（机械制造及其自动化专业论文）电主轴综合性能测试与评价系统的研究.pdf

摘要 摘要 超精密电主轴是超精密机床的关键技术之一。电主轴支承轴承的温升、调速 负载特性、精度保持性、振动烈度、回转误差等不仅是电主轴性能的关键要求， 也是评价机床性能的一项重要指标。目前我国电主轴国产化程度较差，电主轴的 优劣成为影响着我国高速数控机床发展的关键部件之一，生产高性能电主轴单元 已经成为国内各大专业厂家追求的目标，因此开发电主轴综合性能测试体统成为 企业亟待解决的问题。 针对北京第一机床厂数控机床电主轴产品综合性能测试与评价的实际要求， 完成电主轴前后轴承温升测量、调速负载特性实验、回转精度数据采集及数据分 析、振动烈度测量、轴向窜动测量、轴端跳动测量、动静特性实验和轴承预紧状 态测量，本文研制了一套电主轴综合性能测试系统。 该测试系统是一套基于p c 机的计算机虚拟仪器测试系统，包括软硬件两部 分。硬件包括测试试验台及其附件以及各种测试仪器设备。软件是实现各测试实 验功能的电主轴综合性能测试软件系统。该虚拟仪器测试系统硬件由n ip c i 6 2 2 1 数据采集卡和通用计算机构成。测试软件在l a b v i e w 8 5 环境下开发。 为完成电主轴动静特性实验和轴承预紧状态测量，本文提出了一种新的激振 实验方案分时快速稳态正弦扫频激振频响函数测量系统及方法。该法采用稳 态正弦激振，激振功率大能量集中，高阶模态容易被击出来；激励响应选用稳态 数据，具有较高信噪比( 高于7 5 d b ) ；具有较高频率分辨率( 由数据采集卡精度 决定) ，且整周期采样，测量结果精度高，可靠；采用对数扫频可大大缩短测振 时间。 在本文提出的电主轴综合性能测试试验台上，使用该电主轴综合性能测试软 件系统，对北京第一机床厂的电主轴c d h 5 1 2 进行了现场测量。经过实际测试操 作，该系统安装方便，测试准确，性能良好，较好满足了测试要求。 综上，在研制适用于电主轴的综合性能测试与评价试验台基础上，开展电主 轴的性能测试与分析，开发相应的测试与评价软件系统，建立电主轴的测试与评 价规范，为提高电主轴产品的综合性能、可靠性和质量提供技术支持。 关键词：电主轴测试；虚拟仪器；回转误差；激振实验；频响函数 a b s t r a c t a b s t r a c t s u p e rp r e c i s ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tt e c h n i q u eo ft h es u p e rp r e c i s e m a c h i n et 0 0 1 e l e v a t e dt e m p e r a t u r e ，s p e e dc o n t r o ll o a d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，p r e c i s i o n m a i n t e n a n c e ，l i b e r a t i o ni n t e n s i t ya n dc i r c u m g y r a t e t i o ne r r o ra r en o to n l yt h ek e y d e m a n do fm o t o r i z e ds p i n d l e sc a p a b i l i t yb u ta l s oa ni m p o r t a n ti n d e xt oe v a l u a t ei t s p e r f o r m a n c e a tp r e s e n t ，o u rn a t i o ni sp o o ra tt h el o c a l i z a t i o no fm o t o r i z e ds p i n d l e ， a n di t sp e r f o r m a n c eh a sb e c o m eo n eo ft h ek e yt a c h ew h i c ha f f e c tt h ed e v e l o p m e n to f o u rh i 曲s p e e dn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e i t st h eo b j e c tf o rt h em a j o rf a c t o r i e st o p r o d u c eh i g hp e r f o r m a n c em o t o r i z e ds p i n d l eu n i t s oi t s a nu r g e n tp r o b l e mt o d e v e l o p m e n tc o m p r e h e n s i v et e s t i n gs y s t e mf o rt h em o t o r i z e ds p i n d l e c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e so fc o m p r e h e n s i v et e s t i n ga n de v a l u a t i o no ft h e m o t o