侯 偉，辛慧娟，張 慧，劉凱強，寧朝陽

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

電液伺服加載系統(tǒng)[1-2]是一種常用的載荷加載設(shè)備，它可以實現(xiàn)動靜態(tài)力或扭矩等的加載，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、輸出功率大等特點，被廣泛應(yīng)用于土木工程結(jié)構(gòu)測試、材料測試、汽車零部件試驗、飛機結(jié)構(gòu)試驗等測試試驗中。電液伺服加載測控系統(tǒng)作為電液伺服系統(tǒng)的控制核心，其主要作用是控制液壓系統(tǒng)精準(zhǔn)施加載荷[3]。

本文針對轉(zhuǎn)軸類零件的扭矩加載電液伺服系統(tǒng)，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺[4-5]，結(jié)合NI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和各種傳感器，設(shè)計了一套電液伺服加載試驗臺測控系統(tǒng)，實現(xiàn)試驗扭矩自動加載、試驗臺參數(shù)實時監(jiān)測、試驗數(shù)據(jù)顯示和記錄保存。該系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、操作簡單、穩(wěn)定性高、擴展型好、可維護(hù)性好等特點。

1 扭矩加載試驗臺整體結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)軸類零件或裝置在使用前通常需要進(jìn)行扭矩加載試驗，檢驗轉(zhuǎn)軸的性能，以確保其使用的安全性，通常采用扭矩加載設(shè)備進(jìn)行試驗。扭矩加載電液伺服試驗臺主要由液壓部分、機械部分和控制部分組成，如圖1所示[6]。液壓部分的主要功能是為機械部分提供油源動力。機械部分以液壓馬達(dá)為執(zhí)行機構(gòu)，液壓馬達(dá)電液伺服閥的控制下，在對安裝與其中的被測試零件施加扭矩載荷?？刂撇糠钟捎嬎銠C控制數(shù)據(jù)采集卡輸出模擬信號，以調(diào)節(jié)電液伺服閥開口大小，控制液壓馬達(dá)輸出力矩，與此同時采集扭矩傳感器反饋信號，從而實現(xiàn)不同扭矩輸出；另外，采集光電編碼器信號用于測量扭矩加載時轉(zhuǎn)軸類零件的扭轉(zhuǎn)形變情況[7-8]。

2 基于LabVIEW的測控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 測控系統(tǒng)硬件總體方案

試驗臺測控系統(tǒng)的硬件部分主要由工業(yè)計算機、數(shù)據(jù)采集卡、扭矩傳感器、光電編碼器等組成，如圖2所示。光電編碼器的作用是測量轉(zhuǎn)軸兩端的旋轉(zhuǎn)角位移，計算轉(zhuǎn)軸零件在承受載荷時的形變量；扭矩傳感器的作用是測量轉(zhuǎn)軸兩端的扭轉(zhuǎn)力矩，它既是扭矩加載試驗的試驗數(shù)據(jù)，也是測控系統(tǒng)控制施加扭矩時的反饋信號；數(shù)據(jù)采集卡采集光電編碼器和扭矩傳感器的信號傳輸給計算機進(jìn)行顯示與存儲，計算機通過數(shù)據(jù)采集卡輸出信號，控制電液伺服閥開口，進(jìn)而控制液壓馬達(dá)輸出力矩[9]。

圖1 扭矩加載試驗臺

圖2 測控系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

2.2 工業(yè)計算機

本文采用友通公司的EC531型工業(yè)計算機，如圖3所示。該計算機采用了第4代Intel Core處理器，支持內(nèi)存大小16G，具有3個PCI接口，運作溫度為0～45 ℃，滿足系統(tǒng)使用和硬件擴展需求。

圖3 EC531型工業(yè)計算機

2.3 數(shù)據(jù)采集卡

本文采用美國NI公司的PCI6221型多功能數(shù)據(jù)采集卡，如圖4所示。該板卡通過PCI總線與計算機相連，既能輸入輸出模擬信號，又能輸入輸出數(shù)字信號，具有16通道16位模擬輸入(AI)，最大采樣率250 kS/s，輸入電壓范圍為±10 V，可采集扭矩傳感器信號，具有2通道16位模擬輸出(AO)，最大采樣率833 kS/s，輸出電壓范圍為±10 V，可控制伺服閥，具有2個16位計數(shù)器(Counter)，可采集轉(zhuǎn)角信號，滿足測控系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

