感器選用了JT30T32（Φ26）手持式電流傳感器，主要檢測(cè)電流的頻率在25HZ-10KHZ范圍，電流量為0.1A-30A范圍，不需要電源就能實(shí)現(xiàn)被測(cè)電流的變換輸出。通過(guò)激光干涉儀對(duì)數(shù)控機(jī)床位移定位精度，對(duì)機(jī)床的位移參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。溫度傳感器檢測(cè)機(jī)床主軸的溫度，也是為了提高機(jī)床的精度，及時(shí)的對(duì)穩(wěn)定參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2.1提高數(shù)控機(jī)床定位精度的位移補(bǔ)償方法

激光干涉儀測(cè)得的位移數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線實(shí)時(shí)傳送到PC機(jī)，LabVIEW過(guò)調(diào)用C程序的方式調(diào)用激光干涉儀的底層驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)時(shí)的現(xiàn)實(shí)位移數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)采集卡的另外一路A/D來(lái)采集電流傳感器測(cè)得伺服電機(jī)的電流信號(hào)，將位移與電流的關(guān)系繪制在LabVIEW界面上，從而可以分析機(jī)床運(yùn)動(dòng)與消耗電流功率的關(guān)系，也就能推出機(jī)床工作時(shí)切削力與消耗功率的關(guān)系。對(duì)測(cè)得位移信號(hào)再繼續(xù)處理，得到目標(biāo)位移和機(jī)床定位精度誤差的曲線，從而能及時(shí)的對(duì)機(jī)床的位移參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。

激光干涉儀：可測(cè)量速度、加速度、振動(dòng)等參數(shù)，并評(píng)估機(jī)床動(dòng)態(tài)特性。測(cè)試主軸的位移采用定位精度高的的激光干涉儀，這里本文選用API公司的激光干涉儀（5D/6D標(biāo)準(zhǔn)型），它能一次安裝能夠同時(shí)測(cè)量線性軸的六個(gè)誤差，包括1個(gè)位置度誤差、2個(gè)直線度誤差、3個(gè)角度誤差。在通常情況下需要數(shù)天時(shí)間進(jìn)行的測(cè)試，使用API激光干涉儀只需幾個(gè)小時(shí)即可，應(yīng)用結(jié)果表明，節(jié)省時(shí)間可達(dá)80%.6D激光干涉儀主要由穩(wěn)頻激光器、干涉儀和6維傳感器組成，從激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)過(guò)干涉后，被6D傳感器內(nèi)的分光鏡分成三束，一束記錄精確長(zhǎng)度位移。第二束光用作直線度測(cè)量的參考光束，傳感器與參考光束之間的相對(duì)位移由裝在傳感器內(nèi)的橫向光電二級(jí)管測(cè)得。第三束光用作裝在6D傳感器內(nèi)的小型光電測(cè)角儀的參考光源，用來(lái)測(cè)量角度誤差（俯仰角和偏擺角）。為了保證激光光束的穩(wěn)定性，測(cè)量?jī)x在結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及激光器的選擇方面都做了仔細(xì)設(shè)計(jì)，以使測(cè)量?jī)x的橫向和角度漂移量都降低到最小，從而保證測(cè)量?jī)x的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。測(cè)量?jī)x配有自動(dòng)氣壓、環(huán)境溫度補(bǔ)償器，自動(dòng)校正環(huán)境變化對(duì)激光波長(zhǎng)及長(zhǎng)度測(cè)量的影響，其中多重?cái)?shù)字濾波器使由空氣波動(dòng)及溫度梯度引起的測(cè)量誤差降到最小。