一種壓縮機(jī)摩擦測(cè)試系統(tǒng)的軟件控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

韋　為，耿葵花，王少偉，趙泰百，魏　濤，孫　晗，劉明遠(yuǎn)，劉運(yùn)棋，蘇子翔

（廣西大學(xué)，廣西 南寧530004）

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一種壓縮機(jī)摩擦測(cè)試系統(tǒng)的軟件控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

韋為，耿葵花，王少偉，趙泰百，魏濤，孫晗，劉明遠(yuǎn)，劉運(yùn)棋，蘇子翔

（廣西大學(xué)，廣西 南寧530004）

摘要：介紹了一種壓縮機(jī)摩擦力等效測(cè)試系統(tǒng)的軟件控制平臺(tái)設(shè)計(jì)。應(yīng)用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)了本測(cè)試系統(tǒng)的軟件界面，界面實(shí)現(xiàn)了各種測(cè)試數(shù)據(jù)的選擇、設(shè)置以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、濾波處理、回放、保存、錯(cuò)誤提示等功能。同時(shí)根據(jù)測(cè)試要求，依托PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)伺服電機(jī)的動(dòng)作控制，完成了運(yùn)動(dòng)控制功能要求。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)；摩擦測(cè)試；軟件控制平臺(tái)

長(zhǎng)期以來，壓縮機(jī)一直存在機(jī)械效率低和使用壽命短的缺陷，原因在于壓縮機(jī)普遍存在多個(gè)摩擦與磨損的運(yùn)動(dòng)副[1-2]。要想提高壓縮機(jī)的機(jī)械效率和使用壽命，就必須設(shè)法降低其運(yùn)動(dòng)副的摩擦磨損，而要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，則必須了解運(yùn)動(dòng)副的摩擦特性[3-6]。

針對(duì)壓縮機(jī)滑片與滑片槽的摩擦特性分析，由于壓縮機(jī)本體滑槽尺寸大小、滑片空間位置和滑槽結(jié)構(gòu)等限制因素的影響，無法在壓縮機(jī)本體上進(jìn)行摩擦力的測(cè)試，因此需要設(shè)計(jì)一套等效的摩擦力測(cè)試系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)壓縮滑片和滑片槽摩擦力的測(cè)試。摩擦力測(cè)試系統(tǒng)一般包括兩大部分，一部分是硬件等效測(cè)試平臺(tái)，另一部分是軟件控制平臺(tái)。

1　測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)的重要功能是：模擬在壓縮機(jī)正常工作時(shí)滑片與滑槽的運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及滑片在壓縮機(jī)本體上的運(yùn)動(dòng)工況，測(cè)試滑片與滑槽摩擦力與速度關(guān)系曲線以及摩擦力與預(yù)滑移位移關(guān)系曲線。測(cè)試系統(tǒng)軟件控制平臺(tái)的功能是：提供系統(tǒng)測(cè)試的人際交互界面與實(shí)際控制，它主要包括軟件交互模塊和控制模塊兩部分。

硬件平臺(tái)包括摩擦運(yùn)動(dòng)模擬裝置、動(dòng)力傳動(dòng)裝置和勻速測(cè)量裝置三部分，首先是運(yùn)動(dòng)模擬裝置，主要包括一套模擬滑槽、滑片組、給滑片加載的加載絲杠（模擬氣體力）以及連接軸等。其次是傳動(dòng)裝置，主要包括行星減速器、滾珠絲杠模組、滑臺(tái)等。最后是測(cè)量裝置，包括壓力傳感器、加載力傳感器、行程開關(guān)等。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1　測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

指令通過控制柜12傳達(dá)給伺服電機(jī)2，經(jīng)過行星減速器3減速，伺服電機(jī)2將動(dòng)力傳遞給滾珠絲杠4，同時(shí)滾珠絲杠4將輸出的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑臺(tái)9的直線運(yùn)動(dòng)，從而使滑片組5平行移動(dòng)。在滑片組5的平行移動(dòng)過程中，通過滑槽兩側(cè)的預(yù)緊力來模擬壓縮機(jī)本體上滑片所受到的氣體壓力，抵壓滑片組，這樣滑片組兩側(cè)就如在壓縮機(jī)本體上運(yùn)動(dòng)一樣，將受到等效的摩擦力。壓力傳感器7將摩擦力的等效壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，依次經(jīng)過放大、濾波傳遞給采集卡13，采集卡13再將實(shí)時(shí)采集到的摩擦力信號(hào)顯示在控制軟件上。

2　軟件交互模塊設(shè)計(jì)

