基于虛擬儀器的新型起升方式研究

馮江濤，郭曉松，馮永保，仝偉

(1. 第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安710025;2. 第二炮兵駐綜合儀器儀表廠軍事代表室，河北廊坊065000)

傳統(tǒng)的起升方式多采用后鉸支點(diǎn)固定的結(jié)構(gòu)，在某些場(chǎng)合為減少起升時(shí)間和空間，需要采用后鉸支點(diǎn)可移式的新型起升方式［1］，為更好地驗(yàn)證這種起升方式，需要對(duì)其進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究。

起升結(jié)構(gòu)普遍采用液壓作為驅(qū)動(dòng)力，液壓傳動(dòng)具有質(zhì)量輕、可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。但是由于液壓傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部狀態(tài)難以直接觀測(cè)，對(duì)于不同的物理量需要安裝多種傳感器，單憑感官讀數(shù)誤差較大且工作繁重。虛擬儀器是一種新的儀器概念，越來越受到高校的重視，它利用模塊化的硬件和軟件，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)不同的功能，結(jié)果顯示直觀，操作簡(jiǎn)便，工作人員只需要在電腦前面即可控制儀器動(dòng)作，并能直觀地觀測(cè)各種參數(shù)的變化［2］。將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于液壓系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)控制和狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)，測(cè)量精度較高，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、具有強(qiáng)大的人機(jī)交流功能，虛擬儀器技術(shù)已成為液壓系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)的一個(gè)主要發(fā)展方向。

1系 統(tǒng)的工作原理

為了節(jié)省起升時(shí)間和空間，在傳統(tǒng)后鉸支點(diǎn)固定的起升結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)水平油缸，系統(tǒng)示意圖如圖1 所示，在起升過程中由兩個(gè)油缸協(xié)作將負(fù)載起升到位。

圖1 系統(tǒng)示意圖

雙缸協(xié)同運(yùn)作需要對(duì)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行合理的規(guī)劃，綜合考慮起升過程中的各種因素影響將系統(tǒng)起升過程的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃為:當(dāng)起升角度θ ＜10°時(shí)，由起升油缸單獨(dú)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng);當(dāng)起升角度10° ＜θ ＜80°時(shí)，由起升油缸和水平油缸共同推動(dòng)負(fù)載起升;當(dāng)80° ＜θ ＜90°時(shí)，水平油缸停止，起升油缸單獨(dú)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)θ=90°時(shí)，起升油缸停止，負(fù)載運(yùn)動(dòng)到位。在起升過程中需要實(shí)時(shí)觀測(cè)壓力和流量的變化，并且由于雙缸的相互影響，系統(tǒng)的振動(dòng)也是一個(gè)不容忽視的因素。

2 基于AMESim 的系統(tǒng)模型

AMESim 是多學(xué)科領(lǐng)域的仿真建模軟件，具有豐富的模型庫［3］，涵蓋液壓、氣動(dòng)、機(jī)械、控制、液壓氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)、熱流體、冷卻、汽車設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，建模方法采用圖形化的方式反映各元件的相互關(guān)系，建立的模型與實(shí)際的工作原理幾乎一樣。

根據(jù)系統(tǒng)的原理調(diào)用液壓庫、機(jī)械庫和信號(hào)庫中提供的元件建立的模型如圖2 所示，圖中左半部分為液壓系統(tǒng)模型，系統(tǒng)由定量泵提供系統(tǒng)動(dòng)力源;溢流閥用于限制系統(tǒng)壓力，防止過載;電磁比例換向閥用于控制液壓油缸的運(yùn)行速度;平衡閥目的是當(dāng)負(fù)載起升角度超過90°，防止負(fù)載由于重力而運(yùn)動(dòng)，當(dāng)負(fù)載回平時(shí)，在起升油缸無桿腔產(chǎn)生背壓以控制負(fù)載的速度;雙向液壓鎖用于換向閥在中位時(shí)水平油缸的精確定位和鎖死。右半部分為機(jī)械系統(tǒng)模型，由起升臂和支架兩部分模型連接而成。

圖2 系統(tǒng)模型

主要參數(shù)設(shè)置:液壓泵的額定轉(zhuǎn)速為1 460 r/min，排量為25 mL/r，溢流閥限定壓力5 MPa，平衡閥限定壓力0.2 MPa;起升和水平液壓缸缸徑/桿徑分別為125 mm/90 mm、90 mm /63 mm，起升臂和負(fù)載質(zhì)量1 500 kg，支架質(zhì)量100 kg。

