基于虛擬儀器技術(shù)的多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)

王 玲，付 函，侯啟航，王書茂

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等院校教學(xué)的重要組成部分，其理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)模式是“新工科”背景下推行教學(xué)改革、培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)、創(chuàng)新能力和工程實(shí)踐的重要環(huán)節(jié)[1-2]。

我校機(jī)械工程學(xué)科以“工程測試技術(shù)”為發(fā)展契機(jī)，進(jìn)行了專業(yè)課程教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式改革。轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)是機(jī)械工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要工具，針對目前轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)傳感器類型單一、轉(zhuǎn)速測量方式有限、標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速缺乏導(dǎo)致轉(zhuǎn)速測量準(zhǔn)確度未知等問題[3]，本文設(shè)計(jì)了多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合理論教學(xué)課程為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)設(shè)備，基于虛擬儀器開發(fā)了零代碼測控軟件[4]。采用項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法，使學(xué)生加深理論學(xué)習(xí)，為學(xué)生完成自主性、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)及科學(xué)研究提供良好的實(shí)踐平臺(tái)，為工程測試技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供開放性的硬件資源和編程環(huán)境[5]，對測試?yán)碚摰膶?shí)驗(yàn)教學(xué)具有重要意義。

1 多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

針對轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速檢測與控制、軸心軌跡測量、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測、振動(dòng)檢測等需求，本文設(shè)計(jì)了多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)，由加載設(shè)備、動(dòng)力源、傳感器、信號發(fā)生盤、機(jī)械結(jié)構(gòu)等組成[6]，如圖1 所示。

圖1 多功能轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)三維圖

電動(dòng)機(jī)是轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力源，電渦流制動(dòng)器為加載裝置。為滿足本科生工程測試技術(shù)課程需求，電動(dòng)機(jī)選用控制電機(jī)，其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式為電位器手動(dòng)調(diào)節(jié)和定值自動(dòng)數(shù)字調(diào)節(jié)，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速檢測方式多樣，通過選用磁電式、電感式、光電式等不同類型傳感器及設(shè)計(jì)相應(yīng)齒輪、通信盤等信號產(chǎn)生方式，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測及校準(zhǔn)。位移檢測即轉(zhuǎn)軸軸心振動(dòng)，包括徑向振動(dòng)和軸向振動(dòng)，通過繪制軸心振動(dòng)軌跡（李薩如圖）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸軸心振動(dòng)量檢測。此外，試驗(yàn)臺(tái)還包括轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡檢測、制動(dòng)器制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 電動(dòng)調(diào)節(jié)等功能。

1.1 轉(zhuǎn)速檢測與控制

針對試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的檢測，通過分析磁電式、電感式、光電式等不同類型傳感器的工作原理及設(shè)計(jì)相應(yīng)齒輪、通信盤等傳感器信號產(chǎn)生方式[7]，將轉(zhuǎn)速檢測分為如下4 種（如圖2 所示）。

（1）接觸式一般是用于中、低轉(zhuǎn)速的測量（圖2(a)）。轉(zhuǎn)速傳感器與被測旋轉(zhuǎn)軸通過彈性聯(lián)軸器連接，傳感器安裝固定時(shí)，要求輸出軸與被測旋轉(zhuǎn)軸盡量保持同一條直線，在較高轉(zhuǎn)速時(shí)要求尤其嚴(yán)格。這種測量方式一般選用的傳感器為光電編碼器。

（2）盤式磁性測量（圖2(b)）是在被測旋轉(zhuǎn)軸上固定一個(gè)信號發(fā)生盤（導(dǎo)磁材料），信號盤上一個(gè)同心圓均勻分布若干個(gè)孔或凹槽，轉(zhuǎn)速傳感器可選用磁電、磁阻或磁敏轉(zhuǎn)速傳感器。當(dāng)信號發(fā)生盤的材料不導(dǎo)磁時(shí)，信號盤上可以均勻分布幾個(gè)磁鋼，傳感器可選用電感式接近開關(guān)、霍爾開關(guān)等。

（3）遮斷式光電測量（圖2(c)）無需信號發(fā)生盤材料特性，只要在遮光盤的同心圓上均勻分布若干通光的孔或槽，傳感器可選用槽型光電傳感器和對射式光電傳感器。

（4）當(dāng)被測軸上不能安裝信號發(fā)生盤或遮光盤時(shí)，選用反射光電測量（圖2(d)），直接在被測軸上粘貼反光標(biāo)簽（或在光潔軸上涂黑），傳感器可選用反射式光電開關(guān)。

