LabVIEW在液壓缸試驗測控系統(tǒng)中的應(yīng)用

鐘日良，彭天好，張磊

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽淮南232001)

液壓缸是液壓系統(tǒng)的重要組成元件之一［1］，在現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)，如工程機(jī)械中的裝載機(jī)、起重機(jī)，煤礦機(jī)械中的液壓支架、掘進(jìn)機(jī)等都有廣泛的應(yīng)用。因此，獲得準(zhǔn)確的液壓缸性能及工作指標(biāo)尤為重要［2］。為此，安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研制了液壓缸模擬加載試驗系統(tǒng)。利用該試驗系統(tǒng)可完成對液壓缸的模擬加載、性能試驗、位移或速度的開環(huán)或閉環(huán)控制等的試驗研究。針對該試驗系統(tǒng)，進(jìn)行了相關(guān)性能參數(shù)的測控系統(tǒng)軟硬件配置，利用LabVIEW編制了相應(yīng)的軟件，開發(fā)了液壓缸試驗系統(tǒng)的虛擬儀器軟件監(jiān)控平臺。

1 液壓缸試驗系統(tǒng)組成原理

液壓缸試驗系統(tǒng)包括主回路部分、主回路先導(dǎo)控制部分和模擬加載部分。試驗系統(tǒng)組成原理如圖1所示。系統(tǒng)主回路由變頻器1、電機(jī)2、液壓泵3、安全閥9、單向閥4、截止閥5、液動換向閥12和測試缸15組成。液動換向閥由先導(dǎo)部分操縱控制。先導(dǎo)部分由減壓閥8和比例先導(dǎo)減壓閥13或手動先導(dǎo)減壓閥14構(gòu)成。比例先導(dǎo)減壓閥和手動先導(dǎo)減壓閥構(gòu)成了自動和手動測試模式的切換。加載部分由減壓閥6、比例溢流閥11、單向閥組7和加載缸10組成。比例溢流閥用于調(diào)定模擬加載的大小。系統(tǒng)工作時，先調(diào)節(jié)安全閥，設(shè)定系統(tǒng)安全壓力，由測控部分控制變頻器啟動，由先導(dǎo)部分操縱液動換向閥進(jìn)而控制測試缸的運動方向，由測控部分設(shè)定比例溢流閥的加載壓力。當(dāng)測試缸向左運動時，加載缸10左腔為高壓腔，該腔油液經(jīng)單向閥組7、比例溢流閥11回油箱，同時，系統(tǒng)壓力油經(jīng)減壓閥6、單向閥組7向加載缸低壓腔補油。系統(tǒng)實物照片如圖2所示。

圖1 液壓缸試驗系統(tǒng)原理圖

圖2 液壓缸試驗系統(tǒng)實物照片

2 液壓缸試驗測控系統(tǒng)軟硬件配置

為了實現(xiàn)對液壓缸的模擬加載與性能試驗等研究，需要對試驗系統(tǒng)配置相應(yīng)的測控系統(tǒng)。測控系統(tǒng)硬件配置仍如圖1所示，包括各傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和工控機(jī)，具體配置如下。5個壓力傳感器分別為:系統(tǒng)壓力傳感器18、測試缸進(jìn)油腔和回油腔壓力傳感器19、20、加載缸進(jìn)油腔和回油腔壓力傳感器21、22，1個加載力傳感器16，1個液壓缸位移傳感器17。壓力傳感器選擇帶有標(biāo)準(zhǔn)MEMS敏感元件的CYG1103(MA)型壓力傳感器，量程0～40 MPa，輸出4～20 mA或0～5 V;力傳感器選擇CYB型拉壓力傳感器，量程0～300 kN，輸出4～20 mA或1～5 V;位移傳感器選擇磁致伸縮是位移傳感器，量程0～1 200 mm，輸出0～5 V。數(shù)據(jù)采集卡需要根據(jù)輸入與輸出通道進(jìn)行配置，因為系統(tǒng)中共有7個模擬量輸入傳感器，因此選用帶有16路模擬輸入通道的研華數(shù)據(jù)采集卡PCI-1711L可滿足輸入信號采集要求。系統(tǒng)中的變頻器、比例溢流閥及先導(dǎo)減壓閥為被控元件，共有4路控制信號輸出，因此選用帶有8路模擬量輸出的研華板卡PCI-1723可滿足輸出控制信號要求。工控機(jī)采用研華系列工控機(jī)。編程軟件采用基于G語言的虛擬儀器編程軟件LabVIEW。

