基于LabVIEW的氣缸信賴性測試系統設計

胥　軍，　馮　瀾，　孫裕民

(武漢理工大學 機電工程學院，武漢 430070)

0　引　言

NI的可視化開發軟件LabVIEW平臺及DAQmx是數據采集與儀器控制軟件的標準[1-3]，其綜合了虛擬儀器平臺開放性和資源復用性的優點，在各類測控系統中得到了廣泛應用[4-8]。在現代企業中，特別是在自動化裝配、過程及流程控制等現場，各型氣缸得到了廣泛地應用。作為一種重要的執行元件，由于連續運行時間長、動作頻率高，氣缸易發生性能失效或疲勞失效。

為檢驗氣缸的綜合性能，氣缸信賴性測試系統在新產品性能檢驗、元件適用性性能評價等場合不可或缺。為此，本文參照ISO/FDIS/19973標準[9]設計了一種氣缸信賴性測試系統，不僅可用于現場，還可用于實踐教學。與已有的氣缸信賴性測試系統常采用空載低速測試模式不同[10-11]，本設計方案綜合考慮了氣缸在實際運行過程中所受的負載、動作頻率等因素對氣缸性能及疲勞壽命的影響，一方面通過在活塞桿頂端附加配重塊模擬運行負載，另一方面通過高頻電磁閥驅動氣動回路快速切換，達到加速氣缸性能衰減、減少疲勞測試周期的目標。

1　總體設計

本文設計的氣缸信賴性測試系統中氣缸為SMC MB系列[12]，安裝形式為腳座型，其結構簡圖如圖1所示。

1-缸筒2-耐磨環3-活塞4-導向套5-端蓋6-活塞桿7-負載

圖1氣缸結構簡圖

國標ISO/FDIS/19973規定進行氣缸信賴性測試時以氣缸連續運行時的泄漏量、最小動作壓力和沖/回程時間作為測量參數，并對不同型號的氣缸規定了閾值，參數超出閾值即可判定氣缸性能失效。根據氣缸信賴性測試需求，將測試分為定期性能測試與連續疲勞壽命測試。測試指標包括泄漏量、回路壓力、沖/回程時間、運行次數等，測試系統結構設計如圖2所示。

圖2測試系統總體結構

其中，上位機安裝LabVIEW軟件和DAQmx硬件驅動程序，驅動數據采集卡NI-USB 6009輸出脈沖控制電磁閥通斷，并通過A/D與I/O端口采集數字壓力計、流量計、位移傳感器，分別采集壓力、流量和活塞位移數據。

2　測試系統硬件設計

根據系統總體結構設計方案，綜合考慮安全、結構緊湊和安裝方便等要求設計測試系統硬件，其結構如圖3所示。在測試過程中，氣缸豎直放置，在活塞推桿頂端加載不同質量的配重模擬負載。

壓縮氣體經過氣動三聯件過濾清潔之后，經過調壓閥調節氣體壓力，然后通過控制電磁閥換向使氣缸缸桿頂出或縮回。單向節流閥選擇排氣節流型安裝方式，使氣缸進氣時進氣腔壓力上升較快，排氣腔壓力下降緩慢，活塞兩側壓差穩定，活塞輸出速度和輸出力平穩，以調節氣缸活塞速度、減小振動和對氣缸沖擊。

圖3氣缸信賴性試驗平臺硬件結構

3　測試系統軟件設計

測試系統軟件包括登錄管理模塊、電磁閥驅動模塊、位移采集與處理模塊和報表輸出模塊，用于脈沖信號輸出、數據采集、數據處理與數據存儲，其結構如圖4所示。

圖4軟件系統結構

3.1　登錄管理模塊

登陸管理模塊實現操作人員登陸以及管理員對操作人員信息的增刪[13]，登陸模塊部分程序如圖5所示。

通過DB Tools Open Connection.VI“數據打開函數”打開指定路徑的數據庫，將登陸人員的信息從數據庫調取到程序中。在指定數據庫里建立若干數據表，調用登錄人員信息時利用DB Tools Select Date.VI函數來搜尋指定的數據表的數據，并運用Datespace Variant To Date函數將變體轉化為可以操作的數組。

圖5　登陸模塊部分程序框圖

利用“索引數組”將在數據庫調用出來的二維數組變為分別包含用戶名和密碼的兩個一維數組。

管理員利用登陸管理模塊對操作用戶進行授權與信息管理，系統測試開始時，用戶在登錄界面輸入姓名、工號、測試時間和運行負載等內容，上述信息保存于系統數據存儲模塊中，便于測試結果的索引，并用于數據報表輸出。

3.2　電磁閥驅動模塊

程序通過仿真信號Express VI產生方波輸出至DAQ助手，經數據采集卡的數字輸出通道輸出，信號放大之后驅動電磁閥的通斷。在軟件人機交互界面可改變方波的頻率、幅值和占空比等參數，以改變電磁閥通斷的快慢與時長，控制氣缸沖/回程的頻率。電磁閥驅動模塊程序如圖6所示。

