虛擬攝譜儀的機械傳動試驗臺測控系統(tǒng)

1 測控系統(tǒng)設計

1.1測控系統(tǒng)性能要求

改造后的系統(tǒng),應具有以下功能:被試件的輸入、輸出的轉矩和轉速測量;溫升測量;振動測量;給被試件施加的轉速與轉矩的控制?？梢赃M行加速、減速性能試驗,加載、卸載性能試驗,正常運行性能測試和疲勞試驗等。在測量數(shù)據(jù)的基礎上,得出轉矩-效率曲線;轉矩-溫升曲線,疲勞性能曲線等。并對測試結果進行顯示、存儲、打印等。

1.2測控系統(tǒng)方案制定

在原系統(tǒng)中,轉矩儀的作用是采集和處理數(shù)據(jù),在改造中,所有傳感器信號采集的任務將由數(shù)據(jù)采集卡完成,數(shù)據(jù)處理的工作由軟件完成,去掉中間環(huán)節(jié)的轉矩儀,扭矩傳感器的輸出信號直接進入數(shù)據(jù)采集卡,用軟件求出轉矩、轉速,進一步得出被試件的效率;溫度傳感器、振動傳感器的信號經(jīng)調理后進入數(shù)據(jù)采集卡。

該系統(tǒng)輸入信號,每個轉矩傳感器輸出信號為兩路正弦波,共有4路信號,為了保證測量精度,該信號需要較高的采樣頻率。要測量試件的溫度和室溫,有兩路輸入信號,振動傳感器有1路輸入信號,轉矩和轉速的控制需要兩路輸出。因此選用NI公司生產(chǎn)的PCI—6024E數(shù)據(jù)采集卡,該卡有16路12位單端模擬輸入,2路12位模擬輸出;8路數(shù)字I/O口;兩路24位定時器與計數(shù)器為一體。該采集卡溫漂小、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強;測量結果精確;該采集卡的端口和采樣頻率都能滿足試驗臺測控系統(tǒng)的要求,而且還有一定的后續(xù)開發(fā)潛力。

1.3測控系統(tǒng)組成

系統(tǒng)硬件由主控計算機、JC轉矩傳感器、溫度測量元件、振動測量元件、扭矩轉速控制電路。

2 測控系統(tǒng)軟件設計

采用NI的Labview軟件作為開發(fā)平臺,該軟件數(shù)據(jù)采集和處理能力強,可以能降低測控系統(tǒng)程序開發(fā)的難度,縮短開發(fā)周期,提高測控系統(tǒng)的可靠性。

該測控系統(tǒng)的主要功能:①采集試驗臺各個參數(shù);②試驗臺轉速扭矩控制模塊;③報警模塊;④數(shù)據(jù)存儲、報表生成、曲線繪制、打印輸出。對于這樣一個實時多任務系統(tǒng)的測控系統(tǒng),在軟件開發(fā)過程中充分利用LabVIEW圖形化的特點,將應用程序劃分為:參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、控制模塊、報警模塊、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理等模塊。

2.1開機動畫模塊

為了提供一個友好美觀的界面,程序中使用了ActiveX技術,將一個Shockwave Flash時鐘動畫文件加載在主程序界面中。

2.2參數(shù)設置模塊

試驗前,操作人員應先點擊主界面菜單欄的“配置”,在彈出的初始參數(shù)設置面板中輸入相關信息,如:試驗名稱、試驗人員、被試件的型號、測量參數(shù)的報警限制等,這參數(shù)在生成報表時將會用到。

2.3數(shù)據(jù)采集模塊

本模塊主要完成對轉速、轉矩、油溫、振動參數(shù)的測量。以下主要對轉矩、轉速信號的采集與處理進行介紹。

由于原測控系統(tǒng)中采用了轉矩儀對信號進行采集和處理,轉矩儀將處理后的轉矩和轉速信號通過串行口傳給上位機。在系統(tǒng)改造時,必須考慮轉矩轉速傳感器的工作原理和轉矩信號的特征,才能夠進行正確的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。

該傳感器的測量原理如下,在彈性軸兩端安裝一對齒輪,齒數(shù)為z,齒距為l。在齒輪的外緣處將兩個感應線圈固定在機架上,當齒輪隨著彈性軸以轉數(shù)n轉動時,齒輪的齒頂及齒谷交替周期性的掃過感應線圈,使磁阻發(fā)生交替變化,在感應線圈上產(chǎn)生正弦信號,信號角頻率ω0=πnz/30。由于兩齒輪的齒數(shù)、模數(shù)相同,因此兩路交流信號周期相同。當給彈性扭軸施加轉矩時,軸產(chǎn)生扭轉變形,使兩組正弦信號之間的相位差發(fā)生變化。在彈性變形范圍內(nèi),軸在轉矩T的作用下,扭轉角<=lGJnT。其中,Jn為斷面的極慣性矩,G為材料的剪切彈性模型?？梢钥闯?彈性軸的轉矩角只與轉矩有關,測出相位差即可計算出轉矩,其測量方法通常有3種。

