基于LabVIEW的氣缸摩擦力測試系統設計

張華錦，林 凡，張 鑫

(1.北京理工大學宇航學院，北京 100081；2.北京理工大學機械與車輛學院，北京 100081)

0 引言

氣缸是一種把高壓氣體動力轉化為活塞桿軸向位移的動力驅動裝置，它的功能是把壓力能轉化為機械能[1]。本文研究的氣缸是某舵機的執行元件，是組成舵機的關鍵部件之一。氣缸的平穩性會影響舵機的工作效率，對舵機伺服系統的整體性能起著極為重要的作用。

氣缸在低速運動時，由于摩擦力的影響，會產生時走時停的“爬行”運動。氣缸的爬行現象會影響飛行控制系統的穩定運轉，造成較低的控制系統定位精度。研究證實，爬行現象的產生受多個因素影響，如使用壓力、摩擦力等[2]。氣缸受壓力驅動作往復運動時，會產生非線性的摩擦力以及啟/停工作時摩擦力的波動。這是造成爬行現象的關鍵因素[3-5]。氣缸工作時會受到摩擦力影響，從而降低舵機伺服系統的工作性能。摩擦力會降低舵機系統的運行精度，是爬行現象產生的關鍵指標[6]。

為了解決氣缸的爬行現象，需要對氣缸運轉時所受的摩擦阻力進行實時檢測。目前，對摩擦力的檢測方法的研究仍不夠深入。其中，利用出口節流調速法對氣缸所受的摩擦力進行檢測較為普遍。該測試方法的動力源為高壓空氣，利用調節氣動閥來調節空氣的氣壓，從而改變氣缸的運動速度。氣缸的壓力會隨之不斷改變，造成無法準確測出氣缸所受的摩擦力[7]。因此，直接用氣體驅動難以給被測氣缸提供一個穩定的速度，從而保證測量精度[8-9]。

本文研究的測試裝置相較于以往的摩擦力測試裝置,優點在于氣缸由電動缸驅動作勻速運動,穩定運行后加速度為零，便于計算摩擦力。勻速條件下，在壓力傳感器上測試得到就是摩擦力。因此，該裝置優于傳統的測試系統，可以實現氣缸速度的穩定控制且便于采集摩擦力的大小。虛擬儀器技術廣泛應用于機械關鍵零部件的檢測以及產品關鍵性能的試驗驗證。本文充分利用這一技術的優越性，設計了一種基于LabVIEW軟件測試系統，進行氣缸運轉時摩擦力的實時監測。硬件系統與軟件系統的復合應用可完成舵機關鍵零件的性能測試[10]，從而實現數據采集、信號處理、圖標繪制、曲線打印功能。

1 摩擦力測試系統組成

摩擦力測試系統組成原理如圖1所示。

圖1 摩擦力測試系統組成原理圖

摩擦力測試系統主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括摩擦力測試臺、工控機、摩擦力測試系統接口箱。軟件部分采用NI公司開發的LabVIEW軟件開發平臺，實現數據采集、測量分析、信號處理，顯示與儲存等功能。試驗臺主要完成氣缸的固定安裝及驅動，信號接口箱部分、內置電源、控制器、驅動器、壓力傳感器放大器、繼電器完成為系統供電及各信號測量等任務，并實現以上各系統端口連接及控制的功能；工控機，采集卡及測試系統軟件部分，主要完成測試指令的生成及測試信號采集、處理、顯示與存儲等任務。

2 測試臺組成及測試原理

2.1 測試臺組成

測試臺主要由電動缸及支座、中間支撐軸組件、壓力傳感器、傳感器連接軸、導軌滑塊及氣缸支撐板組成。摩擦力測試臺采用電動缸驅動，定制的電動缸以勻速狀態通過中間支撐軸、傳感器、傳感器連接軸等連接機構驅動氣缸往復運動。電動缸的量程為15 mm，小于氣缸的量程，可避免因量程過大而拉壞氣缸。

導軌滑塊結構如圖2所示。

圖2 導軌滑塊結構圖

支撐板通過螺栓固定在滑塊上，與滑塊連成一體，使得滑塊與支撐板、氣缸的運動保持一致。滑塊兩端裝入彈簧，在水平方向運動時通過壓縮彈簧來緩沖減震，在系統瞬時啟動時起緩沖減震的作用，避免電動缸啟動時因電動缸驅動力過大造成氣缸損壞。導軌滑塊機構的設計既滿足了支撐氣缸的需要，也能使保護氣缸不因驅動力過大而拉壞，在系統中起支撐、緩沖保護的作用。

