馮江濤，郭曉松，馮永保，仝偉

(1. 第二炮兵工程大學，陜西西安710025;2. 第二炮兵駐綜合儀器儀表廠軍事代表室，河北廊坊065000)

傳統(tǒng)的起升方式多采用后鉸支點固定的結構，在某些場合為減少起升時間和空間，需要采用后鉸支點可移式的新型起升方式［1］，為更好地驗證這種起升方式，需要對其進行仿真和實驗研究。

起升結構普遍采用液壓作為驅動力，液壓傳動具有質量輕、可以實現(xiàn)無級調速等優(yōu)點，已廣泛應用于工業(yè)生產的各個領域。但是由于液壓傳動結構復雜，內部狀態(tài)難以直接觀測，對于不同的物理量需要安裝多種傳感器，單憑感官讀數(shù)誤差較大且工作繁重。虛擬儀器是一種新的儀器概念，越來越受到高校的重視，它利用模塊化的硬件和軟件，可以根據(jù)需要實現(xiàn)不同的功能，結果顯示直觀，操作簡便，工作人員只需要在電腦前面即可控制儀器動作，并能直觀地觀測各種參數(shù)的變化［2］。將虛擬儀器技術應用于液壓系統(tǒng)中可以實現(xiàn)控制和狀態(tài)的自動檢測，測量精度較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、具有強大的人機交流功能，虛擬儀器技術已成為液壓系統(tǒng)自動檢測的一個主要發(fā)展方向。

1系 統(tǒng)的工作原理

為了節(jié)省起升時間和空間，在傳統(tǒng)后鉸支點固定的起升結構的基礎上，增加了一個水平油缸，系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，在起升過程中由兩個油缸協(xié)作將負載起升到位。

圖1 系統(tǒng)示意圖

雙缸協(xié)同運作需要對運動過程進行合理的規(guī)劃，綜合考慮起升過程中的各種因素影響將系統(tǒng)起升過程的運動規(guī)劃為:當起升角度θ ＜10°時，由起升油缸單獨運動推動負載運動;當起升角度10° ＜θ ＜80°時，由起升油缸和水平油缸共同推動負載起升;當80° ＜θ ＜90°時，水平油缸停止，起升油缸單獨運動。當θ=90°時，起升油缸停止，負載運動到位。在起升過程中需要實時觀測壓力和流量的變化，并且由于雙缸的相互影響，系統(tǒng)的振動也是一個不容忽視的因素。

2 基于AMESim 的系統(tǒng)模型

AMESim 是多學科領域的仿真建模軟件，具有豐富的模型庫［3］，涵蓋液壓、氣動、機械、控制、液壓氣動元件設計、熱流體、冷卻、汽車設計等領域，建模方法采用圖形化的方式反映各元件的相互關系，建立的模型與實際的工作原理幾乎一樣。

根據(jù)系統(tǒng)的原理調用液壓庫、機械庫和信號庫中提供的元件建立的模型如圖2 所示，圖中左半部分為液壓系統(tǒng)模型，系統(tǒng)由定量泵提供系統(tǒng)動力源;溢流閥用于限制系統(tǒng)壓力，防止過載;電磁比例換向閥用于控制液壓油缸的運行速度;平衡閥目的是當負載起升角度超過90°，防止負載由于重力而運動，當負載回平時，在起升油缸無桿腔產生背壓以控制負載的速度;雙向液壓鎖用于換向閥在中位時水平油缸的精確定位和鎖死。右半部分為機械系統(tǒng)模型，由起升臂和支架兩部分模型連接而成。

圖2 系統(tǒng)模型

主要參數(shù)設置:液壓泵的額定轉速為1 460 r/min，排量為25 mL/r，溢流閥限定壓力5 MPa，平衡閥限定壓力0.2 MPa;起升和水平液壓缸缸徑/桿徑分別為125 mm/90 mm、90 mm /63 mm，起升臂和負載質量1 500 kg，支架質量100 kg。

按照系統(tǒng)要求設置好其他元件的參數(shù)進行仿真得到系統(tǒng)的壓力如圖3 所示，圖中曲線1、2 為起升油缸無桿腔、有桿腔壓力;曲線3、4 為水平油缸有桿腔、無桿腔壓力。從圖中可以看到運行過程中壓力變化平穩(wěn);在水平油缸啟動時，水平缸有桿腔壓力有一個突變，起升油缸有桿腔和無桿腔壓力有一個擾動。

