基于LabVIEW的電液伺服加載試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯 偉，辛慧娟，張 慧，劉凱強(qiáng)，寧朝陽(yáng)

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

電液伺服加載系統(tǒng)[1-2]是一種常用的載荷加載設(shè)備，它可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)力或扭矩等的加載，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、輸出功率大等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)測(cè)試、材料測(cè)試、汽車零部件試驗(yàn)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)等測(cè)試試驗(yàn)中。電液伺服加載測(cè)控系統(tǒng)作為電液伺服系統(tǒng)的控制核心，其主要作用是控制液壓系統(tǒng)精準(zhǔn)施加載荷[3]。

本文針對(duì)轉(zhuǎn)軸類零件的扭矩加載電液伺服系統(tǒng)，以LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)[4-5]，結(jié)合NI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和各種傳感器，設(shè)計(jì)了一套電液伺服加載試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)扭矩自動(dòng)加載、試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示和記錄保存。該系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、擴(kuò)展型好、可維護(hù)性好等特點(diǎn)。

1 扭矩加載試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)軸類零件或裝置在使用前通常需要進(jìn)行扭矩加載試驗(yàn)，檢驗(yàn)轉(zhuǎn)軸的性能，以確保其使用的安全性，通常采用扭矩加載設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)。扭矩加載電液伺服試驗(yàn)臺(tái)主要由液壓部分、機(jī)械部分和控制部分組成，如圖1所示[6]。液壓部分的主要功能是為機(jī)械部分提供油源動(dòng)力。機(jī)械部分以液壓馬達(dá)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，液壓馬達(dá)電液伺服閥的控制下，在對(duì)安裝與其中的被測(cè)試零件施加扭矩載荷。控制部分由計(jì)算機(jī)控制數(shù)據(jù)采集卡輸出模擬信號(hào)，以調(diào)節(jié)電液伺服閥開(kāi)口大小，控制液壓馬達(dá)輸出力矩，與此同時(shí)采集扭矩傳感器反饋信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)不同扭矩輸出；另外，采集光電編碼器信號(hào)用于測(cè)量扭矩加載時(shí)轉(zhuǎn)軸類零件的扭轉(zhuǎn)形變情況[7-8]。

2 基于LabVIEW的測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控系統(tǒng)硬件總體方案

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)的硬件部分主要由工業(yè)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、扭矩傳感器、光電編碼器等組成，如圖2所示。光電編碼器的作用是測(cè)量轉(zhuǎn)軸兩端的旋轉(zhuǎn)角位移，計(jì)算轉(zhuǎn)軸零件在承受載荷時(shí)的形變量；扭矩傳感器的作用是測(cè)量轉(zhuǎn)軸兩端的扭轉(zhuǎn)力矩，它既是扭矩加載試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也是測(cè)控系統(tǒng)控制施加扭矩時(shí)的反饋信號(hào)；數(shù)據(jù)采集卡采集光電編碼器和扭矩傳感器的信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示與存儲(chǔ)，計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡輸出信號(hào)，控制電液伺服閥開(kāi)口，進(jìn)而控制液壓馬達(dá)輸出力矩[9]。

圖1 扭矩加載試驗(yàn)臺(tái)

圖2 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖

2.2 工業(yè)計(jì)算機(jī)

本文采用友通公司的EC531型工業(yè)計(jì)算機(jī)，如圖3所示。該計(jì)算機(jī)采用了第4代Intel Core處理器，支持內(nèi)存大小16G，具有3個(gè)PCI接口，運(yùn)作溫度為0～45 ℃，滿足系統(tǒng)使用和硬件擴(kuò)展需求。

圖3 EC531型工業(yè)計(jì)算機(jī)

2.3 數(shù)據(jù)采集卡

本文采用美國(guó)NI公司的PCI6221型多功能數(shù)據(jù)采集卡，如圖4所示。該板卡通過(guò)PCI總線與計(jì)算機(jī)相連，既能輸入輸出模擬信號(hào)，又能輸入輸出數(shù)字信號(hào)，具有16通道16位模擬輸入(AI)，最大采樣率250 kS/s，輸入電壓范圍為±10 V，可采集扭矩傳感器信號(hào)，具有2通道16位模擬輸出(AO)，最大采樣率833 kS/s，輸出電壓范圍為±10 V，可控制伺服閥，具有2個(gè)16位計(jì)數(shù)器(Counter)，可采集轉(zhuǎn)角信號(hào)，滿足測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

