韋　為，耿葵花，王少偉，趙泰百，魏　濤，孫　晗，劉明遠(yuǎn)，劉運(yùn)棋，蘇子翔

（廣西大學(xué)，廣西 南寧530004）

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一種壓縮機(jī)摩擦測試系統(tǒng)的軟件控制平臺設(shè)計(jì)

韋為，耿葵花，王少偉，趙泰百，魏濤，孫晗，劉明遠(yuǎn)，劉運(yùn)棋，蘇子翔

（廣西大學(xué)，廣西 南寧530004）

摘要：介紹了一種壓縮機(jī)摩擦力等效測試系統(tǒng)的軟件控制平臺設(shè)計(jì)。應(yīng)用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了本測試系統(tǒng)的軟件界面，界面實(shí)現(xiàn)了各種測試數(shù)據(jù)的選擇、設(shè)置以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、濾波處理、回放、保存、錯(cuò)誤提示等功能。同時(shí)根據(jù)測試要求，依托PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)了對伺服電機(jī)的動作控制，完成了運(yùn)動控制功能要求。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)；摩擦測試；軟件控制平臺

長期以來，壓縮機(jī)一直存在機(jī)械效率低和使用壽命短的缺陷，原因在于壓縮機(jī)普遍存在多個(gè)摩擦與磨損的運(yùn)動副[1-2]。要想提高壓縮機(jī)的機(jī)械效率和使用壽命，就必須設(shè)法降低其運(yùn)動副的摩擦磨損，而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，則必須了解運(yùn)動副的摩擦特性[3-6]。

針對壓縮機(jī)滑片與滑片槽的摩擦特性分析，由于壓縮機(jī)本體滑槽尺寸大小、滑片空間位置和滑槽結(jié)構(gòu)等限制因素的影響，無法在壓縮機(jī)本體上進(jìn)行摩擦力的測試，因此需要設(shè)計(jì)一套等效的摩擦力測試系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)壓縮滑片和滑片槽摩擦力的測試。摩擦力測試系統(tǒng)一般包括兩大部分，一部分是硬件等效測試平臺，另一部分是軟件控制平臺。

1　測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

測試系統(tǒng)硬件平臺的重要功能是：模擬在壓縮機(jī)正常工作時(shí)滑片與滑槽的運(yùn)動關(guān)系以及滑片在壓縮機(jī)本體上的運(yùn)動工況，測試滑片與滑槽摩擦力與速度關(guān)系曲線以及摩擦力與預(yù)滑移位移關(guān)系曲線。測試系統(tǒng)軟件控制平臺的功能是：提供系統(tǒng)測試的人際交互界面與實(shí)際控制，它主要包括軟件交互模塊和控制模塊兩部分。

硬件平臺包括摩擦運(yùn)動模擬裝置、動力傳動裝置和勻速測量裝置三部分，首先是運(yùn)動模擬裝置，主要包括一套模擬滑槽、滑片組、給滑片加載的加載絲杠（模擬氣體力）以及連接軸等。其次是傳動裝置，主要包括行星減速器、滾珠絲杠模組、滑臺等。最后是測量裝置，包括壓力傳感器、加載力傳感器、行程開關(guān)等。測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1　測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

指令通過控制柜12傳達(dá)給伺服電機(jī)2，經(jīng)過行星減速器3減速，伺服電機(jī)2將動力傳遞給滾珠絲杠4，同時(shí)滾珠絲杠4將輸出的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為滑臺9的直線運(yùn)動，從而使滑片組5平行移動。在滑片組5的平行移動過程中，通過滑槽兩側(cè)的預(yù)緊力來模擬壓縮機(jī)本體上滑片所受到的氣體壓力，抵壓滑片組，這樣滑片組兩側(cè)就如在壓縮機(jī)本體上運(yùn)動一樣，將受到等效的摩擦力。壓力傳感器7將摩擦力的等效壓力信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，依次經(jīng)過放大、濾波傳遞給采集卡13，采集卡13再將實(shí)時(shí)采集到的摩擦力信號顯示在控制軟件上。

2　軟件交互模塊設(shè)計(jì)