按照系統(tǒng)要求設(shè)置好其他元件的參數(shù)進(jìn)行仿真得到系統(tǒng)的壓力如圖3 所示，圖中曲線1、2 為起升油缸無桿腔、有桿腔壓力;曲線3、4 為水平油缸有桿腔、無桿腔壓力。從圖中可以看到運(yùn)行過程中壓力變化平穩(wěn);在水平油缸啟動(dòng)時(shí)，水平缸有桿腔壓力有一個(gè)突變，起升油缸有桿腔和無桿腔壓力有一個(gè)擾動(dòng)。

圖3 系統(tǒng)壓力

3 虛擬儀器設(shè)計(jì)

3.1 硬件構(gòu)成

虛擬儀器硬件連接如圖4 所示:其中PXI-1044是12 槽的機(jī)箱，是一種低成本、緊固式的PXI 機(jī)箱，有適用于工業(yè)系統(tǒng)的模塊化體系和堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，能在噪聲、潮濕、振動(dòng)、傾斜的惡劣環(huán)境下正常運(yùn)作;PXI-6259 是一塊高速、多功能數(shù)據(jù)采集卡，提供32路單端、16 路差分模擬輸入，4 路模擬輸出和48 路數(shù)字I/O，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集和控制能力;PXI-4472 是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集模塊，適合用于聲音及振動(dòng)的檢測(cè);SCB-68 是一款屏蔽式I/O 接線盒，有68 針連接端口，用以將傳感器輸入信號(hào)連往PXI-6259 數(shù)據(jù)采集卡，結(jié)合屏蔽式電纜時(shí)，SCB-68 可提供堅(jiān)固且噪聲極低的信號(hào)終端。

圖4 系統(tǒng)硬件連接圖

測(cè)量過程中，首先需要將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后由數(shù)據(jù)采集卡轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠進(jìn)行處理的數(shù)字信號(hào)。根據(jù)系統(tǒng)原理，壓力傳感器選用CSPT300 系列壓力變送器，量程為35 MPa，輸出0 ～10 V 電壓;流量傳感器選用LWGB-15 系列渦輪流量傳感器，輸出0 ～10 V 電壓;角度傳感器選用倍加福公司生產(chǎn)的FSS58 單圈絕對(duì)型編碼器，具有單圈13 位的測(cè)量精度，輸出格雷碼;水平油缸位移傳感器選擇巴魯夫位移傳感器，量程1 700 mm，輸出0 ～10 V 電壓。

3.2 軟件編程

目前較流行的虛擬儀器軟件有兩類:一類是圖形化的編程語言，如HPVEE、LabVIEW 等;另一類是文本式的編程語言，如Visual C ++、LabWindows/CVI 等［4］。NI 公司的LabVIEW 軟件使得設(shè)計(jì)者無須編寫文本格式的代碼，具有用戶自定義界面和數(shù)據(jù)流編程風(fēng)格，是一個(gè)開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件［5］，具有很多優(yōu)勢(shì)，因此選用LabVIEW 軟件進(jìn)行編程。

3.2.1 輸出程序

為完成起升過程的控制，需要輸出電壓用以控制電磁比例換向閥和溢流閥。起升油缸的控制電壓輸出程序如圖5 所示，LabVIEW 中數(shù)據(jù)輸出程序選用DAQmx 模塊，選擇DAQmx 創(chuàng)建通道、讀取、清除任務(wù)和簡(jiǎn)易錯(cuò)誤處理器子VI 進(jìn)行連線，設(shè)置參數(shù)為模擬電壓輸出，其他的兩個(gè)輸出程序與此相似，在此不再贅述。

圖5 電壓輸出程序

在前面板點(diǎn)擊起升按鈕，輸出電壓控制起升油缸運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)地采集信號(hào)，只有當(dāng)角度10° ＜θ ＜80°才輸出水平油缸的控制電壓;當(dāng)角度θ ＞90°時(shí)，將起升按鈕布爾值置為假，停止輸出;點(diǎn)擊回平按鈕輸出負(fù)值電壓進(jìn)行系統(tǒng)回平操作，過程與此相反。在起升或回平過程中點(diǎn)擊停止按鈕可以停止起升油缸和水平油缸的電壓輸出;當(dāng)程序運(yùn)行中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，將輸出電壓置為零后停止程序。