(1)相關法:從理論上知道,采用數(shù)字相關法可以有效地抑制噪聲干擾;但該方法適合于標準的正弦信號或余弦信號,對一般周期信號無法測量。

(2)FFT譜分析法:可以對任意周期信號進行處理,可以消除噪聲的影響;但是FFT必須知道基波頻率,并要求較多的采樣數(shù)據(jù)。

(3)用“Extract Single T one Information”函數(shù)法:由于LabVIEW對該函數(shù)進行了加密,無法得知其數(shù)據(jù)處理的原理。但是大量實驗數(shù)據(jù)表明該方法數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、精度均是最好的,故采用該法測量相位差。

2.4控制模塊

傳動機械試驗臺的加載設備的發(fā)電機,因此轉速轉矩控制也就是對發(fā)電機的控制。試驗臺上發(fā)電機為并勵電機,由公式T=CT

2.5報警模塊

報警模塊主要用于防止事故發(fā)生。試驗過程中的報警參數(shù)有輸入轉速、輸入轉矩、輸出轉速、輸出轉矩、機油溫度等,操作人員可以在試驗前設定各報警參數(shù)的上下限。試驗開始后,每采集一次數(shù)據(jù),系統(tǒng)就將它們與報警設定值相比較,一旦超過報警限制,操作界面上相應的報警燈變?yōu)榧t色,并且發(fā)出聲音報警,提示操作人員進行處理。應用LabVIEW的用戶事件控件設計了溫度報警程序。

2.6數(shù)據(jù)記錄模塊

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄的方式是,用戶首先設計記錄間隔時間后,自動記錄數(shù)據(jù)。并應用第三方軟件OpenG的LabSQL進行數(shù)據(jù)庫訪問。在記錄數(shù)據(jù)之前,先通過報表程序生成數(shù)據(jù)報表的表頭,將初始參數(shù)設置時的試驗名稱、被試機型號、試驗人員以及所需測量的各參數(shù)名稱都保存在表頭中。在數(shù)據(jù)記錄時,再將每次記錄的時間和數(shù)據(jù)添加到表格中。

2.7數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)記錄包括轉速、轉矩、室溫、油溫等參數(shù),這些參數(shù)都保存在數(shù)據(jù)庫中。試驗中,對試驗數(shù)據(jù)進行處理主要是各個曲線的擬合。選擇需要處理的數(shù)據(jù)文件,通過“報表打印”、“曲線打印”即可成對所選數(shù)據(jù)進行曲線擬合并打印輸出。

2.8遠程監(jiān)控模塊

按設計要求,本系統(tǒng)進行疲勞試驗時,最好實現(xiàn)遠程監(jiān)控。LabVIEW中實現(xiàn)遠程面板鏈接僅需要兩個非常簡單的步驟。

(1)在服務器端配置并啟動LabVIEW Web服務器。
(2)在客戶端通過網(wǎng)頁或LabVIEW Run-time引擎連接遠程面板。

在遠程監(jiān)控模塊中,用戶可以監(jiān)測試驗臺行情況,并且在突發(fā)事件時可以通過控制“暫停/恢復”按鈕,急停試驗臺。

3 結論

采用虛擬攝譜儀對機械產(chǎn)品傳遞試驗臺測控系統(tǒng)進行改造,能夠節(jié)約投資,提高試驗臺的性能,是行之有效的方法。對于其他舊設備測控系統(tǒng)改造,具有借鑒意義。

開發(fā)的機械傳動試驗測控系統(tǒng),具有友好的人機界面、操作簡單、功能完善,實現(xiàn)了測量、控制、記錄、數(shù)據(jù)處理的全自動化。

LabVIEW軟件具有很強的數(shù)據(jù)處理功能,用Lab2VIEW軟件作為開發(fā)平臺,開發(fā)測控系統(tǒng),特別是數(shù)據(jù)處理比較復雜的測控系統(tǒng),如頻譜分析,求相位差等,具有很明顯的優(yōu)越性。

采用“以軟代硬”的方法,不但可以節(jié)約成本,還可以提高系統(tǒng)的可靠性。

改造后的機械產(chǎn)品試驗臺,提高了測試精度,增強了性能,具有較大的推廣價值。