林獻(xiàn)坤，朱 琳，高禮剛

(上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

在現(xiàn)代科研和生產(chǎn)中，力模擬加載試驗是產(chǎn)品開發(fā)中一個非常重要的環(huán)節(jié)。力學(xué)性能的好壞直接影響到對產(chǎn)品性能的研究，甚至決定產(chǎn)品研制成功與否［1］。目前，加載試驗機(jī)已得到廣泛的應(yīng)用，但是一些大型的疲勞結(jié)構(gòu)件由于其工作載荷復(fù)雜，普通試驗臺難以對其進(jìn)行全方位的加載試驗［2］。

加載機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用已得到較大關(guān)注，梁來雨等給出了多維力加載試驗臺液壓系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)多維力的加載［2］;曾慶良等給出了液壓加載電機(jī)試驗臺的設(shè)計，采用液壓以及電磁比例溢流閥，實現(xiàn)對電機(jī)連續(xù)平穩(wěn)的遠(yuǎn)程加載［3］;賈光政等給出了基于PLC的比例控制液壓加載系統(tǒng)的開發(fā)，將PLC與電液比例控制系統(tǒng)結(jié)合，提出了“PLC+比例溢流閥+傳感器”的數(shù)據(jù)采集與控制模式［4］，實現(xiàn)壓力、流量的連續(xù)、精確控制，具有良好的系統(tǒng)性能。在加載機(jī)的開發(fā)和應(yīng)用中，測控系統(tǒng)在加載機(jī)的工作中起著舉足輕重的作用，是多軸加載實現(xiàn)功能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。崔海全等給出了一種應(yīng)用C#高級編程語言設(shè)計測控系統(tǒng)的方法［5］。雖然運行速度快，但在傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境(VB，VC++，C等)下開發(fā)的測控系統(tǒng)，調(diào)試和維護(hù)困難。孫朝輝等給出一種采用WinCC組態(tài)軟件開發(fā)測控系統(tǒng)的方法［6］。雖然靈活性好、具有可組態(tài)性，但開發(fā)環(huán)境相對封閉，功能有限。

本文針對加載機(jī)及其測控系統(tǒng)現(xiàn)有研究的優(yōu)缺點，將六自由度平臺技術(shù)引入加載試驗臺，且將電液比例控制系統(tǒng)與PLC結(jié)合，設(shè)計出高性能的三軸加載機(jī)。分析所設(shè)計的三軸加載機(jī)及其實現(xiàn)空間三方向可控力加載所具有的功能需求，開展其測控系統(tǒng)研究，以PLC和LabVIEW作為實現(xiàn)三軸加載機(jī)測控系統(tǒng)功能的開發(fā)平臺，探索軟件實現(xiàn)的方式和測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互方式，為三軸加載機(jī)測控系統(tǒng)提供一種實現(xiàn)方案。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 控制對象結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)空間三方向可控力加載，建立如圖1所示的三軸加載試驗臺。圖中試驗臺具有1 t加載軸、10 t加載軸、30 t加載軸。其中1 t加載軸為多角度加載裝置，加載軸的方向可以360°旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)任意方向的加載。10 t加載軸為垂直加載裝置，進(jìn)行z方向的加載。30 t加載軸為水平加載裝置，進(jìn)行x方向的加載。三軸的運動通過操作臺手動控制，依次完成預(yù)緊、加載、后退等動作。其中三軸的具體運動控制為:首先按下使能按鈕，將方向旋鈕調(diào)到前進(jìn)檔，然后按下操作按鈕，開始預(yù)緊。當(dāng)達(dá)到預(yù)緊力時，松開操作按鈕，再次按下操作按鈕，才會繼續(xù)加載，并且可以調(diào)節(jié)操作臺上的電阻旋鈕，設(shè)定需要加載的最大力。當(dāng)加載完成后，將方向旋鈕調(diào)到后退檔，進(jìn)行后退。

在每一個加載油缸前端，串聯(lián)了一個力傳感器，加載測試時可直接讀出加載力的數(shù)值。在每一個加載油缸的另一端活塞桿上，連接一個位移傳感器，加載測試時與力傳感器合并運用可直接讀出在不同的加載力下測試件發(fā)生的形變位移量。

圖1 三軸加載試驗臺

1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

LabVIEW是圖形化的程序語言，又稱為“G”語言，提供了大量與實際儀器相似的旋鈕、開關(guān)、指示燈等控件，是實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷方式，相對于傳統(tǒng)開發(fā)環(huán)境(VB，VC++，C等)以及工控領(lǐng)域應(yīng)用較廣的WinCC、組態(tài)王等組態(tài)軟件，其運行速度快，調(diào)試和維護(hù)簡單，靈活性好。OPC(OLE for Process Control)是基于 Windows NT技術(shù)的 OLE，COM/DCOM接口的擴(kuò)展，其本質(zhì)是OPC Client用一種開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的通訊方式與OPC Server進(jìn)行通訊［7］。PLC是一類可編程邏輯控制器，是實現(xiàn)加載機(jī)動作控制的關(guān)鍵。其具有邏輯控制功能強(qiáng)、編程方便、可靠性高的特點，同時還具有數(shù)學(xué)運算、PID運算、模擬量處理等功能。

