基于Lab VIEW的轉(zhuǎn)速與扭矩測試系統(tǒng)設(shè)計

袁東磊，黃慶學(xué)，李昕濤，同育全，申寶成

（太原科技大學(xué)機械工程學(xué)院，山西太原 030024）

0 引 言

轉(zhuǎn)速和扭矩作為機械量中的重要參數(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和日常生活中的測量需求非常廣泛，人們常常通過測量旋轉(zhuǎn)軸上的扭矩和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，達到控制旋轉(zhuǎn)軸或與旋轉(zhuǎn)軸相連接裝置的目的［1］.對于三機架鋼管軋機來講，三機架主軸轉(zhuǎn)速和扭矩是影響鋼管質(zhì)量的重要因素，不合理的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩會造成軋制出的鋼管存在各種缺陷甚至?xí)鹬鱾鲃虞S萬向連軸節(jié)斷裂［2］.準確、快速、可靠地獲取各個機架主軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值是鋼管自動化生產(chǎn)線的控制基礎(chǔ)，并有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和滿足設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷的需要.

旋轉(zhuǎn)機械扭矩的測量方法有很多，其中通過轉(zhuǎn)軸的應(yīng)變、應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)角來測量扭矩的方法最常用.它屬于動態(tài)扭矩，可用于現(xiàn)場的測量方法主要有電阻應(yīng)變片式和磁電相位式兩種.但是磁電式傳感器由于體積大，不易安裝，不能測量靜止扭矩，轉(zhuǎn)速過低時需要小電動機補償轉(zhuǎn)速［3］.因此，本系統(tǒng)采用了電阻應(yīng)變時傳感器進行扭矩測量.而且，現(xiàn)在傳感器制造商，又在傳感器上附加了（或可附加）轉(zhuǎn)速傳感器，因而可以實現(xiàn)扭矩和轉(zhuǎn)速的同時測量.

完善的轉(zhuǎn)速和扭矩測量系統(tǒng)要求：軟件部分應(yīng)有良好的人機交互界面、完備的測試功能、合乎要求的精確度和實時性；硬件部分應(yīng)有高精度，高靈敏度，強抗干擾能力.基于Lab VIEW軟件開發(fā)平臺開發(fā)的軟件能夠滿足軟件部分的設(shè)計要求.由扭矩傳感器和通用PCI－8501N數(shù)據(jù)采集卡，屏蔽信號線和工控機構(gòu)成的硬件部分能夠滿足硬件部分設(shè)計要求［4，5］.

1 Lab VIEW簡介

Lab VIEW是虛擬儀器編程軟件中的一種，是一種儀器控制與數(shù)據(jù)采集的圖形化編程環(huán)境.它具有直觀明了的前面板用戶界面和流程圖式的編程風(fēng)格，內(nèi)置的編譯器可加快執(zhí)行速度；內(nèi)置GPIB、VXI、串口和插入式DAQ板的庫函數(shù)可無縫連接各類采集卡；內(nèi)容豐富的高級分析庫，可進行信號處理、統(tǒng)計、曲線擬合以及復(fù)雜的分析工作；利用ActiveX，DDE以及TCP／IP進行網(wǎng)絡(luò)連接和進程通信.正是出于這些特點，基于Lab VIEW計算機測試系統(tǒng)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛.該系統(tǒng)也是一種基于Lab－VIEW和PCI采集卡的計算機測試系統(tǒng).

2 測量原理

電阻應(yīng)變式扭矩傳感器由敏感元件，信號調(diào)理電路，固定封裝機構(gòu)等幾部分構(gòu)成，它測得的是在扭矩作用下轉(zhuǎn)軸表面的主應(yīng)變ε，而該主應(yīng)變和所受到的扭矩成正比.當(dāng)扭矩傳感器的彈性軸在承受扭矩時，在相對于軸中心線45°方向上會產(chǎn)生壓縮或拉伸力，從而將力加載到旋轉(zhuǎn)軸上.在其外圓表面上兩個主要應(yīng)力方向與軸線成45°及135°夾角的兩方向上粘貼上電阻應(yīng)變片，當(dāng)傳感器的彈性軸受到扭矩M作用時，應(yīng)變片產(chǎn)生應(yīng)變，其應(yīng)變量ε與轉(zhuǎn)矩M成線性關(guān)系，滿足如下關(guān)系式

式中：G為彈性軸材料的切變模量，D為彈性軸的直徑，ε45°，ε135°為彈性軸上與軸線45°和135°角方向上的主應(yīng)變.

