基于LabVIEW的裝配車體撓度無線快速測量系統

歐陽柏添 蔡家富 劉桂雄

摘 ?要：針對目前裝配車體撓度測量方法存在測量精度不高、測量實時性差、測量效率低的問題，文章提出裝配車體撓度無線快速測量系統設計。通過對ZigBee撓度測量數據無線傳輸系統進行設計，并采用ADS1115模數轉換模塊實現撓度測量數據高精度轉換，實現裝配車體撓度無線快速測量。撓度測量控制平臺基于LabVIEW進行搭建，控制撓度測量系統撓度采集數據及對撓度測量數據進行顯示。試驗表明，測量系統可實現裝配車體撓度無線快速測量，具有參考意義。

關鍵詞：裝配車體;撓度測量;ZigBee無線傳輸模塊;LabVIEW

中圖分類號：TP23 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）14-0158-04

Abstract： In view of the problem of low measurement accuracy， poor real-time measurement， and low measurement efficiency in current assembly car body deflection measurement methods， this paper studies the design of a wireless rapid measurement system for assembly car body deflection. The ZigBee deflection measurement data wireless transmission system is designed， and the ADS1115 analog-to-digital conversion module is used to realize the high-precision conversion of deflection measurement data， realizing the wireless rapid measurement of the assembly car body deflection. The deflection measurement control platform is built based on LabVIEW to control the deflection data acquisition of the deflection measurement system and display the deflection measurement data. The test shows that the measurement system can realize the wireless rapid measurement of the deflection of the assembled car body. The research has important reference value.

Keyword： assembly car body; deflection measurement; ZigBee wireless transmission module; LabVIEW

0 ?引 ?言

裝配車體撓度是軌道交通車輛一項重要結構性能指標，制造完成的車體需具有一定上撓度抵消車體實際使用過程中撓度變形[1，2]。在裝配車體制造過程中需多次對車體底架進行撓度測量，若撓度質量不合格需要對裝配車體進行一定調整。傳統裝配車體撓度測量采用基于連通管法的撓度測量裝置，測量效率較低，對裝配車體制造產生阻礙作用[3]。為解決裝配車體測量效率較低的問題，需設計一套裝配車體快速撓度測量系統，目前許多研究學者在自動化測量系統設計上做研究，解決工程實際中很多測量難題。文獻[4]（2015）針對現有有線輸電線路測量系統布線復雜、易受環境影響的問題，研究無線輸電線路測量系統，利用實現無線網橋將電壓、電流數據遠距離傳輸到中心主站。文獻[5]（2017）研究天線輻射特性測量方法，通過設計天線輻射特性自動測試系統對14種不同類型天線輻射特性進行測量，試驗表明該系統能夠快速對天線輻射特性進行測量與求解。文獻[6]（2019）研究一種無線多參數環境監測系統，系統可對多種氣體濃度進行采集，且測量數據可通過LoRa網關傳輸到手持式終端，實現對各類氣體濃度監測。文獻[7]（2020）針對傳統制動距離測量不準確的問題，研究利用高精度霍爾旋轉編碼器對電梯制動距離進行測量，設計測量系統硬件軟件實現電梯制動距離自動快速準確測量。本文對裝配車體撓度測量需求進行分析，搭建裝配車體撓度無線快速測量系統，系統采用無線傳輸的方式將撓度測量數據傳輸到上位機中，裝配車體撓度無線快速測量平臺基于LabVIEW實現，可對裝配車體撓度測量數據顯示，實現裝配車體撓度測量自動化，提高裝配車體撓度測量效率。

1 ?裝配車體撓度測量問題描述及整體方案研究

1.1 ?測量對象描述

為使裝配車體總成焊接完成后，裝配車體底架符合設計要求，需要對裝配車體底架撓度進行控制。裝配車體底架撓度控制點測量位置示意圖如圖1所示，撓度測量關鍵位置包括4個端部位置、4個枕中位置、2個車體中部位置。

