基于LABVIEW的扭矩彈簧測(cè)量系統(tǒng)研制

羅玉梅，黃丹平，曾 濤

（四川理工學(xué)院，自貢 643000）

0 引言

扭矩彈簧在儀器儀表中有廣泛應(yīng)用，其扭矩是某些儀器儀表重要工作參數(shù)，若能準(zhǔn)確、可靠、方便地測(cè)出其平均或瞬時(shí)扭矩值與角度的關(guān)系式，將有助于改進(jìn)和提高儀器儀表性能。世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼探討出許多扭矩彈簧測(cè)試新技術(shù)，研制、生產(chǎn)出較多的新穎扭矩測(cè)量?jī)x，但還未專門針對(duì)儀器儀表彈簧扭矩與彈簧轉(zhuǎn)角關(guān)系進(jìn)行測(cè)量的測(cè)試系統(tǒng)。本文針對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)相關(guān)研制工作，并研制一套基于LABVIEW自動(dòng)化程度較高測(cè)試系統(tǒng)[1,2]。

1 扭矩彈簧測(cè)量系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)量原理

本課題研發(fā)一種測(cè)量扭矩彈簧扭矩與轉(zhuǎn)角關(guān)系的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，其原理根據(jù)扭轉(zhuǎn)彈簧受外加扭矩 M下，其特性公式彈簧所產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形為：

式中：φ—扭矩彈簧的轉(zhuǎn)角；L—彈簧的有效長(zhǎng)度；E—彈簧的彈性模量； I—彈簧的截面慣性矩。根據(jù)（1）式可知，測(cè)量扭矩彈簧的扭矩一般主要有兩種形式，一是使用逆推法測(cè)試出彈性模量和彈簧的幾何參數(shù)，再測(cè)量出扭矩彈簧受

轉(zhuǎn)矩后的轉(zhuǎn)角，將其代入公式（1）可求出彈簧所受轉(zhuǎn)矩；另一個(gè)方面是根據(jù)試驗(yàn)直接求出扭矩彈簧轉(zhuǎn)角與所受轉(zhuǎn)矩的關(guān)系曲線，并得到關(guān)系曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，然后求取扭矩彈簧的轉(zhuǎn)角，通過(guò)轉(zhuǎn)角和數(shù)學(xué)表達(dá)式可求出扭矩彈簧所受扭矩。

1.2 扭矩彈簧測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 扭矩彈簧測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)以上原理，本測(cè)量系統(tǒng)硬件由自主研發(fā)的扭矩測(cè)量平臺(tái)、測(cè)力傳感器、編碼器、數(shù)據(jù)處理單元、NI數(shù)據(jù)采集卡6221和PC機(jī)組成，軟件采用labview2010。其信號(hào)流程如圖1所示，被測(cè)彈簧安裝在測(cè)試平臺(tái)上，測(cè)試平臺(tái)上加力裝置對(duì)彈簧施加已知旋轉(zhuǎn)力矩，測(cè)力傳感器采集測(cè)試平臺(tái)所受力得變化，角度傳感器實(shí)時(shí)采集彈簧旋轉(zhuǎn)角度值。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元分別將測(cè)力傳感器與角度傳感器信號(hào)值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作，濾掉干擾信號(hào)，然后將信號(hào)線性轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集卡所識(shí)別數(shù)值范圍，并將處理結(jié)果傳送給數(shù)據(jù)采集卡。采集卡接受下位機(jī)傳送的信號(hào)，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后輸入到PC機(jī)中。LabVIEW軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到轉(zhuǎn)角與扭矩的關(guān)系，將該數(shù)據(jù)保存。轉(zhuǎn)角與扭矩關(guān)曲線系將可計(jì)算彈簧轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的彈簧所受扭矩。

2 扭矩彈簧測(cè)量平臺(tái)

2.1 平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2 扭矩彈簧測(cè)試平臺(tái)主要部件

扭矩彈簧測(cè)量平臺(tái)通過(guò)螺栓連接固定在支持底座上。為了能夠直接測(cè)量彈簧的扭矩，所設(shè)計(jì)的扭矩彈簧測(cè)量裝置如圖1所示，主要由頂尖、固定端、加力盤、編碼器和夾具等組成。其中 ,編號(hào)器及角度測(cè)量裝置的外徑要與價(jià)具的內(nèi)徑安裝配合，因此夾具的加工精度要求較高，材料選用 45鋼，而其它材料選用 A3鋼即可。頂尖的后端采用螺紋連接便于拆卸，并且其后端有鎖緊裝置，本系統(tǒng)選用M4的螺栓。測(cè)試平臺(tái)安裝時(shí)，頂尖、固定端的軸線、加力盤圓心和編碼器的軸心對(duì)位置精度有一定的要求，必須保證它們之間的同軸度，否則測(cè)量將造成運(yùn)行誤差。其工作原理為：首先將測(cè)試彈簧的一端固定在固定端上，彈簧另一端安裝在加力盤上。安裝后應(yīng)使彈簧在加力盤沒(méi)有收到力矩作用時(shí)，其彈簧處于自然位置（及沒(méi)有任何角變形）[3,4]。

