基于LabVIEW的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)智能測(cè)控系統(tǒng)

0 引言
    摩擦材料是汽車制動(dòng)系統(tǒng)必不可少的功能材料。用摩擦材料制成的剎車片，不但直接影響汽車的操作性、可靠性和舒適性，而且很大程度上影響其安全性。因此摩擦材料的性能在汽車行業(yè)中一直受到高度重視。而性能良好的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)則是摩擦材料性能測(cè)試必不可少的工具。
    摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的性能在很大程度上取決于其測(cè)控系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行自適應(yīng)控制以及模糊控制等規(guī)律控制，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取，并以曲線或表格的形式動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)實(shí)時(shí)參數(shù)等已成為測(cè)控領(lǐng)域的整體發(fā)展趨勢(shì)。本文利用LabVIEW語(yǔ)言編寫了測(cè)控系統(tǒng)程序，該測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和嵌入C語(yǔ)言進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理；可對(duì)實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行曲線顯示、存儲(chǔ)和報(bào)表處理；編制的系統(tǒng)軟件具備人機(jī)對(duì)話功能，操作簡(jiǎn)單、方便。是智能的人機(jī)交互系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)可進(jìn)行恒載荷和恒轉(zhuǎn)矩類型的多種摩擦磨損試驗(yàn)。

l 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)介紹
    該摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)又叫Chase試驗(yàn)機(jī)，主要用于對(duì)汽車制動(dòng)襯片的安全情況及摩擦磨損特性做出報(bào)告。用于SAEJ661和ISO7881等標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)摩擦材料進(jìn)行分級(jí)及質(zhì)量控制。
1．1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的基本要求
    為達(dá)到試驗(yàn)規(guī)定的要求，測(cè)控系統(tǒng)必須具備以下功能：測(cè)量精度滿足GB／T17469-98的要求；可滿足高速、高溫、高載荷下的測(cè)試要求；能完成試驗(yàn)過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定及摩擦正壓力、摩擦力矩、轉(zhuǎn)速、摩擦轉(zhuǎn)盤溫度、汽缸進(jìn)口壓力等性能參數(shù)的測(cè)量；對(duì)測(cè)量參數(shù)與其設(shè)定值進(jìn)行比較，形成閉環(huán)控制，使轉(zhuǎn)速、壓力和溫度維持在試驗(yàn)要求范圍內(nèi)；能實(shí)時(shí)顯示、記錄試驗(yàn)過(guò)程中的相關(guān)數(shù)據(jù)并生成報(bào)表。
    同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中摩擦塊與試驗(yàn)盤之間應(yīng)始終保持貼合狀態(tài)，無(wú)振動(dòng)現(xiàn)象；試塊裝卡應(yīng)便利、可靠，無(wú)松緩、卡死現(xiàn)象。
1．2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)環(huán)節(jié)
    該試驗(yàn)臺(tái)可完成恒轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)和恒載荷試驗(yàn)。恒轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)要求系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)調(diào)整比例閥來(lái)控制輸出壓力的大小，使轉(zhuǎn)矩保持恒定。恒載荷試驗(yàn)則要求輸出壓力始終為恒定值。這其中根據(jù)加載的連續(xù)與否可分為：斷續(xù)拖磨和連續(xù)拖磨，該試驗(yàn)機(jī)中跟據(jù)國(guó)標(biāo)所進(jìn)行的預(yù)處理試驗(yàn)、終處理試驗(yàn)、磨損試驗(yàn)和恢復(fù)試驗(yàn)都是斷續(xù)拖磨；而第一次衰退試驗(yàn)和第二次衰退試驗(yàn)則屬于連續(xù)拖磨。

2 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2．1 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
    測(cè)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1所示。

    系統(tǒng)中調(diào)速電機(jī)通過(guò)變頻器可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速，輸出氣壓的大小通過(guò)調(diào)整比例閥的大小來(lái)控制。加熱開(kāi)關(guān)、風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)和壓力開(kāi)關(guān)則分別通過(guò)相應(yīng)的繼電器進(jìn)行控制。
2．2 傳感器
    為了精確的完成各類數(shù)據(jù)的測(cè)量，完成各個(gè)環(huán)節(jié)的測(cè)試，裝置中設(shè)置了五個(gè)參數(shù)測(cè)量傳感器(包括三路溫度傳感器)，其精度滿足GB／T17469-98中所規(guī)定的要求。其具體參數(shù)見(jiàn)表1。

