基于虛擬儀器的隔振裝置特性測試系統的研發

□ 施永康 □ 戴春祥 □ 周曉飛

上海大學 機電工程與自動化學院 上海 200072

現代社會中，高層建筑不斷增多，電梯的速度也不斷加快，隨之而來的振動問題也越來越突出，成為影響乘坐舒適性甚至安全性的因素［1］。電梯的振動主要分為垂直振動［2］和水平振動。近年來，學者們對電梯水平振動的數學建模做了許多工作，李立京等建立了二自由度的電梯轎廂水平振動模型［3］。Utsunomiya等建立了四自由度的振動模型［4］。傅武軍等建立了一個空間五自由度的電梯水平振動模型［1］。馮永慧等建立了空間六自由度模型［5］。然而以上模型均為線性模型，其阻尼器或減振器都以等效阻尼處理，而在實際應用中，非線性阻尼器使用非常普遍。

本文基于虛擬儀器開發平臺LabVIEW軟件，建立了隔振系統機械特性測試系統，并對實際應用中的某電梯隔振系統及其阻尼緩沖器進行了測試，得到了不同頻率下的力-位移滯回曲線，從而反映出電梯數學建模中的非線性問題。

1 測試系統主要模塊設計

1.1 測試系統總體結構

▲圖1 系統硬件總體結構圖

測試系統硬件的總體結構如圖1所示。該系統由上位計算機、測控系統 （NI USB 6212 BNC數據采集卡）、測試平臺（包括伺服驅動器、電動缸、力和位移傳感器）等組成。其中上位計算機主要實現人機界面交互、接口管理、參數設置、數據存儲、數據處理和實時通信等功能；下位的NI USB6212 BNC實現伺服控制以及數據采集等功能；測試平臺中，由驅動器驅動的電動缸實現各種運動，傳感器采集數據并傳回NI板卡。

1.2 測試平臺機械結構

測試平臺機械結構如圖 2所示，它由剛性底座、電動缸、接近開關、位移傳感器、力傳感器等組成。其有效測試空間為600 mm×300 mm×200 mm。作動器選用Lim-Tec公司的電動缸，其額定推力為1.5 t，往復頻率可達20 Hz，有效行程達300 mm，通過電感式接近開關防止其超行程，可按要求輸出正弦、隨機、沖擊等運動。上端配以Interface公司S型力傳感器以及Fltech公司的導電塑料型位移傳感器，力傳感器綜合誤差為0.05%FS，位移傳感器可重復精度≤0.01%。

1.3 控制與采集系統

控制和采集系統選用的是NI公司的USB-6212（BNC）板卡，該板卡具有16路同步模擬輸入（16位 ，400kS/s），2 路 模 擬 輸出 （16 位，250kS/s），32 路數字 I/O，2個 32位計數器。它利用USB總線供電，可方便應用于各種便攜筆記本電腦。與 NI LabVIEW、ANSIC/C++ 、Visual Basic.NET、Visual Basic 6.0完全兼容。

將伺服驅動設置為位置模式，利用1個計數器和1個數字I/O口，向伺服控制器發出控制轉速的脈沖序列和控制方向的高低電平，可完成電動缸的快速上下移動以及準確定位功能。

將伺服驅動設置為速度模式，利用1個模擬輸出口，向伺服控制器發出正弦、三角、隨機等模擬信號，電動缸可完成對應的運動，實現試驗功能。

將傳感器信號接入模擬輸入口，即可測得同步電壓，經過對應換算，可得真實量。

▲圖2 測試平臺機械結構

2 測試系統軟件設計

在硬件設備的基礎上，通過虛擬儀器編程語言LabVIEW的集成開發環境，實現電動缸的控制和數據的采集、存儲、處理等功能。

電動缸的快速上下移動要實現的功能是：按住上/下按鈕不放，電動缸進行上/下快速移動，速度可調。其任務類型屬于脈沖頻率輸出，程序如圖3所示。程序發出2路信號，分別是頻率可變的連續脈沖以及改變方向的數字量。創建2個數字I/O作為上/下按鈕，其按鈕機械動作為保持觸發直到釋放；改變運動方向是通過一個子程序，一次性改變I/O口高低電平；創建1個CO脈沖頻率任務，當程序開始運行時，要求脈沖暫停，故創建1個DAQmx觸發，當觸發I/O為低電平時，脈沖暫停，當按下并保持上/下按鈕時，觸發I/O為高電平，脈沖發出。通過改變脈沖頻率來改變運動速度。

要完成各項試驗內容，電動缸需要按照各種模擬波形運動。創建AO電壓任務，規定其最大、最小電壓值，NI的模擬輸出支持±10V的電壓。為了產生各類波形，添加波形發生子程序，并規定其已經過換算后的幅值、頻率等。規定其緩存采樣頻率和一個循環讀取的波形周期，并添加模擬波形采樣，將生成的波形存入板卡的緩存中。將任務送入循環中，即可實現目標要求。循環中添加了SampClk.Rate屬性節點，可通過前面板頻率輸入的改變而實時變更。

▲圖3 電動缸快動程序

傳感器數據采集程序如圖4所示。由于傳感器輸出的是電壓信號，所以創建AI電壓任務，采樣時鐘設置連續采樣。任務進入循環后通過模擬1D波形N通道N采樣DAQmx進行采樣，一個循環采集2路通道的N個數據點。將數據拆分后換算，并在前面板顯示曲線，然后寫入數據文件，方便離線數據分析。

3 測試結果與分析

利用該設備對某電梯隔振裝置進行動態特性實驗，輸入不同頻率正弦波形，其作用力-位移圖形如圖5右圖所示，可見其存在強烈的非線性，且速度越大，非線性越明顯。又對其使用的阻尼緩沖器單獨進行實驗，如圖 5左圖所示，發現其推程時有阻尼作用，且阻尼大小隨速度增大而增大，回程時阻尼基本不起作用，非線性主要體現在阻尼器中。

4 結論

設計和實現了一個基于虛擬儀器的隔振裝置動態特性測試系統，基于虛擬儀器編程語言LabVIEW完成了各模塊的軟件設計。利用該系統對電梯隔振裝置以及阻尼緩沖器進行了特性測試，達到了預期效果。為隔振系統的研究提供了一個可行的實驗平臺，證實了電梯隔振系統中存在的非線性問題，對電梯的數學建模工作有一定幫助。

▲圖4 數據采集程序

▲圖5 緩沖器（左圖）和隔振裝置（右圖）的試驗滯回曲線

［1] 傅武軍,朱昌明,張長友,等.高速電梯水平振動建模及動態響應分析［J].機械設計與研究,2003,19（6）:65-67.

［2] 金衛清,張惠僑.電梯機械系統動態特性的建模分析［J].機械設計與研究,1999,15（3）:53-55.

［3] 李立京,李醒飛.電梯轎廂水平振動模型［J].電梯工業,2002,3（5）:24-26.

［4] K Utsunomiya,KI Okamoto.Active Roller Guide System for High-speed Elevators ［J].Elevator World,2002,50（4）:86-93.

［5] 馮永慧,張建武.高速電梯水平振動模型的建立與仿真［J].上海交通大學學報,2007,41（4）:557-560.

［6] ISO 10846-1:2008,Acoustics and Vibration-Laboratory MeasurementofVibro-acoustic TransferPropertiesof Resilient Elements［S].