將兩個方向上的應(yīng)變片并聯(lián)結(jié)成半橋或全橋，這樣該測量電路不但能使測量靈敏度提高一倍，還能消除由于彈性軸安裝不善產(chǎn)生的附加彎矩和軸向的影響來減小系統(tǒng)測量的系統(tǒng)誤差.電橋中的電壓信號，經(jīng)信號調(diào)理電路進行信號放大，調(diào)頻處理等，將測量電壓信號變成與扭矩成正比的頻率信號并通過低輸出阻抗電路將信號輸出［3，6，7］.

3 系統(tǒng)構(gòu)建

該測量系統(tǒng)由主電機、傳動軸、萬向聯(lián)軸節(jié)、減速機、測量裝置，軋輥、機架、支撐座等構(gòu)成.其結(jié)構(gòu)構(gòu)成和傳感器安裝位置如圖1所示.

圖1 轉(zhuǎn)速與扭矩測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Rotating speed and torsional moment measuring system structure

該系統(tǒng)是一個典型測試系統(tǒng)，系統(tǒng)功能是測量、顯示和記錄主軸的轉(zhuǎn)速、扭矩和實時功率.構(gòu)建該系統(tǒng)時應(yīng)注意：傳感器的選型與固定，PCI板卡的跳線，工控機中Lab VIEW模塊的選擇以及軟硬件接口.

3.1 硬件組裝注意事項

傳感器的安裝：傳感器安裝應(yīng)嚴格按照傳感器使用說明書進行.此外還需注意將扭矩傳感器固定牢靠，避免振動；但又要避免由于固定過緊或中心高不匹配而產(chǎn)生彎矩，以至造成系統(tǒng)誤差.

采集卡：由于該采集卡為集計數(shù)器輸入／輸出、數(shù)字量輸入／輸出等功能為一身的多功能PCI板卡，因而在使用本板卡進行實驗測量前必須根據(jù)需要進行跳線，且不支持熱插拔.

3.2 Lab VIEW模塊

NI公司的Lab VIEW是一個模塊化的儀器，而且當(dāng)前的模塊繁多，應(yīng)用Lab VIEW軟件平臺進行程序開發(fā)，首要任務(wù)就是根據(jù)設(shè)計需求完善所需要的模塊，否則有些功能就無法實現(xiàn)，給程序設(shè)計帶來難以預(yù)計的困難.結(jié)合本系統(tǒng)的屬性，應(yīng)用到的模塊有：Lab VIEW2012 SP1，Report Generation and Data Storage Module，Lab VIEWReal－time Module.如果采用NI或研華的采集卡，還需安裝DAQ模塊.需要指出的是用RGD模塊中小數(shù)據(jù)量采集和大數(shù)據(jù)量采集的數(shù)據(jù)保存方法略有不同［8，9］.

3.3 軟硬件接口

圖2 調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點配置圖Fig.2 Call library function node configuration diagram

圖3 “打開設(shè)備”子VIFig.3 “Open device”sub－VI

與NI和研華板卡可以通過DAQ模塊中的快捷VI編程不同，國產(chǎn)的很多板卡Lab VIEW不提供其驅(qū)動，也不可能在右鍵快捷菜單中找到相應(yīng)的函數(shù).這類板卡與Lab VIEW的接口是通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫的方式實現(xiàn)的.板卡供應(yīng)商將所有板卡的驅(qū)動函數(shù)封裝在一個后綴為dll的動態(tài)鏈接庫中，用VB，VC和Lab VIEW等軟件進行二次開發(fā)時，可以通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)來驅(qū)動板卡工作.在通過Lab VIEW的調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點進行編程時，一定要確保安裝板卡與Lab VIEW對應(yīng)的驅(qū)動.很多板卡的驅(qū)動程序針對VB，VC和Lab VIEW的驅(qū)動程序是不同的，庫函數(shù)的種類也是不同的（如PCI－8501N），因此在編程前必須確保正確安裝驅(qū)動，否則在調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點時出錯就很難找出錯誤原因，且影響實驗進度.

庫函數(shù)一般是形為ZT API long stdcall ZT8501 Open Device（unsigned long card NO）；其中，“ZT API”為中泰的API函數(shù)縮寫，“l(fā)ong”為函數(shù)返回值類型，“stdcall”為調(diào)用規(guī)范，“ZT8501 OpenDe－vice”為該函數(shù)的函數(shù)名，括號內(nèi)的量為函數(shù)入口參量及其類型.下面以該函數(shù)為例，將Lab VIEW調(diào)用動態(tài)鏈接庫的方法介紹如下：

圖4 扭轉(zhuǎn)測試.llbFig.4 Torque test.llb

設(shè)置好后的，給函數(shù)配上輸入輸出，然后封裝成“打開設(shè)備”子VI（如圖3），保存在創(chuàng)建的“扭矩測試.llb”中（如圖4），這樣就可以簡化程序框圖，也方便編程［10］.在調(diào)試過程中可以用布爾指示燈來通過判斷庫函數(shù)調(diào)用后的返回值來顯示板卡的工作狀態(tài)，這樣一方面不易出錯，另一方面也便于查找問題.用這種方法作為Lab VIEW軟件與PCI－8501N板卡的接口，就可以在Lab VIEW開發(fā)平臺上進行程序設(shè)計了.

