張華錦，林 凡，張 鑫

(1.北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

0 引言

氣缸是一種把高壓氣體動(dòng)力轉(zhuǎn)化為活塞桿軸向位移的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，它的功能是把壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能[1]。本文研究的氣缸是某舵機(jī)的執(zhí)行元件，是組成舵機(jī)的關(guān)鍵部件之一。氣缸的平穩(wěn)性會(huì)影響舵機(jī)的工作效率，對(duì)舵機(jī)伺服系統(tǒng)的整體性能起著極為重要的作用。

氣缸在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于摩擦力的影響，會(huì)產(chǎn)生時(shí)走時(shí)停的“爬行”運(yùn)動(dòng)。氣缸的爬行現(xiàn)象會(huì)影響飛行控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，造成較低的控制系統(tǒng)定位精度。研究證實(shí)，爬行現(xiàn)象的產(chǎn)生受多個(gè)因素影響，如使用壓力、摩擦力等[2]。氣缸受壓力驅(qū)動(dòng)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生非線性的摩擦力以及啟/停工作時(shí)摩擦力的波動(dòng)。這是造成爬行現(xiàn)象的關(guān)鍵因素[3-5]。氣缸工作時(shí)會(huì)受到摩擦力影響，從而降低舵機(jī)伺服系統(tǒng)的工作性能。摩擦力會(huì)降低舵機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行精度，是爬行現(xiàn)象產(chǎn)生的關(guān)鍵指標(biāo)[6]。

為了解決氣缸的爬行現(xiàn)象，需要對(duì)氣缸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所受的摩擦阻力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。目前，對(duì)摩擦力的檢測(cè)方法的研究仍不夠深入。其中，利用出口節(jié)流調(diào)速法對(duì)氣缸所受的摩擦力進(jìn)行檢測(cè)較為普遍。該測(cè)試方法的動(dòng)力源為高壓空氣，利用調(diào)節(jié)氣動(dòng)閥來(lái)調(diào)節(jié)空氣的氣壓，從而改變氣缸的運(yùn)動(dòng)速度。氣缸的壓力會(huì)隨之不斷改變，造成無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)出氣缸所受的摩擦力[7]。因此，直接用氣體驅(qū)動(dòng)難以給被測(cè)氣缸提供一個(gè)穩(wěn)定的速度，從而保證測(cè)量精度[8-9]。

本文研究的測(cè)試裝置相較于以往的摩擦力測(cè)試裝置,優(yōu)點(diǎn)在于氣缸由電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)作勻速運(yùn)動(dòng),穩(wěn)定運(yùn)行后加速度為零，便于計(jì)算摩擦力。勻速條件下，在壓力傳感器上測(cè)試得到就是摩擦力。因此，該裝置優(yōu)于傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)氣缸速度的穩(wěn)定控制且便于采集摩擦力的大小。虛擬儀器技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械關(guān)鍵零部件的檢測(cè)以及產(chǎn)品關(guān)鍵性能的試驗(yàn)驗(yàn)證。本文充分利用這一技術(shù)的優(yōu)越性，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW軟件測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行氣缸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)摩擦力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的復(fù)合應(yīng)用可完成舵機(jī)關(guān)鍵零件的性能測(cè)試[10]，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、圖標(biāo)繪制、曲線打印功能。

1 摩擦力測(cè)試系統(tǒng)組成

摩擦力測(cè)試系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

圖1 摩擦力測(cè)試系統(tǒng)組成原理圖

摩擦力測(cè)試系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分包括摩擦力測(cè)試臺(tái)、工控機(jī)、摩擦力測(cè)試系統(tǒng)接口箱。軟件部分采用NI公司開(kāi)發(fā)的LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、測(cè)量分析、信號(hào)處理，顯示與儲(chǔ)存等功能。試驗(yàn)臺(tái)主要完成氣缸的固定安裝及驅(qū)動(dòng)，信號(hào)接口箱部分、內(nèi)置電源、控制器、驅(qū)動(dòng)器、壓力傳感器放大器、繼電器完成為系統(tǒng)供電及各信號(hào)測(cè)量等任務(wù)，并實(shí)現(xiàn)以上各系統(tǒng)端口連接及控制的功能；工控機(jī)，采集卡及測(cè)試系統(tǒng)軟件部分，主要完成測(cè)試指令的生成及測(cè)試信號(hào)采集、處理、顯示與存儲(chǔ)等任務(wù)。