本文采用LabVIEW軟件作為測試界面的編程軟件[7]，利用它編程實(shí)現(xiàn)摩擦力測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。其中，軟件設(shè)計(jì)的核心是數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)，主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括對物理通道號、設(shè)備號、采集終端模式、輸入范圍、采樣率、采樣數(shù)、讀取數(shù)以及采樣方式等的設(shè)置和控制。

2.1程序設(shè)計(jì)過程

壓力傳感器輸出的是模擬電壓信號，首先創(chuàng)建虛擬通道（圖2），選擇模擬輸入電壓，同時(shí)創(chuàng)建用于選擇設(shè)備、通道號及信號測量方式的輸入控件及property value.vi，接著使用Timing.vi對時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置，并且創(chuàng)建輸入控件，用于輸入采樣率、采樣方式、采樣數(shù)及讀取數(shù)等。然后利用Get Property.vi可以實(shí)時(shí)看到實(shí)際采樣率以及數(shù)據(jù)保存次數(shù)。接著創(chuàng)建While循環(huán)，利用Read.vi讀取采集到的數(shù)據(jù)，并且在其下拉菜單中選擇模擬1通道N采樣。利用停止采集任務(wù)vi結(jié)束數(shù)據(jù)采集，同時(shí)在While循環(huán)外使用清除任務(wù)節(jié)點(diǎn)來清除上次的采集任務(wù)。按照同樣的方法，利用底層vi設(shè)計(jì)濾波模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)儲存回放模塊等，然后按照流程依次連線各個(gè)vi節(jié)點(diǎn)，并且創(chuàng)建一個(gè)錯(cuò)誤顯示控件，用于顯示采集實(shí)驗(yàn)過程中的錯(cuò)誤，且與清除任務(wù)節(jié)點(diǎn)相連。在數(shù)據(jù)采集過程中可以直接點(diǎn)擊界面中的保存按鈕保存數(shù)據(jù)，也可以等待采集任務(wù)結(jié)束后輸出圖像以及電子表格文件。

圖2　創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)

切換到LabVIEW前面板，設(shè)置界面布局及界面顏色，調(diào)整各輸入控件的大小和位置，設(shè)置各輸入控件屬性（圖3），包括標(biāo)簽字體大小和顏色。設(shè)置好模擬數(shù)據(jù)采集前面板輸入控件。測試人員可以通過該面板設(shè)置數(shù)據(jù)采集的物理通道，如PCI-1711L，BID#0/ai0（設(shè)備PCI-1711L，模擬輸入通道0）；根據(jù)信號類型選擇信號的測量方式、參考單端（Single-Ended)；設(shè)置經(jīng)放大器放大的模擬電壓輸入范圍（+/-10V）；然后根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置采樣率（1 000 Hz）、采樣點(diǎn)數(shù)（1 024點(diǎn)）、讀取點(diǎn)數(shù)（1 000點(diǎn)）；采樣模式設(shè)置為連續(xù)采樣（Continuous Samples）。

圖3　屬性選擇對話框

采集到的信號可能還受到噪聲的影響，所以本文通過濾波器進(jìn)行了濾波模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)為該模塊配套良好的選擇界面，可以供測試者根據(jù)需要選擇濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、類型、階數(shù)、高截止頻率、低截止頻率等。此外還編程設(shè)計(jì)了顯示模塊和存儲回放模塊。通過這些模塊設(shè)計(jì)，測試人員不但能夠?qū)崟r(shí)看到采集到的波形，并且可以隨時(shí)將原始信號或?yàn)V波后的信號以LVM格式存儲在硬盤中，也可以將實(shí)時(shí)波形以圖片JPG格式存儲在硬盤上?；胤殴δ芸梢詫⒋鎯Φ腖VM格式文件再次讀取并顯示。將各模塊置于While循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)，連線將各功能模塊組織成整個(gè)程序框圖。

2.2程序調(diào)試

在完成整個(gè)程序設(shè)計(jì)之后，要對程序做最終調(diào)試。具體做法是：設(shè)置斷點(diǎn)、添加探針等。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤可以打開錯(cuò)誤解釋窗口查看原因。雖然LabVIEW具備完善的調(diào)試功能，但是仍然會存在很多隱性錯(cuò)誤不被設(shè)計(jì)人員所發(fā)現(xiàn)，所以在開發(fā)測試程序的時(shí)候，要對每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行測試，這樣才可以降低整個(gè)程序的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤以及最終的調(diào)試難度，盡快完成測試程序開發(fā)。

