基于虛擬儀器的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)臺測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
    平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)臺提供了機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案創(chuàng)新組合設(shè)計(jì)平臺，一方面，以機(jī)構(gòu)及機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主線，以機(jī)構(gòu)運(yùn)動創(chuàng)意組合設(shè)計(jì)為重點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和分析解決問題的能力；另一方面，學(xué)生通過“平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合及參數(shù)分析實(shí)驗(yàn)臺”獲得測試數(shù)據(jù)及曲線，通過分析曲線變化的原因評價系統(tǒng)和設(shè)計(jì)方案，如安裝精度、改善方法、構(gòu)件運(yùn)動規(guī)律分析等，提高了學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識分析和解決問題的能力，比單純的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)按部就班地操作前進(jìn)了一大步。這就需要實(shí)驗(yàn)臺具有精確的檢測系統(tǒng)，并且檢測系統(tǒng)應(yīng)在準(zhǔn)確測試的基礎(chǔ)上保證開放性和靈活性。基于虛擬儀器技術(shù)可以開發(fā)適應(yīng)不同應(yīng)用場合的虛擬儀器測試方案，更好地組建自動化程度較高，數(shù)據(jù)處理分析能力較強(qiáng)的測試系統(tǒng)。本文就以此為出發(fā)點(diǎn)，開發(fā)設(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器的應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)臺的測控軟件。

1 試驗(yàn)臺的工作原理及組成
    平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實(shí)驗(yàn)臺提供組成機(jī)構(gòu)的最小單元中的各種構(gòu)件、運(yùn)動副以及一個能多層、多面、多維的框架，通過改變連桿機(jī)構(gòu)的尺寸實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動規(guī)律，通過不同構(gòu)件和運(yùn)動副的創(chuàng)新組合實(shí)現(xiàn)多種機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案，通過不同的構(gòu)件拼接成不同的基本機(jī)構(gòu)，包括平面連桿機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、間歇運(yùn)動機(jī)構(gòu)(有槽輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu))等基本機(jī)構(gòu)，同時還可以將基本機(jī)構(gòu)進(jìn)行拼接，包括齒輪一桿組合機(jī)構(gòu)凸輪組合機(jī)構(gòu)、齒輪一齒條組合機(jī)構(gòu)、鏈一齒輪機(jī)構(gòu)等。通過傳感器裝置測定位移、速度、加速度曲線，利用計(jì)算機(jī)顯示出從動件運(yùn)動曲線的變化，從而將測試、仿真、設(shè)計(jì)與分析有機(jī)地結(jié)合起來。
    本文以JPCC-Ⅱ型平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)新組合試驗(yàn)臺為例，探討將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)臺的檢測分析系統(tǒng)中的情況。該試驗(yàn)臺主要包括兩大部分，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和檢測分析系統(tǒng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由底座(安裝平臺)、平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、間歇機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、帶(鏈)傳動等機(jī)構(gòu)組成。

    通用檢測分析系統(tǒng)如圖2所示，配備有速度、角位移、壓力等各種傳感器，對多種參數(shù)進(jìn)行測量，同時采用單片機(jī)與A／D轉(zhuǎn)換集成相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理分析并通過RS 232接口與PC機(jī)的通信，以達(dá)到適時顯示運(yùn)動曲線的目的。
    在該檢測系統(tǒng)中，雖然能夠?qū)τ谄矫鏅C(jī)構(gòu)運(yùn)動過程中的一些位移、轉(zhuǎn)角信號進(jìn)行顯示，但不能達(dá)到在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新組合過程中對于測試過程中的各種情況的處理能力，還存在一些不足：
    (1)缺乏開放性，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ焦潭?，靈活性較差，只能依照系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定的方式進(jìn)行有限的測試，不能根據(jù)測試對象條件的改變而隨意改變一些測試方法、測試參數(shù)以及測試結(jié)果的表現(xiàn)形式等。
    (2)數(shù)據(jù)處理能力較差，界面較單調(diào)。對于所有的數(shù)據(jù)只能進(jìn)行一定形式的處理，對于測試結(jié)果只能以一定的形式進(jìn)行顯示。例如由于實(shí)驗(yàn)臺工作條件必定會造成的一些誤差，包括采集過程中的一些隨機(jī)誤差，還有在操作過程中的操作誤差，這些誤差必然會對于結(jié)果有一定的影響，而其并不能對于不同工作條件下引起的一些誤差進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?br />     針對該實(shí)驗(yàn)臺存在的這些缺陷，將基于LabVIEW軟件的虛擬儀器技術(shù)引入到檢測系統(tǒng)中，使該實(shí)驗(yàn)臺的開放性、可操作性及數(shù)據(jù)處理能力大大提高，從而使精確性也提高。