2.2 測試原理

氣缸、支撐板、滑塊、導軌組成的測試系統受到一個變力F。

測試系統原理如圖3所示。

圖3 測試系統原理圖

利用復合運動的原理分析如下：以活塞上點A為動點，動點與動系相重合的點為A′；將導軌看作定系、氣缸及支撐板滑塊簡稱氣缸部分看作動系。絕對運動是活塞相對于導軌的直線運動，相對運動是活塞相對于氣缸作直線運動。

根據速度合成定理：

va=vr+ve

(1)

式中：va為絕對速度，即活塞上動點A相對于導軌的速度；vr為相對速度，即活塞上動點A相對于氣缸部分的速度；ve為牽連速度，即氣缸部分上與動點A重合的牽連點A′相對于導軌的速度。

整個系統由于受到了一個推力F由靜止開始運動，絕對速度等于恒定的驅動速度。

階段1：在活塞未相對于氣缸部分運動之前，絕對速度va等于牽連速度ve。

(2)

理想情況下，活塞可看作一個二力桿。

活塞受力分析如圖4所示

圖4 活塞受力分析圖

F=Ff

(3)

式中：Ff為氣缸和活塞桿之間的靜摩擦力。

動系以恒定速度向右運動擠壓彈簧，兩側伸縮量開始不等，彈簧力發生變化。

因此，設向右位移量為x時，動系受力分析如圖5所示。

圖5 動系向右移動x時受力分析圖

動系運動方程為:

F-k[(x0-x1+x)-x0]-k[x0-(x0-x2-x)]=0

(4)

x1=x2

化簡式(4)，得：

F=2kx

(5)

F=Ff=2kx

(6)

式(6)滿足：

|xf|≤xmax

|Ff|≤Ff,max

式中：Ff,max為最大靜摩擦力；xmax為彈簧向右移動最大位移增量。

動系右端彈簧彈簧不斷向右壓縮，左端彈簧不斷向右拉伸，直到活塞與氣缸之間的靜摩擦力小于彈簧力，使得活塞與氣缸發生相對運動。

相對運動臨界條件為|Ff|=Ff,max、|xf|=xmax。

階段2：活塞相對于氣缸部分運動，活塞與氣缸之間的摩擦力由靜摩擦變成滑動摩擦。

(7)

(8)

f=-ksvr

(9)

f與物體相對于接觸面的滑動速度有關，這種關系比較復雜。但在一定速度范圍內，f一般隨速度的增大而略有減小。

最大靜摩擦變成滑動摩擦，摩擦力數值減小,變力F也減小；動系平衡狀態破壞，動系牽連速度逐漸變小最后減為零；相對速度逐漸變大，最后等于絕對速度。在這一運動過程中，以上三個速度要滿足式(1)關系。系統趨于穩定后:

(10)

(11)

式中：x′為活塞相對氣缸勻速運動時，彈簧向右位移增量。

活塞相對動系的速度等于絕對速度。因絕對速度保持不變，相對速度也是勻速。在活塞桿相對氣缸勻速運動狀態下，變力F的大小等于該恒速下活塞桿與氣缸之間的摩擦力。變力F的大小可由連接活塞和電動缸推桿之間的力傳感器測得。氣缸在平衡狀態下的摩擦力即為在相對勻速運動階段所測量變力F的值。

3 測試系統軟件設計

為實現測試系統的自動化測試，需要設計對應的測試軟件。本系統軟件采用NI公司圖形化編程工具LabVIEW開發，用于本系統的數據采集、數據顯示及測量分析。以NI公司設計的控制器進行控制指令和反饋指令的算法設計。

該測試系統具有參數設置、數據采集及數據處理三大功能。

參數設置模塊主要包括采集卡通道設定、傳感器標定、濾波參數設定等功能。測試者可根據自己的需求設定適合的濾波參數，以滿足預設效果；數據處理模塊具有數據儲存、分析及打印數據測試報表的功能，有效保證了數據的完整性及實時性，同時提高了測試結果的準確性。

測試軟件的核心部分為數據采集及實時處理模塊。由于測試過程中各種干擾因素會影響測試數據的準確性，該模塊對采集的數據進行中值和低通濾波處理，實現數據的實時采集、顯示及數據間的轉換與濾波功能。

為了滿足操作的實時性，實現電動缸自動控制及接收到操作信息的提示，工控機平臺生成控制指令，控制整個測試系統，根據測試的需要選用指定信號，并利用模擬輸入通道采集摩擦力測試數據；然后，利用軟件對數據進行分析、處理、回放顯示、存儲及打印。

