基于虛擬儀器的平面機構(gòu)創(chuàng)意組合實驗臺測控系統(tǒng)設計

摘 要:針對原有的平面機構(gòu)創(chuàng)意組合實驗臺測控系統(tǒng)，提出一種更直觀、測試精度更高、靈活性更大的測控系統(tǒng)，即虛擬儀器測控系統(tǒng)。利用LabVIEW軟件開發(fā)出Windows系統(tǒng)下的測試控制軟件，同時對曲柄搖桿機構(gòu)擺桿擺動角度進行了試驗驗證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)組裝靈活，維護方便，具有更大的開放性，同時保證了測量和控制精度。

關鍵詞:虛擬儀器; 平面機構(gòu); 創(chuàng)意組合; LabVIEW

中圖分類號:TP316文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0180-04

Design of Measurement and Control System for Test Table with Planar Mechanism

Creative Mix Based on Virtual Instruments Technology

MA Zhi-yan，WANG Juan-ping

(Department of Mechanical Engineering， Baoji University of Arts and Sciences， Baoji 721000， China)

Abstract: According to the measurement and control system of the original test table with planar mechanism creativity combination， a system based on the virtual instruments technology is put forward， which is more intuitive ， more accurate and more flexible. A measurement and control software under the Windows system was developed with LabVIEW software. The pendulum angle of the crank-rocker mechanism was tested. The experimental result indicates that the system has merits of assemble flexibility， structure simplification and convenient maintenance， and can ensure the accuracy of measurement and control.

Keywords: virtual instrument; planar mechanism; creative mix; LabVIEW

0 引 言

平面機構(gòu)創(chuàng)意組合實驗臺提供了機構(gòu)運動方案創(chuàng)新組合設計平臺，一方面，以機構(gòu)及機構(gòu)組合系統(tǒng)設計為主線，以機構(gòu)運動創(chuàng)意組合設計為重點，培養(yǎng)學生的動手能力、創(chuàng)新能力和分析解決問題的能力;另一方面，學生通過“平面機構(gòu)創(chuàng)意組合及參數(shù)分析實驗臺”獲得測試數(shù)據(jù)及曲線，通過分析曲線變化的原因評價系統(tǒng)和設計方案，如安裝精度、改善方法、構(gòu)件運動規(guī)律分析等，提高了學生運用所學知識分析和解決問題的能力，比單純的驗證性實驗按部就班地操作前進了一大步。這就需要實驗臺具有精確的檢測系統(tǒng)，并且檢測系統(tǒng)應在準確測試的基礎上保證開放性和靈活性。基于虛擬儀器技術可以開發(fā)適應不同應用場合的虛擬儀器測試方案，更好地組建自動化程度較高，數(shù)據(jù)處理分析能力較強的測試系統(tǒng)[1]。本文就以此為出發(fā)點，開發(fā)設計了一套基于虛擬儀器的應用于該實驗臺的測控軟件。

1 試驗臺的工作原理及組成

平面機構(gòu)創(chuàng)意組合實驗臺提供組成機構(gòu)的最小單元中的各種構(gòu)件、運動副以及一個能多層、多面、多維的框架，通過改變連桿機構(gòu)的尺寸實現(xiàn)復雜的運動規(guī)律，通過不同構(gòu)件和運動副的創(chuàng)新組合實現(xiàn)多種機構(gòu)運動方案，通過不同的構(gòu)件拼接成不同的基本機構(gòu)，包括平面連桿機構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、間歇運動機構(gòu)(有槽輪機構(gòu)、棘輪機構(gòu)、不完全齒輪機構(gòu))等基本機構(gòu)，同時還可以將基本機構(gòu)進行拼接，包括齒輪-桿組合機構(gòu)、凸輪組合機構(gòu)、齒輪-齒條組合機構(gòu)、鏈-齒輪機構(gòu)等[2]。通過傳感器裝置測定位移、速度、加速度曲線，利用計算機顯示出從動件運動曲線的變化，從而將測試、仿真、設計與分析有機地結(jié)合起來。

本文以JPCC-Ⅱ型平面機構(gòu)創(chuàng)新組合試驗臺為例，探討將虛擬儀器技術應用到實驗臺的檢測分析系統(tǒng)中的情況。該試驗臺主要包括兩大部分，機械結(jié)構(gòu)部分和檢測分析系統(tǒng)。機械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由底座(安裝平臺)、平面連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)、間歇機構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)、帶(鏈)傳動等機構(gòu)組成。