圖4 NI PCI6221數(shù)據(jù)采集卡

2.4 扭矩傳感器

本文采用德國(guó)HBM公司的T22型扭矩傳感器，如圖5所示。基于應(yīng)變的 T22 扭矩傳感器采用非接觸式傳輸技術(shù)，量程從 0～0.5 N·m 最大到 0～1 kN·m，精度等級(jí)0.5，它可以直接連接11.5 V到30 V DC電源，輸出模擬信號(hào)范圍為±5V和10±8 mA。T22扭矩傳感器可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)實(shí)，適合旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)和靜態(tài)扭矩測(cè)量，可非常簡(jiǎn)單地連接到可編程邏輯控制器(PLC)，廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室、測(cè)試臺(tái)、教學(xué)、生產(chǎn)和過(guò)程控制。

圖5 T22型扭矩傳感器

2.5 光電編碼器

光電編碼器是光柵式傳感器，在圓分度和角位移連續(xù)測(cè)量方面有很高的精度，分辨率高，量程大，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。光柵式傳感器在幾何量測(cè)量領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，與長(zhǎng)度和角度測(cè)量有關(guān)的精密儀器都經(jīng)常使用光柵式傳感器。本文采用德國(guó)海德漢公司的ERN120型5000線光電編碼器，如圖6所示。該編碼器自帶正弦掃描信號(hào)的數(shù)字化電路，輸出5V方波信號(hào)TTL，增量信號(hào)由兩路相位差90°的方波脈沖進(jìn)行傳輸，4倍頻后測(cè)量步距可達(dá)0.018°。

圖6 ERN120型光電編碼器

3 基于LabVIEW的測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)控系統(tǒng)軟件流程圖

測(cè)控系統(tǒng)軟件采用字符串狀態(tài)機(jī)程序架構(gòu)，主要由條件結(jié)構(gòu)和一個(gè)While循環(huán)組成，根據(jù)字符串內(nèi)容由條件結(jié)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)。測(cè)控系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。程序啟動(dòng)后，首先初始化設(shè)備和參數(shù)，然后進(jìn)行載荷設(shè)置，主要設(shè)置扭矩加載的波形參數(shù)(如波形、幅值、相位、頻率、偏移量等)以及采樣信息；設(shè)置完畢后啟動(dòng)試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)板卡發(fā)送控制信號(hào)控制電液伺服閥，同時(shí)采集傳感器信號(hào)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)用曲線顯示，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)保存記錄；當(dāng)按下“EXIT”按鈕時(shí)，復(fù)位數(shù)據(jù)采集卡并退出程序[10-12]。

3.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)置

硬件驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用軟件對(duì)硬件的編程接口，它包含著特定硬件可以接受的操作命令，完成與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞。依靠硬件驅(qū)動(dòng)程序可以大大簡(jiǎn)化LabVIEW編程工作，提高開(kāi)發(fā)效率，降低開(kāi)發(fā)成本。本套系統(tǒng)使用軟件LabVIEW2011和NI-DAQmx。

數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動(dòng)分為內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)和外掛式驅(qū)動(dòng)，本系統(tǒng)采用NI公司推出的板卡，可以使用LabVIEW內(nèi)部的DAQ 庫(kù)直接對(duì)端口進(jìn)行操作，即內(nèi)置式驅(qū)動(dòng)。

扭矩傳感器信號(hào)采用PCI6221的AI通道進(jìn)行采集，采集設(shè)置如圖8所示。兩路傳感器分別采用AI0和AI1通道進(jìn)行采集，根據(jù)T22扭矩傳感器的輸出電壓，設(shè)置程序采集電壓范圍為±5 V，采樣率為1 kHz。

光電編碼器信號(hào)采用PCI6221的計(jì)數(shù)器通道進(jìn)行采集，采集設(shè)置如圖9所示。兩路光電編碼器分別采用CTR0和CTR1進(jìn)行采集，根據(jù)ERN120型光電編碼器的光柵尺刻線數(shù)量，設(shè)置程序每轉(zhuǎn)一周為5 000個(gè)脈沖，設(shè)置解碼類型為X4，即4倍頻解碼，可實(shí)現(xiàn)最小步距角為0.018°的旋轉(zhuǎn)角度測(cè)量[13-14]。

