歐陽柏添 蔡家富 劉桂雄

摘 ?要：針對目前裝配車體撓度測量方法存在測量精度不高、測量實(shí)時性差、測量效率低的問題，文章提出裝配車體撓度無線快速測量系統(tǒng)設(shè)計。通過對ZigBee撓度測量數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，并采用ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)撓度測量數(shù)據(jù)高精度轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度無線快速測量。撓度測量控制平臺基于LabVIEW進(jìn)行搭建，控制撓度測量系統(tǒng)撓度采集數(shù)據(jù)及對撓度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。試驗表明，測量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度無線快速測量，具有參考意義。

關(guān)鍵詞：裝配車體;撓度測量;ZigBee無線傳輸模塊;LabVIEW

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）14-0158-04

Abstract： In view of the problem of low measurement accuracy， poor real-time measurement， and low measurement efficiency in current assembly car body deflection measurement methods， this paper studies the design of a wireless rapid measurement system for assembly car body deflection. The ZigBee deflection measurement data wireless transmission system is designed， and the ADS1115 analog-to-digital conversion module is used to realize the high-precision conversion of deflection measurement data， realizing the wireless rapid measurement of the assembly car body deflection. The deflection measurement control platform is built based on LabVIEW to control the deflection data acquisition of the deflection measurement system and display the deflection measurement data. The test shows that the measurement system can realize the wireless rapid measurement of the deflection of the assembled car body. The research has important reference value.

Keyword： assembly car body; deflection measurement; ZigBee wireless transmission module; LabVIEW

0 ?引 ?言

裝配車體撓度是軌道交通車輛一項重要結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，制造完成的車體需具有一定上撓度抵消車體實(shí)際使用過程中撓度變形[1，2]。在裝配車體制造過程中需多次對車體底架進(jìn)行撓度測量，若撓度質(zhì)量不合格需要對裝配車體進(jìn)行一定調(diào)整。傳統(tǒng)裝配車體撓度測量采用基于連通管法的撓度測量裝置，測量效率較低，對裝配車體制造產(chǎn)生阻礙作用[3]。為解決裝配車體測量效率較低的問題，需設(shè)計一套裝配車體快速撓度測量系統(tǒng)，目前許多研究學(xué)者在自動化測量系統(tǒng)設(shè)計上做研究，解決工程實(shí)際中很多測量難題。文獻(xiàn)[4]（2015）針對現(xiàn)有有線輸電線路測量系統(tǒng)布線復(fù)雜、易受環(huán)境影響的問題，研究無線輸電線路測量系統(tǒng)，利用實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)橋?qū)㈦妷骸㈦娏鲾?shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)街行闹髡?。文獻(xiàn)[5]（2017）研究天線輻射特性測量方法，通過設(shè)計天線輻射特性自動測試系統(tǒng)對14種不同類型天線輻射特性進(jìn)行測量，試驗表明該系統(tǒng)能夠快速對天線輻射特性進(jìn)行測量與求解。文獻(xiàn)[6]（2019）研究一種無線多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)可對多種氣體濃度進(jìn)行采集，且測量數(shù)據(jù)可通過LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)绞殖质浇K端，實(shí)現(xiàn)對各類氣體濃度監(jiān)測。文獻(xiàn)[7]（2020）針對傳統(tǒng)制動距離測量不準(zhǔn)確的問題，研究利用高精度霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器對電梯制動距離進(jìn)行測量，設(shè)計測量系統(tǒng)硬件軟件實(shí)現(xiàn)電梯制動距離自動快速準(zhǔn)確測量。本文對裝配車體撓度測量需求進(jìn)行分析，搭建裝配車體撓度無線快速測量系統(tǒng)，系統(tǒng)采用無線傳輸?shù)姆绞綄隙葴y量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，裝配車體撓度無線快速測量平臺基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)，可對裝配車體撓度測量數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度測量自動化，提高裝配車體撓度測量效率。

1 ?裝配車體撓度測量問題描述及整體方案研究

1.1 ?測量對象描述

為使裝配車體總成焊接完成后，裝配車體底架符合設(shè)計要求，需要對裝配車體底架撓度進(jìn)行控制。裝配車體底架撓度控制點(diǎn)測量位置示意圖如圖1所示，撓度測量關(guān)鍵位置包括4個端部位置、4個枕中位置、2個車體中部位置。

在底架總組成過程中需要多次對車體撓度控制點(diǎn)進(jìn)行撓度測量，傳統(tǒng)裝配車體撓度測量方法測量效率較低，影響裝配車體制造速度。因此，研制裝配車體撓度測量系統(tǒng)的需求有：

