王 權(quán)，黨 徽，郝志強(qiáng)

(1．中國(guó)食品藥品檢定研究院，北京 100050;2．北京迪美策方市場(chǎng)咨詢有限公司，北京 100080;3．北京首鋼實(shí)業(yè)有限公司，北京 100043)

1 前言

MM-1000摩擦試驗(yàn)機(jī)是國(guó)內(nèi)摩擦材料領(lǐng)域使用最為廣泛的試驗(yàn)機(jī)之一，在粉末冶金摩擦材料領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，是粉末冶金材料測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備。

MM-1000摩擦試驗(yàn)機(jī)多生產(chǎn)于20世紀(jì)七八十年代，大部分采用手動(dòng)控制，采用函數(shù)記錄儀采集部分重要參數(shù)。隨著試驗(yàn)量的不斷加大和對(duì)數(shù)據(jù)精確性要求的不斷提高，MM-1000摩擦試驗(yàn)機(jī)由于手動(dòng)操作和視覺(jué)觀察使得采集數(shù)據(jù)的精確性很低，而且耗時(shí)費(fèi)力。隨著微型計(jì)算機(jī)的應(yīng)用與普及，數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［1］的高速發(fā)展，大大提高了對(duì)各種瞬態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行研究的能力，為研制新型測(cè)試系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。

本系統(tǒng)以數(shù)據(jù)采集卡和VB6.0［2］軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為核心，輔以傳感器、繼電器、變頻調(diào)速器［3］等，MM-1000摩擦試驗(yàn)機(jī)具有自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。本文首先對(duì)總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了介紹;接著結(jié)合硬件功能描述給出了硬件的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案;然后運(yùn)用VB6.0軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫(kù)［4］介紹了軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，包括軟件的功能、實(shí)現(xiàn)算法、數(shù)據(jù)處理等;最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，試驗(yàn)機(jī)安裝測(cè)控系統(tǒng)前后試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性較好，大大提高了數(shù)據(jù)采集精度，并減少大量人力成本，設(shè)計(jì)符合要求，測(cè)控系統(tǒng)研制具備可行性和實(shí)用性。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

硬件設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)采集卡為測(cè)控系統(tǒng)核心，本系統(tǒng)選用北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的阿爾泰PCI2013數(shù)據(jù)采集卡。

軟件設(shè)計(jì)以VB 6.0為設(shè)計(jì)平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)采集后的處理，生成試驗(yàn)曲線，制作試驗(yàn)報(bào)告。通過(guò)人機(jī)交互界面，完成試驗(yàn)的條件輸入與試驗(yàn)控制。

2.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、光電開(kāi)關(guān)、變頻調(diào)速器、拉力傳感器、壓力傳感器、溫度表、繼電器、信號(hào)調(diào)理板、開(kāi)關(guān)電路板、頻率轉(zhuǎn)換模塊等組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件組成控制圖Fig.1 Control of system hardwares

系統(tǒng)控制方式。計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制離合器閉合同時(shí)發(fā)出D/A指令使變頻調(diào)速器啟動(dòng)，變頻器帶動(dòng)電機(jī)啟動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)皮帶帶動(dòng)試驗(yàn)機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸上的光電測(cè)速開(kāi)關(guān)將測(cè)量的轉(zhuǎn)速傳到計(jì)算機(jī)，達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí)，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制加壓系統(tǒng)加壓同時(shí)發(fā)出指令控制變頻調(diào)速器停止，至此完成一個(gè)閉環(huán)循環(huán)控制。在試驗(yàn)機(jī)上的壓力傳感器和拉力傳感器可以將試驗(yàn)時(shí)的壓力值和扭矩值通過(guò)信號(hào)調(diào)理板傳到數(shù)據(jù)采集卡再傳到計(jì)算機(jī)，試環(huán)上安裝的熱電偶通過(guò)溫度表將溫度值通過(guò)信號(hào)調(diào)理板傳回計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過(guò)應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理。

設(shè)備電動(dòng)機(jī)的功率7.5 kW，選用變頻調(diào)速器功率為11 kW，型號(hào)選取中源動(dòng)力G800系列，G800采用簡(jiǎn)易磁通矢量控制技術(shù)，適合各種負(fù)載驅(qū)動(dòng);具有預(yù)設(shè)頻率閃爍顯示功能，尤其在模擬量調(diào)速時(shí)，運(yùn)行前可方便設(shè)定運(yùn)行頻率。

由于計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集的信號(hào)都會(huì)有一些干擾，這些干擾會(huì)改變實(shí)際值，造成計(jì)算誤差，加裝信號(hào)調(diào)理板，可以有效防止電磁干擾，保證采集信號(hào)的準(zhǔn)確。濾波原理采用RC－π型濾波電路。

