基于LabVIEW的電液伺服加載試驗臺測控系統設計

侯 偉，辛慧娟，張 慧，劉凱強，寧朝陽

(陜西工業職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

電液伺服加載系統[1-2]是一種常用的載荷加載設備，它可以實現動靜態力或扭矩等的加載，具有控制精度高、響應速度快、輸出功率大等特點，被廣泛應用于土木工程結構測試、材料測試、汽車零部件試驗、飛機結構試驗等測試試驗中。電液伺服加載測控系統作為電液伺服系統的控制核心，其主要作用是控制液壓系統精準施加載荷[3]。

本文針對轉軸類零件的扭矩加載電液伺服系統，以LabVIEW為軟件開發平臺[4-5]，結合NI的數據采集系統和各種傳感器，設計了一套電液伺服加載試驗臺測控系統，實現試驗扭矩自動加載、試驗臺參數實時監測、試驗數據顯示和記錄保存。該系統具有開發周期短、操作簡單、穩定性高、擴展型好、可維護性好等特點。

1 扭矩加載試驗臺整體結構

轉軸類零件或裝置在使用前通常需要進行扭矩加載試驗，檢驗轉軸的性能，以確保其使用的安全性，通常采用扭矩加載設備進行試驗。扭矩加載電液伺服試驗臺主要由液壓部分、機械部分和控制部分組成，如圖1所示[6]。液壓部分的主要功能是為機械部分提供油源動力。機械部分以液壓馬達為執行機構，液壓馬達電液伺服閥的控制下，在對安裝與其中的被測試零件施加扭矩載荷。控制部分由計算機控制數據采集卡輸出模擬信號，以調節電液伺服閥開口大小，控制液壓馬達輸出力矩，與此同時采集扭矩傳感器反饋信號，從而實現不同扭矩輸出；另外，采集光電編碼器信號用于測量扭矩加載時轉軸類零件的扭轉形變情況[7-8]。

2 基于LabVIEW的測控系統硬件設計

2.1 測控系統硬件總體方案

試驗臺測控系統的硬件部分主要由工業計算機、數據采集卡、扭矩傳感器、光電編碼器等組成，如圖2所示。光電編碼器的作用是測量轉軸兩端的旋轉角位移，計算轉軸零件在承受載荷時的形變量；扭矩傳感器的作用是測量轉軸兩端的扭轉力矩，它既是扭矩加載試驗的試驗數據，也是測控系統控制施加扭矩時的反饋信號；數據采集卡采集光電編碼器和扭矩傳感器的信號傳輸給計算機進行顯示與存儲，計算機通過數據采集卡輸出信號，控制電液伺服閥開口，進而控制液壓馬達輸出力矩[9]。

圖1 扭矩加載試驗臺

圖2 測控系統硬件設計框圖

2.2 工業計算機

本文采用友通公司的EC531型工業計算機，如圖3所示。該計算機采用了第4代Intel Core處理器，支持內存大小16G，具有3個PCI接口，運作溫度為0～45 ℃，滿足系統使用和硬件擴展需求。

圖3 EC531型工業計算機

2.3 數據采集卡

本文采用美國NI公司的PCI6221型多功能數據采集卡，如圖4所示。該板卡通過PCI總線與計算機相連，既能輸入輸出模擬信號，又能輸入輸出數字信號，具有16通道16位模擬輸入(AI)，最大采樣率250 kS/s，輸入電壓范圍為±10 V，可采集扭矩傳感器信號，具有2通道16位模擬輸出(AO)，最大采樣率833 kS/s，輸出電壓范圍為±10 V，可控制伺服閥，具有2個16位計數器(Counter)，可采集轉角信號，滿足測控系統的應用要求。

圖4 NI PCI6221數據采集卡

2.4 扭矩傳感器

本文采用德國HBM公司的T22型扭矩傳感器，如圖5所示。基于應變的 T22 扭矩傳感器采用非接觸式傳輸技術，量程從 0～0.5 N·m 最大到 0～1 kN·m，精度等級0.5，它可以直接連接11.5 V到30 V DC電源，輸出模擬信號范圍為±5V和10±8 mA。T22扭矩傳感器可靠，結構緊湊，結實，適合旋轉和非旋轉部件進行動態和靜態扭矩測量，可非常簡單地連接到可編程邏輯控制器(PLC)，廣泛應用于實驗室、測試臺、教學、生產和過程控制。

圖5 T22型扭矩傳感器

2.5 光電編碼器

光電編碼器是光柵式傳感器，在圓分度和角位移連續測量方面有很高的精度，分辨率高，量程大，可實現動態測量，具有較強的抗干擾能力。光柵式傳感器在幾何量測量領域中有著廣泛的應用，與長度和角度測量有關的精密儀器都經常使用光柵式傳感器。本文采用德國海德漢公司的ERN120型5000線光電編碼器，如圖6所示。該編碼器自帶正弦掃描信號的數字化電路，輸出5V方波信號TTL，增量信號由兩路相位差90°的方波脈沖進行傳輸，4倍頻后測量步距可達0.018°。