（1）準(zhǔn)確測量。傳統(tǒng)裝配車體撓度測量采用基于連通管法的撓度測量裝置，需要技術(shù)人員對撓度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，存在讀數(shù)誤差。研制撓度測量系統(tǒng)需能實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度準(zhǔn)確測量。

（2）實(shí)時測量。傳統(tǒng)裝配車體撓度測量方法不能實(shí)現(xiàn)各撓度關(guān)鍵控制點(diǎn)撓度數(shù)據(jù)實(shí)時測量，無法觀察制造過程中裝配車體撓度變化情況。研制裝配車體撓度測量系統(tǒng)需能實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度實(shí)時測量。

（3）自動測量。傳統(tǒng)裝配車體撓度測量方法每次測量都需要花費(fèi)技術(shù)人員大量時間，測量效率較低。研制裝配車體撓度測量系統(tǒng)需能實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度自動測量。

1.2 ?總體方案設(shè)計

根據(jù)上述測量需求設(shè)計裝配車體撓度無線快速測量系統(tǒng)，裝配車體撓度無線快速測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要包括LabVIEW控制顯示平臺、ZigBee數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和撓度數(shù)據(jù)非接觸測量系統(tǒng)。

其中各模塊系統(tǒng)功能如以下所示：

（1）LabVIEW控制現(xiàn)實(shí)平臺由上位機(jī)組成，主要用于控制撓度測量數(shù)據(jù)的采集，并將裝配車體各點(diǎn)撓度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示;

（2）ZigBee數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)由ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器及ZigBee終端組成，主要用于接收上位機(jī)指令，并將數(shù)據(jù)采集指令及停止指令無線傳輸?shù)礁鲹隙葴y量節(jié)點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)撓度測量數(shù)據(jù)的無線傳輸;

（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置組成，主要用于對撓度測量數(shù)據(jù)模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將撓度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng);

（4）撓度數(shù)據(jù)非接觸測量系統(tǒng)由激光位移傳感器模塊、電源組成，主要用于對裝配車體各節(jié)點(diǎn)位置撓度進(jìn)行測量。利用激光位移傳感器模塊，可實(shí)現(xiàn)高精度非接觸式裝配車體撓度測量。本文采用激光位移傳感器型號為HG-C 1400，能滿足裝配車體撓度測量精度。

本文軌道交通車輛裝配車體撓度調(diào)整方法以裝配車體車身為研究對象，該方法也可應(yīng)用于裝配車體車頭的撓度調(diào)整中。

2 ?裝配車體撓度無線快速測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 ?ZigBee數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計

ZigBee通信技術(shù)是一個基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)（2.4 GHz頻段）的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，相比Wi-Fi通信技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)、LoRa通信技術(shù)，ZigBee通信技術(shù)具有通信節(jié)點(diǎn)多、功耗低、支持一對多、成本低的優(yōu)點(diǎn)，可用于裝配車體撓度無線快速測量系統(tǒng)中[8，9]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示，本文ZigBee數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)采用樹型拓?fù)涞姆绞綄?shí)現(xiàn)，所選用ZigBee模塊核心處理器為德州儀器公司開發(fā)的CC2530芯片。通過在裝配車體各撓度測量位置設(shè)置ZigBee終端，通過在上位機(jī)位置設(shè)置ZigBee協(xié)調(diào)器，設(shè)置ZigBee路由器對較遠(yuǎn)位置撓度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。基于ZigBee的撓度測量數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)如圖4所示。

為區(qū)別裝配車體撓度測量數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)位置同時保證撓度測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，終端無線傳輸?shù)膿隙葴y量數(shù)據(jù)設(shè)計為包含節(jié)點(diǎn)位置信息及CRC-16校驗碼，終端無線傳輸撓度測量數(shù)據(jù)格式如表1所示。

2.2 ?模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計

激光位移傳感器測量得到的數(shù)據(jù)為模擬量，為對撓度測量數(shù)據(jù)能進(jìn)行無線傳輸，需要將撓度測量數(shù)據(jù)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。CC2530模塊內(nèi)部自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能最高支持12位模數(shù)轉(zhuǎn)換，不適用于撓度測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因此本文選用德州儀器公司開發(fā)的ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊[10，11]。ADS1115模塊是一款低功耗16位4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可支持0～6.144 V的模擬量電壓轉(zhuǎn)換，模塊通過IIC總線與ZigBee模塊進(jìn)行通訊，ADS1115通訊外圍接口如圖5所示。通過在IAR Embedded Workbench For 8051 v8.10軟件開發(fā)平臺對ZigBee終端模塊與ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊通信代碼進(jìn)行編寫，可實(shí)現(xiàn)撓度測量數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換傳遞給ZigBee終端模塊，ZigBee終端模塊與ADS1115模塊通信流程圖如圖6所示。