r i z e ds p i n d l eo fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n et h a tc o m e sf r o mb e i j i n gn o 1 m a c h i n et o o lp l a n t ，w ed i dt h ef o l l o w i n gj o b s ：f i n i s h e dt e s t i n gf o rt h eb e a r i n g si n f r o n ta n db a c ko ft h em o t o r i z e d s p i n d l e ，e x p e r i m e n to fs p e e dc o n t r o ll o a d i n g c h a r a c t e r i s t i c s ，c o l l e c t i o na n da n a l y s i so fd a t ao fc i r c u m g y r a t e t i o np r e c i s i o n ， l i b e r a t i o ni n t e n s i t yt e s t i n g , a x i a lf l o a tt e s t i n g ，s h 心e n dj u m p i n gt e s t i n g ，s t a t i c a n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n ta n dt e s t i n go fb e a r i n gr e t i g h t e n i n gs t a t e ，a n d w ed e v e l o p e das e to fc o m p r e h e n s i v et e s t i n gs y s t e mf o rt h em o t o r i z e ds p i n d l e t h i ss y s t e mi sap cb a s e dv i r t u a li n s t r u m e n tt e s t i n gs y s t e mt h a ti n c l u d e s2p a r t s o fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e h a r d w a r ei sc o m p r i s e db yt e s t - b e da n di t sa c c e s s o r i e sa n d v a r i e t yo fo t h e rt e s t i n gi n s t r u m e n t s s o f t w a r ei sac o m p r e h e n s i v et e s t i n gs y s t e mf o r t h em o t o r i z e ds p i n d l et or e a l i z ef u n c t i o n so ft e s t i n ga n de x p e r i m e n t i t sh a r d w a r ei f c o m p o s e db yn ip c i6 2 2 1d a t aa c q u i s i t i o nc a r da n dg e n e r a lc o m p u t e r s t h es o f t w a r e i sd e v e l o p e du n d e rt h ee n v i r o n m e n to fl a b v l e w 8 5 i no r d e rt of u l f i l lt h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c se x p e r i m e n ta n dt e s t i n go f b e a r i n gr e t i g h t e n i n gs t a t e ，h e r ew ep r o p o s e dan o v e ls h o c ke x c i t a t i o ne x p e r i m e n t p r o g r a m m e dc a l l e dr a p i dt i m e - s t e a d y - s t a t es i n u s o i d a le x c i t a t i o ns w e p tf r e q u e n c y r e s p o n s ef u n c t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e ma n dm e t h o d i nt h i sw a yw ea d o p t e ds t e a d y s t a t es i n u s o i d a l ，t h ee x c i t a t i o np o w e ri s g r e a ta n dt h ee n e r g yi sc o n c e n t r a t e d h i g h