基于虛擬儀器的微小型二維液壓泵測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

曹 越，高殿榮，張宗熠，胡紅楊，趙靜一，郭 銳

(燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北秦皇島 066004)

引言

微型液壓元件是航空航天、機(jī)器人等高端裝備的關(guān)鍵零部件[1]。我國(guó)高端液壓元件技術(shù)的起步較晚，關(guān)鍵技術(shù)不成熟，制造成本高[2]，其配套測(cè)試技術(shù)也落后于國(guó)際前列[3]。傳統(tǒng)的液壓元件測(cè)試系統(tǒng)采用PLC或繼電器的控制方式[4]，效率低、精度差，且難以實(shí)時(shí)記錄保存關(guān)鍵數(shù)據(jù)，更難以保存圖表曲線(xiàn)等[5]。隨著高端裝備的需求增加以及虛擬儀器技術(shù)的提升和普及[6]，基于虛擬儀器的液壓元件測(cè)試技術(shù)逐漸得到應(yīng)用，將液壓系統(tǒng)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，做到高精度、高效率測(cè)試[7]。

目前國(guó)內(nèi)的液壓泵測(cè)試系統(tǒng)基本針對(duì)單臺(tái)泵進(jìn)行測(cè)試[8]，測(cè)試效率低，消耗能源大，且具有一定的流量和壓力等參數(shù)上限，無(wú)法測(cè)試航空航天等特殊類(lèi)型的高壓高轉(zhuǎn)速液壓泵[9]。國(guó)內(nèi)某團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于互聯(lián)網(wǎng)的測(cè)試平臺(tái)，目前由于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等限制，該測(cè)試系統(tǒng)只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，難以應(yīng)對(duì)大量數(shù)據(jù)采集[10]。隨著我國(guó)微小型液壓元件技術(shù)的突破和發(fā)展，對(duì)其測(cè)試系統(tǒng)也具有更高的要求[11]。

本研究針對(duì)新型的微小型二維液壓泵，基于被工業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛使用和認(rèn)可的LabVIEW平臺(tái)[12]，設(shè)計(jì)了一套人機(jī)交互友好、自動(dòng)化程度較高的微小型二維液壓泵測(cè)試系統(tǒng)，考慮到測(cè)試樣本為多個(gè)規(guī)格，采用并行式試驗(yàn)方法，以節(jié)約能源，提高試驗(yàn)效率。

1 二維活塞泵測(cè)試樣本參數(shù)

小型力平衡式二維活塞泵和微型插裝式二維活塞泵測(cè)試樣本參數(shù)分別如表1和表2所示。

表1 小型力平衡式二維活塞泵參數(shù)

表2 微型插裝式二維活塞泵參數(shù)

2 軟件需求分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 軟件需求分析

液壓泵性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試要求中的4種微小型二維液壓泵的性能參數(shù)，測(cè)試中需要遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速、流量和壓力等參數(shù)，可以采用伺服電機(jī)調(diào)節(jié)泵轉(zhuǎn)速，節(jié)流閥或調(diào)速閥調(diào)節(jié)流量，先導(dǎo)溢流閥調(diào)節(jié)壓力，軟件需要輸出信號(hào)控制相應(yīng)的液壓元件，使系統(tǒng)滿(mǎn)足測(cè)試需要的轉(zhuǎn)速、流量和壓力等參數(shù)；同時(shí)，需要在測(cè)試過(guò)程中采集被測(cè)試泵轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩、泵出入口的壓力和流量、油液溫度等數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示，測(cè)試系統(tǒng)需要完成液壓泵排量驗(yàn)證、效率、密封檢查試驗(yàn)[13-14]；試驗(yàn)結(jié)束后，需要按要求生成試驗(yàn)報(bào)告；測(cè)試軟件的操作應(yīng)簡(jiǎn)潔直觀，人機(jī)交互友好。

根據(jù)以上分析，將液壓泵測(cè)試軟件分成6個(gè)功能模塊，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、排量驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)K、效率試驗(yàn)?zāi)K、密封檢查試驗(yàn)?zāi)K和數(shù)據(jù)管理模塊，其中的3個(gè)性能測(cè)試模塊中都含有參數(shù)監(jiān)控、圖像生成和結(jié)果顯示等功能，模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 功能模塊結(jié)構(gòu)圖

