基于LabVIEW開發(fā)的汽車底盤零部件臺(tái)架耐久試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)

趙張鋒，徐剛

(同濟(jì)大學(xué)，上海 201800)

0 引言

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，同時(shí)全球汽車市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，各大主機(jī)廠為了不斷提升各自產(chǎn)品的銷量和自身品牌市場(chǎng)的形象，對(duì)產(chǎn)品自身質(zhì)量的提升越來越關(guān)注。其中零部件的疲勞耐久性能的驗(yàn)證便是產(chǎn)品質(zhì)量提升的一大基礎(chǔ)要素之一。

零部件臺(tái)架耐久試驗(yàn)的驗(yàn)證質(zhì)量不僅僅取決于試驗(yàn)載荷的大小，試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、耐久過程中的監(jiān)控也尤為重要，可以說疲勞試驗(yàn)的關(guān)鍵就在于能及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂紋。而目前大多數(shù)疲勞試驗(yàn)的檢查方法都還是依靠目視進(jìn)行，這樣必然會(huì)帶來較大的偶然性和隨機(jī)性[1]。另外零件在耐久過程中發(fā)生了什么變化，試驗(yàn)過程中是否有異常現(xiàn)象的發(fā)生也都是耐久過程中需要關(guān)注的問題。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

(1)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可以對(duì)試驗(yàn)過程中的載荷或者位移范圍(Range)進(jìn)行監(jiān)控，Range=Peak-Valley；

(2)隨著耐久試驗(yàn)的進(jìn)行，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)曲線可視化，并要實(shí)現(xiàn)可設(shè)定時(shí)的曲線更新；

(3)根據(jù)試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)的不同，要實(shí)現(xiàn)對(duì)位移以及載荷信號(hào)的監(jiān)控；

(4)根據(jù)試驗(yàn)通道的多少，要實(shí)現(xiàn)不同通道的顯示，并能在相關(guān)參數(shù)位置一一對(duì)應(yīng)，以提高軟件界面的高效性；

(5)要可以設(shè)置上下限保護(hù)和試驗(yàn)參考曲線，并要實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)超限觸發(fā)保護(hù)后對(duì)應(yīng)通道可以報(bào)警，另外要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備站臺(tái)的觸發(fā)停止功能；

(6)耐久試驗(yàn)過程很長(zhǎng)，中間會(huì)遇到很多不同的情況，為提高數(shù)據(jù)曲線的可讀性，需要有數(shù)據(jù)的濾除功能；

(7)整個(gè)軟件在功能設(shè)計(jì)完成后需要實(shí)現(xiàn)界面化，并能實(shí)現(xiàn)以安裝包的形式在任何計(jì)算機(jī)的環(huán)境下進(jìn)行安裝使用；

(8)以上設(shè)計(jì)目標(biāo)都基于MTS793 MPT相關(guān)模塊基本功能。

2 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 編譯軟件的選擇

結(jié)合以上的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要選擇一款可以快速、高效的程序編譯軟件進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

作為實(shí)驗(yàn)室著名的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，LabVIEW軟件在信號(hào)發(fā)生、分析、處理及顯示上具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，并且該軟件采用圖形模式的結(jié)構(gòu)框圖構(gòu)建程序代碼，在程序編寫時(shí)基本不需要進(jìn)行程序代碼的編寫，只要通過各模塊圖標(biāo)和連線的組合實(shí)現(xiàn)流程功能。對(duì)初學(xué)者來說極易上手，可以大大提升工作效率。

另外LabVIEW提供了與其他語(yǔ)言及軟件的相關(guān)接口功能，LabVIEW可以通過這些接口，在LabVIEW環(huán)境下調(diào)用這些語(yǔ)言進(jìn)行編程，從而實(shí)現(xiàn)各軟件間的功能互通[2]，故文中的系統(tǒng)開發(fā)研究采用LabVIEW作為開發(fā)軟件。

2.2 各功能的實(shí)現(xiàn)

