基于LabVIEW的高速电主轴试验台数据采集系统设计*

□ 邬再新 □ 田旭东 □ 王振华 □ 王保民 □ 张亚军

兰州理工大学 机电工程学院 兰州 730050

基于LabVIEW的高速电主轴试验台数据采集系统设计*

□ 邬再新 □ 田旭东 □ 王振华 □ 王保民 □ 张亚军

兰州理工大学 机电工程学院 兰州 730050

设计了高速电主轴试验台的数据采集系统，采用数据采集卡、变频器、传感器、计算机来构建试验台的硬件系统，并通过PCI总线和串行总线来实现其通信。采用LabVIEW软件开发平台对试验台的软件系统进行了设计，编写了电主轴试验台的数据采集程序、电主轴启停控制程序、数据存储程序，对电主轴的转速、压力、电流信号进行实时采集。通过试验，获得了高速电主轴的电流、转矩、转速等主要参数，为高速电主轴的机电耦合特性分析提供试验依据。

高速电主轴 LabVIEW 数据采集

虚拟仪器是以计算机软件为基础，结合相关硬件而组成的，具有虚拟面板的仪器。虚拟仪器技术是将计算机软、硬件和总线技术相结合的新兴技术，它同时还包含了一些数字信号处理、数学建模等现代方法［1］。虚拟仪器在计算机的基础上通过添加相关的软件和硬件，再结合以上技术来完成各种数据采集、监测和控制等任务［2-4］。虚拟仪器同时还把一般传统仪器的功能和面板软件化，即“软件即仪器”，使之与计算机融为一体。由于虚拟仪器是以计算机为基础，所以其具有很高的智能化和强大的处理能力，还节省了很大的费用，并具有操作性强、易用灵活等特点，用户在操作过程中可以随时增加和删除相应仪器的功能，来满足各种需求和环境。

本试验台是利用基于虚拟仪器的数据采集系统来精确测量高速电主轴的电流、转矩、转速等信号［5-8］，为高速电主轴的机电耦合特性研究提供实验依据。

1 系统硬件

1.1 试验台装置

选用洛轴120MD36Z8.5型电主轴，最大转速36 000 r/min，功率5 kW，频率600 Hz，额定电压380 V，额定电流11 A。电主轴试验台如图1所示。

1.2 测试仪器与设备

系统的硬件结构如图2所示，主要由台式电脑、PCI数据采集卡、变频器、荷重传感器、变送器等部分构成。

▲图1 电主轴试验台

▲图2 系统硬件结构图

（1）数据采集卡采用阿尔泰公司的PCI-8602数据采集卡，该数据采集卡提供了32路单端/16路差分模拟输入，4路模拟输出，8路数字I/O和12 bit的数模转换精度及一个最高时基为20 MHz的16 bit定时/计数器，采样速率为1～250 000 Hz。

（2）荷重传感器是通过测量受力载体所受的载荷来完成对物体受力大小测量的传感器装置，本系统选择蚌埠传感器系统工程有限公司JHBM-500G型荷重传感器，量程为0～500 kg；BSQ-2型变送器，输出为0～20 mA，采用稳压开关电源供电，输出为直流24 V。

此系列传感器测得载荷信号后经放大、A/D转换，通过PC中的LabVIEW程序处理数据，得到图像。

（3）变频器采用SINAMICS G120系列变频器，功率模块为PM240，控制单元为CU250S-2PN，通信协议为PROFINET IO，2个模拟量输出，2个模拟量输入，用于采集电主轴的转速和电流，并控制电主轴转速。

2 软件编程

2.1 系统软件构架

基于LabVIEW的高速电主轴机电耦合特性数据采集系统采用模块化思想编程，主要有参数设定模块、数据采集模块、数据显示模块、数据分析模块、数据保存模块，系统软件构成如图3所示。

2.2 数据采集的实现

数据采集系统主要由模拟信号输入、A/D模数转换、信号处理、接口模块等组成，数据采集是通过传感器采集被测对象所输出的信号并使其转换成适于测量的物理量或电信号，再经后续电路和仪器进行传输、变换、放大、运算等使之成为易于处理和记录的信号［9-10］。采集数据时先给定初始速度，采集相应数据，数据处理后，改变电主轴转速，再一次进行数据采集。

2.3 数据采集与保存子程序

数据采集程序用LabVIEW软件直接编写。其数据采集程序、数据保存程序、电主轴启停控制程序分别如图4～图6所示。

（1）AD数据读取函数：用于读取数据采集卡采集的实际数值。

（2）标度变换：由于程序设定量程为0～10V，数据采集卡精度为16位，所以用10 000除以65 536，用所得值乘以实际采集到电压值进行电压值转换，得到实际电压值，再根据各个信号的测量范围进行变换。

（3）抽取一维数组：通过3个“虚拟通道”采集到高速电主轴的各个数字信号，为了将其分别显示在各自的波形图表中，需要将它们从组合的信号里分离出来，用抽取一维数组将元素分成若干输出组，依次输出，再进行变换，得到所需值。

