基于LabVIEW的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)

摘 要:利用虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW開(kāi)發(fā)一種多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)。該智能測(cè)控系統(tǒng)以工控機(jī)為核心，集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、波形顯示和試驗(yàn)環(huán)境控制為一體，實(shí)現(xiàn)了溫度、速度、壓力、力矩和摩擦系數(shù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)。利用LabVIEW 內(nèi)嵌的C語(yǔ)言子程序使系統(tǒng)具有靈活而又強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，且能為以后的數(shù)據(jù)處理提供一個(gè)很好的平臺(tái)。該試驗(yàn)機(jī)可更好地模擬現(xiàn)實(shí)工況條件，開(kāi)展多種方式下的摩擦學(xué)試驗(yàn)研究。

關(guān)鍵詞:LabVIEW; 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī); 測(cè)控系統(tǒng); 數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào):TP216+.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)08-0178-04

Intelligent Measurement and Control System of Friction and Wear Tester Based on LabVIEW

LI Yu-ren， HAN Wei，YANG Chong-gang

(College of Automation，Northwest Polytechnical University， Xi’an710129， China)

Abstract:An intelligent measurement and control (MAC) system for friction and wear testers was developed by using the virtual instrument platform LabVIEW. The intelligent MAC system which takes a industrial PC as a core and integrates contains data acquisition， data processing， waveform display and environment control as a whole，realized the real-time detection of temperature， velocity， pressure ，torque and friction coefficient etc. It has extremely powerful and agile ability of data signal processing by the C subroutine embedded in LabVIEW， and provides a good platform for the future data processing. The friction and wear tester can simulate the actual working conditions， and carry out the friction and wear experiments under manifold kinetic modes.

Keywords:LabVIEW;friction and wear tester;measurement and control system;data processing

0 引 言

摩擦材料是汽車制動(dòng)系統(tǒng)必不可少的功能材料。用摩擦材料制成的剎車片，不但直接影響汽車的操作性、可靠性和舒適性，而且很大程度上影響其安全性[1]。因此摩擦材料的性能在汽車行業(yè)中一直受到高度重視。而性能良好的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)則是摩擦材料性能測(cè)試必不可少的工具。

摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的性能在很大程度上取決于其測(cè)控系統(tǒng)的性能優(yōu)劣[2]。利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行自適應(yīng)控制以及模糊控制等規(guī)律控制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取，并以曲線或表格的形式動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)等已成為測(cè)控領(lǐng)域的整體發(fā)展趨勢(shì)[3]。本文利用LabVIEW語(yǔ)言\\編寫了測(cè)控系統(tǒng)程序，該測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和嵌入C語(yǔ)言進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理;可對(duì)實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行曲線顯示、存儲(chǔ)和報(bào)表處理;編制的系統(tǒng)軟件具備人機(jī)對(duì)話功能，操作簡(jiǎn)單、方便，是智能的人機(jī)交互系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)可進(jìn)行恒載荷和恒轉(zhuǎn)矩類型的多種摩擦磨損試驗(yàn)。

1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)介紹

該摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)又叫Chase試驗(yàn)機(jī)，主要用于對(duì)汽車制動(dòng)襯片的安全情況及摩擦磨損特性做出報(bào)告。用于SAEJ661和ISO7881等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)摩擦材料進(jìn)行分級(jí)及質(zhì)量控制[5]。

1.1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的基本要求

為達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定的要求，測(cè)控系統(tǒng)必須具備以下功能:測(cè)量精度滿足GB/T17469-98的要求;可滿足高速、高溫、高載荷下的測(cè)試要求;能完成試驗(yàn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定及摩擦正壓力、摩擦力矩、轉(zhuǎn)速、摩擦轉(zhuǎn)盤溫度、汽缸進(jìn)口壓力等性能參數(shù)的測(cè)量;對(duì)測(cè)量參數(shù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，形成閉環(huán)控制，使轉(zhuǎn)速、壓力和溫度維持在試驗(yàn)要求范圍內(nèi);能實(shí)時(shí)顯示、記錄試驗(yàn)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)并生成報(bào)表。

同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中摩擦塊與試驗(yàn)盤之間應(yīng)始終保持貼合狀態(tài)，無(wú)振動(dòng)現(xiàn)象;試塊裝卡應(yīng)便利、可靠，無(wú)松緩、卡死現(xiàn)象[6]。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)環(huán)節(jié)

該試驗(yàn)臺(tái)可完成恒轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)和恒載荷試驗(yàn)。恒轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)要求系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)調(diào)整比例閥來(lái)控制輸出壓力的大小，使轉(zhuǎn)矩保持恒定。恒載荷試驗(yàn)則要求輸出壓力始終為恒定值。這其中根據(jù)加載的連續(xù)與否可分為:斷續(xù)拖磨和連續(xù)拖磨，該試驗(yàn)機(jī)中跟據(jù)國(guó)標(biāo)所進(jìn)行的預(yù)處理試驗(yàn)、終處理試驗(yàn)、磨損試驗(yàn)和恢復(fù)試驗(yàn)都是斷續(xù)拖磨;而第一次衰退試驗(yàn)和第二次衰退試驗(yàn)則屬于連續(xù)拖磨。

