基于Arduino及LabVIEW平臺的齒輪箱出廠試驗溫度檢測系統(tǒng)*

楊 億，劉 波，周紫燕

(九洲傳動機械設備有限公司，湖南株洲 412000)

0 引言

在齒輪箱制造過程中，最終出廠驗收試驗在減速機的質(zhì)量檢測上非常重要。試驗中，減速機的溫升檢測結果對判定減速機的質(zhì)量提供依據(jù)，其測量值的準確性直接關系到對減速機工作故障的及時發(fā)現(xiàn)和返工，保證了減速機的出廠質(zhì)量。

一般在齒輪箱的質(zhì)量問題主要在于裝配過程，如軸承座的配合間隙、軸向間隙、油封安裝等。當軸承選配合間隙過緊，軸向間隙過小運行時摩擦嚴重導致溫度迅速上升，油封的不當安裝也會產(chǎn)生類似問題。

傳統(tǒng)測試方法中主要用便捷的手持紅外測溫儀，但此類設備只能簡單測量減速機的瞬時運行溫度，同時據(jù)測量者的操作方式、減速機外表面的清潔度、油漆方式不同而與實際溫度產(chǎn)生較大的差異性，試驗時必須由檢驗者跟蹤產(chǎn)品實時監(jiān)測，存儲溫度數(shù)據(jù)靠人工記錄，數(shù)據(jù)采集離散程度高且不便于直觀判斷。

1 平臺選擇

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，他包含硬件(各種型號的arduino板)及軟件(arduino IDE)，相比一般的單片機，Arduino平臺通過開放源代碼進行電路圖設計，程序開發(fā)接口可依個人需求自己修改，可燒錄程序，便于固件更新，可依據(jù)官方提供的Eagle格式PCB和SCH電路圖簡化Arduino模組，完成獨立運作的微處理控制［1］。

LabVIEW平臺使用的是圖形化編程語言環(huán)境，廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受，視為一個標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，作為虛擬儀器的未來發(fā)展方向，它的主要特點是:在一個硬件的情況下，可通過改變軟件，就可實現(xiàn)不同的儀器儀表的功能，非常方便，相當于軟件即硬件。這種開發(fā)環(huán)境使得可快速構建新的測試模型和應用所需的工具等。

結合兩種平臺各自優(yōu)點，使得更方便、快捷、低成本的構建該實驗溫度檢測系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設計

整體系統(tǒng)目標在于完成:①溫度的實時采集;②信號的轉換和通信;③數(shù)據(jù)處理及曲線描繪;④數(shù)據(jù)儲存等幾大功能。系統(tǒng)的主要工作過程如圖1所示。

系統(tǒng)運行后配置串口參數(shù)，同時下位機進行初始化。運行后傳感器即開始采集數(shù)據(jù)，通過AD轉換成數(shù)字信號后置于寄存器內(nèi)并覆蓋上一次的數(shù)據(jù)。當計算機發(fā)出采集指令(匹配字符串)，單片機接受并匹配成功后返回瞬時數(shù)據(jù)。計算機將數(shù)據(jù)分離后對應采集時刻將該次采集數(shù)據(jù)插入對應緩存數(shù)組。通過LabVIEW軟件的圖形顯示控件將緩存數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)描繪成曲線并顯示。同時，計算機通過定義的存儲路徑見數(shù)據(jù)寫入文件［1］。配合該溫度檢測系統(tǒng)的試驗流程圖如圖1所示。

圖1 溫度檢測系統(tǒng)工作流程圖

3 下位機設計

數(shù)據(jù)采集過程主要由下位機完成，其主要動作為:①指令匹配應答;②信號采集;③信號處理;④信號上傳幾個部分。其主要工作流程如圖2所示。

圖2 下位機工作流程圖

單片機采用Arduino promini(5v，16MHz)w/AT-mega 328通過單總線(OneWire)方式與溫度傳感器DS18B20連接，當進行多路采集時傳感器并行連接。當系統(tǒng)完成傳感器初始化后，上位機發(fā)出采集指令后，下位機進行命令匹配，確認指令后對傳感器進行采集指令，每個傳感器返回一組當前值，下位機接收并編譯后返回給上位機。

傳感器采用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器，其特點主要有:①獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊;②測溫范圍 -55～+125℃，固有測溫誤差 ±1℃;③支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)多點測溫;④工作電源:3．0～5．5V/DC(可以數(shù)據(jù)線寄生電源);⑤測量結果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送。在使用時，因每個傳感器內(nèi)置芯片上都有唯一地址序列號，因此并聯(lián)使用時返回的測量值與傳感器序號一一對應［2］。

下位機與上位機以RS232協(xié)議下串口連接，實際中信號傳輸常因工作環(huán)境因素造成信號干擾，由于采集值在傳感器芯片內(nèi)進行一次采樣并進行了AD轉換，且DS18B20傳感器具有良好的抗干擾性，即只需通過采用屏蔽線進行連接便可穩(wěn)定信號的傳輸。

4 上位機設計

主機主要完成與下位機通信、信號處理、圖形顯示及數(shù)據(jù)儲存的功能。其主要工作流程如圖3所示。

圖3 上位機工作流程

在程序設計中包括首先定義串口參數(shù)，包括串口號、波特率、數(shù)據(jù)比特位數(shù)等。然后進行采集指令定義，與單片機所設置的觸發(fā)命令一致后，設置采樣周期后由串口對下位機發(fā)出指令，隨后將返回的數(shù)據(jù)進行分離、時間匹配后插入緩存隊列，由圖形控件進行處理，將數(shù)據(jù)進行曲線擬合并顯示出來。同時，在控件內(nèi)通過函數(shù)建立一條對照輔助曲線，可以更加方便直觀的將運行情況反映出來［3］(如圖4)。

該檢測裝置使用時先將傳感器與下位機聯(lián)接，下位機通過USB接口與計算機聯(lián)接，然后將傳感器吸附于試驗機敏感位置如:軸承座、油封口、油池等位置，啟動軟件后開始測量數(shù)據(jù)。工作情況如圖5所示。

由于下位機采取從動的工作方式，下位機在未收到信號或者信號不匹配時不進行溫度采集，所以不會出現(xiàn)冗余數(shù)據(jù)。作為一款信號處理軟件，LabVIEW

(2)根據(jù)正常工況下計算的應力結果，對吸開機構中心傳動軸的應力的最大位置進行了疲勞校核，滿足疲勞強度要求。

(3)通過對吸開機構中心傳動軸的靜態(tài)分析，為吸開機構進一步的模態(tài)分析做準備。同時為紙紗復合糊底機接下來整機的分析設計提供了可靠的依據(jù)。

［1］ 彭珍瑞，侯 飛，殷 紅，等．紙紗復合制袋印刷機［P］．中國，實用新型專利，ZL201220387959．1．2013．

［2］ 彭珍瑞，岳艷虹，汪 諍，等．用于紙紗復合制袋印刷機的自動控制裝置［P］．中國，實用新型專利，ZL201220388162．3．2013．

［3］ 劉永平，花志雄．環(huán)保型紙紗復合袋糊底生產(chǎn)線設計［J］．包裝工程，2012(23):71－74．

［4］ 呂建國，康士延．ANSYSWorkbench14．0有限元分析自學手冊［M］．北京:人民郵電出版社，2013．

［5］ 張鎖懷，李永春．地鐵車輛轉向架構架有限元強度計算與分析［J］．機械設計與制造，2009(1):46－47．

［6］ 邱宣懷．機械設計［M］．北京:高等教育出版社，2009．