2 基于虛擬儀器的檢測分析系統(tǒng)
    將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就可以構(gòu)成任何一種儀器。虛擬儀器也是一樣的，由三大功能模塊構(gòu)成，包括信號的采集與控制、信號的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出。
    虛擬儀器系統(tǒng)的一個核心技術(shù)就是軟件技術(shù)，美國NI公司提出的“軟件就是儀器”可以看出軟件對于虛擬儀器的重要性。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特征的解析，使儀器中的一些硬件從系統(tǒng)中“消失”，而由計(jì)算機(jī)的軟硬件資源來完成它們的功能。
    虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件，主要包括儀器驅(qū)動程序、儀器面板控制軟件和通用I／O接口軟件。虛擬儀器驅(qū)動程序是一組應(yīng)用層次上的軟件模塊，它是處理與特定儀器進(jìn)行控制通信的一種軟件；儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶；在虛擬儀器系統(tǒng)中，I／O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層，其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來越重要。
    本系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)采用PC-DAQ方案，通過多傳感器采集和數(shù)據(jù)融合并配以PC機(jī)平臺和虛擬儀器軟件，構(gòu)成了平面機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺各種輸入、輸出參數(shù)的數(shù)據(jù)采集控制儀器和系統(tǒng)。
    該實(shí)驗(yàn)臺所要檢測的數(shù)據(jù)主要包括主軸轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)角信號、擺桿擺動時的擺角信號和滑塊移動時的線位移信號。在所設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)中，傳感器采集信號，然后通過專用的屏蔽電纜線將傳感器所采集的電信號經(jīng)虛擬儀器專用DAQ板卡送入計(jì)算機(jī)。所得到的數(shù)據(jù)通過軟件進(jìn)行處理。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用PXI-1024組合式機(jī)箱，為系統(tǒng)提供了堅(jiān)固的模塊化封裝結(jié)構(gòu)，其具有8個PXI／Compact PCI插槽，第一槽是系統(tǒng)控制器，其余7個插槽是外圍擴(kuò)展槽，可用于安裝數(shù)據(jù)采集卡，示波器等；機(jī)箱還具有高性能PXI背板，可以獨(dú)立地向每個外圍擴(kuò)展槽提供PXI10 MHz(PXI-CLKl0)系統(tǒng)時鐘信號，用于多模塊的同步測量或是系統(tǒng)控制。
    同時選取了PXI-6251型多功能數(shù)據(jù)采集卡，插入機(jī)箱的左端第三個插槽。
    物理信號的獲得通過傳感器實(shí)現(xiàn)，其中編碼器采集轉(zhuǎn)角信號，角位移傳感器采集擺角信號，直線位移傳感器采集線位移信號。
    對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來說，由于來自于電力線或機(jī)器的影響，會產(chǎn)生噪聲信號，對于這種情況，采用低通濾波器來實(shí)現(xiàn)最大程度的抑制。另外，由于采樣率低而產(chǎn)生信號混疊，奈奎斯特定理指出，如果對一種模擬信號進(jìn)行采樣，所有頻率超過1／2采樣率的信號都會以一種低頻率信號的方式出現(xiàn)。只有在采樣前把所有頻率超過1／2采樣率的信號消除才能避免這種失真?；谝陨蟽煞N可能出現(xiàn)噪聲信號的原因，本系統(tǒng)采用模擬低通濾波器、數(shù)字濾波器兩者的結(jié)合。模擬濾波器通常放在A／D轉(zhuǎn)換器的前面，用來消除信號通道位于A／D轉(zhuǎn)換之間的高頻噪聲和干擾。數(shù)字濾波器被放在A／D轉(zhuǎn)換器的后面，通過采用平均技術(shù)來減少通帶內(nèi)頻率上的噪聲。
    本系統(tǒng)采用雙二階環(huán)濾波電路，利用兩個以上的加法器、積分器等組成的運(yùn)算放大電路，根據(jù)要求的傳遞函數(shù)，引入適當(dāng)?shù)姆答?，?gòu)成濾波電路。其突出特點(diǎn)是電路靈敏度低，特性非常穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)多種濾波功能，這里使用低通濾波抑制部分噪聲信號。具體電路如圖4所示。

