基于LabVIEW的塔機(jī)起重臂擺動檢測及分析＊

許名熠，石芳，何首文

（1.湖南安全技術(shù)職業(yè)學(xué)院防災(zāi)與救援學(xué)院，湖南 長沙 410151；2.中聯(lián)重科股份有限公司，湖南 長沙 410013）

塔式起重機(jī)由于作業(yè)半徑大、起重量大、效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類建筑施工中［1］，其主要機(jī)構(gòu)由塔身、起重臂、平衡臂、塔頭、頂升套架等組成。在施工作業(yè)中，主要由起升、回轉(zhuǎn)、變幅機(jī)構(gòu)動作來完成吊重轉(zhuǎn)運(yùn)，其中回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能主要是驅(qū)動塔身上部的起重臂和平衡臂做水平的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于塔式起重機(jī)的起重臂一般比較長，所以起重臂的運(yùn)動控制具有大慣性特點(diǎn)，同時(shí)在運(yùn)動過程中受風(fēng)阻力、塔身應(yīng)力等因素的干擾影響，是一個非常復(fù)雜的非線性控制系統(tǒng)［2］。

起重臂平穩(wěn)運(yùn)行對現(xiàn)場作業(yè)的效率影響很大，所以司機(jī)在操作過程中，對起重臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的性能非常關(guān)注。回轉(zhuǎn)啟動時(shí)的響應(yīng)和切換檔位時(shí)的擺動決定了司機(jī)吊重重物的就位精度和效率［3］。本文基于NI數(shù)據(jù)采集模塊和LabVIEW數(shù)據(jù)采集軟件，利用DAQ設(shè)計(jì)助手對塔機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動時(shí)臂尖加速度進(jìn)行檢測，并分析作業(yè)過程中的回轉(zhuǎn)擺動情況。

1 基于CompactDAQ的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用cDAQ－9188機(jī)箱配置模擬量數(shù)據(jù)采集模塊采集加速度傳感器的信號。DAQ－9188機(jī)箱是NI公司專為小型分布式傳感器測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)的CompactDAQ以太網(wǎng)機(jī)箱。該機(jī)箱可以擴(kuò)展C系列模塊與外部主機(jī)之間的定時(shí)、同步和數(shù)據(jù)傳輸。

C系列電壓輸入模塊NI9201為8通道的高性能監(jiān)測模塊，采樣率可達(dá)500kS／s，電壓范圍為±10V，模擬輸入分辨率12bits，并提供了可編程的輸入范圍。NI9201模塊具有高達(dá)100V的過壓保護(hù)，保證了良好的安全性和抗擾性，CompactDAQ數(shù)據(jù)采集硬件圖如圖1所示。

圖1 CompactDAQ數(shù)據(jù)采集硬件圖

測量臂尖運(yùn)行情況的加速度傳感器采用PCB公司的3713B1110G，精度±5%（200mV／g），量程±10g pk（±98.1m／s2pk），非線性度≤1%。加速度傳感器安裝在臂尖位置（塔機(jī)型號為TC6517－10），PCB加速度傳感器現(xiàn)場安裝圖如圖2所示。

圖2 PCB加速度傳感器現(xiàn)場安裝圖

2 LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

LabVIEW 程序稱為虛擬儀器程序，簡稱 VI［4］。數(shù)據(jù)采集程序有前面板（如圖3所示）和程序框圖（如圖4所示）兩個界面。前面板就是圖形化用戶界面，框圖程序用圖形化編程語言編寫。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序前面板

圖4 數(shù)據(jù)采集程序框圖

加速度傳感器的信號采集通過DAQ助手進(jìn)行配置［5］，DAQ助手是數(shù)據(jù)采集功能函數(shù)的有機(jī)集合的圖形化界面，可以方便地進(jìn)行通道選擇、信號范圍輸入、采集模式配置、觸發(fā)以及定時(shí)選擇等（見圖5），將電壓輸入模塊NI9201在線讀取之后，可以方便地選擇加速度傳感器信號的輸入通道，并根據(jù)傳感器的信號類型，選擇為－10V～10V的電壓輸入范圍。