摩擦力測試系統軟件功能如圖6所示。

圖6 摩擦力測試系統軟件功能

測試軟件程序流程如圖7所示。

圖7 測試軟件程序流程圖

首先，測試者安裝好測試臺并接好控制線圈輸入信號線，打開接口箱的電源總開關，啟動測試軟件；選擇測試項目，在子程序面板上設置初始參數及操作者信息。開始測試后，輸入/輸出信號實時顯示在界面上，測試曲線和測試數據被存入報表中，供后續讀取和處理。完成測試后自動進行參數計算，生成和打印測試報表。該軟件可實時監測進度，可通過急停開關切斷系統電源。

4 測試數據處理及分析

通過試驗測試所得數據經處理后，結果如圖8所示。

圖8 數據處理結果

圖8 的曲線表示摩擦力的變化。理想情況下，活塞是二力桿，桿兩端力相等，摩擦力等于變力F，通過力傳感器測量得出的數值，即表示力傳感器的數值變化。從0時刻啟動電動缸，經過0.2 s后以恒速輸出，壓力傳感器的值在0～0.2 s保持不變。由于安裝時造成滑塊兩邊的彈簧壓縮或者拉伸是動系一開始存在一個彈簧力，A到B階段為動系復位階段，B點動系受到的彈簧力為零，拉力傳感器的值也為零。B到C階段曲線表示動系向右移且活塞桿相對氣缸靜止階段的靜摩擦力。靜摩擦力滿足式(5)，所以曲線呈線性。

C點表示靜摩擦力達到最大靜摩擦力。C-D階段的曲線為靜摩擦力向動摩擦力轉變的過程，在此期間，相對速度越來越大，動摩擦因數f變小，動摩擦力根據式(9)可知逐漸變小。D-E階段的曲線為相對速度最后趨于穩定，等于電動缸驅動速度。此階段測得動摩擦力即為該速度下的摩擦力值。E-F階段表示活塞已經達到極限位置，電動缸推桿繼續運動，推動氣缸及滑塊繼續向右運動，左側彈簧不斷拉伸，右側彈簧不斷壓縮，力傳感器測的力為彈簧復合力。F-J階段電動缸換向向左勻速運動，活塞相對氣缸無相對運動，牽連速度等于絕對速度，動系向左勻速運動。J點處摩擦力達到最大活塞與氣缸之間的最大靜摩擦，J-H階段與C-D階段相同，表示從靜摩擦變成動摩擦后趨于穩定。

D-E階段與H-J階段相同。該階段所測摩擦力即本文所要測量的在穩定速度下的動摩擦力。D、E與H、I階段測得數值都在1.2左右，證明系統具有很好的一致性，該測試方法合理可靠。I-G-K階段，電動缸接收停止指令信號，并恢復到初始位置處。

在測試系統中，測試數據的采集由傳感器、信號調理模塊、數據采集卡及計算機等組成。測試系統中的每個環節都會引入不同性質的累積誤差。氣缸摩擦力測試系統采用NI公司的PXI-6229數據采集卡，基本參數為32SI或16DI模擬輸入，分辨率16 bit，最大采樣速率250 Hz，精度3.1 mV。系統采用的拉壓力傳感器量程為5 kg，測量精度優于0.1%，非線性誤差小于0.1%FS，滯后誤差小于0.1%FS。系統傳動機構的間隙、運動部件的摩擦、彈性元件滯后等因素引起的誤差小于1%，系統的總誤差為各個串聯環節的乘積，因此系統的總誤差遠小于1%。由此可知，系統測試精度可靠，能夠保證測試結果的準確性以及系統的測試精度。

5 結論

本文介紹了一種基于LabVIEW的氣缸摩擦力測試系統，對系統的組成、測試臺設計、測試方法、軟件設計進行了說明。該測試系統的優點為：在電動缸勻速驅動氣缸活塞桿運動的狀態下，通過分析系統的運動過程，基于LabVIEW圖形化編程語言,實現了氣缸摩擦力測試系統的設計，并通過結果曲線得出該速度下氣缸摩擦力的測試方法。試驗證明，該測試方法合理，能進行穩定、可靠的測試。

測試流程清晰，操作簡單，自動化程度高。系統可自動完成測試操作并進行數據采集、濾波處理、儲存等。采用高精度的傳感設備與采集設備，提高了摩擦力測試系統的測試精度，減少了人工誤差；同時，對所收集的信號進行濾波處理，極大地削減了干擾信號的影響。

由于電動缸所提供的的動力源較為單一，無法進行多種工況下的氣缸摩擦力的測試且未考慮氣缸腔內壓縮空氣的影響，需在接下來的測試系統設計中進行更為深入的研究。