e r - o r d e rm o d e sc a nb es h o c k e do u te a s i l y ；e x c i t a t i o nr e s p o n s eu s es t a t i cd a t aa n d h a v eh i g hs n r ( m o r et h a n7 5 d b ) ；h a sm o r ef r e q u e n c yr e s o l u t i o n ( d u et op r e c i s i o no f a c q u i s i t i o nc a r d ) ，a n di ts a m p l e di naw h o l ec y c l e ，t h er e s u l ti sc r e d i b l ea n dh a sah i g h p r e c i s i o n ；w ec a l lg r e a t l ys h o r t e no u rt e s t i n gt i m ea sw eu s el o g a r i t h mt os w e e pt h e f r e q u e n c y f i n a l l yi nt h et e s t - b e dw eu s e dt h ec o m p r e h e n s i v et e s t i n gs y s t e mf o rt h e m o t o r i z e ds p i n d l et od ol o c a lt e s tt om o t o r i z e ds p i n d l ec d h 512f r o mb e i j i n gn o 1 m a c h i n et o o lp l a n t b yp r a c t i c a lt e s t i n ga n dm a n i p u l a t i o n ，w ef i n dt h i s s y s t e m i n s t a l l e de a s i l y , t e s t i n ga c c u r a t e l ya n dw i t hag o o dp e r f o r m a n c e ，a n dm e tw i t ho u r 1 1 i 北京t 业大学1 = 学硕十学位论文 t e s t i n gr e q u i r e m e n tp e r f e c t l y i no n ew o r d b a s e do nt h er e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo ft e s tb e n c hu s e di nt h e c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e t e s ta n de v a l u a t i o no fm o t o r i z e ds p i n d l e ，t h e p e r f o r m a n c et e s ta n da n a l y s i so fm o t o r i z e ds p i n d l ew e r ef i n i s h e d ，t h er e l a t e dt e s t i n g a n de v a l u a t i n gs o f h v a r es y s t e mw a sd e v e l o p e d ，t h et e s t i n ga n de v a l u a t i n gc r i t e r i o no f t h em o t o r i z e ds p i n d l ew a sc r e a t e d t h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e ，r e l i a b i l i t ya n d q u a l i t yo f t h em o t o r i z e ds p i n d l ew e r ee n h a n c e d ，a n dt h et e c h n o l o g ys u p p o r tw a sg i v e n f o rt h e m k e y w o r d s ：m o t o r i z e ds p i n d l et e s t ；v i r t u a l i n s t r u m e n t s ；r o t a t i n ge r r o r ； e x c i t a t i o ne x p e r i m e n t ；f r e q u e n c yr e s p o n s ef u n c t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 。、 签名：丛鸶日期：蔓翌2 生i 篁因；f 8 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：多忽导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 制造业是国民经济最重要的支柱产业，随着经济全球化、一体化的进程， 各国都把先进制造技术( 削t ) 的研究、开发和应用作为国家的关键技术优先 发展和支持【1 1 。 