基于虛擬儀器的隔振裝置特性測試系統(tǒng)的研發(fā)

□ 施永康 □ 戴春祥 □ 周曉飛

上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院 上海 200072

現(xiàn)代社會中，高層建筑不斷增多，電梯的速度也不斷加快，隨之而來的振動問題也越來越突出，成為影響乘坐舒適性甚至安全性的因素［1］。電梯的振動主要分為垂直振動［2］和水平振動。近年來，學(xué)者們對電梯水平振動的數(shù)學(xué)建模做了許多工作，李立京等建立了二自由度的電梯轎廂水平振動模型［3］。Utsunomiya等建立了四自由度的振動模型［4］。傅武軍等建立了一個(gè)空間五自由度的電梯水平振動模型［1］。馮永慧等建立了空間六自由度模型［5］。然而以上模型均為線性模型，其阻尼器或減振器都以等效阻尼處理，而在實(shí)際應(yīng)用中，非線性阻尼器使用非常普遍。

本文基于虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW軟件，建立了隔振系統(tǒng)機(jī)械特性測試系統(tǒng)，并對實(shí)際應(yīng)用中的某電梯隔振系統(tǒng)及其阻尼緩沖器進(jìn)行了測試，得到了不同頻率下的力-位移滯回曲線，從而反映出電梯數(shù)學(xué)建模中的非線性問題。

1 測試系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

1.1 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

▲圖1 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

測試系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)、測控系統(tǒng) （NI USB 6212 BNC數(shù)據(jù)采集卡）、測試平臺（包括伺服驅(qū)動器、電動缸、力和位移傳感器）等組成。其中上位計(jì)算機(jī)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互、接口管理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)通信等功能；下位的NI USB6212 BNC實(shí)現(xiàn)伺服控制以及數(shù)據(jù)采集等功能；測試平臺中，由驅(qū)動器驅(qū)動的電動缸實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動，傳感器采集數(shù)據(jù)并傳回NI板卡。

1.2 測試平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)

測試平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖 2所示，它由剛性底座、電動缸、接近開關(guān)、位移傳感器、力傳感器等組成。其有效測試空間為600 mm×300 mm×200 mm。作動器選用Lim-Tec公司的電動缸，其額定推力為1.5 t，往復(fù)頻率可達(dá)20 Hz，有效行程達(dá)300 mm，通過電感式接近開關(guān)防止其超行程，可按要求輸出正弦、隨機(jī)、沖擊等運(yùn)動。上端配以Interface公司S型力傳感器以及Fltech公司的導(dǎo)電塑料型位移傳感器，力傳感器綜合誤差為0.05%FS，位移傳感器可重復(fù)精度≤0.01%。

1.3 控制與采集系統(tǒng)

控制和采集系統(tǒng)選用的是NI公司的USB-6212（BNC）板卡，該板卡具有16路同步模擬輸入（16位 ，400kS/s），2 路 模 擬 輸出 （16 位，250kS/s），32 路數(shù)字 I/O，2個(gè) 32位計(jì)數(shù)器。它利用USB總線供電，可方便應(yīng)用于各種便攜筆記本電腦。與 NI LabVIEW、ANSIC/C++ 、Visual Basic.NET、Visual Basic 6.0完全兼容。

將伺服驅(qū)動設(shè)置為位置模式，利用1個(gè)計(jì)數(shù)器和1個(gè)數(shù)字I/O口，向伺服控制器發(fā)出控制轉(zhuǎn)速的脈沖序列和控制方向的高低電平，可完成電動缸的快速上下移動以及準(zhǔn)確定位功能。

將伺服驅(qū)動設(shè)置為速度模式，利用1個(gè)模擬輸出口，向伺服控制器發(fā)出正弦、三角、隨機(jī)等模擬信號，電動缸可完成對應(yīng)的運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)功能。

將傳感器信號接入模擬輸入口，即可測得同步電壓，經(jīng)過對應(yīng)換算，可得真實(shí)量。

▲圖2 測試平臺機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過虛擬儀器編程語言LabVIEW的集成開發(fā)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)電動缸的控制和數(shù)據(jù)的采集、存儲、處理等功能。

