基于LabVIEW的快速排氣閥可靠性試驗臺的設計

胡智維，杜群貴

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640）

基于LabVIEW的快速排氣閥可靠性試驗臺的設計

胡智維，杜群貴

(華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640）

針對氣動快速排氣閥可靠性研究要求，設計了一個基于LabVIEW虛擬儀器技術的集信號采集、圖形化顯示、測量結果分析及存儲于一體的快速排氣閥可靠性實驗方案，介紹了該實驗方案的總體架構、工作原理以及軟硬件實現方法，編寫了切換信號控制和數據采集、分析和存儲程序，搭建了快速排氣閥的整體試驗平臺，采用示波器進行了切換時間的確定并對試驗臺進行了改進。最終搭建的試驗臺工作穩定可靠，滿足氣動元件試驗的技術要求。

氣動快速排氣閥；測控系統；可靠性

快速排氣閥屬于氣動控制元件中的方向閥，常裝在換向閥和氣缸之間，使氣缸的排氣不用經過換向閥而快速排出，從而加快了氣缸往復運行速度，縮短了工作周期，提高了設備的工作效率?？焖倥艢忾y可靠性試驗主要用于分析快速排氣閥常見故障模式、判斷閥的切換穩定性、評估其工作壽命，為進一步改進設計提高性能壽命提供實驗依據。由于快速排氣閥可靠性試驗周期長、強度高、振動噪聲大，其測控系統必須具有自動化程度高、可操作性好、防震抗干擾能力強的特點［1］。傳統氣動試驗，一般由試驗人員讀取并記錄試驗數據或由模擬記錄器在紙上記錄試驗曲線，存在效率低、人為誤差大、測量精度低等缺點［2］。虛擬儀器技術是在通用計算機平臺上，根據用戶的需求定義和設計儀器的測試功能。與傳統儀器相比，虛擬儀器在智能化程度、處理能力、性價比、可操作性等方面都具有明顯的優勢［3］。作者基于虛擬儀器技術，以LabVIEW為開發平臺，采用臺灣研華公司PCI1710UL多功能數據采集卡和PCI-1739U數字量I/O卡，實現了控制信號的產生及泄漏量信號的采集、顯示和處理。

1 試驗臺總體方案

為了自動測定電磁閥的泄漏量等參數隨切換次數的變化情況，并實現試驗數據的存儲和分析，作者設計的基于虛擬儀器技術快速排氣閥可靠性試驗臺主要包括試驗氣路模塊和測控模塊兩部分:整體構架如圖1所示。試驗氣路模塊包括氣源及其處理裝置、周期性切換氣路、泄漏量測定氣路；測控模塊包括測控系統設計和硬件安裝調試、測控程序開發以及切換時間設定。

圖1 試驗臺總體構架

總體構架設計應符合最新氣動元件可靠性試驗評價標準 ISO/FDIS 19973［4－5］的規定，各氣動元件、數據采集儀器 (包括傳感器、流量計和采集卡）等均須以氣路參數值 (流量、壓力）和測量精度要求為依據進行合理選型。

2 試驗臺氣路設計

2.1 氣源及其處理裝置

空氣質量不良是氣動系統出現故障的主要因素，會降低氣動系統的穩定性和使用壽命，因此選用氣源處理系統時須認真考慮。該試驗中壓力、環境及流體溫度等參數如表1所示。

表1 氣源參數

采用的氣源處理系統如圖2所示。

圖2 氣源處理系統

需要注意的是在保證氣源處理設備能提供優質、穩定的壓縮空氣的同時，需要根據環境噪聲標準，對空壓機等采取隔振降噪措施；考慮環境溫度要求，對空壓機和干燥機等需增加導風散熱設施。

2.2 周期性切換氣路

試驗臺氣路部分遵循ISO 19973氣動元件可靠性的試驗評價標準。試驗過程中電磁閥的連續周期性切換驅動快速排氣閥作周期性動作，氣路連接圖如圖3所示。

圖3 周期性切換氣路

2.3 泄漏量測量氣路

試驗每周定期檢測泄漏，泄漏量測量選用氣體質量流量計Brooks5850E。Brooks5850E流量計內置微處理器，具有智能化、軟件組態、數字通信和支持微軟Windows動態數據交換等特點，便于數據的采集［6］。圖4所示為泄漏量測量氣路。