圖6　電磁閥驅動方波輸出

3.3　位移采集與處理模塊

DAQ助手通過數據采集卡采集位移傳感器數據，考慮到測試環境溫度變化、電磁干擾等因素，采用低通濾波器對缸桿位移數據進行濾波，并輸出“時間-位移”曲線，位移采集與處理模塊程序如圖7所示。

圖7　位移-時間波形采集程序框圖

3.4　氣缸失效自診斷模塊

系統進行疲勞壽命測試時，程序須有失效自動檢測功能以檢測氣缸是否失效，避免測試人員長時間值守。針對氣缸失效時特點，采用超時限自檢法設計失效自診斷程序，控制指令發出后，執行元件在規定時間內未發生動作或未達到相應位置，則判定執行機構發生故障或失效[14]。

氣缸失效自診斷模塊部分程序框圖如圖8所示。按照系統元件工作順序，數據采集卡輸出脈沖信號至電磁閥后，一定時間內激光位移傳感器應測量到氣缸動作數據，若在脈沖發出之后氣缸未動作則系統判定氣缸故障或電磁閥失效。

圖8　氣缸失效自診斷部分程序框圖

3.5　報表輸出模塊

為便于分析測試結果并對測試過程進行及時存檔，設計報表輸出打印程序框圖如圖9所示。在測試完成之后系統自動存儲操作員信息、測試頻率、測試次數和曲線數據，并根據報表模板自動生成測試報告。

圖9　報表輸出打印程序框圖

4　測試方法

4.1　定期性能測試

定期性能測試用于測試氣缸的始動壓力、泄漏量與行程時間。

始動壓力測試：以氣缸頂出為例，測試氣缸頂出啟動壓力時，手動調節調壓閥使氣路壓力為0，DAQ助手驅動二位五通電磁閥保持接通狀態。從零開始緩慢手動調節調壓閥增加回路氣壓，直到DAQ助手讀取激光位移傳感器測量的活塞桿運動行程大于規定的運行閾值，此時記錄壓力傳感器顯示的壓力值即為氣缸始動壓。

泄漏量測試：氣缸動作時直接通過流量顯示儀表讀出氣缸進氣側和出氣側的流量差值。

行程時間測試：氣缸連續運行時，活塞運行位移周期性變化。利用激光位移傳感器測量氣缸活塞的位移變化，通過模擬量輸入到數據采集卡的模擬輸入接口，經數據處理之后實時顯示位移-時間波形，分析計算“位移-時間”波形即可得出行程時間。

4.2　連續疲勞壽命測試

氣缸疲勞壽命試驗需連續長時間運行氣缸直至氣缸疲勞失效，即活塞桿不再正常頂出或縮回，氣缸無法繼續工作，氣缸疲勞失效時已運行的次數即為疲勞壽命。批量測試時，可根據測量得到的氣缸動作次數利用三參數威爾分布方法[15]建立氣缸疲勞壽命分布模型作為產品可靠性數據。

連續運行時，軟件程序自動記錄驅動電磁閥的脈沖下降沿信號次數作為氣缸的運行次數，直至氣缸疲勞失效時運行的總次數即為氣缸壽命。

5　測試結果

氣缸信賴性測試系統的測量并經低通濾波處理后的“位移-時間”曲線如圖10所示。

圖10位移-時間波形

該“位移-時間”曲線呈現為周期性連續波形，曲線上升沿和下降沿的斜率分別表示活塞在沖程與回程動作的速率。由于活塞與端蓋之間有短時間的沖擊，在活塞完全頂出和縮回之后波形有輕微的抖動；在缸桿頂出時由于有活塞桿與導向閥之間的縫隙泄露，則氣缸頂出時比氣缸縮回時的泄漏量測量結果稍大。

6　結　語

本文所設計的氣缸信賴性測試系統在實驗室條件下已完成了氣缸連續疲勞壽命測試75天，系統整體性能穩定、運行高效，獲取了大量的測試結果數據，為氣缸新產品性能檢驗、元件適用性性能評價提供了重要的基礎實驗數據，取得了良好的實效。

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引言的寫作要求

1 開門見山，不繞圈子。避免大篇幅地講述歷史淵源和立題研究過程。

2 言簡意賅，突出重點。不應過多敘述同行熟知的及教科書中的常識性內容，確有必要提及他人的研究成果和基本原理時，只需以參考引文的形式標出即可。在引言中提示本文的工作和觀點時，意思應明確，語言應簡練。

3 尊重科學，實事求是。在論述本文的研究意義時應注意分寸，切忌使用“有很高的學術價值”、“填補了國內外空白”、“首次出現”等不適之詞；同時也要注意不用客套話，如“才疏學淺”、“懇求指教”、“拋磚引玉”之類的語言。

4 引言的內容不應與摘要雷同，也不應是摘要的注釋。引言一般應與結論相呼應，在引言中提出的問題，在結論中應有解答，但應避免引言與結論雷同。

5 引言不必交待開題過程和成果鑒定程序，也不必引用有關合同公文和鑒定的全部結論。

6 引言最好不要分段論述，不要插圖、列表和數學公式的推導證明。