2 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

測(cè)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1所示。

圖1 測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)中調(diào)速電機(jī)通過(guò)變頻器可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，輸出氣壓的大小通過(guò)調(diào)整比例閥的大小來(lái)控制。加熱開(kāi)關(guān)、風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)和壓力開(kāi)關(guān)則分別通過(guò)相應(yīng)的繼電器進(jìn)行控制。

2.2 傳感器

為了精確的完成各類數(shù)據(jù)的測(cè)量，完成各個(gè)環(huán)節(jié)的測(cè)試，裝置中設(shè)置了五個(gè)參數(shù)測(cè)量傳感器(包括三路溫度傳感器)，其精度滿足GB/T17469-98中所規(guī)定的要求。其具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量用傳感器

名稱型號(hào)測(cè)量范圍精度

介質(zhì)溫度傳感器Swd300-55~600 ℃1%Fs

介質(zhì)壓力傳感器BP-2010~3 MPa0.2%Fs

轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器JSC-4A轉(zhuǎn)速0~1 500 r/min

0~±150 N#8226;m05%Fs

05%Fs

2.3 信號(hào)調(diào)理

來(lái)自傳感器的信號(hào)一般都比較小且極易受噪聲影響，有些信號(hào)存在很高的尖峰值，不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之前需先進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理，也就是信號(hào)調(diào)理，下面就其中的兩路調(diào)理電路做簡(jiǎn)單介紹，如圖2所示。

圖2 調(diào)理電路原理圖

在圖2中:

(1) V/I轉(zhuǎn)換電路是將工控機(jī)輸出的1~5 V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4~20 mA的電流信號(hào)。因?yàn)樵撛囼?yàn)機(jī)中的調(diào)節(jié)氣源的比例閥是靠電流來(lái)進(jìn)行控制，故首先要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。其電路圖見(jiàn)圖3(a)，其比例關(guān)系為:I=VR27/R1R61，其中:V為輸入電壓;I為輸出電流。電路中各個(gè)電阻應(yīng)選擇精密電阻，以保證V/I轉(zhuǎn)換的精度。

(2) I/V轉(zhuǎn)換電路是將從溫度、壓力傳感器采集到的4~20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的1~5 V的數(shù)字信號(hào)。其電路圖見(jiàn)圖3(b)，由上面電路可以推算出其轉(zhuǎn)換關(guān)系為:V=IR19(1+R107/R99)。其中:I為輸入電流;V為輸出電壓;各個(gè)電阻也應(yīng)選擇精密電阻。

經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各路信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，可以看出，經(jīng)由調(diào)理電路的處理，輸入/輸出的各路數(shù)字/模擬信號(hào)都有明顯的改善，干擾信號(hào)大大減少，調(diào)理效果很明顯。

2.4 數(shù)據(jù)采集卡

該系統(tǒng)使用北京研華公司的采集卡PCL-818L和PCL-836，其中PCL-818L卡有16 路模擬輸入通道，12位A/D轉(zhuǎn)換分辨率，一路12位模擬輸出通道，一個(gè)16位計(jì)數(shù)器，采樣率為40 kHz。PCL-836包括6個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器，10 MHz的計(jì)數(shù)頻率，還有兩個(gè)數(shù)字I/O接口。

3 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)程序流程

試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的控制流程如圖3所示。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)流程圖

3.2 Front Panel設(shè)計(jì)

在LabVIEW中，程序由VI的Front Panel和Block Diagram兩部分組成，應(yīng)用程序的人機(jī)界面就是FrontPanel，利用LabVIEW提供的各種控件結(jié)合控件的屬性節(jié)點(diǎn)的設(shè)置可以設(shè)計(jì)出儀器化的用戶界面[7]。該試驗(yàn)機(jī)用戶界面如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)機(jī)用戶界面

根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)的功能前面板劃分為:試驗(yàn)環(huán)節(jié)選擇部分;曲線及數(shù)據(jù)顯示部分;試樣批次記錄部分;試驗(yàn)環(huán)節(jié)指示部分;參數(shù)設(shè)定及調(diào)整部分;測(cè)量記錄和路徑設(shè)定部分。

3.3 Block Diagram 設(shè)計(jì)

3.3.1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

在數(shù)據(jù)采集部分，將壓力、溫度設(shè)定為一個(gè)采集任務(wù)，通過(guò)多路模擬量采集程序來(lái)完成，此采集程序主要有MAI Config.vi，MAI Volgagen In.vi和Split1D Array.vi，Device open.vi及Device Close.vi模塊構(gòu)成[8-9]，其結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示?？煽偣策M(jìn)行8路模擬信號(hào)的同時(shí)采集，其采集的數(shù)組由Index Array模塊進(jìn)行分離，此處只使用其中的前四路，包括三路溫度和一路壓力信號(hào)。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩則分別進(jìn)行采集，它們通過(guò)頻率采集電路來(lái)完成，程序中用到的主要模塊有Counter Freq Start.vi，Counter Freq Read.vi和Counter Reset.vi，Deviceopen.vi及Device Close.vi，其采集周期設(shè)定為200 ms，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5(b)。