高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的 战略性产业。高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能，高速主 轴系统历来就是数控机床三大高新技术之_ _ 1 2 1 。而为了提高主轴速度和加工精 度，电主轴已成为目前制造业加工的主流，并已在国内外进行了全面而深入的 研究。 1 1 1 电主轴结构及优点 电主轴( 英文中有多种称谓e l e c t r i cs p i n d l e ， m o t o rs p i n d l e 或m o t o r i z e d s p i n d l e ) 是将机床主轴与主轴电机融为一体的高新技术产品，电主轴系统由电 主轴、驱动控制器、编码器、通讯电缆等组成。它采用无外壳电机，将带有冷 却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴的旋转部件做成一 体，主轴的变速范围完全由变频交流电机控制，使变频电机和机床主轴合二为 一【3 1 。取消了带传动和齿轮传动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现 了机床的“零传动 。 电主轴的主要特点如下： ( 1 ) 电主轴系统减少了高精密齿轮等关键零件，消除了齿轮传动误差。 ( 2 ) 减少了主轴的振动，减小了噪声，提高了主轴的回转精度。 ( 3 ) 用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调速范围宽，功率一扭矩特 性好。 ( 4 ) 机械结构简单，转动惯量小，快速响应性好，能实现很高的速度和加速 度及定角度的快速准停。 1 1 2 电主轴单元关键技术 电主轴的概念不应简单理解为只是一根主轴套筒，而应该是一套组件，包 括：定子、转子、轴承、高速变频装置、润滑装置、冷却装置等【4 】。因此电主 轴是高速轴承技术、润滑技术、冷却技术、动平衡技术、精密制造与装配技术 以及电机高速驱动等技术的综合运用。 数控机床高速电主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几个部分， 北京t 业大学t 学硕十学位论文 它影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速加 工起着关键的作用。高速高精度主轴单元系统，应该具有刚性好、回转精度高、 运转时温升小、稳定性好、功耗低、寿命长、可靠性高等优点e 5 。要满足这些， 主轴的制造及动平衡、主轴的支承( 轴承) 主轴系统的润滑和冷却、主轴系统 的刚性等是很重要的。 实现电主轴高速化精密化的关键是高速精密轴承的应用。目前在高速精密 电主轴中应用的轴承有精密滚动轴承、液体动静压轴承、气体静压轴承和磁悬 浮轴承等，但主要是精密角接触陶瓷球轴承和精密圆柱滚子轴承。角接触球轴 承不但可同时承受径向和轴向载荷，而且刚度高、高速性能好、结构简单紧凑、 品种规格繁多、便于维修更换，因而在电主轴中得到广泛的应用。目前随着陶 瓷轴承技术的发展，应用最多的电主轴轴承是混合陶瓷球轴承，这种混合轴承 通过减小离心力和陀螺力矩，来减小滚珠与沟道间的摩擦，从而获得较低的温 升及较好的高速性能。所以大幅度地延长了轴承的寿命和提升了轴承的运转极 限速度6 1 。 电主轴有两个主要的内部热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。如 果不加以控制，由此引起的热变形会严重降低机床的加工精度和轴承使用寿命， 从而导致电主轴的使用寿命缩短。 电主轴由于采用内藏式主轴结构形式，位于主轴单元体中的电机不能采用 风扇散热，因此自然散热条件较差。角接触球轴承的发热主要是滚子与滚道之 间的滚动摩擦、高速下所受陀螺力矩产生的滑动摩擦以及润滑油的粘性摩擦等 产生的。因此要减小轴承发热量，电主轴必须采用合理的、可控制的轴承润滑 方式来控制轴承的温升，以保证数控机床工艺系统的精度和稳定性。采用滚动 轴承的电主轴的润滑方式目前主要有脂润滑、油雾润滑和油气润滑等方式1 7 j 。 电主轴要获得好的性能和使用寿命，必须对电主轴各个部分进行精心设计 和制造。电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成，定子内腔带有 冲制嵌线槽。转子由转子铁芯、鼠笼和转轴三部分组成。主轴箱的尺寸精度和 位置精度也将直接影响主轴的综合精度。通常将轴承座孔直接设计在主轴箱上， 为加装电机定子，必须至少开放一端【8 】。 在数控机床中，电主轴通常采用变频调速方法。目前主要有普通变频驱动 和控制、矢量控制驱动器的驱动和控制以及直接转矩控制三种控制方式【9 】。 1 1 3 电主轴国内外发展现状 国外电主轴的研究开展较早，在该领域，瑞士、美国、德国、意大利和日 本等国处于领先地位。目前机床主轴部件业已开始专业化生产，且产品已经系 2 第l 章绪论 列化，如德国的g m n 、意大利的g a m f i o r 和o m l a t 、瑞士的i b a g 、f i s c h e r 等等。