針對三軸加載機(jī)控制對象，應(yīng)用FX3U型PLC、OPC以及LabVIEW設(shè)計了如圖2所示的三軸加載機(jī)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)中應(yīng)用工控機(jī)作為上位機(jī)，通過LabVIEW進(jìn)行人機(jī)界面設(shè)計，采用OPC驅(qū)動方式與PLC通訊。PLC作為下位機(jī)直接與操作臺和檢測元件進(jìn)行信號傳輸，實現(xiàn)加載變形數(shù)據(jù)的采集和控制?？刂瓢粹o可以通過PLC對三軸加載機(jī)進(jìn)行手動控制。系統(tǒng)中主要元件有變量葉片泵、液壓缸、電磁換向閥、比例減壓閥等，測量元件有拉壓力傳感器、位移傳感器等。

1.3 OPC實現(xiàn)方法

在運行Windows平臺的PC上，安裝OPC服務(wù)器并創(chuàng)建與PLC的連接通道(OPC服務(wù)器基本包含常用控制器的所有驅(qū)動)［8］，按照OPC Servers變量規(guī)則創(chuàng)建變量，實現(xiàn)與PLC的數(shù)據(jù)交換，在OPC Quick Client中可以查看變量數(shù)據(jù)交換情況。如圖3所示為項目創(chuàng)建的OPC Servers與FX3U－64MT PLC數(shù)據(jù)交換情況圖。LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入，就是將LabVIEW發(fā)布的數(shù)據(jù)先送到OPC服務(wù)器，然后OPC服務(wù)器通過RS422編程口傳給PLC，完成寫的過程;LabVIEW讀現(xiàn)場數(shù)據(jù)就是將傳到OPC服務(wù)器中的數(shù)據(jù)讀上來并在前面板顯示出來［9］。

2 過程控制軟件設(shè)計

圖2 三軸加載機(jī)測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 OPC Servers與PLC數(shù)據(jù)交換

過程控制軟件設(shè)計主要包括加載軸的控制和測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理兩個方面。其中測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包括對測試數(shù)據(jù)的標(biāo)定、工程化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化以及對測試系統(tǒng)的精度補償，而加載軸的控制是本過程控制軟件的核心。為了使三軸的加載具有一致的時間反應(yīng)和功能響應(yīng)，本文應(yīng)用虛擬軸技術(shù)實現(xiàn)了多軸加載控制的軟件設(shè)計。

虛擬軸的控制原理和方法如圖4所示，其中有一套虛擬軸程序控制三軸運動，依次完成預(yù)緊、加載、后退三個動作。所有虛擬軸程序的內(nèi)存空間，等間距偏移，循環(huán)執(zhí)行，并且利用指針的調(diào)用，順序執(zhí)行三軸運動程序。比如控制三軸運動時，手動控制1 t軸操作按鈕，標(biāo)準(zhǔn)軸操作程序(預(yù)緊、加載、后退)運行，由于系統(tǒng)本身定義1 t軸、10 t軸、30 t軸的軟元件編號，間隔數(shù)字100，這時程序中調(diào)用指針Z0，即執(zhí)行了1t軸相應(yīng)的動作;當(dāng)手動控制10 t軸操作按鈕，再次運行標(biāo)準(zhǔn)軸操作程序，調(diào)用指針Z100，即執(zhí)行10 t軸相應(yīng)的動作;當(dāng)手動控制30 t軸操作按鈕，運行標(biāo)準(zhǔn)軸操作程序，再次調(diào)用指針Z200，即執(zhí)行30 t軸相應(yīng)的動作。

3 監(jiān)測軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)測軟件的總體功能

在測控系統(tǒng)中，監(jiān)測軟件是實現(xiàn)三軸加載機(jī)加載變形數(shù)據(jù)存儲和可視化的關(guān)鍵。本文在硬件設(shè)計基礎(chǔ)上使用LabVIEW以及NI專業(yè)開發(fā)工具包，開發(fā)了三軸加載機(jī)的測控系統(tǒng)上位軟件。

圖4 虛擬軸編程的PLC控制程序結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)軟件運行時，首先出現(xiàn)的是三軸加載機(jī)測控系統(tǒng)的主界面。主界面是一個總的控制模塊，由主控制模塊調(diào)用各個模塊。軟件具有的功能模塊包括:主控制模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、通訊設(shè)置模塊、零漂設(shè)置模塊、加載保護(hù)模塊、補償設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、故障檢查模塊。如圖5所示為測試程序結(jié)構(gòu)，圖中的數(shù)據(jù)采集模塊包含數(shù)據(jù)的實時采集、處理和顯示;零漂設(shè)置模塊包含重置各軸拉壓力傳感器的零漂值;加載保護(hù)模塊包含設(shè)置加載力的最大范圍，保證加載的安全性;補償設(shè)置模塊包含設(shè)置一些補償參數(shù)，保證變形量、加載力測量的精準(zhǔn)度;數(shù)據(jù)存儲模塊包含設(shè)置數(shù)據(jù)存儲格式以及決定數(shù)據(jù)是全程存儲還是階段性存儲;故障檢查模塊主要包含一些錯誤信息反饋，以便用戶能夠容易地找出錯誤，提高效率。