2.2 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)主要采用了并行式能量回收方法，可以利用單個(gè)液壓系統(tǒng)同時(shí)完成3臺(tái)液壓泵的性能測(cè)試，這樣可以減少重復(fù)試驗(yàn)的次數(shù)和多次繁瑣的拆裝元件，提高液壓元件的綜合利用率[15-16]。如圖2中所示，被試泵1.2和1.3由液壓泵1.1提供進(jìn)口壓力，同時(shí)驅(qū)動(dòng)變量馬達(dá)3.2轉(zhuǎn)動(dòng)，變量馬達(dá)3.2通過(guò)聯(lián)軸器直接與被試泵1.4連接，被試泵1.4提供壓力油驅(qū)動(dòng)功率回收馬達(dá)3.1運(yùn)轉(zhuǎn)，變量馬達(dá)3.1與雙軸伸電動(dòng)機(jī)4.3的另一軸伸通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置進(jìn)行連接，幫助電動(dòng)機(jī)4.3一起帶動(dòng)被試泵1.3運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)這種機(jī)械補(bǔ)償?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)功率回收。

1.液壓泵 2.球閥 3.變量馬達(dá) 4.電機(jī) 5.溢流閥6.單向閥 7.調(diào)速閥 8.流量計(jì) 9.壓力傳感器 10.壓力表11.溫度計(jì) 12.溫度傳感器 13.過(guò)濾器 14.冷卻器 15.油箱圖2 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖

3 軟件各功能模塊的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

LabVIEW平臺(tái)集成了DAQ技術(shù)，在安裝好相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和軟件后，可以直接使用研華公司開(kāi)發(fā)的DAQ程序。研華公司研發(fā)的數(shù)據(jù)采集卡具有很高的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，且兼容性較高，可以完成快速高精度的數(shù)據(jù)采集操作，選用設(shè)計(jì)有FIFO電路的數(shù)據(jù)采集卡可以有效保證在連續(xù)采集數(shù)據(jù)時(shí)不會(huì)發(fā)生丟失數(shù)據(jù)的情況。

液壓泵性能測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊如圖3所示，在設(shè)置一系列DAQ底層VI的各參數(shù)后，軟件通過(guò)多通道采集的多項(xiàng)物理參數(shù)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)均值處理后得到更精確的數(shù)據(jù)，再通過(guò)索引數(shù)組VI將各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示于前面板上。

3.2 儀器控制模塊

為減少人工直接操縱液壓元件，通過(guò)軟件進(jìn)行間接操控，設(shè)計(jì)如圖4a儀器控制模塊程序，用戶(hù)可以通過(guò)操作前面板虛擬布爾開(kāi)關(guān)和旋鈕來(lái)發(fā)出信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大器放大，由采集卡發(fā)出信號(hào)控制液壓元件；圖4b為壓力調(diào)節(jié)前面板，可以通過(guò)點(diǎn)按水平搖桿開(kāi)關(guān)選擇壓力調(diào)節(jié)方式，可選擇溢流調(diào)節(jié)或節(jié)流調(diào)節(jié)，再旋轉(zhuǎn)相應(yīng)旋鈕給比例溢流閥或比例節(jié)流閥信號(hào)，達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力的目的；圖4c為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)前面板，通過(guò)直接旋轉(zhuǎn)旋鈕可以分別控制圖2中電動(dòng)機(jī)4.2和4.3的轉(zhuǎn)速。

