基于LabVIEW的机床数据采集系统设计

    　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竟争的关键所在。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，一般都比较昂贵。PXI面向仪器系统的PCI扩展)是一种由NI公司发布的坚固的基于PC的测量和自动化平台，它继承了PCI的电气信号，拥有如PCI bus的极高传输数据能力，因此能够有高达132一528 Mbyte/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Lab-VIEW、控制器、PXI机箱、数据采集卡及相关的传感器组成，所选择的PXI机箱高度为3U的四槽机箱，可以在其插槽内插人4种不同类型的数据采集卡，只需修改相应的LabVIEW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。

　1LabVIEW简介

 　   LabVIEW是美国NI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LabVIEW虚拟仪器程序(Virtual Instrument,简称VI)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。

　    LabVIEW 2009版本中的NI DAQmx是NI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。DAQ助手就是由DAQmx提供的，由于它是交互式配置界面，通过简单地修改DAQ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3U的四槽PXI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NI PXI-6123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、PXI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NI PXI-8110，它是一款高度为3U的四核嵌人式控制器，配备了2. 26 GHz的Intel ( R ) Core (TM ) 2 Q9100四核处理器，可最高支持4 GB 800 MHzDDR2内存以及高性能的7 200转硬盘驱动器，是业内3U PXI系列中性能最强劲的嵌人式控制器。PXI机箱选用的是NIPXI-1031，该机箱是高度为3U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:一种是输出为土SV的方波信号;另一种是输出为1 Vpp的正弦波信号，分辨率一般为1 024，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MPXI-6123 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(ADC)，可获得最强的设备处理能力和更高的多通道精度。NI PXI-6123具有每通道500 kS的采样速率、4个正负1. 25 V到正负10 V的输人范围、2个24位计数器/定时器和8条硬件定时数字UO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vi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

   　 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

  　  LabvIEW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LabVIEW的多线程(Mul-tithreading)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CPU时间。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LabVIEW的自动错误处理功能，将主要函数节点的error in和error out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VI主要使用了LabVIEW中的While Loop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。

    图3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P1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、调整时间和稳态误差等性能指标来评价系统性能的优劣。

    图4控侧器结构框图

    　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PC、PXI和LabVIEW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PXI-6123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。

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