例如瑞士i b a g 公司提供几乎任何转速、扭矩、功率、尺寸的电主轴， 其电主轴最大转速可达1 4 0 0 0 0 r m i n ，直径范围3 3 - - 3 0 0 m m ，功率范围1 2 5 w 一 8 0 k w ，扭矩范围0 0 2 - - 3 0 0 n m t i o 】。 目前我国已开发生产了转速从3 0 0 0 1 2 0 0 0 0 r m i n ，最高转速到 2 4 0 0 0 r m i n ，最大扭矩达到2 0 0 n m 的加工中心电主轴，已经小批量装备国产机 床。国内钻、铣电主轴最高转速已达到8 0 0 0 0 r m i n ，并且具有自动拉刀机构， 可以实现快速换刀功能。用于内表面磨削的电主轴，转速从3 0 0 0 - - 2 4 0 0 0 0 r m i n ， 功率从0 2 k 州0 k w ，目前已经大量装备了我国全自动轴承内表面磨床，使零 件内表面磨削线速度由3 5 m s 提升到7 5 m s 。在数控机床用电主轴方面，则处 于小量开发试制阶段，还没有形成系列化、专业化和规模化生产，远远不能满 足国内市场日益增长的需要，还不具备与国外产品相抗衡的能力。高转速、高 精度数控机床和加工中心所用的电主轴，主要还是从国外进口【1 1 j 。 1 1 4 提高电主轴国产化水平 具有转速高、功率大、结构紧凑、重量轻、振动小、噪声低、响应性等诸 多优点的电主轴，是高速主轴单元的一种理想结构【1 2 】。尤其是在多轴联动、多 面体加工、并联机床、复合加工机床等诸多先进产品中，电主轴的优异特点是 其他类型主轴单元不能替代的。电主轴技术水平的高低、性能的优劣都直接决 定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着数控机床的发展速度。 如何提高电主轴国产化水平，必须重视以下几个方面的工作：加强电主轴 关键技术研究，提高自主创新能力。如加强高速、高刚度轴承研究、轴承润滑 冷却方式研究、新一代驱动技术的研究、新材料新结构的电机技术研究。 鼓励支持以专业厂家生产的高质量的电主轴取代各机床厂家自己生产的传 统主轴。功能部件的发展和其专业化生产不仅有利于缩短新产品开发和制造周 期，而且由于功能部件已占据数控机床成本相当大的比例，它的产业化也有助 增强数控机床的价格竞争优势。作为关键部件的主轴单元应进行系列化、工程 化设计与制造，不断提高主轴的转速等性能指标，使主轴单元成为一个有自主 知识产权，可供用户使用选择，能批量生产、稳定供货的优质部件。 生产高质量电主轴，离不开电主轴性能检测这一重要环节，它不仅保证合格 的产品出厂，而且有利于总结生产过程的经验不足，为改进机床的性能，后续产 品的开发完善提供重要的参考意见。但是我国目前还没有一套较为系统、完整 的电主轴综合性能测试与评价技术、规范等，基于这种状况研制适用于数控机 床产品电主轴的综合性能测试与评价试验台，开展电主轴的综合性能测试与分 北京t 业大学t 学硕i ：学位论史 析，开发相应的测试、分析与评价软件系统，建立电主轴测试与评价规范。通 过对产品进行测试评价，找出产品欠缺不足之处，对指导现场生产，革新生产 技术，提高产品的质量和性能，提高经济效益，升级完善后续产品，提高市场 竞争力有着重要的指导意义。 1 2 测试技术概述 测试包括测量和试验。测量是以确定被测物属性量值为目的的操作，测试 则是具有试验性质的测量。测量多属被动的、静态的、较孤立的记录性操作， 而测试则是主动的，涉及过程动态的、较系统盼汜录与分析的操作【”】。测试技 术主要包括传感器技术、信号处理技术和仪器仪表技术三个方面，它是综合运 用多学科原理和技术直接为各专业学科服务的一门技术学科。各专业学科的发 展不断地向测试技术提出新的要求，推动测试技术的发展。同时测试技术也在 迅速吸取各学科的新成就中得到发展。 传统的测试仪器技术的发展大体经历了模拟仪器、数字化仪器两个阶段。 模拟仪器主要应用于2 0 世纪5 0 年代以前，这类仪器大都是电磁机械式，主要 借助指针来显示测量结果。如指针式万用表、晶体管电压表等。2 0 世纪5 0 年 代以后，随着数字技术和微计算机的引入，电测仪器逐渐由模拟式演化为数字 式。1 9 7 4 年前后，电压、电流波形等时间间隔采样技术开始了数字电子技术在 测试仪器领域中的应用，推进了测试技术的发展。其特点是将模拟信号转化为 数字信号来测量，测量结果以数字方式输出。如数字式万用表、数字式频率计 箜 1 4 j 寸 o 2 0 世纪7 0 年代以来，随着微电子技术和微计算机技术的迅速发展，大规 模集成电路技术使计算机能置入测试仪器的内部，使仪器具有了控制、存储、 运算、逻辑判断及自动操作等智能特征，并在测量的准确度、灵敏度、可靠性、 自动化程度、运算能力及解决测量技术问题的深度和广度等方面均有很大进步。 这类仪器内置有微处理器，既能进行自动测试、又能处理数据，可部分取代人 脑劳动，所以被称为智能化仪器。人们习惯把具有自动化、智能化、可编程化 等功能的测试系统称为现代测试系纠1 5 】。 现代测控系统的基本结构从硬件平台结构来看可分为以下两种基本类型。 ( 1 ) 以单片机( 或专用芯片) 为核心组成的单机系统。其特点是易做成便携式， 结构框图如图1 1 所示。 图1 1 中输入通道中待测的电量、非电量信号经过传感器及调理电路，输 入到a d 转换器。