本文采用LabVIEW軟件作為測(cè)試界面的編程軟件[7]，利用它編程實(shí)現(xiàn)摩擦力測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。其中，軟件設(shè)計(jì)的核心是數(shù)據(jù)采集部分的設(shè)計(jì)，主要完成數(shù)據(jù)采集的控制，包括對(duì)物理通道號(hào)、設(shè)備號(hào)、采集終端模式、輸入范圍、采樣率、采樣數(shù)、讀取數(shù)以及采樣方式等的設(shè)置和控制。

2.1程序設(shè)計(jì)過程

壓力傳感器輸出的是模擬電壓信號(hào)，首先創(chuàng)建虛擬通道（圖2），選擇模擬輸入電壓，同時(shí)創(chuàng)建用于選擇設(shè)備、通道號(hào)及信號(hào)測(cè)量方式的輸入控件及property value.vi，接著使用Timing.vi對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置，并且創(chuàng)建輸入控件，用于輸入采樣率、采樣方式、采樣數(shù)及讀取數(shù)等。然后利用Get Property.vi可以實(shí)時(shí)看到實(shí)際采樣率以及數(shù)據(jù)保存次數(shù)。接著創(chuàng)建While循環(huán)，利用Read.vi讀取采集到的數(shù)據(jù)，并且在其下拉菜單中選擇模擬1通道N采樣。利用停止采集任務(wù)vi結(jié)束數(shù)據(jù)采集，同時(shí)在While循環(huán)外使用清除任務(wù)節(jié)點(diǎn)來清除上次的采集任務(wù)。按照同樣的方法，利用底層vi設(shè)計(jì)濾波模塊、波形顯示模塊、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存回放模塊等，然后按照流程依次連線各個(gè)vi節(jié)點(diǎn)，并且創(chuàng)建一個(gè)錯(cuò)誤顯示控件，用于顯示采集實(shí)驗(yàn)過程中的錯(cuò)誤，且與清除任務(wù)節(jié)點(diǎn)相連。在數(shù)據(jù)采集過程中可以直接點(diǎn)擊界面中的保存按鈕保存數(shù)據(jù)，也可以等待采集任務(wù)結(jié)束后輸出圖像以及電子表格文件。

圖2　創(chuàng)建虛擬通道函數(shù)

切換到LabVIEW前面板，設(shè)置界面布局及界面顏色，調(diào)整各輸入控件的大小和位置，設(shè)置各輸入控件屬性（圖3），包括標(biāo)簽字體大小和顏色。設(shè)置好模擬數(shù)據(jù)采集前面板輸入控件。測(cè)試人員可以通過該面板設(shè)置數(shù)據(jù)采集的物理通道，如PCI-1711L，BID#0/ai0（設(shè)備PCI-1711L，模擬輸入通道0）；根據(jù)信號(hào)類型選擇信號(hào)的測(cè)量方式、參考單端（Single-Ended)；設(shè)置經(jīng)放大器放大的模擬電壓輸入范圍（+/-10V）；然后根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置采樣率（1 000 Hz）、采樣點(diǎn)數(shù)（1 024點(diǎn)）、讀取點(diǎn)數(shù)（1 000點(diǎn)）；采樣模式設(shè)置為連續(xù)采樣（Continuous Samples）。

圖3　屬性選擇對(duì)話框

采集到的信號(hào)可能還受到噪聲的影響，所以本文通過濾波器進(jìn)行了濾波模塊設(shè)計(jì)，同時(shí)為該模塊配套良好的選擇界面，可以供測(cè)試者根據(jù)需要選擇濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、類型、階數(shù)、高截止頻率、低截止頻率等。此外還編程設(shè)計(jì)了顯示模塊和存儲(chǔ)回放模塊。通過這些模塊設(shè)計(jì)，測(cè)試人員不但能夠?qū)崟r(shí)看到采集到的波形，并且可以隨時(shí)將原始信號(hào)或?yàn)V波后的信號(hào)以LVM格式存儲(chǔ)在硬盤中，也可以將實(shí)時(shí)波形以圖片JPG格式存儲(chǔ)在硬盤上?；胤殴δ芸梢詫⒋鎯?chǔ)的LVM格式文件再次讀取并顯示。將各模塊置于While循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)，連線將各功能模塊組織成整個(gè)程序框圖。