圖3 系統(tǒng)壓力

3 虛擬儀器設計

3.1 硬件構成

虛擬儀器硬件連接如圖4 所示:其中PXI-1044是12 槽的機箱，是一種低成本、緊固式的PXI 機箱，有適用于工業(yè)系統(tǒng)的模塊化體系和堅固的結構，能在噪聲、潮濕、振動、傾斜的惡劣環(huán)境下正常運作;PXI-6259 是一塊高速、多功能數(shù)據(jù)采集卡，提供32路單端、16 路差分模擬輸入，4 路模擬輸出和48 路數(shù)字I/O，具有強大的數(shù)據(jù)采集和控制能力;PXI-4472 是動態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊，適合用于聲音及振動的檢測;SCB-68 是一款屏蔽式I/O 接線盒，有68 針連接端口，用以將傳感器輸入信號連往PXI-6259 數(shù)據(jù)采集卡，結合屏蔽式電纜時，SCB-68 可提供堅固且噪聲極低的信號終端。

圖4 系統(tǒng)硬件連接圖

測量過程中，首先需要將物理信號轉換為電信號，然后由數(shù)據(jù)采集卡轉換為計算機能夠進行處理的數(shù)字信號。根據(jù)系統(tǒng)原理，壓力傳感器選用CSPT300 系列壓力變送器，量程為35 MPa，輸出0 ～10 V 電壓;流量傳感器選用LWGB-15 系列渦輪流量傳感器，輸出0 ～10 V 電壓;角度傳感器選用倍加福公司生產的FSS58 單圈絕對型編碼器，具有單圈13 位的測量精度，輸出格雷碼;水平油缸位移傳感器選擇巴魯夫位移傳感器，量程1 700 mm，輸出0 ～10 V 電壓。

3.2 軟件編程

目前較流行的虛擬儀器軟件有兩類:一類是圖形化的編程語言，如HPVEE、LabVIEW 等;另一類是文本式的編程語言，如Visual C ++、LabWindows/CVI 等［4］。NI 公司的LabVIEW 軟件使得設計者無須編寫文本格式的代碼，具有用戶自定義界面和數(shù)據(jù)流編程風格，是一個開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應用軟件［5］，具有很多優(yōu)勢，因此選用LabVIEW 軟件進行編程。

3.2.1 輸出程序

為完成起升過程的控制，需要輸出電壓用以控制電磁比例換向閥和溢流閥。起升油缸的控制電壓輸出程序如圖5 所示，LabVIEW 中數(shù)據(jù)輸出程序選用DAQmx 模塊，選擇DAQmx 創(chuàng)建通道、讀取、清除任務和簡易錯誤處理器子VI 進行連線，設置參數(shù)為模擬電壓輸出，其他的兩個輸出程序與此相似，在此不再贅述。

圖5 電壓輸出程序

在前面板點擊起升按鈕，輸出電壓控制起升油缸運動，并實時地采集信號，只有當角度10° ＜θ ＜80°才輸出水平油缸的控制電壓;當角度θ ＞90°時，將起升按鈕布爾值置為假，停止輸出;點擊回平按鈕輸出負值電壓進行系統(tǒng)回平操作，過程與此相反。在起升或回平過程中點擊停止按鈕可以停止起升油缸和水平油缸的電壓輸出;當程序運行中出現(xiàn)錯誤時，將輸出電壓置為零后停止程序。

3.2.2 采集程序

信號采集是將被測對象的物理量通過傳感器轉換為電信號后，再經調理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E送到控制器進行數(shù)據(jù)處理或存儲的過程［6］。系統(tǒng)需要采集的有模擬電壓信號和數(shù)字信號，模擬信號如壓力、流量、位移的程序只需將輸出程序稍加修改即可實現(xiàn)，參數(shù)設置為模擬輸入，并增加定時VI 進行采樣率和每通道采樣數(shù)的設置，為減小測量中的隨機誤差干擾，將每通道采樣數(shù)取平均值后輸出。

角度傳感器輸出的是13 位格雷碼，需要將其轉換為角度值，用Matlab 腳本節(jié)點可以方便地將Matlab和LabVIEW 結合起來進行編程。角度采集的程序框圖如圖6 所示，圖中兩個腳本節(jié)點分別完成格雷碼到二進制的轉換和二進制到十進制的轉換。程序框圖中用到的子VI 有:DAQmx 創(chuàng)建通道、定時、開始任務、讀取、清除任務、簡易錯誤處理器。數(shù)據(jù)的存儲用寫入測量文件VI，當需要保存數(shù)據(jù)時，點擊存儲數(shù)據(jù)按鈕將數(shù)據(jù)保存為基于文本的測量文件，用讀取測量文件VI 從保存的文件中讀取數(shù)據(jù)。