2.3 ?基于LabVIEW的裝配車體撓度無線測量控制平臺

在進(jìn)行裝配車體撓度測量時，需要對裝配車體撓度測量數(shù)據(jù)采集進(jìn)行控制，同時要求對車體撓度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示，展示裝配車體各點(diǎn)撓度質(zhì)量狀況給技術(shù)人員。本文裝配車體撓度無線快速測量平臺基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)，圖7為裝配車體撓度無線快速測量控制平臺模塊功能結(jié)構(gòu)圖。

基于LabVIEW的裝配車體撓度無線快速測量控制平臺主要劃分為以下幾個模塊：

（1）看門狗模塊?？撮T狗模塊主要用于對撓度測量數(shù)據(jù)采集過程進(jìn)行監(jiān)測，如裝配車體撓度無線測量系統(tǒng)長時間未傳輸撓度測量數(shù)據(jù)到上位機(jī)，則看門狗模塊自動停止對撓度測量數(shù)據(jù)的采集，并提示技術(shù)人員撓度無線測量出現(xiàn)故障。

（2）指令發(fā)送模塊與數(shù)據(jù)采集模塊。指令發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與ZigBee協(xié)調(diào)器模塊進(jìn)行通信，發(fā)送撓度數(shù)據(jù)采集命令使ZigBee協(xié)調(diào)器模塊控制ZigBee終端模塊對撓度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，圖8為基于LabVIEW的指令發(fā)送模塊與數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要控制ZigBee協(xié)調(diào)器模塊將收集到的裝配車體各點(diǎn)撓度測量數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。

（3）數(shù)據(jù)分析與處理模塊。無線傳輸系統(tǒng)常因為現(xiàn)場突發(fā)因素造成撓度測量數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，上位機(jī)采集到的各點(diǎn)撓度測量數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)錯誤。數(shù)據(jù)分析與處理模塊主要用于判斷采集得到的撓度測量數(shù)據(jù)是否有效，且對撓度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識與轉(zhuǎn)化，獲得各點(diǎn)撓度測量數(shù)據(jù)。

（4）測量結(jié)果顯示與打印模塊。該模塊主要用于將裝配車體各點(diǎn)撓度測量數(shù)據(jù)直觀顯示給技術(shù)人員，且裝配車體各點(diǎn)撓度測量結(jié)果可進(jìn)行測試報表打印，用于對裝配車體撓度測量結(jié)果進(jìn)行記錄。

3 ?試驗與分析

本文試驗對象為軌道交通車輛裝配車體，將裝配車體撓度無線快速測量系統(tǒng)應(yīng)用于中車廣東軌道交通車輛有限公司CRH6型裝配車體撓度測量中，裝配車體撓度測量數(shù)據(jù)可穩(wěn)定快速傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，撓度測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確，裝配車體撓度快速在線測量結(jié)果界面如圖9所示。

試驗表明基于LabVIEW的裝配車體撓度無線快速測量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度快速無線動態(tài)測量，通過配置裝配車體撓度無線快速測量系統(tǒng)，可在遠(yuǎn)處上位機(jī)接收各點(diǎn)撓度測量數(shù)據(jù)，提升裝配車體撓度測量效率。

4 ?結(jié) ?論

本文通過對目前裝配車體撓度測量方法存在問題進(jìn)行分析，提出裝配車體撓度測量系統(tǒng)需求，并根據(jù)測量需求設(shè)計測量系統(tǒng)總體方案，包括LabVIEW控制顯示平臺、ZigBee數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、撓度數(shù)據(jù)非接觸測量系統(tǒng)。

利用ZigBee無線傳輸技術(shù)對撓度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸，并研究ZigBee終端模塊與ADS1115高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通訊方式實(shí)現(xiàn)撓度測量數(shù)據(jù)快速無線傳輸。

基于LabVIEW開發(fā)裝配車體撓度無線測量控制平臺，可控制裝配車體撓度無線測量系統(tǒng)進(jìn)行撓度數(shù)據(jù)采集及顯示撓度測量數(shù)據(jù)，試驗證明本文所研究系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)撓度測量及顯示，提高裝配車體撓度測量效率。

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作者簡介：歐陽柏添（1976—），男，漢族，廣東江門人，總工程師，高級工程師，本科，主要研究方向：計量測試。