2.2 加力盤

為了實(shí)現(xiàn)高精度扭矩彈簧測(cè)量, 必須實(shí)現(xiàn)平衡、穩(wěn)定、對(duì)稱扭矩加載, 為此設(shè)計(jì)和研制了一體化精密扭矩加載裝置，其核心部件為加力盤加載裝置， 扭矩加載原理如下公式：

d：加力盤半徑；F：為施加在加力盤上的力。

圖3 加力盤

該盤的外狀如圖3所示，該裝置為圓盤形狀，盤的邊緣有一凹槽。在加力盤溝槽里繞一圈金屬線，一端固定在溝槽的內(nèi)部。該自動(dòng)扭矩加載裝置可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、精確的扭矩加載，結(jié)構(gòu)對(duì)稱，可以保證所加載的力作用到加力盤時(shí)完全轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)力矩?？紤]到加力盤會(huì)帶來(lái)慣性矩，因此在系統(tǒng)運(yùn)行前要先測(cè)到加力盤的慣性矩大小。在加力盤不連接彈簧和傳感器的時(shí)候緩緩加力矩，記錄加力盤剛剛發(fā)生運(yùn)動(dòng)時(shí)的扭矩大小即慣性矩。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)際加載扭矩要在所加扭矩基礎(chǔ)上減去該慣性矩。其自動(dòng)加載扭矩工作原理如圖4所示，首先由PC機(jī)確定施加得力矩?cái)?shù)值，由公式（2）計(jì)算出所施加得力，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳送給可逆步進(jìn)電機(jī)，再由該電機(jī)帶動(dòng)加力盤旋轉(zhuǎn)一定得角度，于此同時(shí)測(cè)力傳感器檢測(cè)加力盤金屬線上得張力大小，并將該數(shù)值傳遞給數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)采集卡傳送到PC機(jī)中，PC機(jī)把測(cè)力傳感器輸入后，通過(guò)公式（2）得到測(cè)量力矩，并與設(shè)定所施加的力矩值進(jìn)行比對(duì)，若相等，發(fā)送指令通知電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而達(dá)到自動(dòng)控制扭矩大小得作用。

圖4 自動(dòng)加載扭矩系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

角度傳感器與彈簧旋轉(zhuǎn)角度必須保持同步運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)角位移的準(zhǔn)確測(cè)量，所以在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，彈簧的一端由固定端固定，另一端與加力盤固定，加力盤的另一面有一個(gè)方形凹槽作為與傳感器連結(jié)的接口，從而使加力盤實(shí)現(xiàn)加載力矩和其拆裝方便的功能。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)程序流程圖

3 測(cè)試軟件

圖6 數(shù)據(jù)采集部分程序

本測(cè)試系統(tǒng)上位機(jī)采用LABVIEW軟件，在LabVIEW 強(qiáng)大功能的支持下, 只需一個(gè)操作界面就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、顯示和存儲(chǔ), 并對(duì)所施加給測(cè)試系統(tǒng)的扭矩進(jìn)行精確控制，其程序流程如圖5所示。

圖6為數(shù)據(jù)采集程序模塊，其功能為將數(shù)據(jù)采集卡中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的存儲(chǔ)空間中，并傳遞給下級(jí)模塊處理數(shù)據(jù)。

圖7為控制彈簧扭矩的子程序，并程序采集數(shù)字PID控制算法來(lái)對(duì)系統(tǒng)輸出扭矩進(jìn)行精確控制。

圖7 扭矩自動(dòng)控制核心算法

4 測(cè)試系統(tǒng)力矩標(biāo)定

圖8 標(biāo)定輸出扭矩原理圖

測(cè)試系統(tǒng)得出精確彈簧扭矩與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系，需準(zhǔn)確施加扭矩，因此必須對(duì)扭矩進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定原理如圖8所示，標(biāo)定時(shí)系統(tǒng)首先從左對(duì)加力盤施加輸出一定的扭矩，在加力盤的右側(cè)加入砝碼，當(dāng)加力盤的中間的指針處于水平位置時(shí)，則左右所加得力平衡，及正反扭矩相等，從而可知系統(tǒng)所加的扭矩值。表1為所測(cè)試的標(biāo)定數(shù)據(jù)。圖9為其數(shù)據(jù)得擬合曲線，式(3)為其所擬合的公式，y為系統(tǒng)顯示扭矩，x為實(shí)際扭矩值，因此可從公式(3)修正其輸出扭矩。

表1 標(biāo)定數(shù)據(jù)值

圖9 扭矩標(biāo)定擬合曲線

5 結(jié)論

本測(cè)試系統(tǒng), 在解決了實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題之后, 已經(jīng)成功地應(yīng)用在某機(jī)載儀器彈簧測(cè)量中。實(shí)驗(yàn)表明, 該測(cè)試系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、可靠的獲得被測(cè)試彈簧的扭矩、旋轉(zhuǎn)角、以及它們直接的擬合關(guān)系曲線，通過(guò)關(guān)系曲線根據(jù)彈簧旋轉(zhuǎn)角求出彈簧所受到得扭矩。該測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成和解決應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的方法對(duì)類似應(yīng)用具有啟示作用。

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