前面板是測試系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，合理的人機(jī)界面設(shè)計(jì)可以減少測試人員的誤操作，所以對整個(gè)程序調(diào)試完成以后，有必要對前面板做相應(yīng)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)前面板時(shí)，主要考慮的是界面美觀、操作簡潔，測試人員通過簡單的鍵盤和鼠標(biāo)操作就可以實(shí)現(xiàn)對測試系統(tǒng)的控制。設(shè)計(jì)完成以后的前面板即軟件界面如圖4所示。

圖4　軟件交互界面設(shè)計(jì)

打開測試程序，測試系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，所有的按鈕對話框處于鎖定狀態(tài)，這樣可以防止出現(xiàn)錯(cuò)誤設(shè)置。開始測試時(shí)，將設(shè)置框和按鈕解鎖，根據(jù)測試需求設(shè)置合理的參數(shù)，選擇正確的采集通道和采集模式，點(diǎn)擊運(yùn)行箭頭，開始測試。若測試終端無法開始測試，則系統(tǒng)自動彈出錯(cuò)誤對話框，用戶可以根據(jù)提示修改主程序相應(yīng)的部分。當(dāng)測試完成，點(diǎn)擊停止按鈕，系統(tǒng)停止測試，可以通過導(dǎo)出相應(yīng)數(shù)據(jù)或者曲線，供測試人員進(jìn)行下一步的研究分析。

3　控制模塊設(shè)計(jì)

3.1電子齒輪設(shè)定

圖5　電子齒輪原理圖

本文所選的滾珠絲杠螺紋距Pb=10 mm，行星減速器減速比n=1/50，伺服電機(jī)編碼器的分辨率為Pt=262144 pulse/rev，傳動原理如圖6所示。

圖6　傳動原理圖

由式1可以看出，在PLC編程前首先要設(shè)定，這樣就可以成功實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)動作。其中：

Pb為滾珠絲杠螺紋矩（mm）；

n為減速比；

Pt為伺服電機(jī)編碼器分辨率（pulse/rev)；

△t0為每指令脈沖對應(yīng)的移動量（mm/pulse)；

△S為伺服電機(jī)沒轉(zhuǎn)對應(yīng)的移動量（mm/rev）。

3.2控制模塊工作過程

根據(jù)測試要求，控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)滑片組以不同的設(shè)定速度勻速運(yùn)動并且到達(dá)指定位置后能夠自動回轉(zhuǎn)。具體來說就是按測控步驟實(shí)現(xiàn)以下動作：

（1）接通電源，系統(tǒng)初始化。伺服電機(jī)帶動滾珠絲杠滑臺及滑片組回到設(shè)定的初始位置，準(zhǔn)備開始測試。

（2）按下測試按鈕。伺服電機(jī)開始以設(shè)定的第一個(gè)速度運(yùn)轉(zhuǎn)，滾珠絲杠將電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為滑臺和滑片組的勻速運(yùn)動，使得滑片組以預(yù)期的速度在滑槽內(nèi)勻速運(yùn)動。

（3）當(dāng)運(yùn)動到滑片槽的另一端時(shí)，滑片組接觸行程開關(guān)，電機(jī)回轉(zhuǎn)，又快速運(yùn)動到初始位置預(yù)備進(jìn)行下一個(gè)速度的摩擦力測試。

（4）當(dāng)滑片組回轉(zhuǎn)到初始位置時(shí)，電機(jī)停止，按下測試按鈕，又開始下一個(gè)設(shè)定速度的摩擦力測試，以此類推直到完成所有速度下的摩擦力測試。

（5）同時(shí)設(shè)置急停開關(guān)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行有任何意外時(shí)，按下急停開關(guān)切斷電源，防止損壞測試臺。

