基于LabVIEW的裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量系統(tǒng)

歐陽(yáng)柏添 蔡家富 劉桂雄

摘 ?要：針對(duì)目前裝配車體撓度測(cè)量方法存在測(cè)量精度不高、測(cè)量實(shí)時(shí)性差、測(cè)量效率低的問(wèn)題，文章提出裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)ZigBee撓度測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采用ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)高精度轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量。撓度測(cè)量控制平臺(tái)基于LabVIEW進(jìn)行搭建，控制撓度測(cè)量系統(tǒng)撓度采集數(shù)據(jù)及對(duì)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。試驗(yàn)表明，測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量，具有參考意義。

關(guān)鍵詞：裝配車體;撓度測(cè)量;ZigBee無(wú)線傳輸模塊;LabVIEW

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）14-0158-04

Abstract： In view of the problem of low measurement accuracy， poor real-time measurement， and low measurement efficiency in current assembly car body deflection measurement methods， this paper studies the design of a wireless rapid measurement system for assembly car body deflection. The ZigBee deflection measurement data wireless transmission system is designed， and the ADS1115 analog-to-digital conversion module is used to realize the high-precision conversion of deflection measurement data， realizing the wireless rapid measurement of the assembly car body deflection. The deflection measurement control platform is built based on LabVIEW to control the deflection data acquisition of the deflection measurement system and display the deflection measurement data. The test shows that the measurement system can realize the wireless rapid measurement of the deflection of the assembled car body. The research has important reference value.

Keyword： assembly car body; deflection measurement; ZigBee wireless transmission module; LabVIEW

0 ?引 ?言

裝配車體撓度是軌道交通車輛一項(xiàng)重要結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)，制造完成的車體需具有一定上撓度抵消車體實(shí)際使用過(guò)程中撓度變形[1，2]。在裝配車體制造過(guò)程中需多次對(duì)車體底架進(jìn)行撓度測(cè)量，若撓度質(zhì)量不合格需要對(duì)裝配車體進(jìn)行一定調(diào)整。傳統(tǒng)裝配車體撓度測(cè)量采用基于連通管法的撓度測(cè)量裝置，測(cè)量效率較低，對(duì)裝配車體制造產(chǎn)生阻礙作用[3]。為解決裝配車體測(cè)量效率較低的問(wèn)題，需設(shè)計(jì)一套裝配車體快速撓度測(cè)量系統(tǒng)，目前許多研究學(xué)者在自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)上做研究，解決工程實(shí)際中很多測(cè)量難題。文獻(xiàn)[4]（2015）針對(duì)現(xiàn)有有線輸電線路測(cè)量系統(tǒng)布線復(fù)雜、易受環(huán)境影響的問(wèn)題，研究無(wú)線輸電線路測(cè)量系統(tǒng)，利用實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)橋?qū)㈦妷?、電流?shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)街行闹髡?。文獻(xiàn)[5]（2017）研究天線輻射特性測(cè)量方法，通過(guò)設(shè)計(jì)天線輻射特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)14種不同類型天線輻射特性進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)表明該系統(tǒng)能夠快速對(duì)天線輻射特性進(jìn)行測(cè)量與求解。文獻(xiàn)[6]（2019）研究一種無(wú)線多參數(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)可對(duì)多種氣體濃度進(jìn)行采集，且測(cè)量數(shù)據(jù)可通過(guò)LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)绞殖质浇K端，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類氣體濃度監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[7]（2020）針對(duì)傳統(tǒng)制動(dòng)距離測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題，研究利用高精度霍爾旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)電梯制動(dòng)距離進(jìn)行測(cè)量，設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)硬件軟件實(shí)現(xiàn)電梯制動(dòng)距離自動(dòng)快速準(zhǔn)確測(cè)量。本文對(duì)裝配車體撓度測(cè)量需求進(jìn)行分析，搭建裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄隙葴y(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量平臺(tái)基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)，可對(duì)裝配車體撓度測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度測(cè)量自動(dòng)化，提高裝配車體撓度測(cè)量效率。

1 ?裝配車體撓度測(cè)量問(wèn)題描述及整體方案研究

1.1 ?測(cè)量對(duì)象描述

為使裝配車體總成焊接完成后，裝配車體底架符合設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)裝配車體底架撓度進(jìn)行控制。裝配車體底架撓度控制點(diǎn)測(cè)量位置示意圖如圖1所示，撓度測(cè)量關(guān)鍵位置包括4個(gè)端部位置、4個(gè)枕中位置、2個(gè)車體中部位置。

在底架總組成過(guò)程中需要多次對(duì)車體撓度控制點(diǎn)進(jìn)行撓度測(cè)量，傳統(tǒng)裝配車體撓度測(cè)量方法測(cè)量效率較低，影響裝配車體制造速度。因此，研制裝配車體撓度測(cè)量系統(tǒng)的需求有：

