基于LABVIEW的扭矩彈簧測量系統研制

羅玉梅，黃丹平，曾 濤

（四川理工學院，自貢 643000）

0 引言

扭矩彈簧在儀器儀表中有廣泛應用，其扭矩是某些儀器儀表重要工作參數，若能準確、可靠、方便地測出其平均或瞬時扭矩值與角度的關系式，將有助于改進和提高儀器儀表性能。世界各工業發達國家相繼探討出許多扭矩彈簧測試新技術，研制、生產出較多的新穎扭矩測量儀，但還未專門針對儀器儀表彈簧扭矩與彈簧轉角關系進行測量的測試系統。本文針對這一問題展開相關研制工作，并研制一套基于LABVIEW自動化程度較高測試系統[1,2]。

1 扭矩彈簧測量系統原理與結構設計

1.1 測量原理

本課題研發一種測量扭矩彈簧扭矩與轉角關系的自動測試系統，其原理根據扭轉彈簧受外加扭矩 M下，其特性公式彈簧所產生扭轉變形為：

式中：φ—扭矩彈簧的轉角；L—彈簧的有效長度；E—彈簧的彈性模量； I—彈簧的截面慣性矩。根據（1）式可知，測量扭矩彈簧的扭矩一般主要有兩種形式，一是使用逆推法測試出彈性模量和彈簧的幾何參數，再測量出扭矩彈簧受

轉矩后的轉角，將其代入公式（1）可求出彈簧所受轉矩；另一個方面是根據試驗直接求出扭矩彈簧轉角與所受轉矩的關系曲線，并得到關系曲線的數學表達式，然后求取扭矩彈簧的轉角，通過轉角和數學表達式可求出扭矩彈簧所受扭矩。

1.2 扭矩彈簧測量系統結構設計

圖1 扭矩彈簧測試平臺結構圖

根據以上原理，本測量系統硬件由自主研發的扭矩測量平臺、測力傳感器、編碼器、數據處理單元、NI數據采集卡6221和PC機組成，軟件采用labview2010。其信號流程如圖1所示，被測彈簧安裝在測試平臺上，測試平臺上加力裝置對彈簧施加已知旋轉力矩，測力傳感器采集測試平臺所受力得變化，角度傳感器實時采集彈簧旋轉角度值。數據轉換單元分別將測力傳感器與角度傳感器信號值進行數據處理工作，濾掉干擾信號，然后將信號線性轉化為數據采集卡所識別數值范圍，并將處理結果傳送給數據采集卡。采集卡接受下位機傳送的信號，將其轉換為數字信號后輸入到PC機中。LabVIEW軟件對數據進行處理，得到轉角與扭矩的關系，將該數據保存。轉角與扭矩關曲線系將可計算彈簧轉角所對應的彈簧所受扭矩。

2 扭矩彈簧測量平臺

2.1 平臺整體結構設計

圖2 扭矩彈簧測試平臺主要部件

扭矩彈簧測量平臺通過螺栓連接固定在支持底座上。為了能夠直接測量彈簧的扭矩，所設計的扭矩彈簧測量裝置如圖1所示，主要由頂尖、固定端、加力盤、編碼器和夾具等組成。其中 ,編號器及角度測量裝置的外徑要與價具的內徑安裝配合，因此夾具的加工精度要求較高，材料選用 45鋼，而其它材料選用 A3鋼即可。頂尖的后端采用螺紋連接便于拆卸，并且其后端有鎖緊裝置，本系統選用M4的螺栓。測試平臺安裝時，頂尖、固定端的軸線、加力盤圓心和編碼器的軸心對位置精度有一定的要求，必須保證它們之間的同軸度，否則測量將造成運行誤差。其工作原理為：首先將測試彈簧的一端固定在固定端上，彈簧另一端安裝在加力盤上。安裝后應使彈簧在加力盤沒有收到力矩作用時，其彈簧處于自然位置（及沒有任何角變形）[3,4]。

