基于LabVIEW的轎車電動座盆檢測平臺

王 虎， 薛東巖

（1．長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長春 130012；2．通化市農(nóng)機(jī)工程研究設(shè)計(jì)院，吉林通化 134001）

0 引 言

隨著科技的發(fā)展，汽車不斷地更新?lián)Q代，新的車型也不斷地涌向市場。與此同時(shí)，消費(fèi)者對汽車的外觀、安全性、舒適性等也提出了越來越高的要求。汽車座椅是汽車重要組成部分，它的質(zhì)量直接影響汽車的乘駕舒適性。現(xiàn)代轎車的主駕駛和副駕駛的座椅多為電動可調(diào)的電動座椅，座椅的結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)座椅更為復(fù)雜，在組裝車間組裝完的座盆部分需要對其進(jìn)行綜合性能的測試。

國內(nèi)針對汽車電動座椅的研究起步比較晚，相關(guān)的檢測設(shè)備多需從國外購買，而且此類的檢測設(shè)備多是針對電機(jī)單一部件進(jìn)行的測試。所以，針對座盆組裝完成后的性能測試設(shè)備的研制是十分必要的。該平臺采用LabVIEW虛擬軟件進(jìn)行測試，LabVIEW以軟件為中心，應(yīng)用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算、顯示和連接功能，在屏幕上組建用戶自己的儀器儀表，實(shí)現(xiàn)“軟件即是儀器”的功能［1］。

1 平臺的整體結(jié)構(gòu)

該檢測平臺的整體結(jié)構(gòu)由3部分組成：

1）固定座盆并控制座盆動作的夾持機(jī)架；

2）采集、分析信號的上位機(jī)；

3）進(jìn)行動作控制的電氣機(jī)柜。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

作為本次測試的另一輛性能怪獸，蘭博基尼Hur ac án Performante擁有640馬力的強(qiáng)勁動力。雖然從數(shù)值上來看，這頭“蠻牛”的功率輸出只能算得上是中游水平，但其實(shí)力并不容小覷。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

機(jī)架安放在具有隔音和減震效果的靜音室內(nèi)，工控機(jī)和控制柜安裝在靜音室外，便于操作人員進(jìn)行操作和觀察檢測過程。夾持機(jī)架上安裝了固定座盆的夾具，夾具在汽缸作用下夾緊和松開。機(jī)架上固定了加速度傳感器和噪聲傳感器，座盆在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的振動和噪聲在靜音室內(nèi)得到采集。信號采集過程的動作控制和檢測結(jié)果的顯示由安放在靜音室的控制柜負(fù)責(zé)。

檢測具體操作過程如下：

操作員將座盆放上機(jī)架→按雙手啟動按鈕→夾具動作、系統(tǒng)原位→關(guān)閉靜音室→座盆動作→數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)分析處理→結(jié)果圖形顯示→打印標(biāo)簽。

2 LabVIEW軟件中的信號分析

采集到的信號還不能與系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)相匹配，需要進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析。應(yīng)用LabVIEW強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能可以將信號進(jìn)行處理，最終轉(zhuǎn)換成與系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求相匹配的參數(shù)。LabV IEW提供了許多用Windows底層函數(shù)編寫的聲卡操作函數(shù)，這些函數(shù)在Functions→All Functions→Graphics＆Sound→Sound中［2］。

大量故障電機(jī)的實(shí)驗(yàn)分析研究表明，振動分析法在電機(jī)故障診斷中具有較強(qiáng)的針對性及準(zhǔn)確性，在設(shè)備故障診斷中能夠比較快速地找出問題所在，有效避免在電機(jī)振動診斷中出現(xiàn)盲目性及不準(zhǔn)確性。該診斷方法是一種成熟可行的電機(jī)振動故障診斷方法［3］。由于隨機(jī)信號具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，研究隨機(jī)信號是采用建立在大量觀測實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的概率統(tǒng)計(jì)方法。對于各態(tài)歷經(jīng)信號，由于其特征，無須做大量重復(fù)實(shí)驗(yàn)，就可由一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)樣本函數(shù)推測或估計(jì)出隨機(jī)信號的特征參數(shù)［4］。應(yīng)用LabVIEW中Waveform Measurements VI模塊可進(jìn)行交直流成分分析、振幅測量、脈沖測量、傅里葉變換、功率譜計(jì)算、諧波失真分析、過濾分析、頻率響應(yīng)等數(shù)據(jù)分析操作［5］。

傳感器采集到的信號經(jīng)LabVIEW數(shù)字處理子VI處理后，可得到振動峭度值、電流主頻等參數(shù)，各個(gè)參數(shù)的定義如下：

峭度：

式中：E（x）——x的數(shù)學(xué)期望。

當(dāng)E（x2）＝1時(shí)

式中：m——均值；

s——標(biāo)準(zhǔn)偏差。

電流主頻：由于電動座盆的電機(jī)是由多組插槽組成，當(dāng)電刷在各個(gè)槽轉(zhuǎn)換時(shí)電機(jī)電流會產(chǎn)生周期性波動，電流周期性變化的變化頻率稱為電流主頻。