由a d 转换器将其转换为数字信号，再送入c p u 系统进行 分析处理。此外输入通道中通常还会包含电平信号和开关量，它们经相应的接 4 第1 章绪论 三 竺卜 接口电路卜_ 一 开关量叫 ；篡习瓣嚣慷非电量一 调理电路 l l 换器 扩展程序l i 扩展数据 存储器l l 存储器 c p u 阿黧 j i 吁卜皇- 打磊羞 i i 鬲酊一，模拟量输出 输入电路 i 燃i 输出电路 图1 - 1 现代测控系统单机结构框图 f i g u r el 一1m o d e ms u m d - a l o n em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m 口电路( 通常包括电平转换、隔离等功能单元) 送入c p u 系统。 输出通道包括如i e e e4 8 8 ，r s 2 3 2 等通信接口，以及d a 转换器等。其 中d a 转换器将c p u 系统发出的数字信号转换为模拟信号，用于外部设备的 控制。 c p u 系统包含输入键盘和输出显示、打印机接口等，一般较复杂的系统还 需要扩展程序存储器和数据存储器。当系统较小时，最好选用带有程序、数据 存储器的c p u ，甚至带有a d 转换器和d a 转换器的芯片以便简化硬件系统 设计。 ( 2 ) 以个人计算机为核心的应用扩展测量仪器( 简称p c i ) 构建的测试系统， 其结构框图如图1 2 所示。 电平 开关量 电量 非电量 总线 一数据处理j 二麴塑归 二巫通亘 画蔓匦回 局域网或因特i 引 图l - 2 应用扩展型测量仪器结构框图 f i g u r e1 - 2a p p l i c a t i o no ft h ee x t e n d e df r a m es t r u c t u r em e a s u r i n gi n s t r u m e n t sb l o c kd i a g r a m 这种结构属于虚拟仪器的结构形式，它充分利用了计算机的软、硬件技术， 用不同的测量仪器和不同的应用软件就可以实现不同的测量功能【1 6 】。 现代测试系统主要有三大类：智能仪器、自动测试系统和虚拟仪器。智能 仪器和自动测试系统的区别在于它们所用的微机是否与仪器测量部分融合在一 起，也即是采用专门设计的微处理器、存储器、接口芯片组成的系统( 智能仪器) ， 还是用p c 配以一定的硬件及仪器测量部分组合而成的系统( 自动测试系统) 。 5 北京工业大学工学硕十学位论文 前两者对于传统测试仪器的三大功能模块信号采集与控制、信号分析与处 理、结果的表达与输出，只能由厂家来定义、制造，其仪器只能面对固定对象， 完成确定的测试任务，因此设计复杂、灵活性差，没有摆脱独立使用手工操作 的模式，难以胜任复杂的多参数、多任务的测量要求。而虚拟仪器与前二者的 最大区别在于它将测试仪器软件化成模块化，这些软件化和模块化的仪器具有 特定的功能( 如滤波器、频谱仪) 与计算机结合构成了虚拟仪器。使现代测试系 统不再仅具有单一的测试功能，通过软件设计本文可以将多种测试分析功能集 于一体，只需要跟不同的传感器相连接就可以实现相应的测试功能。实现复杂 的、多参数、多任务的测量要求e 0 7 1 。 1 - 3 虚拟仪器技术现状 1 3 1 虚拟仪器概述 美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 于1 9 8 6 年首先提出基于计算机 技术的虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s 简称v 1 ) 的概念，把虚拟测试技术带入 新的发展时期，随后研制和推出了基于多种总线系统的虚拟仪器。虚拟仪器是 在以计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义的、具有虚拟仪器面板的、 测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统【1 8 】。“软件就是仪器”是虚拟 仪器概念最简单，也是最本质的表述。虚拟仪器是对传统仪器的重大突破，是 计算机系统与仪器系统相结合的产物，代表着以传统硬件为主的测量系统到以 软件为主的测量系统的根本性转变。自从美国国家仪器公司提出虚拟仪器的概 念至今，虚拟仪器立即以其区别于传统仪器的显著优点( 见表1 1 ) ，得到了广 泛的应用和迅速的发展【1 9 】。它彻底打破了传统仪器由厂家设计，用户无法改变 表1 - 1 虚拟仪器区别于传统仪器的显著优点 t a b l e1 - 1v i r t u a li n s t r u m e n tf r o mt h et r a d i t i o n a la d v a n t a g e so fas i g n i f i c a n te q u i p m e n t 虚拟仪器传统仪器 开放性、灵活，可与计算机技术保持同步发展封闭性、仪器问相互配合较差 关键是软件，系统性能升级方便，通过网络下载关键是硬件，升级成本较高，且升级必 升级程序既可须上门服务 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器间一般无法相互利用 用户可定义仪器功能只有厂家能定义仪器功能 可以与网络及周边设备方便连接功能单一，只能连接有限的独立设备 开发与维护费用降至最低开发与维护开销高 技术更新周期短( 1 - 2 年) 技术更新周期长( 5 1 0 年) 6 第1 章绪论 的模式，使用户可以根据自己的应用需求，设计自己的仪器系统。 