(1)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集與解析

通過MTS793站臺(tái)MPT疲勞模塊的功能[3]，將耐久過程數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并保存至指定試驗(yàn)文件夾下。其中信號(hào)的通道包括，試驗(yàn)時(shí)間、次數(shù)、位移及載荷數(shù)據(jù)(Peak-Valley)。

針對(duì)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的特征，通過LabVIEW軟件各模塊功能，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取出相關(guān)信息，其中包括各通道名稱及試驗(yàn)次數(shù)(Cycle)、對(duì)應(yīng)通道位移Range及載荷Range，該功能作為子程序“Read Data”待用。

(2)數(shù)據(jù)的可視化及保護(hù)設(shè)置

利用LabVIEW中X-Y曲線顯示功能對(duì)解析后的數(shù)據(jù)及信息進(jìn)行可視化顯示，橫坐標(biāo)為循環(huán)次數(shù)(Cycle)，縱坐標(biāo)為位移或者載荷。不同信號(hào)通道可以根據(jù)下拉菜單的選擇來定義條件結(jié)構(gòu)的執(zhí)行程序，從而可以改變?cè)赬Y顯示圖中的顯示曲線。

通過創(chuàng)建數(shù)組功能，增加通道上下限值及參考值設(shè)置功能。通過條件結(jié)構(gòu)及邏輯判斷，對(duì)解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判定。如數(shù)據(jù)超出設(shè)置的限值則對(duì)應(yīng)通道高亮顯示紅色，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。

(3)數(shù)據(jù)濾除處理及數(shù)據(jù)更新時(shí)間設(shè)置

由于耐久時(shí)間較長(zhǎng)，中間試驗(yàn)的暫停檢查及設(shè)備自身采集的數(shù)據(jù)偶爾的紊亂都會(huì)影響曲線的顯示。為了提高曲線的可讀性，需要濾除干擾數(shù)據(jù)。主要通過條件結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)組合成的邏輯判斷，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，篩除設(shè)置值以下或以上數(shù)據(jù)。通過對(duì)主程序循環(huán)結(jié)構(gòu)中增加等待框圖，則能實(shí)現(xiàn)曲線定時(shí)更新的功能，該功能主要解決內(nèi)存占用較大問題，同時(shí)可以根據(jù)試驗(yàn)需求自行設(shè)置更新時(shí)間。

(4)觸發(fā)保護(hù)后停止站臺(tái)功能

報(bào)警燈紅色高亮后并不能實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備站臺(tái)的觸發(fā)停止，故需要通過LabVIEW與站臺(tái)接口文件進(jìn)行信號(hào)的觸發(fā)保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)當(dāng)報(bào)警燈高亮后即觸發(fā)站臺(tái)泄壓或試驗(yàn)程序停止功能。

(5)初始化及界面優(yōu)化

通過順序結(jié)構(gòu)，在程序開始運(yùn)行時(shí)即對(duì)系統(tǒng)界面即內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，當(dāng)點(diǎn)擊運(yùn)行“Run”按鈕后才開始對(duì)試驗(yàn)曲線的顯示和更新，以及實(shí)現(xiàn)以上相關(guān)功能。

為提高系統(tǒng)界面的高效性，需要對(duì)相關(guān)設(shè)置位置顯示對(duì)應(yīng)通道名稱。可以將數(shù)據(jù)解析中的通道名稱對(duì)應(yīng)賦值給相應(yīng)通道的設(shè)置參數(shù)和顯示曲線的標(biāo)簽值，以提高試驗(yàn)工程師對(duì)數(shù)據(jù)的觀察效率。

2.3 軟件的打包與安裝

監(jiān)控系統(tǒng)編制及調(diào)試完成后，可以通過LabVIEW打包功能將主程序及相關(guān)子程序進(jìn)行打包，生產(chǎn)Setup安裝包，并在試驗(yàn)站臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行安裝，提示安裝成功后便可以使用，如圖1所示。

圖1 軟件界面

3 監(jiān)控系統(tǒng)的使用介紹

監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置步驟(圖2)：

圖2 操作步驟示意

(1)打開試驗(yàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)(TTMS);