圖1 機械結(jié)構(gòu)

通用檢測分析系統(tǒng)如圖2所示[3]，配備有速度、角位移、壓力等各種傳感器，對多種參數(shù)進行測量，同時采用單片機與A/D轉(zhuǎn)換集成相結(jié)合進行數(shù)據(jù)采集、處理分析并通過RS 232接口與PC機的通信，以達到適時顯示運動曲線的目的。

圖2 通用檢測分析系統(tǒng)

在該檢測系統(tǒng)中，雖然能夠?qū)τ谄矫鏅C構(gòu)運動過程中的一些位移、轉(zhuǎn)角信號進行顯示，但不能達到在機構(gòu)創(chuàng)新組合過程中對于測試過程中的各種情況的處理能力，還存在一些不足:

(1) 缺乏開放性，實驗模式固定，靈活性較差，只能依照系統(tǒng)內(nèi)部設定的方式進行有限的測試，不能根據(jù)測試對象條件的改變而隨意改變一些測試方法、測試參數(shù)以及測試結(jié)果的表現(xiàn)形式等。

(2) 數(shù)據(jù)處理能力較差，界面較單調(diào)。對于所有的數(shù)據(jù)只能進行一定形式的處理，對于測試結(jié)果只能以一定的形式進行顯示。例如由于實驗臺工作條件必定會造成的一些誤差，包括采集過程中的一些隨機誤差，還有在操作過程中的操作誤差，這些誤差必然會對于結(jié)果有一定的影響，而其并不能對于不同工作條件下引起的一些誤差進行適當?shù)奶幚怼?/p>

針對該實驗臺存在的這些缺陷，將基于LabVIEW軟件的虛擬儀器技術引入到檢測系統(tǒng)中，使該實驗臺的開放性、可操作性及數(shù)據(jù)處理能力大大提高，從而使精確性也提高。

2 基于虛擬儀器的檢測分析系統(tǒng)

將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就可以構(gòu)成任何一種儀器。虛擬儀器也是一樣的，由三大功能模塊構(gòu)成，包括信號的采集與控制、信號的分析與處理、結(jié)果的表達與輸出[4]。

虛擬儀器系統(tǒng)的一個核心技術就是軟件技術，美國NI公司提出的“軟件就是儀器”可以看出軟件對于虛擬儀器的重要性。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強大的計算機軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應用計算機直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特征的解析，使儀器中的一些硬件從系統(tǒng)中“消失”，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能[5]。

虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件，主要包括儀器驅(qū)動程序、儀器面板控制軟件和通用I/O接口軟件。虛擬儀器驅(qū)動程序是一組應用層次上的軟件模塊，它是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件;儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶;在虛擬儀器系統(tǒng)中，I/O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層，其模塊化與標準化越來越重要。

本系統(tǒng)的總體設計采用PC-DAQ方案，通過多傳感器采集和數(shù)據(jù)融合并配以PC機平臺和虛擬儀器軟件，構(gòu)成了平面機構(gòu)試驗臺各種輸入、輸出參數(shù)的數(shù)據(jù)采集控制儀器和系統(tǒng)。

該實驗臺所要檢測的數(shù)據(jù)主要包括主軸轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)角信號、擺桿擺動時的擺角信號和滑塊移動時的線位移信號。在所設計的檢測系統(tǒng)中，傳感器采集信號，然后通過專用的屏蔽電纜線將傳感器所采集的電信號經(jīng)虛擬儀器專用DAQ板卡送入計算機。所得到的數(shù)據(jù)通過軟件進行處理。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 虛擬儀器檢測分析系統(tǒng)框圖

2.1 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)采用PXI-1024組合式機箱，為系統(tǒng)提供了堅固的模塊化封裝結(jié)構(gòu)，其具有8個PXI/Compact PCI插槽，第一槽是系統(tǒng)控制器，其余7個插槽是外圍擴展槽，可用于安裝數(shù)據(jù)采集卡，示波器等;機箱還具有高性能PXI背板，可以獨立地向每個外圍擴展槽提供PXI 10 MHz(PXI-CLK10)系統(tǒng)時鐘信號，用于多模塊的同步測量或是系統(tǒng)控制[6]。