3.2.2 采集程序

信號(hào)采集是將被測(cè)對(duì)象的物理量通過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，再經(jīng)調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或存儲(chǔ)的過程［6］。系統(tǒng)需要采集的有模擬電壓信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)如壓力、流量、位移的程序只需將輸出程序稍加修改即可實(shí)現(xiàn)，參數(shù)設(shè)置為模擬輸入，并增加定時(shí)VI 進(jìn)行采樣率和每通道采樣數(shù)的設(shè)置，為減小測(cè)量中的隨機(jī)誤差干擾，將每通道采樣數(shù)取平均值后輸出。

角度傳感器輸出的是13 位格雷碼，需要將其轉(zhuǎn)換為角度值，用Matlab 腳本節(jié)點(diǎn)可以方便地將Matlab和LabVIEW 結(jié)合起來進(jìn)行編程。角度采集的程序框圖如圖6 所示，圖中兩個(gè)腳本節(jié)點(diǎn)分別完成格雷碼到二進(jìn)制的轉(zhuǎn)換和二進(jìn)制到十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。程序框圖中用到的子VI 有:DAQmx 創(chuàng)建通道、定時(shí)、開始任務(wù)、讀取、清除任務(wù)、簡(jiǎn)易錯(cuò)誤處理器。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)用寫入測(cè)量文件VI，當(dāng)需要保存數(shù)據(jù)時(shí)，點(diǎn)擊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)按鈕將數(shù)據(jù)保存為基于文本的測(cè)量文件，用讀取測(cè)量文件VI 從保存的文件中讀取數(shù)據(jù)。

圖6 角度采集程序

在起升過程中，需要實(shí)時(shí)地采集信號(hào)和輸出電壓，需要用到多線程技術(shù)。LabVIEW 是一種自動(dòng)多線程語言［7］，它會(huì)根據(jù)編寫的程序決定線程的數(shù)目、分配、管理和切換等，專門用一個(gè)用戶界面線程處理界面刷新、響應(yīng)用戶界面操作等［8］。線程的執(zhí)行系統(tǒng)和優(yōu)先級(jí)則可以在VI 的屬性對(duì)話框中直接進(jìn)行配置。

3.2.3 前面板設(shè)計(jì)

虛擬儀器將計(jì)算機(jī)和模塊化的硬件結(jié)合起來，用戶通過操作前面板的各種控件就如同操作真實(shí)儀器一樣［9］，使得操作人員可以在前面板方便觀察系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)變化并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓。從控件選板中分別選擇波形圖表、按鈕和數(shù)據(jù)輸出控件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前面板如圖7 所示，從中可以直觀地看到起升角度、液壓缸壓力、系統(tǒng)流量、水平油缸位移、振動(dòng)信號(hào)的變化，并能夠根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出到電磁換向閥和溢流閥上電壓的大小，從而控制起升的速度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上設(shè)計(jì)和編程，在起升模擬平臺(tái)上進(jìn)行了一次起升過程實(shí)驗(yàn)，起升過程的各個(gè)參數(shù)變化如圖7所示，從圖中可以得出:起升過程中角度由0°緩慢增加到90°;水平缸位移起先為0，然后緩慢增加490 mm;起升油缸無桿腔壓力由初值迅速增加4.8 MPa而后隨著時(shí)間逐漸減小，說明隨著角度的增加液壓缸的負(fù)載逐漸減小，在水平油缸啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)擾動(dòng);系統(tǒng)流量由0 緩慢增加到12 m3/h，在水平缸啟動(dòng)時(shí)有一個(gè)突變;由于雙向液壓鎖的作用，在水平油缸未啟動(dòng)時(shí)，無桿腔和有桿腔壓力保持一個(gè)值，之后而隨著電磁換向閥的通電而隨著負(fù)載緩慢變化;水平油缸啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)振動(dòng)比較強(qiáng)烈。

圖7 程序前面板

5 結(jié)論

(1)AMESim 軟件采用圖形化的編程方式，功能完善，只需根據(jù)原理選擇相應(yīng)的元件進(jìn)行連線和參數(shù)設(shè)置，仿真界面與系統(tǒng)原理圖幾乎一樣，直觀易懂，適用面廣，結(jié)果準(zhǔn)確。

(2)虛擬儀器技術(shù)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件和軟件，可以實(shí)現(xiàn)多種功能，由用戶根據(jù)需要定義，系統(tǒng)的開放性強(qiáng)。圖形化語言LabVIEW 編寫的程序調(diào)試方便、運(yùn)行速度快、精度高、界面直觀。

(3)通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明后鉸支點(diǎn)可移式起升結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于工程實(shí)際，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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