圖6 ERN120型光電編碼器

3 基于LabVIEW的測控系統軟件設計

3.1 測控系統軟件流程圖

測控系統軟件采用字符串狀態機程序架構，主要由條件結構和一個While循環組成，根據字符串內容由條件結構執行相應的狀態。測控系統軟件流程圖如圖7所示。程序啟動后，首先初始化設備和參數，然后進行載荷設置，主要設置扭矩加載的波形參數(如波形、幅值、相位、頻率、偏移量等)以及采樣信息；設置完畢后啟動試驗，通過計算機板卡發送控制信號控制電液伺服閥，同時采集傳感器信號，并將測量數據用曲線顯示，試驗結束后進行數據保存記錄；當按下“EXIT”按鈕時，復位數據采集卡并退出程序[10-12]。

3.2 數據采集設置

硬件驅動程序是應用軟件對硬件的編程接口，它包含著特定硬件可以接受的操作命令，完成與硬件之間的數據傳遞。依靠硬件驅動程序可以大大簡化LabVIEW編程工作，提高開發效率，降低開發成本。本套系統使用軟件LabVIEW2011和NI-DAQmx。

數據采集卡的驅動分為內置式驅動和外掛式驅動，本系統采用NI公司推出的板卡，可以使用LabVIEW內部的DAQ 庫直接對端口進行操作，即內置式驅動。

扭矩傳感器信號采用PCI6221的AI通道進行采集，采集設置如圖8所示。兩路傳感器分別采用AI0和AI1通道進行采集，根據T22扭矩傳感器的輸出電壓，設置程序采集電壓范圍為±5 V，采樣率為1 kHz。

光電編碼器信號采用PCI6221的計數器通道進行采集，采集設置如圖9所示。兩路光電編碼器分別采用CTR0和CTR1進行采集，根據ERN120型光電編碼器的光柵尺刻線數量，設置程序每轉一周為5 000個脈沖，設置解碼類型為X4，即4倍頻解碼，可實現最小步距角為0.018°的旋轉角度測量[13-14]。

圖7 測控系統軟件流程圖

圖8 AI通道任務設置

圖9 計數器任務設置

控制信號采用PCI6221的AO通道進行發送，采集設置如圖10所示。兩路控制信號分別采用AO0和AO1通道進行傳輸，根據電磁閥控制電壓的范圍，設置程序輸出電壓范圍為±5V，采樣率為1kHz。

圖10 AO通道任務設置

任務設置完成后，在測控軟件的程序框圖選擇相應任務進行讀取和寫入操作，實現測量信號的采集與控制信號的發送。

3.3 測控系統軟件界面與代碼

測控系統軟件界面如圖11所示。軟件界面中可以清晰展示載荷設置的參數，如信號類型、頻率、相位、幅值等，右上角的波形控件展示了載荷設置波形曲線，界面下方顯示了試驗過程中采集的轉角變化曲線和扭矩變化曲線。

測控系統軟件程序框圖如圖12所示，狀態機主要分為初始化、載荷設置、自動加載試驗、保存數據和退出五個狀態。運行程序后，進入“初始化”狀態；如圖12(a)所示，在“初始化”狀態對軟件前面板顯示控件進行清空，然后進入“載荷設置”狀態，如圖12(b)所示；在圖11中的“載荷設置”區域選擇波形和調節參數，可在“載荷波形”控件中觀察試驗應當加載的扭矩載荷曲線，按下界面右上角的“啟動試驗”按鈕后，進入“自動加載試驗”狀態；如圖12(c)所示，“自動加載試驗”狀態中，按照扭矩載荷曲線，輸出2路AO控制信號，同時采集2路AI扭矩傳感器和2路光電編碼器，獲得角位移并計算轉角差，顯示在界面下方的曲線控件中；試驗完畢后進入“保存數據”狀態，如圖12(d)所示，將試驗中采集的扭矩和轉角數據存入D盤電子表格中；加載試驗可以重復進行，當按下界面右上角的“退出”按鈕后，進入“退出”狀態，如圖12(e)所示，進行數據采集設備復位，并退出程序。

圖11 測控系統軟件界面

圖12 測控系統軟件程序框圖

4 總 結

本文設計了一套基于LabVIEW的電液伺服加載試驗臺測控系統[15]。該系統采用NI PCI6221多功能數據采集卡，結合各種傳感器和工業計算機，搭建測控系統硬件平臺；以美國國家儀器公司的LabVIEW為軟件開發平臺，設計并編寫了基于狀態機程序架構的測控系統軟件，設計了友好的用戶交互界面，能夠完成轉軸類零件的扭矩自動加載試驗，并進行試驗臺參數實時監測、試驗數據顯示和記錄保存。該系統具有開發周期短，操作簡單，穩定性高，擴展型好，可維護性好，便于應用推廣[16]。