圖5 測試程序結(jié)構(gòu)圖

3.2 位移和壓力測量系統(tǒng)

通過建立 I/O服務(wù)器(OPC Client)，采用 OPC通道與FX3U型PLC通訊，利用共享變量的方式采集三個軸的加載變形數(shù)據(jù)比如位移、壓力兩個參數(shù)的數(shù)據(jù)，并采用LabVIEW中二維圖形控件如波形圖表，在前面板顯示數(shù)據(jù)，監(jiān)控數(shù)據(jù)之間的關(guān)系及變化趨勢。用戶可以根據(jù)實驗要求自由設(shè)置曲線數(shù)量、曲線顏色、曲線的顯示比例、保留數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)長度、數(shù)據(jù)采樣周期、坐標(biāo)軸顯示、坐標(biāo)軸刻度樣式等信息。

3.3 數(shù)據(jù)存儲

測控系統(tǒng)主要是存儲三軸(1 t軸、10 t軸、30 t軸)的加載力以及工件的變形數(shù)據(jù)。如圖6所示為1 t軸數(shù)據(jù)存儲程序，在While循環(huán)外，調(diào)用文件基本操作，如打開/創(chuàng)建/替換文件等操作。設(shè)置文件位置函數(shù)用于在文件起始處設(shè)置標(biāo)記，為后續(xù)文件寫入操作設(shè)置服務(wù)。為滿足數(shù)據(jù)存儲的格式要求，調(diào)用時間字符串/格式化日期函數(shù)、字符串至路徑轉(zhuǎn)換函數(shù)、連接字符串函數(shù)，構(gòu)造文件的存儲路徑以及存儲表格中列的名稱，如表格的命名方式為data2014－0617－205 0.xls，數(shù)據(jù)在文件 data2014－0617－2050.xls的第一行的7個單元格內(nèi)分別寫入采集時間、1 t軸變形量、1 t軸加載力、10 t軸變形量、10 t軸加載力、30 t軸變形量、30 t軸加載力這7個字符串。

在While循環(huán)內(nèi)，加入條件結(jié)構(gòu)函數(shù)，用戶可根據(jù)自己實驗與數(shù)據(jù)的需求，通過軟件操作界面上的數(shù)據(jù)存儲布爾控件，決定數(shù)據(jù)是全程存儲還是階段性存儲［10］。

圖6 1 t軸數(shù)據(jù)存儲程序結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

依據(jù)上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)存儲方式的設(shè)計，利用LabVIEW軟件開發(fā)平臺和OPC通道設(shè)計了如圖7的人機(jī)交互界面。其中人機(jī)交互界面分為3個區(qū)域:加載控制區(qū)、數(shù)據(jù)采集區(qū)、數(shù)據(jù)在線顯示區(qū)。加載控制區(qū)中用戶可以通過鼠標(biāo)選擇所需要的功能。數(shù)據(jù)采集區(qū)采用LabVIEW中二維圖形控件波形圖表，展現(xiàn)出數(shù)據(jù)的變化趨勢，并配以數(shù)值實時顯示工件的變形量，可以讓用戶更直觀地分析實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在線顯示區(qū)可以顯示一些重要數(shù)據(jù)(如力傳感器的當(dāng)前零漂值)，也可以檢查工件變形量和加載力的正確性，如檢查變形量是否等于當(dāng)前位移值減去預(yù)緊時的位移值，加載力是否等于當(dāng)前壓力值減去預(yù)緊力值。

系統(tǒng)測試表明，加載力精度為0.2% ～0.5%F.S，PLC控制程序時間占用9 ms，人機(jī)交互軟件每隔100 ms采集1個數(shù)據(jù)點，目標(biāo)控制時間約為1 s，設(shè)計的測控系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

5 結(jié)束語

(1)通過對加載機(jī)及其測控系統(tǒng)的研究，設(shè)計了應(yīng)用FX3U型PLC和LabVIEW實現(xiàn)三軸加載機(jī)測試控制的系統(tǒng)方案。

(2)確定并采用OPC通道實現(xiàn)LabVIEW與PLC的數(shù)據(jù)交互，給出了一種基于虛擬軸技術(shù)編程的PLC控制程序?qū)崿F(xiàn)方法，實現(xiàn)了三軸加載機(jī)的邏輯控制。

(3)采用LabVIEW軟件平臺，設(shè)計了人機(jī)交互界面，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集及其加載變形數(shù)據(jù)的管理。

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圖7 三軸加載機(jī)測控系統(tǒng)軟件界面

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