一種壓縮機摩擦測試系統的軟件控制平臺設計

韋　為，耿葵花，王少偉，趙泰百，魏　濤，孫　晗，劉明遠，劉運棋，蘇子翔

（廣西大學，廣西 南寧530004）

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一種壓縮機摩擦測試系統的軟件控制平臺設計

韋為，耿葵花，王少偉，趙泰百，魏濤，孫晗，劉明遠，劉運棋，蘇子翔

（廣西大學，廣西 南寧530004）

摘要：介紹了一種壓縮機摩擦力等效測試系統的軟件控制平臺設計。應用LabVIEW軟件設計了本測試系統的軟件界面，界面實現了各種測試數據的選擇、設置以及數據的實時顯示、濾波處理、回放、保存、錯誤提示等功能。同時根據測試要求，依托PLC可編程控制器實現了對伺服電機的動作控制，完成了運動控制功能要求。

關鍵詞：壓縮機；摩擦測試；軟件控制平臺

長期以來，壓縮機一直存在機械效率低和使用壽命短的缺陷，原因在于壓縮機普遍存在多個摩擦與磨損的運動副[1-2]。要想提高壓縮機的機械效率和使用壽命，就必須設法降低其運動副的摩擦磨損，而要實現這一目標，則必須了解運動副的摩擦特性[3-6]。

針對壓縮機滑片與滑片槽的摩擦特性分析，由于壓縮機本體滑槽尺寸大小、滑片空間位置和滑槽結構等限制因素的影響，無法在壓縮機本體上進行摩擦力的測試，因此需要設計一套等效的摩擦力測試系統來實現壓縮滑片和滑片槽摩擦力的測試。摩擦力測試系統一般包括兩大部分，一部分是硬件等效測試平臺，另一部分是軟件控制平臺。

1　測試系統結構方案

測試系統硬件平臺的重要功能是：模擬在壓縮機正常工作時滑片與滑槽的運動關系以及滑片在壓縮機本體上的運動工況，測試滑片與滑槽摩擦力與速度關系曲線以及摩擦力與預滑移位移關系曲線。測試系統軟件控制平臺的功能是：提供系統測試的人際交互界面與實際控制，它主要包括軟件交互模塊和控制模塊兩部分。

硬件平臺包括摩擦運動模擬裝置、動力傳動裝置和勻速測量裝置三部分，首先是運動模擬裝置，主要包括一套模擬滑槽、滑片組、給滑片加載的加載絲杠（模擬氣體力）以及連接軸等。其次是傳動裝置，主要包括行星減速器、滾珠絲杠模組、滑臺等。最后是測量裝置，包括壓力傳感器、加載力傳感器、行程開關等。測試系統結構方案如圖1所示。

圖1　測試系統結構方案

指令通過控制柜12傳達給伺服電機2，經過行星減速器3減速，伺服電機2將動力傳遞給滾珠絲杠4，同時滾珠絲杠4將輸出的轉動轉化為滑臺9的直線運動，從而使滑片組5平行移動。在滑片組5的平行移動過程中，通過滑槽兩側的預緊力來模擬壓縮機本體上滑片所受到的氣體壓力，抵壓滑片組，這樣滑片組兩側就如在壓縮機本體上運動一樣，將受到等效的摩擦力。壓力傳感器7將摩擦力的等效壓力信號轉化為電壓信號，依次經過放大、濾波傳遞給采集卡13，采集卡13再將實時采集到的摩擦力信號顯示在控制軟件上。

2　軟件交互模塊設計

本文采用LabVIEW軟件作為測試界面的編程軟件[7]，利用它編程實現摩擦力測試系統的軟件設計。其中，軟件設計的核心是數據采集部分的設計，主要完成數據采集的控制，包括對物理通道號、設備號、采集終端模式、輸入范圍、采樣率、采樣數、讀取數以及采樣方式等的設置和控制。

2.1程序設計過程

壓力傳感器輸出的是模擬電壓信號，首先創建虛擬通道（圖2），選擇模擬輸入電壓，同時創建用于選擇設備、通道號及信號測量方式的輸入控件及property value.vi，接著使用Timing.vi對時鐘進行設置，并且創建輸入控件，用于輸入采樣率、采樣方式、采樣數及讀取數等。然后利用Get Property.vi可以實時看到實際采樣率以及數據保存次數。接著創建While循環，利用Read.vi讀取采集到的數據，并且在其下拉菜單中選擇模擬1通道N采樣。利用停止采集任務vi結束數據采集，同時在While循環外使用清除任務節點來清除上次的采集任務。按照同樣的方法，利用底層vi設計濾波模塊、波形顯示模塊、數據儲存回放模塊等，然后按照流程依次連線各個vi節點，并且創建一個錯誤顯示控件，用于顯示采集實驗過程中的錯誤，且與清除任務節點相連。在數據采集過程中可以直接點擊界面中的保存按鈕保存數據，也可以等待采集任務結束后輸出圖像以及電子表格文件。

