虛擬攝譜儀的機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)

1 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1測控系統(tǒng)性能要求

改造后的系統(tǒng),應(yīng)具有以下功能:被試件的輸入、輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速測量;溫升測量;振動(dòng)測量;給被試件施加的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的控制。可以進(jìn)行加速、減速性能試驗(yàn),加載、卸載性能試驗(yàn),正常運(yùn)行性能測試和疲勞試驗(yàn)等。在測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,得出轉(zhuǎn)矩-效率曲線;轉(zhuǎn)矩-溫升曲線,疲勞性能曲線等。并對測試結(jié)果進(jìn)行顯示、存儲、打印等。

1.2測控系統(tǒng)方案制定

在原系統(tǒng)中,轉(zhuǎn)矩儀的作用是采集和處理數(shù)據(jù),在改造中,所有傳感器信號采集的任務(wù)將由數(shù)據(jù)采集卡完成,數(shù)據(jù)處理的工作由軟件完成,去掉中間環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)矩儀,扭矩傳感器的輸出信號直接進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡,用軟件求出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速,進(jìn)一步得出被試件的效率;溫度傳感器、振動(dòng)傳感器的信號經(jīng)調(diào)理后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡。

該系統(tǒng)輸入信號,每個(gè)轉(zhuǎn)矩傳感器輸出信號為兩路正弦波,共有4路信號,為了保證測量精度,該信號需要較高的采樣頻率。要測量試件的溫度和室溫,有兩路輸入信號,振動(dòng)傳感器有1路輸入信號,轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制需要兩路輸出。因此選用NI公司生產(chǎn)的PCI—6024E數(shù)據(jù)采集卡,該卡有16路12位單端模擬輸入,2路12位模擬輸出;8路數(shù)字I/O口;兩路24位定時(shí)器與計(jì)數(shù)器為一體。該采集卡溫漂小、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng);測量結(jié)果精確;該采集卡的端口和采樣頻率都能滿足試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)的要求,而且還有一定的后續(xù)開發(fā)潛力。

1.3測控系統(tǒng)組成

系統(tǒng)硬件由主控計(jì)算機(jī)、JC轉(zhuǎn)矩傳感器、溫度測量元件、振動(dòng)測量元件、扭矩轉(zhuǎn)速控制電路。

2 測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用NI的Labview軟件作為開發(fā)平臺,該軟件數(shù)據(jù)采集和處理能力強(qiáng),可以能降低測控系統(tǒng)程序開發(fā)的難度,縮短開發(fā)周期,提高測控系統(tǒng)的可靠性。

該測控系統(tǒng)的主要功能:①采集試驗(yàn)臺各個(gè)參數(shù);②試驗(yàn)臺轉(zhuǎn)速扭矩控制模塊;③報(bào)警模塊;④數(shù)據(jù)存儲、報(bào)表生成、曲線繪制、打印輸出。對于這樣一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)的測控系統(tǒng),在軟件開發(fā)過程中充分利用LabVIEW圖形化的特點(diǎn),將應(yīng)用程序劃分為:參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、控制模塊、報(bào)警模塊、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理等模塊。

2.1開機(jī)動(dòng)畫模塊

為了提供一個(gè)友好美觀的界面,程序中使用了ActiveX技術(shù),將一個(gè)Shockwave Flash時(shí)鐘動(dòng)畫文件加載在主程序界面中。

2.2參數(shù)設(shè)置模塊

試驗(yàn)前,操作人員應(yīng)先點(diǎn)擊主界面菜單欄的“配置”,在彈出的初始參數(shù)設(shè)置面板中輸入相關(guān)信息,如:試驗(yàn)名稱、試驗(yàn)人員、被試件的型號、測量參數(shù)的報(bào)警限制等,這參數(shù)在生成報(bào)表時(shí)將會(huì)用到。

2.3數(shù)據(jù)采集模塊

本模塊主要完成對轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、油溫、振動(dòng)參數(shù)的測量。以下主要對轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號的采集與處理進(jìn)行介紹。

由于原測控系統(tǒng)中采用了轉(zhuǎn)矩儀對信號進(jìn)行采集和處理,轉(zhuǎn)矩儀將處理后的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速信號通過串行口傳給上位機(jī)。在系統(tǒng)改造時(shí),必須考慮轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理和轉(zhuǎn)矩信號的特征,才能夠進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。

該傳感器的測量原理如下,在彈性軸兩端安裝一對齒輪,齒數(shù)為z,齒距為l。在齒輪的外緣處將兩個(gè)感應(yīng)線圈固定在機(jī)架上,當(dāng)齒輪隨著彈性軸以轉(zhuǎn)數(shù)n轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),齒輪的齒頂及齒谷交替周期性的掃過感應(yīng)線圈,使磁阻發(fā)生交替變化,在感應(yīng)線圈上產(chǎn)生正弦信號,信號角頻率ω0=πnz/30。由于兩齒輪的齒數(shù)、模數(shù)相同,因此兩路交流信號周期相同。當(dāng)給彈性扭軸施加轉(zhuǎn)矩時(shí),軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形,使兩組正弦信號之間的相位差發(fā)生變化。在彈性變形范圍內(nèi),軸在轉(zhuǎn)矩T的作用下,扭轉(zhuǎn)角<=lGJnT。其中,Jn為斷面的極慣性矩,G為材料的剪切彈性模型?？梢钥闯?彈性軸的轉(zhuǎn)矩角只與轉(zhuǎn)矩有關(guān),測出相位差即可計(jì)算出轉(zhuǎn)矩,其測量方法通常有3種。