根據(jù)上述檢測需求、工作原理及試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速測量選用了齒輪轉(zhuǎn)速傳感器（FHB12E4NK15K2 型）、磁阻轉(zhuǎn)速傳感器（CS-1 型）、磁電轉(zhuǎn)速傳感器（CS-3 型）、霍爾接近開關(guān)（NJK-5002C）、電感式接近開關(guān)（GAM4-12GM-N1）、對射式光電開關(guān)（E3F-3L）、漫反射式光電開關(guān)（E3F1-DS5C4）、槽型光電開關(guān)（4F15-15K-N1）和反射式光 電開關(guān)（FKB12E12NT 型），傳感器的工作參數(shù)和特性如表1 所示[8]。

圖2 轉(zhuǎn)速檢測方式

表1 轉(zhuǎn)速測量選用傳感器技術(shù)參數(shù)

1.2 位移檢測與控制

轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)位移檢測與控制是針對轉(zhuǎn)軸2 個(gè)互相垂直方向的振動(dòng)量來設(shè)計(jì)的，固定在轉(zhuǎn)軸中間的配重盤裝有偏心螺釘，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，配重盤產(chǎn)生激振力，轉(zhuǎn)軸在激振力作用下發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)量通過布置在X、Y方向上的位移傳感器檢測[9]，檢測方式如圖3(a)所示；在忽略圓度誤差情況下，通過檢測X、Y兩個(gè)垂直方向的瞬時(shí)位移，合成的李薩如圖即試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)子軸心運(yùn)動(dòng)軌跡，具體位移傳感器檢測裝置如圖3(b)所示。

圖3 位移檢測方式和檢測裝置

實(shí)驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸位移量的大小則通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速或偏心螺釘?shù)臄?shù)量進(jìn)行控制。

2 零代碼測控軟件開發(fā)

零代碼測控軟件采用無代碼開發(fā)流程，以測試系統(tǒng)模塊化、可復(fù)用化、虛擬化為設(shè)計(jì)理念，根據(jù)實(shí)際檢測任務(wù)，通過系統(tǒng)配置層、界面管理層、數(shù)據(jù)鏈路等3 層結(jié)構(gòu)創(chuàng)建適用于不同測試任務(wù)的專用測控軟件[10-11]。學(xué)生在編程中，只需配置系統(tǒng)設(shè)置信息、測試參數(shù)信息、控件屬性信息、編輯與美化界面等步驟，便可在短時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建個(gè)性化測控軟件。利用零代碼測控軟件，結(jié)合多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)教學(xué)硬件系統(tǒng)，開發(fā)了基于LabWindows/CVI 的多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)（如圖4 所示），學(xué)生可以結(jié)合所學(xué)自行開發(fā)磁電式、光電式、電感式轉(zhuǎn)速檢測與控制和霍爾式、電感式、電渦流式位移檢測與控制等和控制與工程測試技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)虛擬儀器與測控實(shí)驗(yàn)的綜合教學(xué)。

圖4 多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)實(shí)例

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 轉(zhuǎn)速檢測與控制

以磁電式轉(zhuǎn)速檢測為例，轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)（如圖5 所示）磁電式轉(zhuǎn)速檢測傳感器包括磁電式轉(zhuǎn)速傳感器、齒輪轉(zhuǎn)速傳感器、磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器和霍爾開關(guān)等，轉(zhuǎn)速控制方式采用手動(dòng)電位器調(diào)節(jié)和切換到軟件定值自動(dòng)調(diào)節(jié)。試驗(yàn)臺(tái)測得的轉(zhuǎn)速值與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速的對比數(shù)據(jù)如表2 所示。

圖5 多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)

表2 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 位移檢測與控制

以電感式位移傳感器為例進(jìn)行驗(yàn)證，電機(jī)轉(zhuǎn)速為300 r/min，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 電感式位移傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：mm

以電感式位移傳感器測水平位移為X軸，垂直位移為Y軸，通過軟件繪出了轉(zhuǎn)軸的軸心軌跡，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)軸軸心軌跡測試圖

4 結(jié)語

轉(zhuǎn)子試驗(yàn)臺(tái)是機(jī)電專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要工具，開發(fā)基于虛擬儀器技術(shù)的多功能轉(zhuǎn)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速檢測與控制、位移檢測與控制及轉(zhuǎn)軸振動(dòng)檢測等功能。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過軟硬件相結(jié)合的方式，有助于學(xué)生了解機(jī)電測控中不同類型傳感器的工作原理及實(shí)際應(yīng)用、電機(jī)性能和控制方法等，進(jìn)行原理性學(xué)習(xí)的同時(shí)通過硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝和零代碼孵化軟件進(jìn)行項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)式自主創(chuàng)新性實(shí)踐。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊，測控軟件人機(jī)交互界面美觀、使用方便、擴(kuò)展性強(qiáng)，系統(tǒng)檢測與控制數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高，該系統(tǒng)為工程測試技術(shù)理論和虛擬儀器技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了良好的平臺(tái)基礎(chǔ)。