圖5 數(shù)據(jù)采集程序

3.3.2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

為了提高本測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾性能和減小測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差，在軟件里采取程序?yàn)V波的方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)提高信噪比。

(1) 遞推平均濾波法:采集幾個(gè)周期的數(shù)據(jù)，并求其平均值，作為采集的數(shù)據(jù)。

(2) 中值濾波法[10]:將每次采集的數(shù)據(jù)與前一個(gè)的數(shù)據(jù)做比較，當(dāng)兩數(shù)值之間差大于一定范圍時(shí)則認(rèn)為是干擾信號(hào)，此時(shí)采用上次的數(shù)值作為本次采集的結(jié)果，否則采用本次采集數(shù)據(jù)。

筆者通過(guò)利用LabVIEW中的移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)了平均濾波算法，具體實(shí)現(xiàn)方法如圖6中遞推平均濾波所示。先求取10個(gè)數(shù)的和，再求其平均數(shù)。

對(duì)于中值濾波算法的實(shí)現(xiàn)，利用別一般的模塊實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較繁瑣，如果能用C語(yǔ)言來(lái)處理，就變得很簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)多次嘗試，終于實(shí)現(xiàn)了在LabVIEW中嵌入C語(yǔ)言的方法，利用LabVIEW中的公式節(jié)點(diǎn)作為切入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)用C語(yǔ)言進(jìn)行處理。利用C語(yǔ)言的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能很方便的完成一些復(fù)雜的算法。程序?qū)崿F(xiàn)如圖7中中值濾波所示，將采集的數(shù)據(jù)先利用Build Array模塊轉(zhuǎn)變成數(shù)組，再將數(shù)組作為公式節(jié)點(diǎn)的輸入，C程序首先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩次求平均處理，之后又按照中值濾波算法進(jìn)行處理。相應(yīng)的C語(yǔ)言程序附如圖8所示。

經(jīng)過(guò)以上方法的處理，數(shù)據(jù)的取得了較好的輸出效果。尤其是本試驗(yàn)臺(tái)在LabVIEW中嵌入C語(yǔ)言的數(shù)據(jù)處理方法及思路，大大提高了LabVIEW的數(shù)據(jù)處理能力，簡(jiǎn)化了程序的編寫，具有較廣的應(yīng)用價(jià)值，可以為其他設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)思路，為以后的數(shù)據(jù)處理提供一個(gè)很好的平臺(tái)。

圖6 數(shù)據(jù)處理程序

圖7 C語(yǔ)言程序

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

選用山東淄博某制動(dòng)材料生產(chǎn)公司的汽車制動(dòng)襯片進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，先將襯片加工成尺寸為2.54 cm2試樣。利用設(shè)計(jì)好的摩擦特性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，以獲得襯片摩擦系數(shù)特性曲線。

圖8所示為測(cè)試結(jié)果，圖中給出的是對(duì)試樣進(jìn)行的磨損試驗(yàn)和第一次衰退與恢復(fù)試驗(yàn)的曲線，未經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理的曲線干擾信號(hào)太大，曲線抖動(dòng)嚴(yán)重，影響了測(cè)試結(jié)過(guò)的觀察，經(jīng)過(guò)處理的曲線，較為平滑，抖動(dòng)較小。能很好的反應(yīng)材料摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)。

如圖8(a)所示，在第一次衰退與恢復(fù)試驗(yàn)中，開(kāi)始先加溫并進(jìn)行連續(xù)拖磨，摩擦系數(shù)開(kāi)始先降低，在達(dá)到255 ℃左右開(kāi)始降低。

在之后的斷續(xù)拖磨中，摩擦系數(shù)逐漸下降。圖8(b)為磨損試驗(yàn)的一部分曲線。將處理過(guò)的動(dòng)態(tài)特性曲線與汽車制動(dòng)襯片特性說(shuō)明中所述的襯片特性曲線相比較，結(jié)果一致，表明采用本文設(shè)計(jì)的測(cè)試分析系統(tǒng)得到的試驗(yàn)結(jié)果是可靠的。

圖8 試樣試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 語(yǔ)

利用LabVIEW軟件結(jié)合相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)了摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和控制各試驗(yàn)狀態(tài)，滿足多種摩擦試驗(yàn)的要求。系統(tǒng)采取軟硬件結(jié)合的抗干擾措施，尤其是在LabVIEW中嵌入C語(yǔ)言程序，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，擴(kuò)展了LabVIEW的功能，提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度。人機(jī)界面友好、操作方便安全，測(cè)試效率較高，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

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