圖4 泄漏量測定氣路

流量計之前加裝精密調壓閥，使入口壓力能進行精密調節，避免氣流沖擊損壞流量計。試驗測量之前，需要使用肥皂冒泡法確認負載容器和管接頭無泄漏。每次試驗后記錄閥當前切換次數，并從泄漏量隨時間變化的波形圖獲取當前閥的泄漏量。

3 自動測控系統設計

3.1 自動測控系統設計和硬件安裝調試

基于虛擬儀器技術，以LabVIEW為開發平臺，采用臺灣研華公司IPC-610H工控機、數據采集卡和數字量I/O卡，實現了快速排氣閥可靠性試驗臺控制信號的產生及泄漏量信號的采集、顯示和處理:由電磁閥切換控制程序產生控制信號，通過數字量I/O卡PCI-1739U的24路DO通道輸出，經繼電器板PCLD-785B，實現電磁閥的周期性切換；通過質量流量計和SMC PSE540A精密壓力傳感器，分別將主通道泄漏量以及快速排氣閥進出口壓力轉換為電信號，連接到PCI-1710UL數據采集卡的AI通道，由數據采集程序實現信號采集、顯示和存儲。測控系統結構圖和硬件安裝實物圖分別如圖5、6所示。

圖5 測控系統結構圖

圖6 測控系統實物圖

3.2 控制程序與測試程序開發

軟件部分是虛擬儀器的心臟，目前基于虛擬儀器的圖形化編程軟件開發平臺主要有美國惠普公司的HPVEE和美國國家儀器公司的 LabVIEW［7］。Lab-VIEW是一種圖形化的編程語言，它將復雜的語言編程簡化為可視化的數據流編程，同時提供了豐富的庫函數和數值分析、數字信號處理工具［8］，便于程序的編制和調試，為儀器編程和數據采集系統的實現提供了便捷途徑。

利用LabVIEW循環結構函數，以軟件定時的方式，通過調用動態鏈接庫中的子VI，產生周期為200 ms的數字量輸出信號?？刂菩盘柈a生程序和操作面板分別如圖7、8所示。

圖7 控制信號程序框圖

圖8 實時控制操作面板

PCI-1710數據采集卡提供了多種采集模擬量的方式。由于系統對采樣頻率無特殊要求，作者采用軟件觸發方式。多通道模擬量采集程序和操作面板分別如圖9、10所示。

圖9 數據采集程序框圖

圖10 數據采集操作面板

4 切換時間設定

壽命試驗中一般對待測閥的切換頻率有嚴格的要求，因此在試驗開始前需要通過測取壓力應答曲線(壓力應答曲線是指在所有試驗閥同時動作，在保證填充時達到氣源壓力，放氣時達到大氣壓的情況下待測閥進出氣口壓力變化曲線），以確認切換周期是否滿足要求。

4.1 初步測試情況

文中使用的PCI-1710UL數據采集卡模擬量輸入信號范圍:－10～10 V(雙極輸入）或0～10 V(單極輸入）?？紤]到試驗中使用的電磁換向閥線圈額定電壓為DC24V，超出了PCI-1710UL的AI測量范圍，故不能將經繼電器后的控制信號直接接到數據采集卡，在LabVIEW編程實現3路信號的測量。因此文中采用美國泰克 (Tektronix）TDS-2004C數字存儲示波器 (4通道、70 MHz帶寬、1.0 GS/s采樣率、2.5 kB記錄長度，支持高級觸發、16種自動測量、FFT分析及彩色顯示等功能）實現電磁閥供給電壓、傳感器1輸出電壓信號和傳感器2輸出電壓信號3路信號的測量與顯示，如圖11所示。

利用示波器測取待測快速排氣閥在切換周期為5 Hz(on:0.1 s，off:0.1 s）下的壓力應答曲線，其波形數據如圖12—14所示 (由于篇幅所限，文中每種快速排氣閥僅列出1個閥的壓力應答曲線）。