同時選取了PXI-6251型多功能數(shù)據(jù)采集卡，插入機箱的左端第三個插槽。

物理信號的獲得通過傳感器實現(xiàn)，其中編碼器采集轉(zhuǎn)角信號，角位移傳感器采集擺角信號，直線位移傳感器采集線位移信號。

對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，由于來自于電力線或機器的影響，會產(chǎn)生噪聲信號，對于這種情況，采用低通濾波器來實現(xiàn)最大程度的抑制[7]。另外，由于采樣率低而產(chǎn)生信號混疊，奈奎斯特定理指出，如果對一種模擬信號進行采樣，所有頻率超過1/2采樣率的信號都會以一種低頻率信號的方式出現(xiàn)。只有在采樣前把所有頻率超過1/2采樣率的信號消除才能避免這種失真。基于以上兩種可能出現(xiàn)噪聲信號的原因，本系統(tǒng)采用模擬低通濾波器、數(shù)字濾波器兩者的結(jié)合。模擬濾波器通常放在A/D轉(zhuǎn)換器的前面，用來消除信號通道位于A/D轉(zhuǎn)換之間的高頻噪聲和干擾。數(shù)字濾波器被放在A/D轉(zhuǎn)換器的后面，通過采用平均技術來減少通帶內(nèi)頻率上的噪聲。

本系統(tǒng)采用雙二階環(huán)濾波電路，利用兩個以上的加法器、積分器等組成的運算放大電路，根據(jù)要求的傳遞函數(shù)，引入適當?shù)姆答仯瑯?gòu)成濾波電路。其突出特點是電路靈敏度低，特性非常穩(wěn)定，并可實現(xiàn)多種濾波功能，這里使用低通濾波抑制部分噪聲信號。具體電路如圖4所示[8]。

圖4 雙二階濾波電路

構(gòu)成低頻濾波器時，電路固有頻率(單位:Hz)和通帶增益如下:

ω2n=R2R1RF1RF2C1C2=1010

ALP=1+R1/R2RG(1/RC+1/RG+1/R4)=2/3

2.2 軟件實現(xiàn)

軟件是檢測系統(tǒng)的靈魂。本實驗臺測控系統(tǒng)應用虛擬儀器圖形化軟件LabVIEW，該軟件具有運算速度快、界面友好、人機交換便捷、操作直觀方便等特點[9]。該測試系統(tǒng)的主程序界面如圖5所示:實現(xiàn)對所測試的不同項目進行有效選擇，并在選擇好輸入項目的基礎上，從主程序界面中選擇所要測試的項目，點擊，則系統(tǒng)進入所要進行的性能測試系統(tǒng)的功能模塊儀器軟件面板。

其中，每一個功能模塊又分別調(diào)用其子模塊，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器標定模塊、誤差處理模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)波形輸出模塊、輸出數(shù)據(jù)保存模塊和數(shù)據(jù)恢復模塊。

圖5 測試系統(tǒng)主界面

2.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊將各種硬件儀器的驅(qū)動程序模塊封裝在組件中，當測試要求改變需要更換新的儀器硬件時，只需更新相應參數(shù)，并且保證它對上層的接口保持不變，那么新的儀器硬件就能在原來的系統(tǒng)中正常運行。

2.2.2 傳感器數(shù)據(jù)的標定

傳感器的標定就是通過試驗建立傳感器輸入量與輸出量之間的關系[10]。利用已知的標準值輸入到待標定的傳感器中，傳感器得到相應的輸出量，將輸出量與輸入的標準量繪制成曲線即得標定曲線，通過標定曲線可以得出輸入量與輸出量之間的關系式，從而可以確定標定系數(shù)。利用標定的數(shù)據(jù)作為測量數(shù)據(jù)輸入提高了傳感器的使用精度。

2.2.3 數(shù)據(jù)的分析及處理

數(shù)據(jù)分析與處理模塊包括數(shù)據(jù)的邏輯計算、測試信號的圖形顯示、測量過程中特性參數(shù)的顯示、誤差的分析、信號的濾波等，通過該模塊的工作，可以輸出非常精確的數(shù)據(jù)及其對應的曲線。

(1) 信號濾波

算術平均值濾波法就是連續(xù)取n個采樣值進行平均。其數(shù)學表達式為:

