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利用LabVIEW軟件實現(xiàn)試驗機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計

電子設(shè)計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設(shè)計 ? 2019-07-08 08:02 ? 次閱讀

摩擦材料是汽車制動系統(tǒng)必不可少的功能材料。用摩擦材料制成的剎車片,不但直接影響汽車的操作性、可靠性和舒適性,而且很大程度上影響其安全性。因此摩擦材料的性能在汽車行業(yè)中一直受到高度重視。而性能良好的摩擦磨損試驗機(jī)則是摩擦材料性能測試必不可少的工具。

摩擦磨損試驗機(jī)的性能在很大程度上取決于其測控系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。利用計算機(jī)軟件對試驗過程進(jìn)行自適應(yīng)控制以及模糊控制等規(guī)律控制,實現(xiàn)試驗參數(shù)的實時獲取,并以曲線或表格的形式動態(tài)呈現(xiàn)實時參數(shù)等已成為測控領(lǐng)域的整體發(fā)展趨勢。本文利用LabVIEW語言編寫了測控系統(tǒng)程序,該測控系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗參數(shù)的實時測量,可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和嵌入C語言進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理;可對實時參數(shù)進(jìn)行曲線顯示、存儲和報表處理;編制的系統(tǒng)軟件具備人機(jī)對話功能,操作簡單、方便。是智能的人機(jī)交互系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)可進(jìn)行恒載荷和恒轉(zhuǎn)矩類型的多種摩擦磨損試驗。

1 摩擦磨損試驗機(jī)介紹

該摩擦磨損試驗機(jī)又叫Chase試驗機(jī),主要用于對汽車制動襯片的安全情況及摩擦磨損特性做出報告。用于SAEJ661和ISO7881等標(biāo)準(zhǔn),對摩擦材料進(jìn)行分級及質(zhì)量控制。

1.1 摩擦磨損試驗機(jī)的基本要求

為達(dá)到試驗規(guī)定的要求,測控系統(tǒng)必須具備以下功能:測量精度滿足GB/T17469-98的要求;可滿足高速、高溫、高載荷下的測試要求;能完成試驗過程中的轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等試驗參數(shù)的設(shè)定及摩擦正壓力、摩擦力矩、轉(zhuǎn)速、摩擦轉(zhuǎn)盤溫度、汽缸進(jìn)口壓力等性能參數(shù)的測量;對測量參數(shù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較,形成閉環(huán)控制,使轉(zhuǎn)速、壓力和溫度維持在試驗要求范圍內(nèi);能實時顯示、記錄試驗過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)并生成報表。

同時,試驗過程中摩擦塊與試驗盤之間應(yīng)始終保持貼合狀態(tài),無振動現(xiàn)象;試塊裝卡應(yīng)便利、可靠,無松緩、卡死現(xiàn)象。

1.2 摩擦磨損試驗機(jī)的試驗環(huán)節(jié)

該試驗臺可完成恒轉(zhuǎn)矩試驗和恒載荷試驗。恒轉(zhuǎn)矩試驗要求系統(tǒng)通過自動調(diào)整比例閥來控制輸出壓力的大小,使轉(zhuǎn)矩保持恒定。恒載荷試驗則要求輸出壓力始終為恒定值。這其中根據(jù)加載的連續(xù)與否可分為:斷續(xù)拖磨和連續(xù)拖磨,該試驗機(jī)中跟據(jù)國標(biāo)所進(jìn)行的預(yù)處理試驗、終處理試驗、磨損試驗和恢復(fù)試驗都是斷續(xù)拖磨;而第一次衰退試驗和第二次衰退試驗則屬于連續(xù)拖磨。

2 試驗機(jī)測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 試驗機(jī)測控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

測控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1所示。

利用LabVIEW軟件實現(xiàn)試驗機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)中調(diào)速電機(jī)通過變頻器可進(jìn)行無級調(diào)速,輸出氣壓的大小通過調(diào)整比例閥的大小來控制。加熱開關(guān)、風(fēng)機(jī)開關(guān)和壓力開關(guān)則分別通過相應(yīng)的繼電器進(jìn)行控制。

利用LabVIEW軟件實現(xiàn)試驗機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計

2.2 傳感器

為了精確的完成各類數(shù)據(jù)的測量,完成各個環(huán)節(jié)的測試,裝置中設(shè)置了五個參數(shù)測量傳感器(包括三路溫度傳感器),其精度滿足GB/T17469-98中所規(guī)定的要求。其具體參數(shù)見表1。