2．3 信號(hào)調(diào)理
    來(lái)自傳感器的信號(hào)一般都比較小且極易受噪聲影響，有些信號(hào)存在很高的尖峰值，不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之前需先進(jìn)行放大、濾波、隔離等預(yù)處理，也就是信號(hào)調(diào)理，下面就其中的兩路調(diào)理電路做簡(jiǎn)單介紹，如圖2所示。

    在圖2中：
    (1)V／I轉(zhuǎn)換電路是將工控機(jī)輸出的1～5 V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號(hào)。因?yàn)樵撛囼?yàn)機(jī)中的調(diào)節(jié)氣源的比例閥是靠電流來(lái)進(jìn)行控制，故首先要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。其電路圖見(jiàn)圖2(a)，其比例關(guān)系為：I=VR27／R1R61，其中：V為輸入電壓；I為輸出電流。電路中各個(gè)電阻應(yīng)選擇精密電阻，以保證V／I轉(zhuǎn)換的精度。
    (2)I／V轉(zhuǎn)換電路是將從溫度、壓力傳感器采集到的4～20 mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的1～5 V的數(shù)字信號(hào)。其電路圖見(jiàn)圖2(b)，由上面電路可以推算出其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：V=IR19(1+R107／R99)。其中：I為輸入電流；V為輸出電壓；各個(gè)電阻也應(yīng)選擇精密電阻。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的各路信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，可以看出，經(jīng)由調(diào)理電路的處理，輸入／輸出的各路數(shù)字／模擬信號(hào)都有明顯的改善，干擾信號(hào)大大減少，調(diào)理效果很明顯。
2．4 數(shù)據(jù)采集卡
    該系統(tǒng)使用北京研華公司的采集卡PCL-818L和PCL-836，其中PCL-818L卡有16路模擬輸人通道，12位A／D轉(zhuǎn)換分辨率，一路12位模擬輸出通道，一個(gè)16位計(jì)數(shù)器，采樣率為40 kHz。PCL-836包括6個(gè)獨(dú)立的16位計(jì)數(shù)器，10 MHz的計(jì)數(shù)頻率，還有兩個(gè)數(shù)字I／O接口。

3 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
3．1 試驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)程序流程
    試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的控制流程如圖3所示。

3．2 Front Panel設(shè)計(jì)
    在LabvIEW中，程序由VI的Front Panel和Block Diagram兩部分組成，應(yīng)用程序的人機(jī)界面就是FrontPanel，利用LabVIEW提供的各種控件結(jié)合控件的屬性節(jié)點(diǎn)的設(shè)置可以設(shè)計(jì)出儀器化的用戶界面。該試驗(yàn)機(jī)用戶界面如圖4所示。

    根據(jù)測(cè)控系統(tǒng)的功能前面板劃分為：試驗(yàn)環(huán)節(jié)選擇部分；曲線及數(shù)據(jù)顯示部分；試樣批次記錄部分；試驗(yàn)環(huán)節(jié)指示部分；參數(shù)設(shè)定及調(diào)整部分；測(cè)量記錄和路徑設(shè)定部分。
3．3 Block Diagram設(shè)計(jì)
3．3．1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)
    在數(shù)據(jù)采集部分，將壓力、溫度設(shè)定為一個(gè)采集任務(wù)，通過(guò)多路模擬量采集程序來(lái)完成，此采集程序主要有MAI Config．vi，MAI Volgagen In．vi和SplitlD Arrav．vi，Device open．vi及Device Close．vi模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示?？煽偣策M(jìn)行8路模擬信號(hào)的同時(shí)采集，其采集的數(shù)組由Index Array模塊進(jìn)行分離，此處只使用其中的前四路，包括三路溫度和一路壓力信號(hào)。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩則分別進(jìn)行采集，它們通過(guò)頻率采集電路來(lái)完成，程序中用到的主要模塊有CounterFrea Start．vi，Counter Freq Read．vi和Counter Reset．vi，Deviceopen．vi及Device Close．vi，其采集周期設(shè)定為200 ms，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5(b)。