2 測(cè)試臺(tái)組成及測(cè)試原理

2.1 測(cè)試臺(tái)組成

測(cè)試臺(tái)主要由電動(dòng)缸及支座、中間支撐軸組件、壓力傳感器、傳感器連接軸、導(dǎo)軌滑塊及氣缸支撐板組成。摩擦力測(cè)試臺(tái)采用電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)，定制的電動(dòng)缸以勻速狀態(tài)通過(guò)中間支撐軸、傳感器、傳感器連接軸等連接機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)氣缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)。電動(dòng)缸的量程為15 mm，小于氣缸的量程，可避免因量程過(guò)大而拉壞氣缸。

導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 導(dǎo)軌滑塊結(jié)構(gòu)圖

支撐板通過(guò)螺栓固定在滑塊上，與滑塊連成一體，使得滑塊與支撐板、氣缸的運(yùn)動(dòng)保持一致?；瑝K兩端裝入彈簧，在水平方向運(yùn)動(dòng)時(shí)通過(guò)壓縮彈簧來(lái)緩沖減震，在系統(tǒng)瞬時(shí)啟動(dòng)時(shí)起緩沖減震的作用，避免電動(dòng)缸啟動(dòng)時(shí)因電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)力過(guò)大造成氣缸損壞。導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)既滿足了支撐氣缸的需要，也能使保護(hù)氣缸不因驅(qū)動(dòng)力過(guò)大而拉壞，在系統(tǒng)中起支撐、緩沖保護(hù)的作用。

2.2 測(cè)試原理

氣缸、支撐板、滑塊、導(dǎo)軌組成的測(cè)試系統(tǒng)受到一個(gè)變力F。

測(cè)試系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)原理圖

利用復(fù)合運(yùn)動(dòng)的原理分析如下：以活塞上點(diǎn)A為動(dòng)點(diǎn)，動(dòng)點(diǎn)與動(dòng)系相重合的點(diǎn)為A′；將導(dǎo)軌看作定系、氣缸及支撐板滑塊簡(jiǎn)稱氣缸部分看作動(dòng)系。絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是活塞相對(duì)于導(dǎo)軌的直線運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)是活塞相對(duì)于氣缸作直線運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)速度合成定理：

va=vr+ve

(1)

式中：va為絕對(duì)速度，即活塞上動(dòng)點(diǎn)A相對(duì)于導(dǎo)軌的速度；vr為相對(duì)速度，即活塞上動(dòng)點(diǎn)A相對(duì)于氣缸部分的速度；ve為牽連速度，即氣缸部分上與動(dòng)點(diǎn)A重合的牽連點(diǎn)A′相對(duì)于導(dǎo)軌的速度。

整個(gè)系統(tǒng)由于受到了一個(gè)推力F由靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，絕對(duì)速度等于恒定的驅(qū)動(dòng)速度。

階段1：在活塞未相對(duì)于氣缸部分運(yùn)動(dòng)之前，絕對(duì)速度va等于牽連速度ve。

(2)

理想情況下，活塞可看作一個(gè)二力桿。

活塞受力分析如圖4所示

圖4 活塞受力分析圖

F=Ff

(3)

式中：Ff為氣缸和活塞桿之間的靜摩擦力。

動(dòng)系以恒定速度向右運(yùn)動(dòng)擠壓彈簧，兩側(cè)伸縮量開(kāi)始不等，彈簧力發(fā)生變化。

因此，設(shè)向右位移量為x時(shí)，動(dòng)系受力分析如圖5所示。

圖5 動(dòng)系向右移動(dòng)x時(shí)受力分析圖

動(dòng)系運(yùn)動(dòng)方程為:

F-k[(x0-x1+x)-x0]-k[x0-(x0-x2-x)]=0

(4)

x1=x2

化簡(jiǎn)式(4)，得：

F=2kx

(5)

F=Ff=2kx

(6)

式(6)滿足：

|xf|≤xmax

|Ff|≤Ff,max

式中：Ff,max為最大靜摩擦力；xmax為彈簧向右移動(dòng)最大位移增量。

動(dòng)系右端彈簧彈簧不斷向右壓縮，左端彈簧不斷向右拉伸，直到活塞與氣缸之間的靜摩擦力小于彈簧力，使得活塞與氣缸發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

相對(duì)運(yùn)動(dòng)臨界條件為|Ff|=Ff,max、|xf|=xmax。

階段2：活塞相對(duì)于氣缸部分運(yùn)動(dòng)，活塞與氣缸之間的摩擦力由靜摩擦變成滑動(dòng)摩擦。

(7)