Y-=1n∑Ni-1Yi+1n∑Ni-1Ni

算術平均濾波法用于對一般具有隨機干擾的信號進行濾波。這種信號的特點是圍繞著一個平均值，在某一范圍附近作上下波動。算術平均濾波法對信號的平滑程度完全取決于N在系統(tǒng)誤差的情況下，當n→∞，1N∑ni-1Ni項噪聲信號趨近于零，其平均值趨向于最大期望值，但是實際上N較小時，平滑度低，但靈敏度高。應根據(jù)具體情況選取N，既保證濾波效果，又盡量減少計算時間。

(2) 誤差處理

回轉(zhuǎn)運動誤差包括傳動誤差和回程誤差。測量傳動誤差，可以采用手工轉(zhuǎn)動使電機的轉(zhuǎn)速不超過10 r/min，當電機轉(zhuǎn)動后，通過輸入、輸出傳感器分別測量輸入、輸出角位移，得到的試驗數(shù)據(jù)可以在計算機內(nèi)進行顯示和記錄。瞬時傳動誤差=輸入轉(zhuǎn)角/理論傳動比- 輸出轉(zhuǎn)角，可以擬合相應的曲線。在測量回程誤差時，去掉電動機、轉(zhuǎn)動輸入傳感器，當在某一個角位移處，使輸出端不動，輸出端反轉(zhuǎn)，所反向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為回程誤差，在若干個角位移處試驗，可以擬合出一條回程誤差曲線。

2.2.4 數(shù)據(jù)的保存與恢復

數(shù)據(jù)保存模塊可以對實時測量的數(shù)據(jù)進行保存，數(shù)據(jù)恢復模塊可以對以往測試的數(shù)據(jù)曲線重新顯示，以利于對比分析等。

2.3 試驗驗證

為驗證本試驗臺測控系統(tǒng)設計的可行性，現(xiàn)通過試驗臺對某曲柄搖桿機構(gòu)擺桿擺動角度進行測試，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸入、信號處理、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示和測試結(jié)果處理等。檢測系統(tǒng)前面板如圖6所示。

圖6 擺桿擺動角度檢測系統(tǒng)前面板

圖6右上角即為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，包括采集參數(shù)和數(shù)據(jù)處理參數(shù)，可以根據(jù)測試對象的不同，測試條件的不同進行靈活的設置;右下角為系統(tǒng)輸出參數(shù)，可以根據(jù)要求顯示擺桿擺角以及角速度和角加速度的極限值，從而為高速運動的系統(tǒng)在一定的工作條件下的振動和噪聲等研究提供一定的依據(jù);左側(cè)為曲線圖和操作按鈕，除了可以顯示擺動角度和時間之間關系的曲線圖外，還可以顯示擺動角度和主軸轉(zhuǎn)角之間關系的曲線圖，這樣對于主軸轉(zhuǎn)速有一定變化的情況下的動態(tài)系統(tǒng)，可以進一步研究動力和從動件之間的關系。兩個曲線圖分別

表示擺角與主軸轉(zhuǎn)角之間的關系和擺角與時間之間的關系，橫坐標直接標注出了兩種測試的方式即主軸轉(zhuǎn)角和時間，縱坐標對于不同曲線的意義通過曲線圖右上角的顯示用不同顏色代表不同的運動性質(zhì)，白色、紅色、綠色分別代表擺動角度、角速度、角加速度，這樣既簡單又清晰的描述除了不同的對應關系，在同一個曲線圖中描述出一個測試對象的不同運動性質(zhì)，更有利于對于同一測試對象不同運動特性的分析與研究。

3 結(jié) 語

基于虛擬儀器的平面機構(gòu)創(chuàng)意組合試驗臺是在原有測控試驗臺基礎上，引進虛擬儀器技術，使其通用性更強，實驗系統(tǒng)組件更靈活，數(shù)據(jù)處理能力更強，測量數(shù)據(jù)更準確、更快捷，其開放的環(huán)境更有利于發(fā)揮學生的能動性和創(chuàng)造性。同時，LabVIEW軟件是一種圖形化語言，更適合于工程技術人員應用，實驗過程中可以根據(jù)需要自行編制測試軟件或修改軟件部分模塊，從而實現(xiàn)開放式試驗的目的，不但可以進行基礎性的教學試驗，而且可以進行相應的科研試驗項目。

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