圖4 NI PCI6221數(shù)據(jù)采集卡

2.4 扭矩傳感器

本文采用德國HBM公司的T22型扭矩傳感器，如圖5所示?；趹?yīng)變的 T22 扭矩傳感器采用非接觸式傳輸技術(shù)，量程從 0～0.5 N·m 最大到 0～1 kN·m，精度等級0.5，它可以直接連接11.5 V到30 V DC電源，輸出模擬信號范圍為±5V和10±8 mA。T22扭矩傳感器可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，結(jié)實，適合旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)扭矩測量，可非常簡單地連接到可編程邏輯控制器(PLC)，廣泛應(yīng)用于實驗室、測試臺、教學(xué)、生產(chǎn)和過程控制。

圖5 T22型扭矩傳感器

2.5 光電編碼器

光電編碼器是光柵式傳感器，在圓分度和角位移連續(xù)測量方面有很高的精度，分辨率高，量程大，可實現(xiàn)動態(tài)測量，具有較強的抗干擾能力。光柵式傳感器在幾何量測量領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，與長度和角度測量有關(guān)的精密儀器都經(jīng)常使用光柵式傳感器。本文采用德國海德漢公司的ERN120型5000線光電編碼器，如圖6所示。該編碼器自帶正弦掃描信號的數(shù)字化電路，輸出5V方波信號TTL，增量信號由兩路相位差90°的方波脈沖進(jìn)行傳輸，4倍頻后測量步距可達(dá)0.018°。

圖6 ERN120型光電編碼器

3 基于LabVIEW的測控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 測控系統(tǒng)軟件流程圖

測控系統(tǒng)軟件采用字符串狀態(tài)機程序架構(gòu)，主要由條件結(jié)構(gòu)和一個While循環(huán)組成，根據(jù)字符串內(nèi)容由條件結(jié)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)。測控系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。程序啟動后，首先初始化設(shè)備和參數(shù)，然后進(jìn)行載荷設(shè)置，主要設(shè)置扭矩加載的波形參數(shù)(如波形、幅值、相位、頻率、偏移量等)以及采樣信息；設(shè)置完畢后啟動試驗，通過計算機板卡發(fā)送控制信號控制電液伺服閥，同時采集傳感器信號，并將測量數(shù)據(jù)用曲線顯示，試驗結(jié)束后進(jìn)行數(shù)據(jù)保存記錄；當(dāng)按下“EXIT”按鈕時，復(fù)位數(shù)據(jù)采集卡并退出程序[10-12]。

3.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)置

硬件驅(qū)動程序是應(yīng)用軟件對硬件的編程接口，它包含著特定硬件可以接受的操作命令，完成與硬件之間的數(shù)據(jù)傳遞。依靠硬件驅(qū)動程序可以大大簡化LabVIEW編程工作，提高開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。本套系統(tǒng)使用軟件LabVIEW2011和NI-DAQmx。

數(shù)據(jù)采集卡的驅(qū)動分為內(nèi)置式驅(qū)動和外掛式驅(qū)動，本系統(tǒng)采用NI公司推出的板卡，可以使用LabVIEW內(nèi)部的DAQ 庫直接對端口進(jìn)行操作，即內(nèi)置式驅(qū)動。

扭矩傳感器信號采用PCI6221的AI通道進(jìn)行采集，采集設(shè)置如圖8所示。兩路傳感器分別采用AI0和AI1通道進(jìn)行采集，根據(jù)T22扭矩傳感器的輸出電壓，設(shè)置程序采集電壓范圍為±5 V，采樣率為1 kHz。