2.2程序調(diào)試

在完成整個(gè)程序設(shè)計(jì)之后，要對(duì)程序做最終調(diào)試。具體做法是：設(shè)置斷點(diǎn)、添加探針等。如果出現(xiàn)錯(cuò)誤可以打開錯(cuò)誤解釋窗口查看原因。雖然LabVIEW具備完善的調(diào)試功能，但是仍然會(huì)存在很多隱性錯(cuò)誤不被設(shè)計(jì)人員所發(fā)現(xiàn)，所以在開發(fā)測(cè)試程序的時(shí)候，要對(duì)每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試，這樣才可以降低整個(gè)程序的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤以及最終的調(diào)試難度，盡快完成測(cè)試程序開發(fā)。

前面板是測(cè)試系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，合理的人機(jī)界面設(shè)計(jì)可以減少測(cè)試人員的誤操作，所以對(duì)整個(gè)程序調(diào)試完成以后，有必要對(duì)前面板做相應(yīng)的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)前面板時(shí)，主要考慮的是界面美觀、操作簡(jiǎn)潔，測(cè)試人員通過簡(jiǎn)單的鍵盤和鼠標(biāo)操作就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的控制。設(shè)計(jì)完成以后的前面板即軟件界面如圖4所示。

圖4　軟件交互界面設(shè)計(jì)

打開測(cè)試程序，測(cè)試系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，所有的按鈕對(duì)話框處于鎖定狀態(tài)，這樣可以防止出現(xiàn)錯(cuò)誤設(shè)置。開始測(cè)試時(shí)，將設(shè)置框和按鈕解鎖，根據(jù)測(cè)試需求設(shè)置合理的參數(shù)，選擇正確的采集通道和采集模式，點(diǎn)擊運(yùn)行箭頭，開始測(cè)試。若測(cè)試終端無法開始測(cè)試，則系統(tǒng)自動(dòng)彈出錯(cuò)誤對(duì)話框，用戶可以根據(jù)提示修改主程序相應(yīng)的部分。當(dāng)測(cè)試完成，點(diǎn)擊停止按鈕，系統(tǒng)停止測(cè)試，可以通過導(dǎo)出相應(yīng)數(shù)據(jù)或者曲線，供測(cè)試人員進(jìn)行下一步的研究分析。

3　控制模塊設(shè)計(jì)

3.1電子齒輪設(shè)定

圖5　電子齒輪原理圖

本文所選的滾珠絲杠螺紋距Pb=10 mm，行星減速器減速比n=1/50，伺服電機(jī)編碼器的分辨率為Pt=262144 pulse/rev，傳動(dòng)原理如圖6所示。

圖6　傳動(dòng)原理圖

由式1可以看出，在PLC編程前首先要設(shè)定，這樣就可以成功實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)動(dòng)作。其中：

Pb為滾珠絲杠螺紋矩（mm）；

n為減速比；

Pt為伺服電機(jī)編碼器分辨率（pulse/rev)；

△t0為每指令脈沖對(duì)應(yīng)的移動(dòng)量（mm/pulse)；

△S為伺服電機(jī)沒轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的移動(dòng)量（mm/rev）。

3.2控制模塊工作過程

根據(jù)測(cè)試要求，控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)滑片組以不同的設(shè)定速度勻速運(yùn)動(dòng)并且到達(dá)指定位置后能夠自動(dòng)回轉(zhuǎn)。具體來說就是按測(cè)控步驟實(shí)現(xiàn)以下動(dòng)作：

（1）接通電源，系統(tǒng)初始化。伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠滑臺(tái)及滑片組回到設(shè)定的初始位置，準(zhǔn)備開始測(cè)試。

（2）按下測(cè)試按鈕。伺服電機(jī)開始以設(shè)定的第一個(gè)速度運(yùn)轉(zhuǎn)，滾珠絲杠將電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑臺(tái)和滑片組的勻速運(yùn)動(dòng)，使得滑片組以預(yù)期的速度在滑槽內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)。

（3）當(dāng)運(yùn)動(dòng)到滑片槽的另一端時(shí)，滑片組接觸行程開關(guān)，電機(jī)回轉(zhuǎn)，又快速運(yùn)動(dòng)到初始位置預(yù)備進(jìn)行下一個(gè)速度的摩擦力測(cè)試。

（4）當(dāng)滑片組回轉(zhuǎn)到初始位置時(shí)，電機(jī)停止，按下測(cè)試按鈕，又開始下一個(gè)設(shè)定速度的摩擦力測(cè)試，以此類推直到完成所有速度下的摩擦力測(cè)試。

（5）同時(shí)設(shè)置急停開關(guān)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行有任何意外時(shí)，按下急停開關(guān)切斷電源，防止損壞測(cè)試臺(tái)。