4　結(jié)束語

根據(jù)測試要求，本文的摩擦力測試系統(tǒng)軟件控制平臺實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）參數(shù)設(shè)置功能：參數(shù)設(shè)置功能是測試系統(tǒng)最基本的功能之一。設(shè)置界面應(yīng)該具有較強(qiáng)的柔性，能夠適應(yīng)不同的測試環(huán)境和硬件要求，能夠?qū)y試系統(tǒng)物理通道、模擬電壓范圍、測量系統(tǒng)終端模式、采樣率、采樣數(shù)、采樣模式、每秒讀取采樣數(shù)等參數(shù)進(jìn)行快捷方便設(shè)置，設(shè)置操作必須簡單、方便，不易發(fā)生設(shè)置錯(cuò)誤。

（2）信號處理功能：信號處理包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，是測試系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)必須保證對摩擦力數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，能夠?qū)λ杉男盘栠M(jìn)行采樣、量化和編碼。同時(shí)當(dāng)測試時(shí)信號干擾較大，還需對信號進(jìn)行濾波處理，設(shè)計(jì)濾波模塊。

（3）數(shù)據(jù)顯示功能：可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)完整的顯示出來，并且隨時(shí)能夠觀測到數(shù)據(jù)的變化情況，實(shí)驗(yàn)員可以對結(jié)果顯示做一個(gè)初步的預(yù)判。同時(shí)可以對時(shí)間、幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，也能有原始波形和處理后波形的對比。

（4）控制功能：可以順序循環(huán)的控制伺服電機(jī)依次完成不同速度的勻速運(yùn)動和指定位置的回轉(zhuǎn)，從而順利完成測試任務(wù)。

（5）測試數(shù)據(jù)儲存和轉(zhuǎn)化功能：可以實(shí)時(shí)儲存數(shù)據(jù)，并且可以把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電子表格形式、圖表形式等，以便于后期數(shù)據(jù)顯示查閱和進(jìn)一步處理

（6）報(bào)錯(cuò)、急停功能：當(dāng)出現(xiàn)采集異常，運(yùn)動異常等情況，可以立即報(bào)警和急停。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬國遠(yuǎn)，李紅旗.旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]郁永章，孫嗣瑩，陳洪俊.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]陳劍鋒，劉吳，陶國良.基于LuGre摩擦模型的氣姑摩擦力特性實(shí)驗(yàn)[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（03）:55-59.

[4]丁千，霍紅梅.機(jī)械系統(tǒng)摩擦動力學(xué)研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展，2013，（01）:112-131.

[5]陳劍鋒.基于LuGre摩擦模型的氣缸摩擦力實(shí)驗(yàn)研究[D]．杭州:浙江大學(xué)，2011．

[6]譚文斌，李醒飛，向紅標(biāo)，等，張晨陽．應(yīng)用穩(wěn)態(tài)誤差分析辨識LuGre模型參數(shù)[J].光學(xué)精密工程，2011，（03）:664-671.

[7]彭勇，潘曉婢，等．LabVIEW虛微化器設(shè)計(jì)及分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

中圖分類號:TH457

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-545X（2016）04-0061-04

收稿日期：2016-01-04

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：葉片式旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)摩擦與泄漏的多因素動態(tài)關(guān)聯(lián)機(jī)制研究（項(xiàng)目批準(zhǔn)號：51565004）；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：葉片式旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)多因素動態(tài)摩擦與泄漏機(jī)理研究（下達(dá)文號：桂財(cái)教[2013]19號，任務(wù)書編號：2013GXNSFAA019309）；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目：旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的性能分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)研究（合同編號：10-0046-07S03）。

作者簡介：韋為（1984-），男，廣西昭平縣人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)閴嚎s機(jī)泄漏控制。

A Design for Software Control Platform of the Friction Testing System for Compressors

WEI Wei，GENG Kui-hua，WANG Shao-wei，ZHAO Tai-bai，WEI Tao，SUN Han，LIU Ming-yuan，LIU Yun-qi，SU Zi-xiang
（Guangxi University，Nanning 530004，China）

Abstract：This paper describes a design for software control platform of the equivalent friction testing system for compressors.The Software interface of this testing system is designed by LabVIEW，which accomplishes the choice and setting of various test data，real-time data display，filtering processing，playback，save，error message and other functions.Besides，it realizes motion controls to servo motors by using the PLC Programmable Controller according to the test requirements，which means the motion control function is available.

Key words：compressor；friction testing；software control platform