(2)選擇設(shè)備采集文件，即路徑；

(3)點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕“Run”；

(4)選擇對(duì)應(yīng)監(jiān)控的試驗(yàn)站臺(tái)；

(5)切換顯示信號(hào)模式“Show Force”or“Show Dis”；

(6)根據(jù)信號(hào)當(dāng)前值設(shè)置保護(hù)上下限及參考值；

(7)設(shè)置站臺(tái)觸發(fā)保護(hù)類型“Program”or”Hydraulic”及打開Interlock狀態(tài)按鈕為“ON“狀態(tài)；

(8)設(shè)置數(shù)據(jù)更新時(shí)間；

(9)可以根據(jù)試驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)設(shè)置信號(hào)濾除范圍參數(shù)；

(10)可以根據(jù)試驗(yàn)過程修改上下限保護(hù)及參考值。

4 監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)施效果

4.1 單通道載荷控制試驗(yàn)監(jiān)控

試驗(yàn)項(xiàng)目為橡膠襯套單軸耐久試驗(yàn)，主要沿橡膠襯套徑向加載往復(fù)載荷，采集液壓缸載荷、位移及循環(huán)次數(shù)信息，并將采集文件保存在指定文件夾路徑下。

按照以上操作步驟運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，監(jiān)控曲線結(jié)果如圖3所示。

圖3 單通道載荷控制試驗(yàn)監(jiān)控曲線

該襯套試驗(yàn)后并未開裂，但出現(xiàn)較嚴(yán)重的磨損和熔膠現(xiàn)象。從監(jiān)控的過程曲線中可以看出，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，位移Range在逐漸增大，且波動(dòng)明顯。但中間段趨于平穩(wěn)，曲線較光滑。試驗(yàn)后期位移Range又開始繼續(xù)增加，波動(dòng)也比較明顯。說明隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，開始時(shí)襯套性能在衰減，中間趨于平穩(wěn)，后期衰減加劇。

4.2 雙通道位移控制試驗(yàn)監(jiān)控

試驗(yàn)項(xiàng)目為扭梁異向扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，主要沿扭梁兩端面輪心位置進(jìn)行位移加載，兩端異向加載，模擬扭梁扭轉(zhuǎn)工況。通過采集兩個(gè)液壓缸載荷、位移及循環(huán)次數(shù)信息，并將采集文件保存到指定文件夾路徑下。

按照以上操作步驟運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，監(jiān)控曲線結(jié)果如圖4所示。

圖4 雙通道試驗(yàn)監(jiān)控曲線

扭梁在197 079次時(shí)檢查發(fā)現(xiàn)中間扭桿開裂，207 111次扭桿斷裂。

從監(jiān)控曲線的趨勢(shì)上可以看出，約在19萬(wàn)次左右曲線開始拐頭向下。說明樣件開裂后，在加載位移不變的情況下，載荷逐漸減小，導(dǎo)致載荷Range同樣減小。當(dāng)超過試驗(yàn)保護(hù)下限值后，軟件亮紅燈報(bào)警，同時(shí)設(shè)備觸發(fā)保護(hù)程序停止。

5 結(jié)束語(yǔ)

在人工智能快速發(fā)展的大時(shí)代背景下，在需要建立智慧試驗(yàn)室、黑燈試驗(yàn)室大的著眼點(diǎn)指引下，如何從小處著手。試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用以及再深入的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，就是一個(gè)比較好的著手點(diǎn)。

文中通過LabVIEW軟件對(duì)汽車底盤零部件臺(tái)架耐久試驗(yàn)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，能有效監(jiān)控試驗(yàn)過程中的變化趨勢(shì)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)過程中的問題，并及時(shí)檢查樣件情況。同時(shí)能根據(jù)所需設(shè)置上下限保護(hù)及參考值，超限后并能實(shí)現(xiàn)與設(shè)備站臺(tái)間的觸發(fā)保護(hù)，使試驗(yàn)暫停。針對(duì)試驗(yàn)過程中的無效數(shù)據(jù)也可以根據(jù)需求進(jìn)行濾除處理，大大提升數(shù)據(jù)的可讀性，提高監(jiān)控效率。