4 系統(tǒng)程序設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計軟件部分，應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集、實時顯示、數(shù)據(jù)保存等功能，實現(xiàn)這些功能的程序設(shè)計流程如圖5所示.

該Lab VIEW程序可分為設(shè)備初始化；計數(shù)器初始化；啟動計數(shù)器；打開中斷；計數(shù)器讀數(shù)、顯示與保存；關(guān)閉設(shè)備5個環(huán)節(jié).但總的來講，計數(shù)器初始化；啟動計數(shù)器；打開中斷屬于板卡操作；計數(shù)器讀數(shù)、顯示、與數(shù)據(jù)保存環(huán)節(jié)為數(shù)據(jù)操作.

圖5 程序流程圖Fig.5 Program flow chart

4.1 板卡操作

設(shè)備初始化中的操作包括：打開設(shè)備、獲取板卡基地址、返回錯誤號、清除緩存、關(guān)閉中斷、判斷板卡是否打開等.這部分主要是由DLL調(diào)用子VI構(gòu)成，每個子VI封裝相應(yīng)功能一個或多個庫函數(shù).如果板卡正常工作將返回板卡號，并傳遞給后續(xù)程序.

設(shè)備初始化完成后，就需要對16個通道計數(shù)器進行初始化.它是通過調(diào)用封裝了庫函數(shù)“ZT8501 Adv CTinit”的子VI，對各個通道相應(yīng)的參數(shù)按照測試需要不同進行初始化配置來實現(xiàn)的.0－14通道初始化為基本計數(shù)，15通道初始化為定時中斷.作為中斷時，其中的參量“updatePer Nirq”表示中斷多少次刷新一次值，此處的值設(shè)置不能大于采樣間隔.本系統(tǒng)共有3路扭矩信號和3路速度信號，可在板卡上任選6路通道進行測量，本系統(tǒng)占用了1，2，3，12，13，14，共6個通道.初始化完成后，板卡各個通道即可用于測量計數(shù)，但默認它們處于關(guān)斷狀態(tài)，需要通過相應(yīng)的操作來啟動計數(shù)器和打開中斷.該部分程序如圖6.

圖6 板卡操作程序圖Fig.6 Data acquisition card operation program graph

4.2 數(shù)據(jù)操作

完成板卡操作后，計數(shù)器開始工作，計數(shù)器讀數(shù)VI讀取計時器中的值，并將從計數(shù)器中讀取的數(shù)據(jù)放在一個常量數(shù)組中.程序按照設(shè)定的采樣間隔執(zhí)行While循環(huán)，刷新數(shù)據(jù)，通過數(shù)組顯示控件即可讀取當(dāng)前采集到的數(shù)據(jù)值.

通過采樣數(shù)組，抽取各個通道的值，進行索引后通過波形圖表就能單獨顯示各個通道的值，觀察采樣信號的變化情況.若將測得的扭矩與轉(zhuǎn)速相乘則可得到電機的實時功率.本系統(tǒng)中，為了便于觀察各個機架的運行狀態(tài)，將同一機架上的轉(zhuǎn)速信號和扭矩信號合并后在一個波形圖表中顯示；為了便于觀察鋼管軋制過程中軋制力的變化，將各機架的扭矩信號合并后放在一起顯示.

測得的數(shù)據(jù)，附加以時間信息，保存到Excel表格中.這用到了Lab VIEW的Office報表生成工具，需要必要的模塊和相應(yīng)的設(shè)置.計數(shù)完成后，關(guān)閉中斷，關(guān)閉設(shè)備，返回錯誤號，該部分程序如圖7所示.