3．3．2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)
    為了提高本測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾性能和減小測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差，在軟件里采取程序?yàn)V波的方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件來(lái)提高信噪比。
    (1)遞推平均濾波法：采集幾個(gè)周期的數(shù)據(jù)，并求其平均值，作為采集的數(shù)據(jù)。
    (2)中值濾波法：將每次采集的數(shù)據(jù)與前一個(gè)的數(shù)據(jù)做比較，當(dāng)兩數(shù)值之間差大于一定范圍時(shí)則認(rèn)為是干擾信號(hào)，此時(shí)采用上次的數(shù)值作為本次采集的結(jié)果，否則采用本次采集數(shù)據(jù)。
    筆者通過(guò)利用LabVIEW中的移位寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)了平均濾波算法，具體實(shí)現(xiàn)方法如圖6中遞推平均濾波所示。先求取10個(gè)數(shù)的和，再求其平均數(shù)。

    對(duì)于中值濾波算法的實(shí)現(xiàn)，利用別一般的模塊實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較繁瑣，如果能用C語(yǔ)言來(lái)處理，就變得很簡(jiǎn)單。經(jīng)過(guò)多次嘗試，終于實(shí)現(xiàn)了在LabVIEW中嵌入C語(yǔ)言的方法，利用LabVlEW中的公式節(jié)點(diǎn)作為切入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)用C語(yǔ)言進(jìn)行處理。利用C語(yǔ)言的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能很方便的完成一些復(fù)雜的算法。程序?qū)崿F(xiàn)如圖7中中值濾波所示，將采集的數(shù)據(jù)先利用Build Array模塊轉(zhuǎn)變成數(shù)組，再將數(shù)組作為公式節(jié)點(diǎn)的輸入，C程序首先對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩次求平均處理，之后又按照中值濾波算法進(jìn)行處理。相應(yīng)的C語(yǔ)言程序附如圖8所示。

    經(jīng)過(guò)以上方法的處理，數(shù)據(jù)的取得了較好的輸出效果。尤其是本試驗(yàn)臺(tái)在LabVIEW中嵌入C語(yǔ)言的數(shù)據(jù)處理方法及思路，大大提高了LabVIEW的數(shù)據(jù)處理能力，簡(jiǎn)化了程序的編寫，具有較廣的應(yīng)用價(jià)值，可以為其他設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)思路，為以后的數(shù)據(jù)處理提供一個(gè)很好的平臺(tái)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析
    選用山東淄博某制動(dòng)材料生產(chǎn)公司的汽車制動(dòng)襯片進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，先將襯片加工成尺寸為2．54 cm2試樣。利用設(shè)計(jì)好的摩擦特性測(cè)試系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試，以獲得襯片摩擦系數(shù)特性曲線。
    圖8所示為測(cè)試結(jié)果，圖中給出的是對(duì)試樣進(jìn)行的磨損試驗(yàn)和第一次衰退與恢復(fù)試驗(yàn)的曲線，未經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理的曲線干擾信號(hào)太大，曲線抖動(dòng)嚴(yán)重，影響了測(cè)試結(jié)過(guò)的觀察，經(jīng)過(guò)處理的曲線，較為平滑，抖動(dòng)較小。能很好的反應(yīng)材料摩擦系數(shù)的變化趨勢(shì)。
    如圖8(a)所示，在第一次衰退與恢復(fù)試驗(yàn)中，開(kāi)始先加溫并進(jìn)行連續(xù)拖磨，摩擦系數(shù)開(kāi)始先降低，在達(dá)到255 ℃左右開(kāi)始降低。
    在之后的斷續(xù)拖磨中，摩擦系數(shù)逐漸下降。圖8(b)為磨損試驗(yàn)的一部分曲線。將處理過(guò)的動(dòng)態(tài)特性曲線與汽車制動(dòng)襯片特性說(shuō)明中所述的襯片特性曲線相比較，結(jié)果一致，表明采用本文設(shè)計(jì)的測(cè)試分析系統(tǒng)得到的試驗(yàn)結(jié)果是可靠的。

5 結(jié)語(yǔ)
    利用LabVIEW軟件結(jié)合相應(yīng)的硬件實(shí)現(xiàn)了摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，可實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)和控制各試驗(yàn)狀態(tài)，滿足多種摩擦試驗(yàn)的要求。系統(tǒng)采取軟硬件結(jié)合的抗干擾措施，尤其是在LabVIEW中嵌入C語(yǔ)言程序，利用其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，擴(kuò)展了LabVIEW的功能，提高了系統(tǒng)的測(cè)試精度。人機(jī)界面友好、操作方便安全，測(cè)試效率較高，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。