1 3 2 虚拟仪器的构成 虚拟仪器是计算机化仪器，由计算机、信号测量硬件模块和应用软件三大 部分组成。虚拟仪器中硬件的主要功能是获取真实世界中的被测信号，而软件 的作用是控制实现数据采集、分析、处理、显示等功能，并将其集成为仪器操 作与运行的命令环境，其系统构成框图如图1 3 所示【2 0 】。 1 3 2 1 硬件功能模块根据虚拟仪器所采用的信号测量硬件模块的不同， 虚拟仪器可以分为下面几类： ( 1 ) c d a q 数据采集卡通常利用计算机扩展槽和外部接口，将信号测量 硬件设计为计算机插卡或外部设备，直接插接在计算机上，再配上相应的应用 软件，组成计算机虚拟仪器测试系统。这是目前应用得最为广泛的一种计算机 叫信弓调理密_ h 数据、图像采集卜 叫g p i b 接口仪器圹g p i b 接口卡卜 一 串型接口仪器p l c 被 计算机( 装 测 t l 坚i 仪器一j 有虚拟仪器 对 象 开发软件) ip x i 仪器卜 厂翼百讦算机硬件板卡l 现场总线( f i e l dc a n b u s ) 设备 图1 - 3 虚拟仪器系统构成框图 f i g u r e1 - 3c o n s t i t u t eav i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e mb l o c kd i a g r a m 虚拟仪器组成形式。按计算机总线的类型和接口形式，这类卡可分为i s a 卡， e i s a 卡，v e s a 卡，p c i 卡，p c m c i a 卡，并口卡、串口卡和u s b 口卡等。 按板卡的功能则可以分为a d 卡，d a 卡，数字i o 卡，信号调理卡，图像采 集卡，运动控制卡等。 ( 2 ) g p i b 总线仪器g p i b ( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 是测量仪器与计 算机通信的一个标准。通过g p i b 接口总线，可以把具备g p i b 总线接口的测 量仪器与计算机连接起来，组成计算机虚拟仪器测试系统。g p i b 总线接口有 2 4 线( i e e e4 8 8 标准) 和2 5 线( i e c6 2 5 标准) 两种形式，其中以i e e e4 8 8 的2 4 线g p i b 总线接口应用最多。 g p i b 总线测试仪器通过g p i b 接口和g p i b 电缆与计算机相连，形成计算 7 北京t 业大学t 学硕卜学位论文 机测试仪器，如图9 7 所示。与d a q 卡不同，g p i b 仪器是独立的设备，能单 独使用。g p i b 设备可以串接在一起使用，但系统中g p i b 电缆的总长度不应超 过2 0 m ，过长的传输距离会使信噪比下降，对数据的传输质量有影响。 ( 3 ) v x i 总线模块v x i 总线模块是另一种新型的基于板卡式相对独立的 模块化仪器。从物理结构看，一个v x i 总线系统由一个能为嵌入模块提供安装 环境与背板连接的主机箱和插接的v x i 板卡组成。与g p i b 仪器一样，该总线 模块需要通过v x i 总线的硬件接口才能与计算机相连。 ( 4 ) r s 。2 3 2 串行接口仪器很多仪器带有r s 2 3 2 串行接口，通过连接电 缆将仪器与计算机相连就可以构成计算机虚拟仪器测试系统，实现用计算机对 仪器进行控制。 ( 5 ) 现场总线模块现场总线仪器是一种用于恶劣环境条件下的、抗干扰 能力很强的总线仪器模块。与上述的其他硬件功能模块相类似，在计算机中安 装了现场总线接口卡后，通过现场总线专用连接电缆，就可以构成计算机虚拟 仪器测试系统，实现用计算机对现场总线仪器进行控制【2 。 1 3 2 2 驱动程序任何一种硬件功能模块，要与计算机进行通信，都需要 在计算机中安装该硬件功能模块的驱动程序( 就如同在计算机中安装声卡、显示 卡和网卡一样) ，仪器硬件驱动程序使用户不必了解详细的硬件控制原理和了解 g p i b 、v x i 、d a q 、r s 2 3 2 等通信协议就可以实现对特定仪器硬件的使用、 控制与通信。驱动程序通常由硬件功能模块的生产商提供随硬件功能模块一起 提供。 1 3 2 3 应用软件“软件即仪器 ，应用软件是虚拟仪器的核心。一般虚拟 仪器硬件功能模块生产商会提供虚拟示波器、数字万用表、逻辑分析仪等常用 虚拟仪器应用程序。对用户的特殊应用需求，则可以利用l a b v l e w 、a g i l e n t v e e 等虚拟仪器开发软件平台来开发【2 2 1 。 1 3 2 4 虚拟仪器典型单元模块虚拟仪器的核心是软件，其软件模块主要 由硬件板卡驱动、信号分析和仪器表头显示三类软件模块组成。 硬件板卡驱动模块通常由硬件板卡制造商提供，直接在其提供的d l l 或 a c t i v e x 基础上开发就可以了。目前p c d a q 数据采集卡、g p i b 总线仪器卡、 r s 2 3 2 串行接口仪器卡、f i e l d b u s 现场总线模块卡等许多仪器板卡的驱动程序 接口都已标准化，为减小因硬件设备驱动程序不兼容而带来的问题，国际上成 立了可互换虚拟仪器驱动程序设计协会( i n t e r c h a n g e a b l ev i r t u a li n s t r u m e n t ) ，并 制订了相应软件接口标准。 