圖2　創建虛擬通道函數

切換到LabVIEW前面板，設置界面布局及界面顏色，調整各輸入控件的大小和位置，設置各輸入控件屬性（圖3），包括標簽字體大小和顏色。設置好模擬數據采集前面板輸入控件。測試人員可以通過該面板設置數據采集的物理通道，如PCI-1711L，BID#0/ai0（設備PCI-1711L，模擬輸入通道0）；根據信號類型選擇信號的測量方式、參考單端（Single-Ended)；設置經放大器放大的模擬電壓輸入范圍（+/-10V）；然后根據實際情況設置采樣率（1 000 Hz）、采樣點數（1 024點）、讀取點數（1 000點）；采樣模式設置為連續采樣（Continuous Samples）。

圖3　屬性選擇對話框

采集到的信號可能還受到噪聲的影響，所以本文通過濾波器進行了濾波模塊設計，同時為該模塊配套良好的選擇界面，可以供測試者根據需要選擇濾波器拓撲結構、類型、階數、高截止頻率、低截止頻率等。此外還編程設計了顯示模塊和存儲回放模塊。通過這些模塊設計，測試人員不但能夠實時看到采集到的波形，并且可以隨時將原始信號或濾波后的信號以LVM格式存儲在硬盤中，也可以將實時波形以圖片JPG格式存儲在硬盤上。回放功能可以將存儲的LVM格式文件再次讀取并顯示。將各模塊置于While循環結構內，連線將各功能模塊組織成整個程序框圖。

2.2程序調試

在完成整個程序設計之后，要對程序做最終調試。具體做法是：設置斷點、添加探針等。如果出現錯誤可以打開錯誤解釋窗口查看原因。雖然LabVIEW具備完善的調試功能，但是仍然會存在很多隱性錯誤不被設計人員所發現，所以在開發測試程序的時候，要對每個模塊的設計進行測試，這樣才可以降低整個程序的設計錯誤以及最終的調試難度，盡快完成測試程序開發。

前面板是測試系統的人機交互界面，合理的人機界面設計可以減少測試人員的誤操作，所以對整個程序調試完成以后，有必要對前面板做相應的設計。在設計前面板時，主要考慮的是界面美觀、操作簡潔，測試人員通過簡單的鍵盤和鼠標操作就可以實現對測試系統的控制。設計完成以后的前面板即軟件界面如圖4所示。

圖4　軟件交互界面設計

打開測試程序，測試系統處于待機狀態，所有的按鈕對話框處于鎖定狀態，這樣可以防止出現錯誤設置。開始測試時，將設置框和按鈕解鎖，根據測試需求設置合理的參數，選擇正確的采集通道和采集模式，點擊運行箭頭，開始測試。若測試終端無法開始測試，則系統自動彈出錯誤對話框，用戶可以根據提示修改主程序相應的部分。當測試完成，點擊停止按鈕，系統停止測試，可以通過導出相應數據或者曲線，供測試人員進行下一步的研究分析。