圖7 數(shù)據(jù)操作程序圖Fig.7 Data operation program graph

4.3 測試系統(tǒng)主界面及測量結(jié)果

該測量系統(tǒng)主界面如圖8所示，其中包括板卡狀態(tài)指示、參量設(shè)置、板卡基地址、錯誤顯示、測量結(jié)果顯示等.由于轉(zhuǎn)速傳感器的測量通道為12，13，14，故轉(zhuǎn)速值應(yīng)從12開始索引.為了避免不設(shè)采樣頻率引起系統(tǒng)錯誤，系統(tǒng)采樣間隔初始值設(shè)為50 ms.選項卡控件中除了數(shù)組顯示控件用于顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值和扭矩值外，還放置4個波形圖表用于分別顯示3個機架的轉(zhuǎn)速和扭矩，以及各個機架的扭矩對比.圖9為在鋼管軋制過程中3個機架主軸扭矩的變化對比圖.

為確保信號不失真，板卡提供了直流偏置電壓，因而測量初值并不處在理想的零點，會有一定的提升.該板卡的零點位于10K位置處，測量范圍為5 K～15 K.實際測量時，應(yīng)先對測量系統(tǒng)進行標定，并測試機架在空載時，各機架的扭矩值.本次鋼管軋制過程中，工控軟件設(shè)定的各機架主軸電機轉(zhuǎn)速值分別為12 r／min，15 r／min，18 r／min，測量結(jié)果如圖9所示.

圖8 測量系統(tǒng)界面Fig.8 Measurement system interface

圖9 鋼管軋制過程中3機架的扭矩圖Fig.9 There frame torque diagram among steel pipe rolling process

5 結(jié) 論

針對主軸轉(zhuǎn)速和扭矩測量的問題，本文以某鋼管軋機3個機架主軸為研究對象，采用扭矩傳感器、通用的PCI板卡、計算機及Lab VIEW軟件等來構(gòu)建測試系統(tǒng)，測定主軸轉(zhuǎn)速、扭矩和實時功率.通過調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點，應(yīng)用調(diào)用動態(tài)鏈接庫的方法，能夠用普通的數(shù)據(jù)采集卡與Lab VIEW來構(gòu)建測控系統(tǒng).使得國產(chǎn)板卡的價格優(yōu)勢與Lab VIEW強大的編程能力相結(jié)合，促進測控系統(tǒng)在工業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用和普及.

該系統(tǒng)程序設(shè)計，通過子VI調(diào)用的方法，將程序功能模塊化，縮短了編程時間，方便項目管理，并增強了程序的可讀性.

該測量程序能夠準確、快速、可靠地獲取各個機架主軸的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩值.且該系統(tǒng)程序具有很強的通用性，可直接應(yīng)用于其他旋轉(zhuǎn)機械的轉(zhuǎn)速和扭矩的測量.

［1］ 王登泉，楊明，葉林，等.非接觸式旋轉(zhuǎn)軸扭矩測量現(xiàn)狀［J］.電子測量技術(shù)，2010，33（6）：8－12.

Wang Dengquan，Yang Ming，Ye Lin，et al.Study of non－contact torque measurement of rotating shaft［J］.Electronic Measurement Technology，2010，33（6）：8－12.（in Chinese）

［2］ 王志剛，李友榮.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軋機軋制力矩在線監(jiān)測方法研究［J］.機械研究與應(yīng)用，2005，18（2）：58－60.

Wang Zhigang，Li Yourong.Research of mill rolling torque on－line monitoring method based on artificial neural network［J］.Mechanical Research ＆Application，2005，18（2）：58－60.（in Chinese）

［3］ 熊詩波，黃長藝.機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)［M］.第3版.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［4］ 北京世通科創(chuàng)科技.TQ－660扭矩傳感器使用說明書［Z］.北京：2006.

［5］ 中泰研創(chuàng)科技.PCI－8501N數(shù)據(jù)采集卡硬件使用說明書［Z］.北京：2012.

［6］ 文西芹，張永忠.扭矩傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2001（12）：1－3.

Wen Xiqin，Zhang Yongzhong.Present situation and development trend of the torque sensors［J］.Instrument Technique and Sensor，2001（12）：1－3.（in Chinese）.

［7］ 柴繼新，王恩峰，范小燕，等.幾種常見的電阻應(yīng)變式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器［J］.計測技術(shù)，2010，30（2）：34－36.

Chai Jixin，Wang Enfeng，F(xiàn)an Xiaoyan，et al.Several common resistances strain gauge rotary torque sensors［J］.Metrology ＆Messurement Technology，2010，30（2）：34－36.（in Chinese）

［8］ National Instruments.Moving Data From Lab VIEWto Excel［Z］.Ausin USA：NInews NI supports，2011－04－07.

［9］ National Instruments.Moving Beyond Microsoft Excel for Measurement Data Analysis and Reporting［Z］.Ausin USA：NInews NI supports，2012－08－03.

［10］ 楊高科.Lab VIEW虛擬儀器項目開發(fā)與管理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.