圖11 壓力應答曲線的測定

其中:p1、p2快速排氣閥進、出氣口壓力傳感器安裝位置如圖3所示。

圖12 5Hz切換頻率下a型快排閥壓力應答曲線

圖13 5Hz切換頻率下b型快排閥壓力應答曲線

圖14 5Hz切換頻率下c型快排閥壓力應答曲線

分析以上波形:a、b型能滿足5 Hz切換頻率，但是c型在5 Hz切換頻率下跟不上，上升時間過長。分析原因，可能是在5 Hz切換頻率下供氣不足所導致。

4.2 進行改進后情況

針對上述問題對氣路進行了以下改進:

(1）經檢測發現，氣路上的一類快換接頭節流嚴重，將其更換為較大尺寸快換接頭并相應更換較大管徑尼龍管。

(2）將3種閥的控制信號和計數分開，即讓3個系統各自獨立。將每類閥分為兩組，每組4個，交叉動作，減少壓力波動。

(3）縮短換向閥和AQ間的距離，盡量減少空氣消耗量。

(4）在減壓閥和電磁閥之間加裝氣罐 (24 L和10 L各一個），進一步減少壓力波動。

進行上述改進后試驗臺氣動回路如圖15所示，波形數據如圖16—18所示。

圖15 改進后試驗臺整體氣路

圖16 改進后a型快排閥壓力應答曲線

分析以上波形可知:經過上述改進后，c型快速排氣閥應答曲線明顯改善，3種快速排氣閥閥均能滿足5 Hz切換頻率要求。

圖17 改進后b型快排閥壓力應答曲線

圖18 改進后c型快排閥壓力應答曲線

5 結論

介紹了基于LabVIEW虛擬儀器技術的快速排氣閥可靠性試驗臺設計方案，該方案實現了控制信號的自動輸出和多路傳感器信號的動態采集、顯示和處理，完成了快速排氣閥可靠性試驗中快速排氣閥周期性切換的連續控制以及對泄漏量的定時檢測，該設計具有簡便性、通用性和可擴展等特點。根據上述方案搭建的試驗臺工作可靠，操作簡易，人機交互界面友好，具有試驗數據實時自動采集、處理和分析功能，可有效提高快速排氣閥可靠性試驗精度，提高試驗效率。該試驗臺的設計思路和測量方法對其他氣動試驗系統的設計具有一定的參考價值。

［1］SMC(中國）有限公司.現代實用氣動技術［M］.2版.北京:機械工業出版社，2003:308－311.

［2］文金輝.基于虛擬儀器的氣動電磁換向閥可靠性試驗臺的設計［D］.廣州:華南理工大學，2008:55－57.

［3］王海寶.LabVIEW虛擬儀器程序設計與應用［M］.成都:西南交通大學出版社，2005:1－10.

［4］ ISO/FDIS 19973-1-advance Draft to be Used in Round Robin Test Program，Pneumatic Fluid Power-assessment of Component Reliability by Testing-Part1:General Procedures［S］.2006.

［5］ ISO/FDIS 19973-2-advance Draft to be Used in Round Robin Test Program，Pneumatic Fluid Power-assessment of Component Reliability by Testing-Part2:Directional Control Valves［S］.2006.

［6］Model 5850E，Design Specifications，Brooks Instrument.

［7］TRAVIS Jeffrey，KRING Jim.LabVIEW 大學實用教程［M］.喬瑞萍，譯.3 版.北京:電子工業出版社，2008.

［8］高名乾，賀尚紅.基于LabVIEW的液壓實驗臺數據采集系統設計［J］.機床與液壓，2008，36(5）:147－150.

Design of Pneumatic Test Bench for the Reliability of Quick Exhaust Valve Based on LabVIEW

HU Zhiwei，DU Qungui
(College of Mechanical and Automobile Engineering，South China University of Technology，Guangzhou Guangdong 510640，China）

Considering the reliability requirement of the solenoid directional control valve，a pneumatic test bench was set up，which included such functions as signal acquisition，data analysis and storing based on the virtual instrument technique.The general scheme and the operational principle of the test bench，together with themethod of realizing the data acquisition，analysis，graphical display and storing by software/hardware were introduced.The test bench works stably and meets the technical requirements for the performance of the pneumatic valve.

Pneumatic quick exhaust valve；Controlling and testing system；Reliability

TH138.52

B

1001－3881(2014）10－090－5

10.3969/j.issn.1001-3881.2014.10.028

2013－04－03

胡智維 (1988—），男，碩士研究生，主要研究領域為機械電子工程、液壓與氣動。E－mail:zwhu_scut@163.com。