3　控制模塊設計

3.1電子齒輪設定

圖5　電子齒輪原理圖

本文所選的滾珠絲杠螺紋距Pb=10 mm，行星減速器減速比n=1/50，伺服電機編碼器的分辨率為Pt=262144 pulse/rev，傳動原理如圖6所示。

圖6　傳動原理圖

由式1可以看出，在PLC編程前首先要設定，這樣就可以成功實現預設動作。其中：

Pb為滾珠絲杠螺紋矩（mm）；

n為減速比；

Pt為伺服電機編碼器分辨率（pulse/rev)；

△t0為每指令脈沖對應的移動量（mm/pulse)；

△S為伺服電機沒轉對應的移動量（mm/rev）。

3.2控制模塊工作過程

根據測試要求，控制系統要實現滑片組以不同的設定速度勻速運動并且到達指定位置后能夠自動回轉。具體來說就是按測控步驟實現以下動作：

（1）接通電源，系統初始化。伺服電機帶動滾珠絲杠滑臺及滑片組回到設定的初始位置，準備開始測試。

（2）按下測試按鈕。伺服電機開始以設定的第一個速度運轉，滾珠絲杠將電機的轉動轉化為滑臺和滑片組的勻速運動，使得滑片組以預期的速度在滑槽內勻速運動。

（3）當運動到滑片槽的另一端時，滑片組接觸行程開關，電機回轉，又快速運動到初始位置預備進行下一個速度的摩擦力測試。

（4）當滑片組回轉到初始位置時，電機停止，按下測試按鈕，又開始下一個設定速度的摩擦力測試，以此類推直到完成所有速度下的摩擦力測試。

（5）同時設置急停開關，當電機運行有任何意外時，按下急停開關切斷電源，防止損壞測試臺。

4　結束語

根據測試要求，本文的摩擦力測試系統軟件控制平臺實現了以下功能：

（1）參數設置功能：參數設置功能是測試系統最基本的功能之一。設置界面應該具有較強的柔性，能夠適應不同的測試環境和硬件要求，能夠對測試系統物理通道、模擬電壓范圍、測量系統終端模式、采樣率、采樣數、采樣模式、每秒讀取采樣數等參數進行快捷方便設置，設置操作必須簡單、方便，不易發生設置錯誤。

（2）信號處理功能：信號處理包括數據采集和數據處理，是測試系統最重要的環節。設計必須保證對摩擦力數據采集的實時性和連續性，能夠對所采集的信號進行采樣、量化和編碼。同時當測試時信號干擾較大，還需對信號進行濾波處理，設計濾波模塊。

（3）數據顯示功能：可以將數據實時完整的顯示出來，并且隨時能夠觀測到數據的變化情況，實驗員可以對結果顯示做一個初步的預判。同時可以對時間、幅值進行調節，也能有原始波形和處理后波形的對比。

（4）控制功能：可以順序循環的控制伺服電機依次完成不同速度的勻速運動和指定位置的回轉，從而順利完成測試任務。

（5）測試數據儲存和轉化功能：可以實時儲存數據，并且可以把數據轉化成電子表格形式、圖表形式等，以便于后期數據顯示查閱和進一步處理

（6）報錯、急停功能：當出現采集異常，運動異常等情況，可以立即報警和急停。

參考文獻：

[1]馬國遠，李紅旗.旋轉壓縮機[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]郁永章，孫嗣瑩，陳洪俊.容積式壓縮機技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2000.

[3]陳劍鋒，劉吳，陶國良.基于LuGre摩擦模型的氣姑摩擦力特性實驗[J].蘭州理工大學學報，2010，（03）:55-59.

[4]丁千，霍紅梅.機械系統摩擦動力學研究進展[J].力學進展，2013，（01）:112-131.

[5]陳劍鋒.基于LuGre摩擦模型的氣缸摩擦力實驗研究[D]．杭州:浙江大學，2011．

[6]譚文斌，李醒飛，向紅標，等，張晨陽．應用穩態誤差分析辨識LuGre模型參數[J].光學精密工程，2011，（03）:664-671.

[7]彭勇，潘曉婢，等．LabVIEW虛微化器設計及分析[M].北京：清華大學出版社，2011.

中圖分類號:TH457

文獻標識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0061-04

收稿日期：2016-01-04

基金項目：國家自然科學基金資助項目：葉片式旋轉壓縮機摩擦與泄漏的多因素動態關聯機制研究（項目批準號：51565004）；廣西自然科學基金資助項目：葉片式旋轉壓縮機多因素動態摩擦與泄漏機理研究（下達文號：桂財教[2013]19號，任務書編號：2013GXNSFAA019309）；廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室資助項目：旋轉壓縮機的性能分析及其優化設計研究（合同編號：10-0046-07S03）。

作者簡介：韋為（1984-），男，廣西昭平縣人，工程師，碩士研究生，研究方向為壓縮機泄漏控制。

A Design for Software Control Platform of the Friction Testing System for Compressors

WEI Wei，GENG Kui-hua，WANG Shao-wei，ZHAO Tai-bai，WEI Tao，SUN Han，LIU Ming-yuan，LIU Yun-qi，SU Zi-xiang
（Guangxi University，Nanning 530004，China）

Abstract：This paper describes a design for software control platform of the equivalent friction testing system for compressors.The Software interface of this testing system is designed by LabVIEW，which accomplishes the choice and setting of various test data，real-time data display，filtering processing，playback，save，error message and other functions.Besides，it realizes motion controls to servo motors by using the PLC Programmable Controller according to the test requirements，which means the motion control function is available.

Key words：compressor；friction testing；software control platform