（1）準(zhǔn)確測(cè)量。傳統(tǒng)裝配車體撓度測(cè)量采用基于連通管法的撓度測(cè)量裝置，需要技術(shù)人員對(duì)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，存在讀數(shù)誤差。研制撓度測(cè)量系統(tǒng)需能實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度準(zhǔn)確測(cè)量。

（2）實(shí)時(shí)測(cè)量。傳統(tǒng)裝配車體撓度測(cè)量方法不能實(shí)現(xiàn)各撓度關(guān)鍵控制點(diǎn)撓度數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量，無(wú)法觀察制造過(guò)程中裝配車體撓度變化情況。研制裝配車體撓度測(cè)量系統(tǒng)需能實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度實(shí)時(shí)測(cè)量。

（3）自動(dòng)測(cè)量。傳統(tǒng)裝配車體撓度測(cè)量方法每次測(cè)量都需要花費(fèi)技術(shù)人員大量時(shí)間，測(cè)量效率較低。研制裝配車體撓度測(cè)量系統(tǒng)需能實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度自動(dòng)測(cè)量。

1.2 ?總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)上述測(cè)量需求設(shè)計(jì)裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量系統(tǒng)，裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。該系統(tǒng)主要包括LabVIEW控制顯示平臺(tái)、ZigBee數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和撓度數(shù)據(jù)非接觸測(cè)量系統(tǒng)。

其中各模塊系統(tǒng)功能如以下所示：

（1）LabVIEW控制現(xiàn)實(shí)平臺(tái)由上位機(jī)組成，主要用于控制撓度測(cè)量數(shù)據(jù)的采集，并將裝配車體各點(diǎn)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示;

（2）ZigBee數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)由ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器及ZigBee終端組成，主要用于接收上位機(jī)指令，并將數(shù)據(jù)采集指令及停止指令無(wú)線傳輸?shù)礁鲹隙葴y(cè)量節(jié)點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸;

（3）模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置組成，主要用于對(duì)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將撓度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng);

（4）撓度數(shù)據(jù)非接觸測(cè)量系統(tǒng)由激光位移傳感器模塊、電源組成，主要用于對(duì)裝配車體各節(jié)點(diǎn)位置撓度進(jìn)行測(cè)量。利用激光位移傳感器模塊，可實(shí)現(xiàn)高精度非接觸式裝配車體撓度測(cè)量。本文采用激光位移傳感器型號(hào)為HG-C 1400，能滿足裝配車體撓度測(cè)量精度。

本文軌道交通車輛裝配車體撓度調(diào)整方法以裝配車體車身為研究對(duì)象，該方法也可應(yīng)用于裝配車體車頭的撓度調(diào)整中。

2 ?裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 ?ZigBee數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZigBee通信技術(shù)是一個(gè)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)（2.4 GHz頻段）的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，相比Wi-Fi通信技術(shù)、藍(lán)牙通信技術(shù)、LoRa通信技術(shù)，ZigBee通信技術(shù)具有通信節(jié)點(diǎn)多、功耗低、支持一對(duì)多、成本低的優(yōu)點(diǎn)，可用于裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量系統(tǒng)中[8，9]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示，本文ZigBee數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)采用樹型拓?fù)涞姆绞綄?shí)現(xiàn)，所選用ZigBee模塊核心處理器為德州儀器公司開(kāi)發(fā)的CC2530芯片。通過(guò)在裝配車體各撓度測(cè)量位置設(shè)置ZigBee終端，通過(guò)在上位機(jī)位置設(shè)置ZigBee協(xié)調(diào)器，設(shè)置ZigBee路由器對(duì)較遠(yuǎn)位置撓度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?；赯igBee的撓度測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)如圖4所示。

為區(qū)別裝配車體撓度測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)位置同時(shí)保證撓度測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，終端無(wú)線傳輸?shù)膿隙葴y(cè)量數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)為包含節(jié)點(diǎn)位置信息及CRC-16校驗(yàn)碼，終端無(wú)線傳輸撓度測(cè)量數(shù)據(jù)格式如表1所示。

2.2 ?模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光位移傳感器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)為模擬量，為對(duì)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)能進(jìn)行無(wú)線傳輸，需要將撓度測(cè)量數(shù)據(jù)模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。CC2530模塊內(nèi)部自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能最高支持12位模數(shù)轉(zhuǎn)換，不適用于撓度測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因此本文選用德州儀器公司開(kāi)發(fā)的ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊[10，11]。ADS1115模塊是一款低功耗16位4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，可支持0～6.144 V的模擬量電壓轉(zhuǎn)換，模塊通過(guò)IIC總線與ZigBee模塊進(jìn)行通訊，ADS1115通訊外圍接口如圖5所示。通過(guò)在IAR Embedded Workbench For 8051 v8.10軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)對(duì)ZigBee終端模塊與ADS1115模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊通信代碼進(jìn)行編寫，可實(shí)現(xiàn)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換傳遞給ZigBee終端模塊，ZigBee終端模塊與ADS1115模塊通信流程圖如圖6所示。