4　結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)測(cè)試要求，本文的摩擦力測(cè)試系統(tǒng)軟件控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）參數(shù)設(shè)置功能：參數(shù)設(shè)置功能是測(cè)試系統(tǒng)最基本的功能之一。設(shè)置界面應(yīng)該具有較強(qiáng)的柔性，能夠適應(yīng)不同的測(cè)試環(huán)境和硬件要求，能夠?qū)y(cè)試系統(tǒng)物理通道、模擬電壓范圍、測(cè)量系統(tǒng)終端模式、采樣率、采樣數(shù)、采樣模式、每秒讀取采樣數(shù)等參數(shù)進(jìn)行快捷方便設(shè)置，設(shè)置操作必須簡(jiǎn)單、方便，不易發(fā)生設(shè)置錯(cuò)誤。

（2）信號(hào)處理功能：信號(hào)處理包括數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，是測(cè)試系統(tǒng)最重要的環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)必須保證對(duì)摩擦力數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性，能夠?qū)λ杉男盘?hào)進(jìn)行采樣、量化和編碼。同時(shí)當(dāng)測(cè)試時(shí)信號(hào)干擾較大，還需對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波處理，設(shè)計(jì)濾波模塊。

（3）數(shù)據(jù)顯示功能：可以將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)完整的顯示出來，并且隨時(shí)能夠觀測(cè)到數(shù)據(jù)的變化情況，實(shí)驗(yàn)員可以對(duì)結(jié)果顯示做一個(gè)初步的預(yù)判。同時(shí)可以對(duì)時(shí)間、幅值進(jìn)行調(diào)節(jié)，也能有原始波形和處理后波形的對(duì)比。

（4）控制功能：可以順序循環(huán)的控制伺服電機(jī)依次完成不同速度的勻速運(yùn)動(dòng)和指定位置的回轉(zhuǎn)，從而順利完成測(cè)試任務(wù)。

（5）測(cè)試數(shù)據(jù)儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化功能：可以實(shí)時(shí)儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，并且可以把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電子表格形式、圖表形式等，以便于后期數(shù)據(jù)顯示查閱和進(jìn)一步處理

（6）報(bào)錯(cuò)、急停功能：當(dāng)出現(xiàn)采集異常，運(yùn)動(dòng)異常等情況，可以立即報(bào)警和急停。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬國(guó)遠(yuǎn)，李紅旗.旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[2]郁永章，孫嗣瑩，陳洪俊.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]陳劍鋒，劉吳，陶國(guó)良.基于LuGre摩擦模型的氣姑摩擦力特性實(shí)驗(yàn)[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，（03）:55-59.

[4]丁千，霍紅梅.機(jī)械系統(tǒng)摩擦動(dòng)力學(xué)研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展，2013，（01）:112-131.

[5]陳劍鋒.基于LuGre摩擦模型的氣缸摩擦力實(shí)驗(yàn)研究[D]．杭州:浙江大學(xué)，2011．

[6]譚文斌，李醒飛，向紅標(biāo)，等，張晨陽(yáng)．應(yīng)用穩(wěn)態(tài)誤差分析辨識(shí)LuGre模型參數(shù)[J].光學(xué)精密工程，2011，（03）:664-671.

[7]彭勇，潘曉婢，等．LabVIEW虛微化器設(shè)計(jì)及分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

中圖分類號(hào):TH457

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-545X（2016）04-0061-04

收稿日期：2016-01-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：葉片式旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)摩擦與泄漏的多因素動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)機(jī)制研究（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：51565004）；廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目：葉片式旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)多因素動(dòng)態(tài)摩擦與泄漏機(jī)理研究（下達(dá)文號(hào)：桂財(cái)教[2013]19號(hào)，任務(wù)書編號(hào)：2013GXNSFAA019309）；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目：旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)的性能分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)研究（合同編號(hào)：10-0046-07S03）。

作者簡(jiǎn)介：韋為（1984-），男，廣西昭平縣人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)閴嚎s機(jī)泄漏控制。

A Design for Software Control Platform of the Friction Testing System for Compressors

WEI Wei，GENG Kui-hua，WANG Shao-wei，ZHAO Tai-bai，WEI Tao，SUN Han，LIU Ming-yuan，LIU Yun-qi，SU Zi-xiang
（Guangxi University，Nanning 530004，China）

Abstract：This paper describes a design for software control platform of the equivalent friction testing system for compressors.The Software interface of this testing system is designed by LabVIEW，which accomplishes the choice and setting of various test data，real-time data display，filtering processing，playback，save，error message and other functions.Besides，it realizes motion controls to servo motors by using the PLC Programmable Controller according to the test requirements，which means the motion control function is available.

Key words：compressor；friction testing；software control platform