信号分析模块的功能主要是完成各种数学运算，在工程测试中常用的信号 分析模块包括：信号的时域波形分析和参数计算；信号的相关分析；信号的概 8 第l 章绪论 率密度分析；信号的频谱分析；传递函数分析；信号滤波分析；三维谱阵分析。 目前，l a b v i e w 、m a t l a b 等软件包中都提供了这些信号处理模块。 1 3 3 虚拟仪器开发系统 “软件就是仪器，当虚拟仪器的硬件平台建立起来以后，设计、开发、研 究虚拟仪器的主要任务就是编制应用程序。一个好的虚拟仪器开发应用软件将 起到事半功倍的作用。目前，虚拟仪器的软件开发工具主要包括两类：文本式 的编程语言如v i s u a l c + + 、v i s u a l b + + 、l a b w i l l d o w 北v i 等，图形化编程语言 如l a b v i e w 、h p v e e 等。 v i s u a lc + + 、v i s u a lb + + 语言都是面向对象的语言，能够开发出界面漂亮、 功能强大的虚拟仪器，但对开发人员的计算机水平的要求较高。l a b v l e w 、l a b w i n d o w s c v i 、h p v e e 是专用的虚拟仪器开发软件，从用户的角度出发，不 仅内含各种仪器驱动程序，而且提供大量的实现数据处理的函数集和用户界面 编程工具集。其中美国n i 公司推出的l a b v i e w 、l a b w i n d o w s ( i 语言是应 用最为广泛的虚拟仪器编程语言。 l a b v i e w ( 1 a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是实验室虚 拟仪器集成环境的简称，是一个开放型的开发环境，使用图标代替文本代码创 建应用程序，拥有大量与其它应用程序通信的库。作为基于数据流的编译 型图形编程环境，它把语言编程简化成用简单或图标提示的方法选择功能( 图 形) ，并用线条把各种图形连接起来的简单图形编程方式，使得不熟悉编程的工 程技术人员都可以按照测试要求和任务快速“画 出自己的程序，“画 出仪器 面板，减轻科研和工程技术人员的工作量，提高工作效率。l a b v i e w 主要用于 开发数据检测、数据测量采集系统、工业自动控制系统和数据分析系统等领域， 是虚拟仪器系统的主要开发工具之一。l a b v i e w 几乎可以调用任何语言( 如 v i s u a lc + + 、c + + 等) 编写生成的动态链接库，从而完成一些特殊的功能【2 3 】。 l a b 、矾n d o w s c v i 是n i 公司推出的面向仪器与测控过程的c 、c + + 交互式 开发，在w i n d o w s 环境下的标准a n s i c 开发环境。该平台不仅提供了对虚拟 仪器的支持，还具有各种测试、通信、控制和数值分析的能力，具有图形建模 简单、控制功能强大、实时性强、编程容易等优点。l a b w i n d o w s c v i 在c 语 言的基础上综合了标准化软件开发平台和图形化软件开发平台的优点，为熟悉 c 语言的开发人员提供了一个功能强大的软件开发环境，常常用于组建大型测 试系统或复杂的虚拟仪器。 1 3 4 虚拟仪器的应用 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，且功能灵活， 9 北京工业大学丁学硕十学位论文 很容易构建，所以应用面极为广泛。尤其在科研、开发、测量、检测、计量、 测控等领域更是不可多得的好工具。虚拟仪器技术先进，十分符合国际上流行 的“硬件软件化”的发展趋势，因而常被称作“软件仪器。它功能强大，可实 现示波器、逻辑分析仪、频谱仪、信号发生器等多种普通仪器的全部功能，配 以专用探头和软件还可检测特定系统的参数；它操作灵活，完全图形化界面， 风格简约，符合传统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程； 它集成方便，不但可以和高速数据采集设备构成自动测量系统，而且可以和控 制设备构成自动控制系统。 在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压 电流表是科研机关、企业研发实验室、大专院所的必备测量设备。随着计算机 技术在测绘系统中的广泛应用，传统的测量仪器设备由于缺乏相应的计算机接 口，因而配合数据采集及数据处理十分困难。而且，传统仪器体积相对庞大， 进行多种数据测量时很不方便。经常会见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷乱 的仪器，交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚拟测量系统中，所见到 的却是整洁的桌面，条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来， 而且还可实现自动测量、自动记录、自动数据处理。其方便之极固不必多言， 而设备成本的大幅降低却不可不提。一套完整的实验