2.3 ?基于LabVIEW的裝配車體撓度無(wú)線測(cè)量控制平臺(tái)

在進(jìn)行裝配車體撓度測(cè)量時(shí)，需要對(duì)裝配車體撓度測(cè)量數(shù)據(jù)采集進(jìn)行控制，同時(shí)要求對(duì)車體撓度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，展示裝配車體各點(diǎn)撓度質(zhì)量狀況給技術(shù)人員。本文裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量平臺(tái)基于LabVIEW實(shí)現(xiàn)，圖7為裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量控制平臺(tái)模塊功能結(jié)構(gòu)圖。

基于LabVIEW的裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量控制平臺(tái)主要?jiǎng)澐譃橐韵聨讉€(gè)模塊：

（1）看門狗模塊。看門狗模塊主要用于對(duì)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)采集過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如裝配車體撓度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間未傳輸撓度測(cè)量數(shù)據(jù)到上位機(jī)，則看門狗模塊自動(dòng)停止對(duì)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)的采集，并提示技術(shù)人員撓度無(wú)線測(cè)量出現(xiàn)故障。

（2）指令發(fā)送模塊與數(shù)據(jù)采集模塊。指令發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與ZigBee協(xié)調(diào)器模塊進(jìn)行通信，發(fā)送撓度數(shù)據(jù)采集命令使ZigBee協(xié)調(diào)器模塊控制ZigBee終端模塊對(duì)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，圖8為基于LabVIEW的指令發(fā)送模塊與數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要控制ZigBee協(xié)調(diào)器模塊將收集到的裝配車體各點(diǎn)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。

（3）數(shù)據(jù)分析與處理模塊。無(wú)線傳輸系統(tǒng)常因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)突發(fā)因素造成撓度測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，上位機(jī)采集到的各點(diǎn)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)分析與處理模塊主要用于判斷采集得到的撓度測(cè)量數(shù)據(jù)是否有效，且對(duì)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)與轉(zhuǎn)化，獲得各點(diǎn)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)。

（4）測(cè)量結(jié)果顯示與打印模塊。該模塊主要用于將裝配車體各點(diǎn)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)直觀顯示給技術(shù)人員，且裝配車體各點(diǎn)撓度測(cè)量結(jié)果可進(jìn)行測(cè)試報(bào)表打印，用于對(duì)裝配車體撓度測(cè)量結(jié)果進(jìn)行記錄。

3 ?試驗(yàn)與分析

本文試驗(yàn)對(duì)象為軌道交通車輛裝配車體，將裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用于中車廣東軌道交通車輛有限公司CRH6型裝配車體撓度測(cè)量中，裝配車體撓度測(cè)量數(shù)據(jù)可穩(wěn)定快速傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，撓度測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確，裝配車體撓度快速在線測(cè)量結(jié)果界面如圖9所示。

試驗(yàn)表明基于LabVIEW的裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)裝配車體撓度快速無(wú)線動(dòng)態(tài)測(cè)量，通過(guò)配置裝配車體撓度無(wú)線快速測(cè)量系統(tǒng)，可在遠(yuǎn)處上位機(jī)接收各點(diǎn)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)，提升裝配車體撓度測(cè)量效率。

4 ?結(jié) ?論

本文通過(guò)對(duì)目前裝配車體撓度測(cè)量方法存在問(wèn)題進(jìn)行分析，提出裝配車體撓度測(cè)量系統(tǒng)需求，并根據(jù)測(cè)量需求設(shè)計(jì)測(cè)量系統(tǒng)總體方案，包括LabVIEW控制顯示平臺(tái)、ZigBee數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、撓度數(shù)據(jù)非接觸測(cè)量系統(tǒng)。

利用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，并研究ZigBee終端模塊與ADS1115高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通訊方式實(shí)現(xiàn)撓度測(cè)量數(shù)據(jù)快速無(wú)線傳輸。

基于LabVIEW開(kāi)發(fā)裝配車體撓度無(wú)線測(cè)量控制平臺(tái)，可控制裝配車體撓度無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行撓度數(shù)據(jù)采集及顯示撓度測(cè)量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)證明本文所研究系統(tǒng)能夠快速實(shí)現(xiàn)撓度測(cè)量及顯示，提高裝配車體撓度測(cè)量效率。

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作者簡(jiǎn)介：歐陽(yáng)柏添（1976—），男，漢族，廣東江門人，總工程師，高級(jí)工程師，本科，主要研究方向：計(jì)量測(cè)試。