圖7 測(cè)控系統(tǒng)軟件流程圖

圖8 AI通道任務(wù)設(shè)置

圖9 計(jì)數(shù)器任務(wù)設(shè)置

控制信號(hào)采用PCI6221的AO通道進(jìn)行發(fā)送，采集設(shè)置如圖10所示。兩路控制信號(hào)分別采用AO0和AO1通道進(jìn)行傳輸，根據(jù)電磁閥控制電壓的范圍，設(shè)置程序輸出電壓范圍為±5V，采樣率為1kHz。

圖10 AO通道任務(wù)設(shè)置

任務(wù)設(shè)置完成后，在測(cè)控軟件的程序框圖選擇相應(yīng)任務(wù)進(jìn)行讀取和寫(xiě)入操作，實(shí)現(xiàn)測(cè)量信號(hào)的采集與控制信號(hào)的發(fā)送。

3.3 測(cè)控系統(tǒng)軟件界面與代碼

測(cè)控系統(tǒng)軟件界面如圖11所示。軟件界面中可以清晰展示載荷設(shè)置的參數(shù)，如信號(hào)類型、頻率、相位、幅值等，右上角的波形控件展示了載荷設(shè)置波形曲線，界面下方顯示了試驗(yàn)過(guò)程中采集的轉(zhuǎn)角變化曲線和扭矩變化曲線。

測(cè)控系統(tǒng)軟件程序框圖如圖12所示，狀態(tài)機(jī)主要分為初始化、載荷設(shè)置、自動(dòng)加載試驗(yàn)、保存數(shù)據(jù)和退出五個(gè)狀態(tài)。運(yùn)行程序后，進(jìn)入“初始化”狀態(tài)；如圖12(a)所示，在“初始化”狀態(tài)對(duì)軟件前面板顯示控件進(jìn)行清空，然后進(jìn)入“載荷設(shè)置”狀態(tài)，如圖12(b)所示；在圖11中的“載荷設(shè)置”區(qū)域選擇波形和調(diào)節(jié)參數(shù)，可在“載荷波形”控件中觀察試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)加載的扭矩載荷曲線，按下界面右上角的“啟動(dòng)試驗(yàn)”按鈕后，進(jìn)入“自動(dòng)加載試驗(yàn)”狀態(tài)；如圖12(c)所示，“自動(dòng)加載試驗(yàn)”狀態(tài)中，按照扭矩載荷曲線，輸出2路AO控制信號(hào)，同時(shí)采集2路AI扭矩傳感器和2路光電編碼器，獲得角位移并計(jì)算轉(zhuǎn)角差，顯示在界面下方的曲線控件中；試驗(yàn)完畢后進(jìn)入“保存數(shù)據(jù)”狀態(tài)，如圖12(d)所示，將試驗(yàn)中采集的扭矩和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)存入D盤(pán)電子表格中；加載試驗(yàn)可以重復(fù)進(jìn)行，當(dāng)按下界面右上角的“退出”按鈕后，進(jìn)入“退出”狀態(tài)，如圖12(e)所示，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)備復(fù)位，并退出程序。

圖11 測(cè)控系統(tǒng)軟件界面

圖12 測(cè)控系統(tǒng)軟件程序框圖

4 總 結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的電液伺服加載試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)[15]。該系統(tǒng)采用NI PCI6221多功能數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合各種傳感器和工業(yè)計(jì)算機(jī)，搭建測(cè)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)；以美國(guó)國(guó)家儀器公司的LabVIEW為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并編寫(xiě)了基于狀態(tài)機(jī)程序架構(gòu)的測(cè)控系統(tǒng)軟件，設(shè)計(jì)了友好的用戶交互界面，能夠完成轉(zhuǎn)軸類零件的扭矩自動(dòng)加載試驗(yàn)，并進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示和記錄保存。該系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短，操作簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，擴(kuò)展型好，可維護(hù)性好，便于應(yīng)用推廣[16]。