(1)相關(guān)法:從理論上知道,采用數(shù)字相關(guān)法可以有效地抑制噪聲干擾;但該方法適合于標(biāo)準(zhǔn)的正弦信號或余弦信號,對一般周期信號無法測量。

(2)FFT譜分析法:可以對任意周期信號進(jìn)行處理,可以消除噪聲的影響;但是FFT必須知道基波頻率,并要求較多的采樣數(shù)據(jù)。

(3)用“Extract Single T one Information”函數(shù)法:由于LabVIEW對該函數(shù)進(jìn)行了加密,無法得知其數(shù)據(jù)處理的原理。但是大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該方法數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、精度均是最好的,故采用該法測量相位差。

2.4控制模塊

傳動(dòng)機(jī)械試驗(yàn)臺的加載設(shè)備的發(fā)電機(jī),因此轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制也就是對發(fā)電機(jī)的控制。試驗(yàn)臺上發(fā)電機(jī)為并勵(lì)電機(jī),由公式T=CT

2.5報(bào)警模塊

報(bào)警模塊主要用于防止事故發(fā)生。試驗(yàn)過程中的報(bào)警參數(shù)有輸入轉(zhuǎn)速、輸入轉(zhuǎn)矩、輸出轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)矩、機(jī)油溫度等,操作人員可以在試驗(yàn)前設(shè)定各報(bào)警參數(shù)的上下限。試驗(yàn)開始后,每采集一次數(shù)據(jù),系統(tǒng)就將它們與報(bào)警設(shè)定值相比較,一旦超過報(bào)警限制,操作界面上相應(yīng)的報(bào)警燈變?yōu)榧t色,并且發(fā)出聲音報(bào)警,提示操作人員進(jìn)行處理。應(yīng)用LabVIEW的用戶事件控件設(shè)計(jì)了溫度報(bào)警程序。

2.6數(shù)據(jù)記錄模塊

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄的方式是,用戶首先設(shè)計(jì)記錄間隔時(shí)間后,自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。并應(yīng)用第三方軟件OpenG的LabSQL進(jìn)行數(shù)據(jù)庫訪問。在記錄數(shù)據(jù)之前,先通過報(bào)表程序生成數(shù)據(jù)報(bào)表的表頭,將初始參數(shù)設(shè)置時(shí)的試驗(yàn)名稱、被試機(jī)型號、試驗(yàn)人員以及所需測量的各參數(shù)名稱都保存在表頭中。在數(shù)據(jù)記錄時(shí),再將每次記錄的時(shí)間和數(shù)據(jù)添加到表格中。

2.7數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)記錄包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、室溫、油溫等參數(shù),這些參數(shù)都保存在數(shù)據(jù)庫中。試驗(yàn)中,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理主要是各個(gè)曲線的擬合。選擇需要處理的數(shù)據(jù)文件,通過“報(bào)表打印”、“曲線打印”即可成對所選數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合并打印輸出。

2.8遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊

按設(shè)計(jì)要求,本系統(tǒng)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí),最好實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。LabVIEW中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程面板鏈接僅需要兩個(gè)非常簡單的步驟。

(1)在服務(wù)器端配置并啟動(dòng)LabVIEW Web服務(wù)器。
(2)在客戶端通過網(wǎng)頁或LabVIEW Run-time引擎連接遠(yuǎn)程面板。

在遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊中,用戶可以監(jiān)測試驗(yàn)臺行情況,并且在突發(fā)事件時(shí)可以通過控制“暫停/恢復(fù)”按鈕,急停試驗(yàn)臺。

3 結(jié)論

采用虛擬攝譜儀對機(jī)械產(chǎn)品傳遞試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)進(jìn)行改造,能夠節(jié)約投資,提高試驗(yàn)臺的性能,是行之有效的方法。對于其他舊設(shè)備測控系統(tǒng)改造,具有借鑒意義。

開發(fā)的機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)測控系統(tǒng),具有友好的人機(jī)界面、操作簡單、功能完善,實(shí)現(xiàn)了測量、控制、記錄、數(shù)據(jù)處理的全自動(dòng)化。

LabVIEW軟件具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能,用Lab2VIEW軟件作為開發(fā)平臺,開發(fā)測控系統(tǒng),特別是數(shù)據(jù)處理比較復(fù)雜的測控系統(tǒng),如頻譜分析,求相位差等,具有很明顯的優(yōu)越性。

采用“以軟代硬”的方法,不但可以節(jié)約成本,還可以提高系統(tǒng)的可靠性。

改造后的機(jī)械產(chǎn)品試驗(yàn)臺,提高了測試精度,增強(qiáng)了性能,具有較大的推廣價(jià)值。