光電編碼器信號采用PCI6221的計數(shù)器通道進(jìn)行采集，采集設(shè)置如圖9所示。兩路光電編碼器分別采用CTR0和CTR1進(jìn)行采集，根據(jù)ERN120型光電編碼器的光柵尺刻線數(shù)量，設(shè)置程序每轉(zhuǎn)一周為5 000個脈沖，設(shè)置解碼類型為X4，即4倍頻解碼，可實現(xiàn)最小步距角為0.018°的旋轉(zhuǎn)角度測量[13-14]。

圖7 測控系統(tǒng)軟件流程圖

圖8 AI通道任務(wù)設(shè)置

圖9 計數(shù)器任務(wù)設(shè)置

控制信號采用PCI6221的AO通道進(jìn)行發(fā)送，采集設(shè)置如圖10所示。兩路控制信號分別采用AO0和AO1通道進(jìn)行傳輸，根據(jù)電磁閥控制電壓的范圍，設(shè)置程序輸出電壓范圍為±5V，采樣率為1kHz。

圖10 AO通道任務(wù)設(shè)置

任務(wù)設(shè)置完成后，在測控軟件的程序框圖選擇相應(yīng)任務(wù)進(jìn)行讀取和寫入操作，實現(xiàn)測量信號的采集與控制信號的發(fā)送。

3.3 測控系統(tǒng)軟件界面與代碼

測控系統(tǒng)軟件界面如圖11所示。軟件界面中可以清晰展示載荷設(shè)置的參數(shù)，如信號類型、頻率、相位、幅值等，右上角的波形控件展示了載荷設(shè)置波形曲線，界面下方顯示了試驗過程中采集的轉(zhuǎn)角變化曲線和扭矩變化曲線。

測控系統(tǒng)軟件程序框圖如圖12所示，狀態(tài)機主要分為初始化、載荷設(shè)置、自動加載試驗、保存數(shù)據(jù)和退出五個狀態(tài)。運行程序后，進(jìn)入“初始化”狀態(tài)；如圖12(a)所示，在“初始化”狀態(tài)對軟件前面板顯示控件進(jìn)行清空，然后進(jìn)入“載荷設(shè)置”狀態(tài)，如圖12(b)所示；在圖11中的“載荷設(shè)置”區(qū)域選擇波形和調(diào)節(jié)參數(shù)，可在“載荷波形”控件中觀察試驗應(yīng)當(dāng)加載的扭矩載荷曲線，按下界面右上角的“啟動試驗”按鈕后，進(jìn)入“自動加載試驗”狀態(tài)；如圖12(c)所示，“自動加載試驗”狀態(tài)中，按照扭矩載荷曲線，輸出2路AO控制信號，同時采集2路AI扭矩傳感器和2路光電編碼器，獲得角位移并計算轉(zhuǎn)角差，顯示在界面下方的曲線控件中；試驗完畢后進(jìn)入“保存數(shù)據(jù)”狀態(tài)，如圖12(d)所示，將試驗中采集的扭矩和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)存入D盤電子表格中；加載試驗可以重復(fù)進(jìn)行，當(dāng)按下界面右上角的“退出”按鈕后，進(jìn)入“退出”狀態(tài)，如圖12(e)所示，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集設(shè)備復(fù)位，并退出程序。

圖11 測控系統(tǒng)軟件界面

圖12 測控系統(tǒng)軟件程序框圖

4 總 結(jié)

本文設(shè)計了一套基于LabVIEW的電液伺服加載試驗臺測控系統(tǒng)[15]。該系統(tǒng)采用NI PCI6221多功能數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合各種傳感器和工業(yè)計算機，搭建測控系統(tǒng)硬件平臺；以美國國家儀器公司的LabVIEW為軟件開發(fā)平臺，設(shè)計并編寫了基于狀態(tài)機程序架構(gòu)的測控系統(tǒng)軟件，設(shè)計了友好的用戶交互界面，能夠完成轉(zhuǎn)軸類零件的扭矩自動加載試驗，并進(jìn)行試驗臺參數(shù)實時監(jiān)測、試驗數(shù)據(jù)顯示和記錄保存。該系統(tǒng)具有開發(fā)周期短，操作簡單，穩(wěn)定性高，擴展型好，可維護(hù)性好，便于應(yīng)用推廣[16]。