图5左边的“创建以系统时间为文件名”程序:每次保存数据的文件名称以数据采集刚开始的系统时间命名，以方便查询系统每个时刻所采集到的数据；格式化字符串：使字符串、时间标识、布尔或数值数据格式化为文本；磁盘流读/写文本文件:LabVIEW中文本文件以ASCII码的格式存储测量数据，因此通用性很好，利用磁盘流读/写文本文件，不但提高了文本文件的读写速度，还可以实现随机读写，特别适合用于连续读写文件。“等待”函数:等待给定的时间长度 ，为了减少程序的CPU占用率以及控制数据采集的速度。数字I/O函数的输入：接收计算机发出的开关量信号，以对电主轴实施启停控制。

▲图3 系统软件结构图

▲图4 数据采集与显示核心程序

▲图5 数据保存核心程序

▲图6 电主轴启停控制程序

计算机通过上述数据采集、保存电主轴转速控制程序，实现对电主轴的实时变速采集，采集高速电主轴的速度、转矩、电流等信号，高速电主轴的数据采集前面板如图7所示。

▲图7 三通道采集人机界面

表1 空载时电主轴实验数据

3 实验结果及分析

空载时电主轴的部分实验数据见表1。

根据表1数据绘制电主轴空载时的电流和压力曲线，如图8～图9所示。

通过对以上数据的观察可知，其最后结果并不完全接近理想状态，即在相同的载荷下，电流随着转速的增大而增大，压力随着转速的增大而减小，其原因可能有很多种。例如:电主轴运行状态不稳定；电主轴运行受到外界环境因素的干扰；传感器等测量装置精度低，致使测量数据不够准确。

根据以上实验结果及其分析，后续工作将对电主轴试验台作进一步的改进与完善，使试验台能测出精确的数据。

▲图8 电主轴空载时的电流曲线图

▲图9 电主轴空载时的压力曲线图

4 结论

利用PCI-8602数据采集卡、西门子G120系列变频器、BSQ-2系列压力变送器和LabVIEW软件构建一款高速电主轴数据采集系统，实现了对高速电主轴3路参数的自动实时采集、分析、显示和存储。系统具有参数采集精度高、灵活性强、人机界面交互性好等特点，系统还将数据采集与数据处理相互结合，可以很方便地实现从数据采集、处理到控制的全部工作。此外系统还具有综合性价比较高、开发周期短、结构简单、应用灵活、编程方便、扩展性好等特点，能很好地应对数据采集系统的后期开发。

［1］路亚峰，陈义军，温新岐，等.虚拟仪器技术研究现状与展望［J］.国外电子测量技术，2010，29（11）：35-37.

［2］王施平，张绪坤，张进疆.基于LabVIEW的热泵干燥数据采集系统设计与试验［J］.仪表技术与传感器，2011（8）：40-42.

［3］李玉霞，孟浩然，吴庆林，等.基于LabVIEW的望远镜故障诊断与监测系统［J］.电子测量技术，2014,37（1）:84-88.

［4］张健滔，姚志远，宋小刚，等.基于虚拟仪器的直线超声电机机械特性测试［J］.振动、测试与诊断，2012，32（2）：218-222.

［5］郜垚.基于LabVIEW的高速机车车辆辅助变流装置试验台的设计［D］.北京：北京交通大学，2011.

［6］刘龙启，李银.基于LabVIEW的以太网数据监听与通信［J］.国外电子测量技术，2012,31（7）:62-69.

［7］Chen Y，Jin J X.Real-time Measurement and Control System for PMLSM Based on Virtual Instrument［C］. International Conference on Applied Superconductivity and Electromagnetic Devices，IEEE，Chengdu，2011.

［8］M Popov A,A Labutin T.Signal Recording System Based on a LabVIEW TM Virtual Instrument Using a Multichannel High Speed ADC ［J］.Measurement Techniques,2011,54（2）:213-218.

［9］朱洪波，康龙云，杨会州.基于LabVIEW 的复合能源电动汽车数据采集系统的设计［J］.测控技术，2011（8）:19-22.

［10］高明，孟建军，祁文哲，等.基于虚拟仪器的数据采集系统的设计与实现［J］.铁路计算机应用，2009，18（2）：1-3.

（编辑 小 前）

The designed data acquisition system applied to high-speed motorized spindles test station adopts data acquisition card,inverter,sensors and computer to build the hardware system of the test station and achieve their communications via the PCI bus and the serial bus.The software system of the test station is designed by introducing LabVIEW software development platform and the software system covers the data acquisition program for the test station of the motorized spindle,control program for spindle start/stop,data storage program etc.This system can collect the signals for speed,pressure,current in real time.By experiment it is available to obtain the major parameters of high-speed motorized spindle such as its current, torque,speed etc.and provide experimental evidence for analysis of electromechanical coupling features of the high speed motorized spindle.

High Speed Motorized Spindle Lab VIEW Data Acquisition

TH123

A

1000-4998（2015）10-0047-03

*国家自然科学基金资助项目（编号：51165024）

甘肃省自然科学基金资助项目（编号：1208RJZA131）

2015年4月