電流幅值：傅里葉變換可以將周期性變化的電流信號從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域，將在頻域中包圍面積最大的頻率下的電流值定義為電流幅值。

均方根幅值：又稱有效值，均方值的正平方根，它是信號平均能量的另一種表達(dá)。計(jì)算公式如下：

采集到的信號經(jīng)過Basic Averaged DC－RMS子VI處理得到直流分量大小和信號的均方根。同時(shí)，可應(yīng)用Cycle Average and RMS子VI計(jì)算信號的周期平均值和周期均方值。

3 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)硬件由加速度傳感器（LC0119）、電流變換器（TA1T10C10V3）、電機(jī)運(yùn)動控制柜、電荷放大器、信號調(diào)整電路和計(jì)算機(jī)等組成。

電氣控制組成框圖如圖2所示。

加速度傳感器是采集座盆運(yùn)動過程中產(chǎn)生的振動信號的裝置，加速度傳感器的基本力學(xué)模型是一個(gè)質(zhì)量－彈簧－阻尼系統(tǒng)［6］。電流變換器是將采集到的電流信號轉(zhuǎn)變成能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)接受并處理的信號裝置。

圖2 電氣控制組成框圖

座盆和夾具的動作是通過電機(jī)運(yùn)動控制柜完成的系統(tǒng)，要在控制座盆動作、夾具動作的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以，要實(shí)現(xiàn)工控機(jī)和PLC協(xié)同工作。

根據(jù)座盆電機(jī)的工作電壓要求，該檢測平臺采用直流可調(diào)電源為3個(gè)座盆電機(jī)供電，電機(jī)的工作電壓為12～14V，故在測試時(shí)可調(diào)直流電源的電壓定為14V［7］。

4 數(shù)據(jù)采集和分析

在座盆運(yùn)動的同時(shí)，數(shù)據(jù)采集裝置會進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將座盆電機(jī)的電流、座盆振動和噪聲等信號傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)通過LabVIEW軟件進(jìn)行信號實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)分析，采集過程中座盆的電機(jī)電流、振動和噪聲將以圖表的形式實(shí)時(shí)地顯示給用戶，用圖形的形式顯示測試數(shù)據(jù)和分析結(jié)果可以看出被測對象的變化趨勢，使虛擬儀器的前面板更加形象直觀［8］。同時(shí)，LabVIEW通過數(shù)據(jù)分析處理給出最終的測試結(jié)果。

某一瞬間的振動信號（放大圖）如圖3所示。

圖3 某一瞬間的振動信號（放大圖）

在整個(gè)座盆檢測的不同階段，系統(tǒng)檢測的參數(shù)如振動峭度值、電流幅值等會因座盆所受載荷的變換而變換。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)要求取得各個(gè)參數(shù)的平均值和最大值，用最大值判斷座盆組裝是否合格，參數(shù)取值如下：

式中：P——最終參與判斷的參數(shù)，如峭度等；

p1，p2，…，pn——座盆運(yùn)動不同階段各個(gè)參

數(shù)的不同采樣值。

電流測試前面板如圖4所示。

圖4 電流測試前面板

5 結(jié) 語

以LabVIEW作為測試軟件，不僅給用戶提供了直觀的測試界面，測試結(jié)果可以快速顯示，而且軟件較硬件有更大的靈活性，可以方便地增加和更改功能，這是用硬件進(jìn)行測試所做不到的。經(jīng)過長期的測試實(shí)驗(yàn)改進(jìn)證明，該平臺測試響應(yīng)迅速，測試結(jié)果準(zhǔn)確且重復(fù)度較好，測試精度可達(dá)到測試要求。

［1］ 王文彬．基于LabVIEW平臺的振動測試分析系統(tǒng)的開發(fā)［J］．儀器儀表用戶，2004（5）：25－27．

［2］ 馮偉東，楊雪梅．LabVIEW和MATLAB在聲音信號采集和小波降噪中的應(yīng)用［J］．長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，27（1）：41－44．

［3］ 楊守良，程正富，李才俊．基于頻譜分析的電機(jī)故障檢測儀硬件研究及FPGA設(shè)計(jì)［J］．測控技術(shù)，2010（3）：9－13．

［4］ 孔德仁，朱蘊(yùn)璞，狄長安，等．工程測試技術(shù)［M］．北京：科學(xué)出版社，2009：30－31．

［5］ 白云，高育鵬，胡小江，等．基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2009：124－125．

［6］ 張洪震．叉指式硅微機(jī)械加速度計(jì)設(shè)計(jì)與檢測技術(shù)研究［D］：［碩士學(xué)位論文］．長沙：國防科技大學(xué)，2006．

［7］ 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社編．旋轉(zhuǎn)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)匯編［M］．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004：30．

［8］ 趙易彬，王振文．基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］．科技應(yīng)用，2006（4）：25－29．