圖6 角度采集程序

在起升過程中，需要實時地采集信號和輸出電壓，需要用到多線程技術。LabVIEW 是一種自動多線程語言［7］，它會根據(jù)編寫的程序決定線程的數(shù)目、分配、管理和切換等，專門用一個用戶界面線程處理界面刷新、響應用戶界面操作等［8］。線程的執(zhí)行系統(tǒng)和優(yōu)先級則可以在VI 的屬性對話框中直接進行配置。

3.2.3 前面板設計

虛擬儀器將計算機和模塊化的硬件結合起來，用戶通過操作前面板的各種控件就如同操作真實儀器一樣［9］，使得操作人員可以在前面板方便觀察系統(tǒng)運行參數(shù)變化并實時調節(jié)輸出電壓。從控件選板中分別選擇波形圖表、按鈕和數(shù)據(jù)輸出控件，系統(tǒng)設計的前面板如圖7 所示，從中可以直觀地看到起升角度、液壓缸壓力、系統(tǒng)流量、水平油缸位移、振動信號的變化，并能夠根據(jù)實際情況實時調節(jié)輸出到電磁換向閥和溢流閥上電壓的大小，從而控制起升的速度。

4 實驗驗證

根據(jù)以上設計和編程，在起升模擬平臺上進行了一次起升過程實驗，起升過程的各個參數(shù)變化如圖7所示，從圖中可以得出:起升過程中角度由0°緩慢增加到90°;水平缸位移起先為0，然后緩慢增加490 mm;起升油缸無桿腔壓力由初值迅速增加4.8 MPa而后隨著時間逐漸減小，說明隨著角度的增加液壓缸的負載逐漸減小，在水平油缸啟動時有一個擾動;系統(tǒng)流量由0 緩慢增加到12 m3/h，在水平缸啟動時有一個突變;由于雙向液壓鎖的作用，在水平油缸未啟動時，無桿腔和有桿腔壓力保持一個值，之后而隨著電磁換向閥的通電而隨著負載緩慢變化;水平油缸啟動時系統(tǒng)振動比較強烈。

圖7 程序前面板

5 結論

(1)AMESim 軟件采用圖形化的編程方式，功能完善，只需根據(jù)原理選擇相應的元件進行連線和參數(shù)設置，仿真界面與系統(tǒng)原理圖幾乎一樣，直觀易懂，適用面廣，結果準確。

(2)虛擬儀器技術采用模塊化、標準化的硬件和軟件，可以實現(xiàn)多種功能，由用戶根據(jù)需要定義，系統(tǒng)的開放性強。圖形化語言LabVIEW 編寫的程序調試方便、運行速度快、精度高、界面直觀。

(3)通過仿真和實驗驗證，證明后鉸支點可移式起升結構可以應用于工程實際，仿真和實驗結果可以為結構的設計提供一定的參考。

【1】馮永保，姚曉光，郭曉松，等.一種新型起升機構及其液壓系統(tǒng)的設計［J］.液壓與氣動，2011(10):47 －50.

【2】朱剛，湯軍社.基于虛擬儀器的模擬試驗臺測控系統(tǒng)設計［D］.西安:西北工業(yè)大學，2007.

【3】劉海麗，李華聰.液壓機械系統(tǒng)建模仿真軟件AMESim及其應用［J］.機床與液壓，2006(6):124 －126.

【4】喬運英，郭曉松，朱智，等.基于虛擬儀器的起豎實驗系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.計算機測量與控制，2010(10)

【5】劉暢，楊淑敏，陳永會.徑向柱塞泵液壓試驗臺虛擬儀器測試系統(tǒng)的研制［J］. 機床與液壓，2010，38(4):75 －77.

【6】蘇東海，佟守舉.基于虛擬儀器軟件的液壓測試系統(tǒng)設計［J］.流體傳動控制，2007(11):4 －6.

【7】陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.20 程序設計從入門到精通［M］.北京:清華大學出版社，2007.

【8】豈興明，周建興，矯津毅.LabVIEW 8.2 中文版入門與典型實例［M］.北京:人民郵電出版社，2008.

【9】袁莉.基于PC 系統(tǒng)的虛擬儀器研究與應用［J］.儀器儀表與檢測技術，2006(25):49 －51.