如圖2所示，RC-π型濾波電路是利用R和C對(duì)輸入回路整流后的電壓的交直流分量的不同分壓功能來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波作用的。R對(duì)交直流分量均有降壓作用，因電容C2的交流阻抗很小，這樣R與C2及RL配合以后，使交流分量較多地降在電阻R上，而較少地降在負(fù)載RL上，從而起到濾波作用。R越大，C2越大，濾波效果越好。但R不能太大，否則，UR過(guò)大造成能量無(wú)謂消耗。這種濾波電路適用于負(fù)載電流較小而又要求輸出電壓脈動(dòng)小的場(chǎng)合［4］。

圖2 RC－π型濾波電路Fig.2 RC-π type filtering circuit

根據(jù)以上的原理，選擇濾波電容C1為1 μF，C2為100 μF，電阻10 kΩ，組成濾波電路。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)要求，軟件主要完成的功能包括試驗(yàn)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速、試環(huán)溫度、扭矩、壓力的檢測(cè)，試驗(yàn)機(jī)主軸速度、離合器、壓力系統(tǒng)的控制，數(shù)據(jù)處理顯示繪制曲線圖形、打印試驗(yàn)報(bào)告等，如圖3所示。

本系統(tǒng)采用VB6.0編程語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，利用Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

試驗(yàn)過(guò)程如下，點(diǎn)擊動(dòng)摩擦試驗(yàn)按鈕，模擬量輸出時(shí)間控件Timer啟動(dòng)，其作用是等時(shí)間等量提供模擬電壓輸出，以控制變頻調(diào)速器的輸出。當(dāng)達(dá)到設(shè)定速度時(shí)，模擬量輸出Timer停止，開(kāi)始加壓剎車并采集數(shù)據(jù)，直至速度為零，停止采集，數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)，繪圖界面根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中存入的數(shù)值繪制出曲線，一個(gè)試驗(yàn)過(guò)程結(jié)束。此時(shí)檢測(cè)時(shí)間控件Timer啟動(dòng)，判斷試環(huán)體積溫度是否達(dá)到起始溫度設(shè)定值或者時(shí)間間隔倒計(jì)時(shí)為零，如果試環(huán)體積溫度小于設(shè)定溫度或者時(shí)間間隔倒計(jì)時(shí)為零，即自動(dòng)開(kāi)始下一次試驗(yàn)。軟件系統(tǒng)控制算法流程見(jiàn)圖4。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of system software

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

表1為S160003手動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，共有9組數(shù)據(jù)，其中每三條數(shù)據(jù)為一組試環(huán)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，9組數(shù)據(jù)共有三組試環(huán)參與試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

圖4 軟件系統(tǒng)控制算法流程圖Fig.4 Flow chart for control algorithm of software system

表1 S160003手動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果Table 1 S160003 manually tested data

表2為S160003自動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，共有9組數(shù)據(jù)，其中每三條數(shù)據(jù)為一組試環(huán)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，9組數(shù)據(jù)共有三組試環(huán)參與試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

表2 S160003自動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果Table 2 S160003 automatically tested data

編號(hào)為S160003安裝自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比，見(jiàn)表3。

表3 安裝自動(dòng)化測(cè)控系統(tǒng)前后的數(shù)據(jù)對(duì)比表Table 3 Contrast list of data before and after instalation of automatic testing system

綜合分析表1、表2和表3數(shù)據(jù)可明顯看出，摩擦試驗(yàn)機(jī)手動(dòng)操作下各種參數(shù)的波動(dòng)較大，自動(dòng)采集的波動(dòng)較小，提高了采集精度。數(shù)據(jù)采集從原來(lái)的采用函數(shù)記錄儀畫圖手工描點(diǎn)計(jì)算摩擦系數(shù)改成采用數(shù)據(jù)采集卡以每s采集150個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)公式自動(dòng)計(jì)算摩擦系數(shù)并繪制曲線，實(shí)時(shí)采集的壓力值、扭矩值、速度值、溫度值都保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中可以隨時(shí)查看隨時(shí)生成試驗(yàn)報(bào)告，大大提高了工作效率和采集精度，證明此次的自動(dòng)化系統(tǒng)研制是成功的。

4 結(jié)論

以數(shù)據(jù)采集卡和VB 6.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)為核心的MM-1000摩擦試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操控性能好、數(shù)據(jù)采集精度高，解決了人工手動(dòng)操作勞動(dòng)強(qiáng)度大、數(shù)據(jù)采集、計(jì)算不精確的問(wèn)題。系統(tǒng)在自動(dòng)控制、自動(dòng)采集、實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)曲線查詢、VB調(diào)用office打印試驗(yàn)報(bào)告等方面取得了很好的效果。

［1］ 馬明建，周長(zhǎng)城．?dāng)?shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］．西安:西安交通大學(xué)出版社，1999．

［2］ 仲維俊．Visual Basic 6.0完全自學(xué)手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007．

［3］ 秦曾煌．電工學(xué)下冊(cè)電子技術(shù)(第五版)［M］．北京:高等教育出版社，1999．

［4］ 占維，劉偉．Visual Basic 6.0數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)用編程100例［M］．北京:中國(guó)鐵道出版社，2004．