圖5 DAQ助手配置界面

采樣率及采樣數(shù)通過設(shè)置窗口可以實(shí)時(shí)更改，方便現(xiàn)場測試的需要。通過“寫入測量文件”控件將采集到的傳感器數(shù)據(jù)保存到本地PC機(jī)的設(shè)定路徑?！盎旌闲盘枅D”可以將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便測量時(shí)的數(shù)據(jù)監(jiān)視。并設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集程序的啟動／停止按鈕，在測試時(shí)對數(shù)據(jù)采集進(jìn)行控制。

3 讀取程序設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)采樣率在1kHz左右，采樣時(shí)間在60秒左右，數(shù)據(jù)采集量會比較大，LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)采集之后是以TDMS文件格式保存在PC機(jī)存儲器。要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，需要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)讀取以及分析處理軟件。

在LabVIEW框圖程序界面調(diào)用“讀取測量文件”控件可以將TDMS文件格式數(shù)據(jù)導(dǎo)入，通過濾波后在波形圖表上顯示，讀取程序框圖如圖6所示。

圖6 讀取程序框圖

數(shù)據(jù)的濾波處理采用低通濾波的方式，并滿足Nyquist（奈奎斯特）第一準(zhǔn)則。奈奎斯特第一準(zhǔn)則規(guī)定了在有限帶寬內(nèi)同步數(shù)據(jù)傳輸而不產(chǎn)生符號間串?dāng)_（ISI）的條件，也規(guī)定了一系列無ISI的脈沖波形選擇方法和一系列濾波器的設(shè)計(jì)方法。其傳輸角頻率（也稱奈奎斯特頻率）受到如下限制：

濾波器配置完成后，就可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入顯示及分析，型號為3713B1110G的加速度傳感器可以測試X，Y，Z軸三個方向的量（加速度傳感器三軸方向見圖7），根據(jù)塔式起重機(jī)起重臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的方向，需要分析的是臂尖Y軸的數(shù)據(jù)，Y軸方向的加速度值反應(yīng)了起重臂的臂尖在回轉(zhuǎn)運(yùn)動的抖動情況，從而觀察回轉(zhuǎn)運(yùn)動的響應(yīng)及穩(wěn)定性。

圖7 加速度傳感器三軸方向

塔式起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在三種操作方式（見圖8、圖9和圖10）下臂尖加速度傳感器Y軸的數(shù)據(jù)如表1所示。

圖8 回轉(zhuǎn)向右1檔到5檔順序升降（X軸為s，Y軸為V）

圖9 回轉(zhuǎn)向右1檔到4檔多次切換（X軸為s，Y軸為V）

圖10 回轉(zhuǎn)向右1檔多次點(diǎn)動（X軸為s，Y軸為V）

表1 不同操作方式下Y軸的數(shù)據(jù)

根據(jù)加速度傳感器（3713B1110G）的量程及DAQ助手的電壓輸入范圍以及對基準(zhǔn)值的修正，所對應(yīng)的加速度a值如表2所示。

表2 Y軸的加速度a值

結(jié)合各波形圖及表2可以看出，回轉(zhuǎn)在啟動運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生一定的超調(diào)以及振蕩，當(dāng)檔位穩(wěn)定并勻速運(yùn)行時(shí)加速度趨于0，當(dāng)多次切換時(shí)加速度波動明顯，振蕩加劇，能夠真實(shí)反應(yīng)塔式起重機(jī)在回轉(zhuǎn)動作時(shí)的運(yùn)行情況。

4 結(jié)論

本文在CompactDAQ數(shù)據(jù)采集及加速度傳感器的硬件基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)LabVIEW數(shù)據(jù)采集及讀取程序，在塔式起重機(jī)上進(jìn)行了起重臂臂尖回轉(zhuǎn)擺動加速度的數(shù)據(jù)采集，并分析了在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不同操作模式下的加速度曲線及變化情況，設(shè)計(jì)了一種回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)性能驗(yàn)證的方法，為后續(xù)塔式起重機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制優(yōu)化及性能改善研究奠定了基礎(chǔ)。