(8)

f=-ksvr

(9)

f與物體相對(duì)于接觸面的滑動(dòng)速度有關(guān)，這種關(guān)系比較復(fù)雜。但在一定速度范圍內(nèi)，f一般隨速度的增大而略有減小。

最大靜摩擦變成滑動(dòng)摩擦，摩擦力數(shù)值減小,變力F也減?。粍?dòng)系平衡狀態(tài)破壞，動(dòng)系牽連速度逐漸變小最后減為零；相對(duì)速度逐漸變大，最后等于絕對(duì)速度。在這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，以上三個(gè)速度要滿足式(1)關(guān)系。系統(tǒng)趨于穩(wěn)定后:

(10)

(11)

式中：x′為活塞相對(duì)氣缸勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧向右位移增量。

活塞相對(duì)動(dòng)系的速度等于絕對(duì)速度。因絕對(duì)速度保持不變，相對(duì)速度也是勻速。在活塞桿相對(duì)氣缸勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，變力F的大小等于該恒速下活塞桿與氣缸之間的摩擦力。變力F的大小可由連接活塞和電動(dòng)缸推桿之間的力傳感器測(cè)得。氣缸在平衡狀態(tài)下的摩擦力即為在相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)階段所測(cè)量變力F的值。

3 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化測(cè)試，需要設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的測(cè)試軟件。本系統(tǒng)軟件采用NI公司圖形化編程工具LabVIEW開(kāi)發(fā)，用于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示及測(cè)量分析。以NI公司設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行控制指令和反饋指令的算法設(shè)計(jì)。

該測(cè)試系統(tǒng)具有參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理三大功能。

參數(shù)設(shè)置模塊主要包括采集卡通道設(shè)定、傳感器標(biāo)定、濾波參數(shù)設(shè)定等功能。測(cè)試者可根據(jù)自己的需求設(shè)定適合的濾波參數(shù)，以滿足預(yù)設(shè)效果；數(shù)據(jù)處理模塊具有數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、分析及打印數(shù)據(jù)測(cè)試報(bào)表的功能，有效保證了數(shù)據(jù)的完整性及實(shí)時(shí)性，同時(shí)提高了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

測(cè)試軟件的核心部分為數(shù)據(jù)采集及實(shí)時(shí)處理模塊。由于測(cè)試過(guò)程中各種干擾因素會(huì)影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，該模塊對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行中值和低通濾波處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示及數(shù)據(jù)間的轉(zhuǎn)換與濾波功能。

為了滿足操作的實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)缸自動(dòng)控制及接收到操作信息的提示，工控機(jī)平臺(tái)生成控制指令，控制整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)，根據(jù)測(cè)試的需要選用指定信號(hào)，并利用模擬輸入通道采集摩擦力測(cè)試數(shù)據(jù)；然后，利用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、回放顯示、存儲(chǔ)及打印。

摩擦力測(cè)試系統(tǒng)軟件功能如圖6所示。

圖6 摩擦力測(cè)試系統(tǒng)軟件功能

測(cè)試軟件程序流程如圖7所示。

圖7 測(cè)試軟件程序流程圖

首先，測(cè)試者安裝好測(cè)試臺(tái)并接好控制線圈輸入信號(hào)線，打開(kāi)接口箱的電源總開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)測(cè)試軟件；選擇測(cè)試項(xiàng)目，在子程序面板上設(shè)置初始參數(shù)及操作者信息。開(kāi)始測(cè)試后，輸入/輸出信號(hào)實(shí)時(shí)顯示在界面上，測(cè)試曲線和測(cè)試數(shù)據(jù)被存入報(bào)表中，供后續(xù)讀取和處理。完成測(cè)試后自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，生成和打印測(cè)試報(bào)表。該軟件可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)度，可通過(guò)急停開(kāi)關(guān)切斷系統(tǒng)電源。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)處理及分析

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試所得數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，結(jié)果如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

圖8 的曲線表示摩擦力的變化。理想情況下，活塞是二力桿，桿兩端力相等，摩擦力等于變力F，通過(guò)力傳感器測(cè)量得出的數(shù)值，即表示力傳感器的數(shù)值變化。從0時(shí)刻啟動(dòng)電動(dòng)缸，經(jīng)過(guò)0.2 s后以恒速輸出，壓力傳感器的值在0～0.2 s保持不變。由于安裝時(shí)造成滑塊兩邊的彈簧壓縮或者拉伸是動(dòng)系一開(kāi)始存在一個(gè)彈簧力，A到B階段為動(dòng)系復(fù)位階段，B點(diǎn)動(dòng)系受到的彈簧力為零，拉力傳感器的值也為零。B到C階段曲線表示動(dòng)系向右移且活塞桿相對(duì)氣缸靜止階段的靜摩擦力。靜摩擦力滿足式(5)，所以曲線呈線性。