2.3 信號調(diào)理

來自傳感器的信號一般都比較小且極易受噪聲影響,有些信號存在很高的尖峰值,不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,在轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號之前需先進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理,也就是信號調(diào)理,下面就其中的兩路調(diào)理電路做簡單介紹,如圖2所示。

利用LabVIEW軟件實現(xiàn)試驗機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計

在圖2中:

(1)V/I轉(zhuǎn)換電路是將工控機(jī)輸出的1~5 V電壓信號轉(zhuǎn)換成4~20 mA的電流信號。因為該試驗機(jī)中的調(diào)節(jié)氣源的比例閥是靠電流來進(jìn)行控制,故首先要將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號。其電路圖見圖2(a),其比例關(guān)系為:I=VR27/R1R61,其中:V為輸入電壓;I為輸出電流。電路中各個電阻應(yīng)選擇精密電阻,以保證V/I轉(zhuǎn)換的精度。

(2)I/V轉(zhuǎn)換電路是將從溫度、壓力傳感器采集到的4~20 mA電流信號轉(zhuǎn)換成計算機(jī)能夠識別的1~5 V的數(shù)字信號。其電路圖見圖2(b),由上面電路可以推算出其轉(zhuǎn)換關(guān)系為:V=IR19(1+R107/R99)。其中:I為輸入電流;V為輸出電壓;各個電阻也應(yīng)選擇精密電阻。經(jīng)過對現(xiàn)場的各路信號進(jìn)行測試,可以看出,經(jīng)由調(diào)理電路的處理,輸入/輸出的各路數(shù)字/模擬信號都有明顯的改善,干擾信號大大減少,調(diào)理效果很明顯。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡

該系統(tǒng)使用北京研華公司的采集卡PCL-818L和PCL-836,其中PCL-818L卡有16路模擬輸人通道,12位A/D轉(zhuǎn)換分辨率,一路12位模擬輸出通道,一個16位計數(shù)器,采樣率為40 kHz。PCL-836包括6個獨(dú)立的16位計數(shù)器,10 MHz的計數(shù)頻率,還有兩個數(shù)字I/O接口。

3 試驗機(jī)測控系統(tǒng)程序設(shè)計

3.1 試驗測控系統(tǒng)程序流程

試驗機(jī)測控系統(tǒng)的控制流程如圖3所示。

利用LabVIEW軟件實現(xiàn)試驗機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計

3.2 Front Panel設(shè)計

在LabVIEW中,程序由VI的Front Panel和Block Diagram兩部分組成,應(yīng)用程序的人機(jī)界面就是FrontPanel,利用LabVIEW提供的各種控件結(jié)合控件的屬性節(jié)點的設(shè)置可以設(shè)計出儀器化的用戶界面。該試驗機(jī)用戶界面如圖4所示。

利用LabVIEW軟件實現(xiàn)試驗機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)測控系統(tǒng)的功能前面板劃分為:試驗環(huán)節(jié)選擇部分;曲線及數(shù)據(jù)顯示部分;試樣批次記錄部分;試驗環(huán)節(jié)指示部分;參數(shù)設(shè)定及調(diào)整部分;測量記錄和路徑設(shè)定部分。

3.3 Block Diagram設(shè)計

3.3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計

在數(shù)據(jù)采集部分,將壓力、溫度設(shè)定為一個采集任務(wù),通過多路模擬量采集程序來完成,此采集程序主要有MAI Config.vi,MAI Volgagen In.vi和SplitlD Arrav.vi,Device open.vi及Device Close.vi模塊構(gòu)成,其結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。可總共進(jìn)行8路模擬信號的同時采集,其采集的數(shù)組由Index Array模塊進(jìn)行分離,此處只使用其中的前四路,包括三路溫度和一路壓力信號。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩則分別進(jìn)行采集,它們通過頻率采集電路來完成,程序中用到的主要模塊有CounteRFrea Start.vi,Counter Freq Read.vi和Counter Reset.vi,Deviceopen.vi及Device Close.vi,其采集周期設(shè)定為200 ms,具體結(jié)構(gòu)見圖5(b)。