3 軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)和現(xiàn)場實際的要求，以及便于進(jìn)行設(shè)計調(diào)試、修改和擴(kuò)展，該系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計思想。將整個系統(tǒng)分為若干個功能模塊，執(zhí)行不同的任務(wù)。同時考慮到系統(tǒng)運行效率和人機(jī)界面友好性、程序在Windows環(huán)境下運行，運用LabVIEW軟件編程。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集主程序和參數(shù)設(shè)計、數(shù)據(jù)保存與回放、數(shù)據(jù)報警、剔除壞點和濾波等子程序組成。其主流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程圖

數(shù)據(jù)采集主要通過LabVIEW中的DAQmx節(jié)點實現(xiàn)，將它放在一個While循環(huán)中，并對輸入接線、最小值、最大值、物理通道等進(jìn)行配置，并對采樣模式，采樣頻率進(jìn)行設(shè)置。由于在系統(tǒng)中需要采集1路位移信號、4路壓力信號、1路力信號，因此系統(tǒng)中采用的是多多通道采樣。建立一個While循環(huán) (條件為真時停止)調(diào)用DAQ寫入節(jié)點讀取數(shù)據(jù)。

剔除壞點模塊原理是:將一個數(shù)組中的數(shù)據(jù)求平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，然后將數(shù)組中的每個數(shù)據(jù)與平均值做差，若差值大于偏差的3倍，就替換成平均值。

濾波思想是:將連續(xù)取來的4個采樣值當(dāng)做一個隊列，采用先進(jìn)先出原則，即先采集到的數(shù)據(jù)先丟出去，后采集到的數(shù)據(jù)放到隊列尾，然后把隊列的每個數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)算術(shù)平均運算，獲得新的結(jié)果，起到濾波的作用。另外通過LabVIEW中的文件I/O類函數(shù)生成報表，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)保存查看并打印等。

報警模塊功能是將相應(yīng)參數(shù)測量值和設(shè)置值比較，超過則報警。首先要對采集卡的相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置［3］(即參數(shù)設(shè)置模塊)，如泵的最大壓力為31.5 MPa，液壓缸的最大壓力為31.5 MPa，液壓缸的位移為1 m;然后通過比較模塊對真實值和設(shè)置值進(jìn)行比較，超出則報警。

監(jiān)控系統(tǒng)前面板和系統(tǒng)框圖如圖4、5所示。系統(tǒng)前面板人機(jī)界面反應(yīng)了一個系統(tǒng)的整體印象，主要考慮相似控件歸類，數(shù)據(jù)顯示清晰、直觀操作簡便來設(shè)計。本界面主要包括控制區(qū) (包括參數(shù)設(shè)計、通道選擇、工作狀態(tài)選擇)、數(shù)據(jù)顯示區(qū) (包括位移、泵的出口壓力、缸的進(jìn)出、口壓力)和報警區(qū)。

圖4 測試系統(tǒng)LabVIEW程序前面板

圖5 測試系統(tǒng)LabVIEW程序框圖

4 結(jié)束語

以實驗室現(xiàn)有的液壓缸試驗系統(tǒng)為研究對象，在分析了液壓試驗系統(tǒng)原理、組成的基礎(chǔ)上，對試驗系統(tǒng)的測控系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件配置。利用LabVIEW中的DAQmx節(jié)點和While結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用剔除壞點模塊和濾波模塊對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過報警及參數(shù)設(shè)置模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，報警。搭建了一個對液壓缸試驗系統(tǒng)的直觀、人機(jī)界面友好的測控平臺，對其他的測控系統(tǒng)的設(shè)計也有一定的借鑒意義。

【1】宋學(xué)賢，談宏華，王科敏，等.基于LabVIEW的液壓缸綜合性能測試系統(tǒng)設(shè)計［J］.液壓與氣動，2012(9):116－118.

【2】彭天好，胡佑蘭，朱劉英，等.基于LabVIEW的變轉(zhuǎn)速液壓監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(7):82－84.

【3】張培紅.基于LabVIEW在液壓馬達(dá)測試系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械研究與應(yīng)用，2012(3):179 －180.

【4】Jefferey Travis，Jim Kring.LabVIEW 大學(xué)實用教程［M］.喬瑞萍，等，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2010.