C點(diǎn)表示靜摩擦力達(dá)到最大靜摩擦力。C-D階段的曲線為靜摩擦力向動(dòng)摩擦力轉(zhuǎn)變的過(guò)程，在此期間，相對(duì)速度越來(lái)越大，動(dòng)摩擦因數(shù)f變小，動(dòng)摩擦力根據(jù)式(9)可知逐漸變小。D-E階段的曲線為相對(duì)速度最后趨于穩(wěn)定，等于電動(dòng)缸驅(qū)動(dòng)速度。此階段測(cè)得動(dòng)摩擦力即為該速度下的摩擦力值。E-F階段表示活塞已經(jīng)達(dá)到極限位置，電動(dòng)缸推桿繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)氣缸及滑塊繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)，左側(cè)彈簧不斷拉伸，右側(cè)彈簧不斷壓縮，力傳感器測(cè)的力為彈簧復(fù)合力。F-J階段電動(dòng)缸換向向左勻速運(yùn)動(dòng)，活塞相對(duì)氣缸無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，牽連速度等于絕對(duì)速度，動(dòng)系向左勻速運(yùn)動(dòng)。J點(diǎn)處摩擦力達(dá)到最大活塞與氣缸之間的最大靜摩擦，J-H階段與C-D階段相同，表示從靜摩擦變成動(dòng)摩擦后趨于穩(wěn)定。

D-E階段與H-J階段相同。該階段所測(cè)摩擦力即本文所要測(cè)量的在穩(wěn)定速度下的動(dòng)摩擦力。D、E與H、I階段測(cè)得數(shù)值都在1.2左右，證明系統(tǒng)具有很好的一致性，該測(cè)試方法合理可靠。I-G-K階段，電動(dòng)缸接收停止指令信號(hào)，并恢復(fù)到初始位置處。

在測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試數(shù)據(jù)的采集由傳感器、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)等組成。測(cè)試系統(tǒng)中的每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)引入不同性質(zhì)的累積誤差。氣缸摩擦力測(cè)試系統(tǒng)采用NI公司的PXI-6229數(shù)據(jù)采集卡，基本參數(shù)為32SI或16DI模擬輸入，分辨率16 bit，最大采樣速率250 Hz，精度3.1 mV。系統(tǒng)采用的拉壓力傳感器量程為5 kg，測(cè)量精度優(yōu)于0.1%，非線性誤差小于0.1%FS，滯后誤差小于0.1%FS。系統(tǒng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙、運(yùn)動(dòng)部件的摩擦、彈性元件滯后等因素引起的誤差小于1%，系統(tǒng)的總誤差為各個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)的乘積，因此系統(tǒng)的總誤差遠(yuǎn)小于1%。由此可知，系統(tǒng)測(cè)試精度可靠，能夠保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)的測(cè)試精度。

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于LabVIEW的氣缸摩擦力測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的組成、測(cè)試臺(tái)設(shè)計(jì)、測(cè)試方法、軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了說(shuō)明。該測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：在電動(dòng)缸勻速驅(qū)動(dòng)氣缸活塞桿運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下，通過(guò)分析系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，基于LabVIEW圖形化編程語(yǔ)言,實(shí)現(xiàn)了氣缸摩擦力測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并通過(guò)結(jié)果曲線得出該速度下氣缸摩擦力的測(cè)試方法。試驗(yàn)證明，該測(cè)試方法合理，能進(jìn)行穩(wěn)定、可靠的測(cè)試。

測(cè)試流程清晰，操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高。系統(tǒng)可自動(dòng)完成測(cè)試操作并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、濾波處理、儲(chǔ)存等。采用高精度的傳感設(shè)備與采集設(shè)備，提高了摩擦力測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試精度，減少了人工誤差；同時(shí)，對(duì)所收集的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，極大地削減了干擾信號(hào)的影響。

由于電動(dòng)缸所提供的的動(dòng)力源較為單一，無(wú)法進(jìn)行多種工況下的氣缸摩擦力的測(cè)試且未考慮氣缸腔內(nèi)壓縮空氣的影響，需在接下來(lái)的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行更為深入的研究。