利用LabVIEW軟件實現(xiàn)試驗機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計

3.3.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

為了提高本測量系統(tǒng)的抗干擾性能和減小測量數(shù)據(jù)的誤差,在軟件里采取程序濾波的方法,通過計算機(jī)軟件來提高信噪比。

(1)遞推平均濾波法:采集幾個周期的數(shù)據(jù),并求其平均值,作為采集的數(shù)據(jù)。

(2)中值濾波法:將每次采集的數(shù)據(jù)與前一個的數(shù)據(jù)做比較,當(dāng)兩數(shù)值之間差大于一定范圍時則認(rèn)為是干擾信號,此時采用上次的數(shù)值作為本次采集的結(jié)果,否則采用本次采集數(shù)據(jù)。

通過利用LabVIEW中的移位寄存器來實現(xiàn)了平均濾波算法,具體實現(xiàn)方法如圖6中遞推平均濾波所示。先求取10個數(shù)的和,再求其平均數(shù)。

利用LabVIEW軟件實現(xiàn)試驗機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計

對于中值濾波算法的實現(xiàn),利用別一般的模塊實現(xiàn)起來比較繁瑣,如果能用C語言來處理,就變得很簡單。經(jīng)過多次嘗試,終于實現(xiàn)了在LabVIEW中嵌入C語言的方法,利用LabVlEW中的公式節(jié)點作為切入點,實現(xiàn)調(diào)用C語言進(jìn)行處理。利用C語言的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,能很方便的完成一些復(fù)雜的算法。程序?qū)崿F(xiàn)如圖7中中值濾波所示,將采集的數(shù)據(jù)先利用Build Array模塊轉(zhuǎn)變成數(shù)組,再將數(shù)組作為公式節(jié)點的輸入,C程序首先對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩次求平均處理,之后又按照中值濾波算法進(jìn)行處理。相應(yīng)的C語言程序附如圖7所示。

利用LabVIEW軟件實現(xiàn)試驗機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計

經(jīng)過以上方法的處理,數(shù)據(jù)的取得了較好的輸出效果。尤其是本試驗臺在LabVIEW中嵌入C語言的數(shù)據(jù)處理方法及思路,大大提高了LabVIEW的數(shù)據(jù)處理能力,簡化了程序的編寫,具有較廣的應(yīng)用價值,可以為其他設(shè)計者提供設(shè)計思路,為以后的數(shù)據(jù)處理提供一個很好的平臺。

利用LabVIEW軟件實現(xiàn)試驗機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計

4 試驗結(jié)果及分析

選用山東淄博某制動材料生產(chǎn)公司的汽車制動襯片進(jìn)行摩擦試驗,先將襯片加工成尺寸為2.54 cm2試樣。利用設(shè)計好的摩擦特性測試系統(tǒng)對試樣進(jìn)行測試,以獲得襯片摩擦系數(shù)特性曲線。

圖8所示為測試結(jié)果,圖中給出的是對試樣進(jìn)行的磨損試驗和第一次衰退與恢復(fù)試驗的曲線,未經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的曲線干擾信號太大,曲線抖動嚴(yán)重,影響了測試結(jié)過的觀察,經(jīng)過處理的曲線,較為平滑,抖動較小。能很好的反應(yīng)材料摩擦系數(shù)的變化趨勢。

如圖8(a)所示,在第一次衰退與恢復(fù)試驗中,開始先加溫并進(jìn)行連續(xù)拖磨,摩擦系數(shù)開始先降低,在達(dá)到255 ℃左右開始降低。

在之后的斷續(xù)拖磨中,摩擦系數(shù)逐漸下降。圖8(b)為磨損試驗的一部分曲線。將處理過的動態(tài)特性曲線與汽車制動襯片特性說明中所述的襯片特性曲線相比較,結(jié)果一致,表明采用本文設(shè)計的測試分析系統(tǒng)得到的試驗結(jié)果是可靠的。

5 結(jié)語

利用LabVIEW軟件結(jié)合相應(yīng)的硬件實現(xiàn)了摩擦磨損試驗機(jī)的測控系統(tǒng)的設(shè)計,可實時地監(jiān)測和控制各試驗狀態(tài),滿足多種摩擦試驗的要求。系統(tǒng)采取軟硬件結(jié)合的抗干擾措施,尤其是在LabVIEW中嵌入C語言程序,利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,擴(kuò)展了LabVIEW的功能,提高了系統(tǒng)的測試精度。人機(jī)界面友好、操作方便安全,測試效率較高,在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。

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