在底架總組成過程中需要多次對車體撓度控制點進行撓度測量，傳統裝配車體撓度測量方法測量效率較低，影響裝配車體制造速度。因此，研制裝配車體撓度測量系統的需求有：

（1）準確測量。傳統裝配車體撓度測量采用基于連通管法的撓度測量裝置，需要技術人員對撓度測量數據進行讀取，存在讀數誤差。研制撓度測量系統需能實現裝配車體撓度準確測量。

（2）實時測量。傳統裝配車體撓度測量方法不能實現各撓度關鍵控制點撓度數據實時測量，無法觀察制造過程中裝配車體撓度變化情況。研制裝配車體撓度測量系統需能實現裝配車體撓度實時測量。

（3）自動測量。傳統裝配車體撓度測量方法每次測量都需要花費技術人員大量時間，測量效率較低。研制裝配車體撓度測量系統需能實現裝配車體撓度自動測量。

1.2 ?總體方案設計

根據上述測量需求設計裝配車體撓度無線快速測量系統，裝配車體撓度無線快速測量系統結構框圖如圖2所示。該系統主要包括LabVIEW控制顯示平臺、ZigBee數據無線傳輸系統、模數轉換系統和撓度數據非接觸測量系統。

其中各模塊系統功能如以下所示：

（1）LabVIEW控制現實平臺由上位機組成，主要用于控制撓度測量數據的采集，并將裝配車體各點撓度測量數據進行顯示;

（2）ZigBee數據無線傳輸系統由ZigBee協調器、ZigBee路由器及ZigBee終端組成，主要用于接收上位機指令，并將數據采集指令及停止指令無線傳輸到各撓度測量節點位置，實現撓度測量數據的無線傳輸;

（3）模數轉換系統由模數轉換裝置組成，主要用于對撓度測量數據模擬量進行轉換，并將撓度轉換數據發送到ZigBee數據無線傳輸系統;

（4）撓度數據非接觸測量系統由激光位移傳感器模塊、電源組成，主要用于對裝配車體各節點位置撓度進行測量。利用激光位移傳感器模塊，可實現高精度非接觸式裝配車體撓度測量。本文采用激光位移傳感器型號為HG-C 1400，能滿足裝配車體撓度測量精度。

本文軌道交通車輛裝配車體撓度調整方法以裝配車體車身為研究對象，該方法也可應用于裝配車體車頭的撓度調整中。

2 ?裝配車體撓度無線快速測量系統設計

2.1 ?ZigBee數據無線傳輸系統設計

ZigBee通信技術是一個基于IEEE802.15.4標準（2.4 GHz頻段）的低功耗局域網協議，相比Wi-Fi通信技術、藍牙通信技術、LoRa通信技術，ZigBee通信技術具有通信節點多、功耗低、支持一對多、成本低的優點，可用于裝配車體撓度無線快速測量系統中[8，9]。ZigBee網絡拓撲圖如圖3所示，本文ZigBee數據無線傳輸系統采用樹型拓撲的方式實現，所選用ZigBee模塊核心處理器為德州儀器公司開發的CC2530芯片。通過在裝配車體各撓度測量位置設置ZigBee終端，通過在上位機位置設置ZigBee協調器，設置ZigBee路由器對較遠位置撓度測量數據進行傳輸。基于ZigBee的撓度測量數據無線傳輸系統如圖4所示。

為區別裝配車體撓度測量數據傳輸節點位置同時保證撓度測量數據傳輸的有效性，終端無線傳輸的撓度測量數據設計為包含節點位置信息及CRC-16校驗碼，終端無線傳輸撓度測量數據格式如表1所示。