    構(gòu)成低頻濾波器時，電路固有頻率(單位：Hz)和通帶增益如下：
   
2．2 軟件實(shí)現(xiàn)
    軟件是檢測系統(tǒng)的靈魂。本實(shí)驗(yàn)臺測控系統(tǒng)應(yīng)用虛擬儀器圖形化軟件LabVIEW，該軟件具有運(yùn)算速度快、界面友好、人機(jī)交換便捷、操作直觀方便等特點(diǎn)。該測試系統(tǒng)的主程序界面如圖5所示：實(shí)現(xiàn)對所測試的不同項(xiàng)目進(jìn)行有效選擇，并在選擇好輸入項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，從主程序界面中選擇所要測試的項(xiàng)目，點(diǎn)擊，則系統(tǒng)進(jìn)入所要進(jìn)行的性能測試系統(tǒng)的功能模塊儀器軟件面板。

    其中，每一個功能模塊又分別調(diào)用其子模塊，主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、傳感器標(biāo)定模塊、誤差處理模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、數(shù)據(jù)波形輸出模塊、輸出數(shù)據(jù)保存模塊和數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊。
2．2．1 數(shù)據(jù)采集
    數(shù)據(jù)采集模塊將各種硬件儀器的驅(qū)動程序模塊封裝在組件中，當(dāng)測試要求改變需要更換新的儀器硬件時，只需更新相應(yīng)參數(shù)，并且保證它對上層的接口保持不變，那么新的儀器硬件就能在原來的系統(tǒng)中正常運(yùn)行。
2．2．2 傳感器數(shù)據(jù)的標(biāo)定
    傳感器的標(biāo)定就是通過試驗(yàn)建立傳感器輸入量與輸出量之間的關(guān)系。利用已知的標(biāo)準(zhǔn)值輸入到待標(biāo)定的傳感器中，傳感器得到相應(yīng)的輸出量，將輸出量與輸入的標(biāo)準(zhǔn)量繪制成曲線即得標(biāo)定曲線，通過標(biāo)定曲線可以得出輸入量與輸出量之間的關(guān)系式，從而可以確定標(biāo)定系數(shù)。利用標(biāo)定的數(shù)據(jù)作為測量數(shù)據(jù)輸入提高了傳感器的使用精度。
2．2．3 數(shù)據(jù)的分析及處理
    數(shù)據(jù)分析與處理模塊包括數(shù)據(jù)的邏輯計(jì)算、測試信號的圖形顯示、測量過程中特性參數(shù)的顯示、誤差的分析、信號的濾波等，通過該模塊的工作，可以輸出非常精確的數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的曲線。
    (1)信號濾波
    算術(shù)平均值濾波法就是連續(xù)取n個采樣值進(jìn)行平均。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
   