2.2 加力盤

為了實現高精度扭矩彈簧測量, 必須實現平衡、穩定、對稱扭矩加載, 為此設計和研制了一體化精密扭矩加載裝置，其核心部件為加力盤加載裝置， 扭矩加載原理如下公式：

d：加力盤半徑；F：為施加在加力盤上的力。

圖3 加力盤

該盤的外狀如圖3所示，該裝置為圓盤形狀，盤的邊緣有一凹槽。在加力盤溝槽里繞一圈金屬線，一端固定在溝槽的內部。該自動扭矩加載裝置可以實現簡單、精確的扭矩加載，結構對稱，可以保證所加載的力作用到加力盤時完全轉化為旋轉力矩。考慮到加力盤會帶來慣性矩，因此在系統運行前要先測到加力盤的慣性矩大小。在加力盤不連接彈簧和傳感器的時候緩緩加力矩，記錄加力盤剛剛發生運動時的扭矩大小即慣性矩。在系統運行時，實際加載扭矩要在所加扭矩基礎上減去該慣性矩。其自動加載扭矩工作原理如圖4所示，首先由PC機確定施加得力矩數值，由公式（2）計算出所施加得力，通過數據采集卡傳送給可逆步進電機，再由該電機帶動加力盤旋轉一定得角度，于此同時測力傳感器檢測加力盤金屬線上得張力大小，并將該數值傳遞給數據采集卡，由數據采集卡傳送到PC機中，PC機把測力傳感器輸入后，通過公式（2）得到測量力矩，并與設定所施加的力矩值進行比對，若相等，發送指令通知電機停止運轉，從而達到自動控制扭矩大小得作用。

圖4 自動加載扭矩系統結構圖

角度傳感器與彈簧旋轉角度必須保持同步運動才能實現傳感器對角位移的準確測量，所以在實驗臺上，彈簧的一端由固定端固定，另一端與加力盤固定，加力盤的另一面有一個方形凹槽作為與傳感器連結的接口，從而使加力盤實現加載力矩和其拆裝方便的功能。

圖5 測試系統程序流程圖

3 測試軟件

圖6 數據采集部分程序

本測試系統上位機采用LABVIEW軟件，在LabVIEW 強大功能的支持下, 只需一個操作界面就實現了數據實時采集、處理、顯示和存儲, 并對所施加給測試系統的扭矩進行精確控制，其程序流程如圖5所示。

圖6為數據采集程序模塊，其功能為將數據采集卡中的數據傳輸到相應的存儲空間中，并傳遞給下級模塊處理數據。

圖7為控制彈簧扭矩的子程序，并程序采集數字PID控制算法來對系統輸出扭矩進行精確控制。

圖7 扭矩自動控制核心算法

4 測試系統力矩標定

圖8 標定輸出扭矩原理圖

測試系統得出精確彈簧扭矩與轉角之間的關系，需準確施加扭矩，因此必須對扭矩進行標定。標定原理如圖8所示，標定時系統首先從左對加力盤施加輸出一定的扭矩，在加力盤的右側加入砝碼，當加力盤的中間的指針處于水平位置時，則左右所加得力平衡，及正反扭矩相等，從而可知系統所加的扭矩值。表1為所測試的標定數據。圖9為其數據得擬合曲線，式(3)為其所擬合的公式，y為系統顯示扭矩，x為實際扭矩值，因此可從公式(3)修正其輸出扭矩。

表1 標定數據值

圖9 扭矩標定擬合曲線

5 結論

本測試系統, 在解決了實際應用過程中出現的問題之后, 已經成功地應用在某機載儀器彈簧測量中。實驗表明, 該測試系統能夠準確、可靠的獲得被測試彈簧的扭矩、旋轉角、以及它們直接的擬合關系曲線，通過關系曲線根據彈簧旋轉角求出彈簧所受到得扭矩。該測試系統構成和解決應用過程中出現問題的方法對類似應用具有啟示作用。

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