2.2 ?模數轉換系統設計

激光位移傳感器測量得到的數據為模擬量，為對撓度測量數據能進行無線傳輸，需要將撓度測量數據模擬量轉化為數字量。CC2530模塊內部自帶模數轉換功能最高支持12位模數轉換，不適用于撓度測量數據轉換，因此本文選用德州儀器公司開發的ADS1115模數轉換器模塊[10，11]。ADS1115模塊是一款低功耗16位4通道模數轉換模塊，可支持0～6.144 V的模擬量電壓轉換，模塊通過IIC總線與ZigBee模塊進行通訊，ADS1115通訊外圍接口如圖5所示。通過在IAR Embedded Workbench For 8051 v8.10軟件開發平臺對ZigBee終端模塊與ADS1115模數轉換器模塊通信代碼進行編寫，可實現撓度測量數據模數轉換傳遞給ZigBee終端模塊，ZigBee終端模塊與ADS1115模塊通信流程圖如圖6所示。

2.3 ?基于LabVIEW的裝配車體撓度無線測量控制平臺

在進行裝配車體撓度測量時，需要對裝配車體撓度測量數據采集進行控制，同時要求對車體撓度測量數據進行實時顯示，展示裝配車體各點撓度質量狀況給技術人員。本文裝配車體撓度無線快速測量平臺基于LabVIEW實現，圖7為裝配車體撓度無線快速測量控制平臺模塊功能結構圖。

基于LabVIEW的裝配車體撓度無線快速測量控制平臺主要劃分為以下幾個模塊：

（1）看門狗模塊。看門狗模塊主要用于對撓度測量數據采集過程進行監測，如裝配車體撓度無線測量系統長時間未傳輸撓度測量數據到上位機，則看門狗模塊自動停止對撓度測量數據的采集，并提示技術人員撓度無線測量出現故障。

（2）指令發送模塊與數據采集模塊。指令發送模塊實現上位機與ZigBee協調器模塊進行通信，發送撓度數據采集命令使ZigBee協調器模塊控制ZigBee終端模塊對撓度測量數據進行回傳，圖8為基于LabVIEW的指令發送模塊與數據采集模塊。數據采集模塊主要控制ZigBee協調器模塊將收集到的裝配車體各點撓度測量數據傳輸給上位機。

（3）數據分析與處理模塊。無線傳輸系統常因為現場突發因素造成撓度測量數據傳輸不穩定，上位機采集到的各點撓度測量數據可能出現錯誤。數據分析與處理模塊主要用于判斷采集得到的撓度測量數據是否有效，且對撓度測量數據進行辨識與轉化，獲得各點撓度測量數據。

（4）測量結果顯示與打印模塊。該模塊主要用于將裝配車體各點撓度測量數據直觀顯示給技術人員，且裝配車體各點撓度測量結果可進行測試報表打印，用于對裝配車體撓度測量結果進行記錄。

3 ?試驗與分析

本文試驗對象為軌道交通車輛裝配車體，將裝配車體撓度無線快速測量系統應用于中車廣東軌道交通車輛有限公司CRH6型裝配車體撓度測量中，裝配車體撓度測量數據可穩定快速傳輸到上位機，撓度測量數據轉換準確，裝配車體撓度快速在線測量結果界面如圖9所示。

試驗表明基于LabVIEW的裝配車體撓度無線快速測量系統可實現裝配車體撓度快速無線動態測量，通過配置裝配車體撓度無線快速測量系統，可在遠處上位機接收各點撓度測量數據，提升裝配車體撓度測量效率。

4 ?結 ?論

本文通過對目前裝配車體撓度測量方法存在問題進行分析，提出裝配車體撓度測量系統需求，并根據測量需求設計測量系統總體方案，包括LabVIEW控制顯示平臺、ZigBee數據無線傳輸系統、模數轉換系統、撓度數據非接觸測量系統。

利用ZigBee無線傳輸技術對撓度測量數據進行無線傳輸，并研究ZigBee終端模塊與ADS1115高精度模數轉換模塊通訊方式實現撓度測量數據快速無線傳輸。

基于LabVIEW開發裝配車體撓度無線測量控制平臺，可控制裝配車體撓度無線測量系統進行撓度數據采集及顯示撓度測量數據，試驗證明本文所研究系統能夠快速實現撓度測量及顯示，提高裝配車體撓度測量效率。

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作者簡介：歐陽柏添（1976—），男，漢族，廣東江門人，總工程師，高級工程師，本科，主要研究方向：計量測試。