    算術(shù)平均濾波法用于對一般具有隨機(jī)干擾的信號進(jìn)行濾波。這種信號的特點(diǎn)是圍繞著一個平均值，在某一范圍附近作上下波動。算術(shù)平均濾波法對信號的平滑程度完全取決于N在系統(tǒng)誤差的情況下，當(dāng)n→∞，項(xiàng)噪聲信號趨近于零，其平均值趨向于最大期望值，但是實(shí)際上N較小時，平滑度低，但靈敏度高。應(yīng)根據(jù)具體情況選取N，既保證濾波效果，又盡量減少計(jì)算時間。
    (2)誤差處理
    回轉(zhuǎn)運(yùn)動誤差包括傳動誤差和回程誤差。測量傳動誤差，可以采用手工轉(zhuǎn)動使電機(jī)的轉(zhuǎn)速不超過10 r／min，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動后，通過輸入、輸出傳感器分別測量輸入、輸出角位移，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以在計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行顯示和記錄。瞬時傳動誤差=輸入轉(zhuǎn)角／理論傳動比-輸出轉(zhuǎn)角，可以擬合相應(yīng)的曲線。在測量回程誤差時，去掉電動機(jī)、轉(zhuǎn)動輸入傳感器，當(dāng)在某一個角位移處，使輸出端不動，輸出端反轉(zhuǎn)，所反向產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角為回程誤差，在若干個角位移處試驗(yàn)，可以擬合出一條回程誤差曲線。
2．2．4 數(shù)據(jù)的保存與恢復(fù)
    數(shù)據(jù)保存模塊可以對實(shí)時測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊可以對以往測試的數(shù)據(jù)曲線重新顯示，以利于對比分析等。
2．3 試驗(yàn)驗(yàn)證
    為驗(yàn)證本試驗(yàn)臺測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，現(xiàn)通過試驗(yàn)臺對某曲柄搖桿機(jī)構(gòu)擺桿擺動角度進(jìn)行測試，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸入、信號處理、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示和測試結(jié)果處理等。檢測系統(tǒng)前面板如圖6所示。

    圖6右上角即為系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，包括采集參數(shù)和數(shù)據(jù)處理參數(shù)，可以根據(jù)測試對象的不同，測試條件的不同進(jìn)行靈活的設(shè)置；右下角為系統(tǒng)輸出參數(shù)，可以根據(jù)要求顯示擺桿擺角以及角速度和角加速度的極限值，從而為高速運(yùn)動的系統(tǒng)在一定的工作條件下的振動和噪聲等研究提供一定的依據(jù)；左側(cè)為曲線圖和操作按鈕，除了可以顯示擺動角度和時間之間關(guān)系的曲線圖外，還可以顯示擺動角度和主軸轉(zhuǎn)角之間關(guān)系的曲線圖，這樣對于主軸轉(zhuǎn)速有一定變化的情況下的動態(tài)系統(tǒng)，可以進(jìn)一步研究動力和從動件之間的關(guān)系。兩個曲線圖分別表示擺角與主軸轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系和擺角與時間之間的關(guān)系，橫坐標(biāo)直接標(biāo)注出了兩種測試的方式即主軸轉(zhuǎn)角和時間，縱坐標(biāo)對于不同曲線的意義通過曲線圖右上角的顯示用不同顏色代表不同的運(yùn)動性質(zhì)，白色、紅色、綠色分別代表擺動角度、角速度、角加速度，這樣既簡單又清晰的描述除了不同的對應(yīng)關(guān)系，在同一個曲線圖中描述出一個測試對象的不同運(yùn)動性質(zhì)，更有利于對于同一測試對象不同運(yùn)動特性的分析與研究。

3 結(jié)語
    基于虛擬儀器的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合試驗(yàn)臺是在原有測控試驗(yàn)臺基礎(chǔ)上，引進(jìn)虛擬儀器技術(shù)，使其通用性更強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組件更靈活，數(shù)據(jù)處理能力更強(qiáng)，測量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確、更快捷，其開放的環(huán)境更有利于發(fā)揮學(xué)生的能動性和創(chuàng)造性。同時，LabVIEW軟件是一種圖形化語言，更適合于工程技術(shù)人員應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)過程中可以根據(jù)需要自行編制測試軟件或修改軟件部分模塊，從而實(shí)現(xiàn)開放式試驗(yàn)的目的，不但可以進(jìn)行基礎(chǔ)性的教學(xué)試驗(yàn)，而且可以進(jìn)行相應(yīng)的科研試驗(yàn)項(xiàng)目。