3.3 排量驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)K

液壓泵排量驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)K如圖5所示，圖5a為排量驗(yàn)證試驗(yàn)程序前面板，整個(gè)程序界面分為上邊欄、右邊欄、 下邊欄和中間欄。上邊欄用于試驗(yàn)項(xiàng)目的顯示和選擇、數(shù)據(jù)操作以及生成報(bào)告等操作；右邊欄為儀器控制模塊，用于控制壓力和轉(zhuǎn)速等；下邊欄用于實(shí)時(shí)顯示被試泵各物理參數(shù)，試驗(yàn)過(guò)程中可以監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，各物理參數(shù)按需求設(shè)定不同的刷新率，在保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)及時(shí)刷新的前提下保證數(shù)據(jù)量不過(guò)載溢出；中間欄是試驗(yàn)主操作面板和曲線(xiàn)生成面板，“轉(zhuǎn)速-流量曲線(xiàn)”為XY控件用于顯示3臺(tái)被試泵在試驗(yàn)過(guò)程中輸出流量隨轉(zhuǎn)速的變化曲線(xiàn)，曲線(xiàn)用不同顏色顯示，可用游標(biāo)查看具體數(shù)值，當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后可單擊“排量計(jì)算”按鈕，3臺(tái)泵的空載排量即可顯示于液罐中，試驗(yàn)結(jié)果更加直觀。

圖3 數(shù)據(jù)采集功能模塊程序

圖4 儀器控制模塊

圖5b為排量驗(yàn)證試驗(yàn)程序框圖，程序采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)，由前面板按鈕等響應(yīng)操作，為使程序更加符合使用邏輯，利用條件結(jié)構(gòu)，當(dāng)按下“開(kāi)始試驗(yàn)”按鈕時(shí)，條件結(jié)構(gòu)為“真”，執(zhí)行相應(yīng)程序，此時(shí)被試泵轉(zhuǎn)速和出口流量通過(guò)屬性節(jié)點(diǎn)將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)送入移位寄存器中；再通過(guò)捆綁等操作生成“轉(zhuǎn)速-流量”曲線(xiàn)，同時(shí)程序?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)到“泵數(shù)據(jù)排量驗(yàn)證數(shù)據(jù)”文件夾下，命名為“泵i轉(zhuǎn)速流量.tdms”，i=1,2,3。當(dāng)按下“停止試驗(yàn)”時(shí)，移位寄存器輸入默認(rèn)值0，曲線(xiàn)不再變化，采集數(shù)據(jù)停止存儲(chǔ)。按下“排量計(jì)算”按鈕時(shí)，順序結(jié)構(gòu)第一幀停止運(yùn)行，轉(zhuǎn)入后一幀，程序讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)排量計(jì)算公式，運(yùn)用最小二乘法計(jì)算出3臺(tái)被試泵空載排量，顯示于前面板液罐中。

3.4 效率試驗(yàn)?zāi)K

液壓泵效率試驗(yàn)?zāi)K如圖6所示，圖6a為效率試驗(yàn)程序前面板，面板分布和排量驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)K與前面板基本一致。中間欄左邊放置“壓力-流量”曲線(xiàn)顯示控件，用于顯示3臺(tái)被試泵出口流量隨加載壓力變化的曲線(xiàn)；右邊放置效率曲線(xiàn)顯示控件，用于顯示被試泵容積效率和總效率隨壓力變化的曲線(xiàn)，此控件只顯示一臺(tái)被試泵的效率曲線(xiàn)，用下拉列表可選擇查看不同泵的曲線(xiàn)；控件下方顯示數(shù)據(jù)表格，便于查看精確數(shù)值。

圖6b為效率試驗(yàn)主程序，依然采用平鋪式順序結(jié)構(gòu)。第一幀時(shí)按下“開(kāi)始試驗(yàn)”按鈕，條件結(jié)構(gòu)為“真”，軟件采集到的被試泵進(jìn)出口壓力、流量、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)通過(guò)屬性節(jié)點(diǎn)引入到程序中，經(jīng)過(guò)容積效率計(jì)算公式和總效率計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算；程序?qū)⒈辉嚤贸隹趬毫?、出口流量、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩以及計(jì)算出的容積效率和總效率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)到“泵數(shù)據(jù)效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)”文件夾下，命名為“泵i效率數(shù)據(jù).tdms”，同時(shí)發(fā)送到移位寄存器中，以壓力移位寄存器值為X，以出口流量移位寄存器值為Y，輸入到“壓力-流量曲線(xiàn)”顯示控件中，以壓力移位寄存器值為X，以容積效率移位寄存器值為Y1，以總效率移位寄存器值為Y2輸入到“泵i效率曲線(xiàn)”顯示控件中。當(dāng)單擊“停止試驗(yàn)”按鈕時(shí)，停止數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和曲線(xiàn)變化，程序運(yùn)行下一幀，讀取存儲(chǔ)效率數(shù)據(jù)顯示與表格中，可供查看。