電動缸的快速上下移動要實(shí)現(xiàn)的功能是：按住上/下按鈕不放，電動缸進(jìn)行上/下快速移動，速度可調(diào)。其任務(wù)類型屬于脈沖頻率輸出，程序如圖3所示。程序發(fā)出2路信號，分別是頻率可變的連續(xù)脈沖以及改變方向的數(shù)字量。創(chuàng)建2個(gè)數(shù)字I/O作為上/下按鈕，其按鈕機(jī)械動作為保持觸發(fā)直到釋放；改變運(yùn)動方向是通過一個(gè)子程序，一次性改變I/O口高低電平；創(chuàng)建1個(gè)CO脈沖頻率任務(wù)，當(dāng)程序開始運(yùn)行時(shí)，要求脈沖暫停，故創(chuàng)建1個(gè)DAQmx觸發(fā)，當(dāng)觸發(fā)I/O為低電平時(shí)，脈沖暫停，當(dāng)按下并保持上/下按鈕時(shí)，觸發(fā)I/O為高電平，脈沖發(fā)出。通過改變脈沖頻率來改變運(yùn)動速度。

要完成各項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容，電動缸需要按照各種模擬波形運(yùn)動。創(chuàng)建AO電壓任務(wù)，規(guī)定其最大、最小電壓值，NI的模擬輸出支持±10V的電壓。為了產(chǎn)生各類波形，添加波形發(fā)生子程序，并規(guī)定其已經(jīng)過換算后的幅值、頻率等。規(guī)定其緩存采樣頻率和一個(gè)循環(huán)讀取的波形周期，并添加模擬波形采樣，將生成的波形存入板卡的緩存中。將任務(wù)送入循環(huán)中，即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求。循環(huán)中添加了SampClk.Rate屬性節(jié)點(diǎn)，可通過前面板頻率輸入的改變而實(shí)時(shí)變更。

▲圖3 電動缸快動程序

傳感器數(shù)據(jù)采集程序如圖4所示。由于傳感器輸出的是電壓信號，所以創(chuàng)建AI電壓任務(wù)，采樣時(shí)鐘設(shè)置連續(xù)采樣。任務(wù)進(jìn)入循環(huán)后通過模擬1D波形N通道N采樣DAQmx進(jìn)行采樣，一個(gè)循環(huán)采集2路通道的N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。將數(shù)據(jù)拆分后換算，并在前面板顯示曲線，然后寫入數(shù)據(jù)文件，方便離線數(shù)據(jù)分析。

3 測試結(jié)果與分析

利用該設(shè)備對某電梯隔振裝置進(jìn)行動態(tài)特性實(shí)驗(yàn)，輸入不同頻率正弦波形，其作用力-位移圖形如圖5右圖所示，可見其存在強(qiáng)烈的非線性，且速度越大，非線性越明顯。又對其使用的阻尼緩沖器單獨(dú)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖 5左圖所示，發(fā)現(xiàn)其推程時(shí)有阻尼作用，且阻尼大小隨速度增大而增大，回程時(shí)阻尼基本不起作用，非線性主要體現(xiàn)在阻尼器中。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于虛擬儀器的隔振裝置動態(tài)特性測試系統(tǒng)，基于虛擬儀器編程語言LabVIEW完成了各模塊的軟件設(shè)計(jì)。利用該系統(tǒng)對電梯隔振裝置以及阻尼緩沖器進(jìn)行了特性測試，達(dá)到了預(yù)期效果。為隔振系統(tǒng)的研究提供了一個(gè)可行的實(shí)驗(yàn)平臺，證實(shí)了電梯隔振系統(tǒng)中存在的非線性問題，對電梯的數(shù)學(xué)建模工作有一定幫助。

▲圖4 數(shù)據(jù)采集程序

▲圖5 緩沖器（左圖）和隔振裝置（右圖）的試驗(yàn)滯回曲線

［1] 傅武軍,朱昌明,張長友,等.高速電梯水平振動建模及動態(tài)響應(yīng)分析［J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2003,19（6）:65-67.

［2] 金衛(wèi)清,張惠僑.電梯機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)特性的建模分析［J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,1999,15（3）:53-55.

［3] 李立京,李醒飛.電梯轎廂水平振動模型［J].電梯工業(yè),2002,3（5）:24-26.

［4] K Utsunomiya,KI Okamoto.Active Roller Guide System for High-speed Elevators ［J].Elevator World,2002,50（4）:86-93.

［5] 馮永慧,張建武.高速電梯水平振動模型的建立與仿真［J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,41（4）:557-560.

［6] ISO 10846-1:2008,Acoustics and Vibration-Laboratory MeasurementofVibro-acoustic TransferPropertiesof Resilient Elements［S].