圖5 排量驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)K

3.5 密封檢查試驗(yàn)?zāi)K

圖7為密封檢查試驗(yàn)程序前面板，點(diǎn)擊“開(kāi)始試驗(yàn)”開(kāi)始顯示被試泵加載壓力曲線(xiàn)，當(dāng)調(diào)節(jié)壓力時(shí)，查看壓力曲線(xiàn)并觀察被試泵有無(wú)滲漏油等異常情況，根據(jù)情況點(diǎn)擊單選按鈕記錄試驗(yàn)結(jié)果，并在文字框中填寫(xiě)異常現(xiàn)象描述。

圖7 密封檢查試驗(yàn)程序前面板

3.6 數(shù)據(jù)管理模塊

1) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊應(yīng)用于試驗(yàn)?zāi)K中，用于實(shí)時(shí)存儲(chǔ)試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)文件在主程序路徑文件夾中，方便后期查找拷貝。文件存儲(chǔ)為T(mén)DMS格式，TDMS格式是NI公司主推的一種二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類(lèi)型，高速、方便、易存取，多應(yīng)用于高速測(cè)試測(cè)量采集系統(tǒng)[17]。

2) 數(shù)據(jù)讀取功能

數(shù)據(jù)讀取操作利用“讀取帶分隔符電子表格”函數(shù)直接讀取數(shù)據(jù)文件，相較于“讀取測(cè)量文件”Express VI更加高效，占用內(nèi)存小，但是需要數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等操作[18]。

3) 報(bào)告生成功能

采用“事件結(jié)構(gòu)”響應(yīng)分支功能，當(dāng)被試泵完成所有性能試驗(yàn)后，可以點(diǎn)擊前面板“生成報(bào)告”按鈕，用戶(hù)按提示輸入信息，程序通過(guò)“VI服務(wù)器引用”函數(shù)自動(dòng)獲取排量驗(yàn)證試驗(yàn)、效率試驗(yàn)和密封檢查試驗(yàn)各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)和圖像，完整有序地呈現(xiàn)在報(bào)告中。圖8為報(bào)告生成程序，程序由LabVIEW軟件中報(bào)表生成子選板制作，連接需要的子VI，并對(duì)各子VI的端口進(jìn)行配置，可實(shí)現(xiàn)報(bào)告生成功能。

4 結(jié)論

(1) 該微小型二維液壓泵性能測(cè)試軟件基于LabVIEW平臺(tái)上位機(jī)輔助系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高精度數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制元件運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)，傳感器系統(tǒng)把各物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成信號(hào)，經(jīng)二次儀表處理通過(guò)采集卡送入上位機(jī)中，上位機(jī)運(yùn)行相應(yīng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使液壓系統(tǒng)部分、傳感器部分和硬件部分有機(jī)結(jié)合，完成液壓泵各項(xiàng)性能測(cè)試，并實(shí)時(shí)顯示各物理參數(shù)，儲(chǔ)存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，生成曲線(xiàn)圖表，制作試驗(yàn)報(bào)告等功能；

圖8 報(bào)告生成程序

(2) 液壓泵性能測(cè)試軟件引入模塊化設(shè)計(jì)方法，將軟件分成數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、排量驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)K、效率試驗(yàn)?zāi)K、密封檢查試驗(yàn)?zāi)K和數(shù)據(jù)管理模塊6個(gè)功能模塊。性能試驗(yàn)?zāi)K程序使用平鋪式順序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并插入“條件結(jié)構(gòu)”和“時(shí)間結(jié)構(gòu)”進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少內(nèi)存占用，使整個(gè)軟件合乎使用邏輯，更加高效和人性化。程序整體的模塊化設(shè)計(jì)降低了研發(fā)難度，方便擴(kuò)展，有利于后期的更新和維護(hù)。