基于虚拟仪器的新型起升方式研究

2013-12-14冯江涛郭晓松冯永保仝伟

机床与液压 2013年17期

冯江涛，郭晓松，冯永保，仝伟

(1. 第二炮兵工程大学，陕西西安710025;2. 第二炮兵驻综合仪器仪表厂军事代表室，河北廊坊065000)

传统的起升方式多采用后铰支点固定的结构，在某些场合为减少起升时间和空间，需要采用后铰支点可移式的新型起升方式［1］，为更好地验证这种起升方式，需要对其进行仿真和实验研究。

起升结构普遍采用液压作为驱动力，液压传动具有质量轻、可以实现无级调速等优点，已广泛应用于工业生产的各个领域。但是由于液压传动结构复杂，内部状态难以直接观测，对于不同的物理量需要安装多种传感器，单凭感官读数误差较大且工作繁重。虚拟仪器是一种新的仪器概念，越来越受到高校的重视，它利用模块化的硬件和软件，可以根据需要实现不同的功能，结果显示直观，操作简便，工作人员只需要在电脑前面即可控制仪器动作，并能直观地观测各种参数的变化［2］。将虚拟仪器技术应用于液压系统中可以实现控制和状态的自动检测，测量精度较高，系统性能稳定、具有强大的人机交流功能，虚拟仪器技术已成为液压系统自动检测的一个主要发展方向。

1系统的工作原理

为了节省起升时间和空间，在传统后铰支点固定的起升结构的基础上，增加了一个水平油缸，系统示意图如图1 所示，在起升过程中由两个油缸协作将负载起升到位。

图1 系统示意图

双缸协同运作需要对运动过程进行合理的规划，综合考虑起升过程中的各种因素影响将系统起升过程的运动规划为:当起升角度θ ＜10°时，由起升油缸单独运动推动负载运动;当起升角度10° ＜θ ＜80°时，由起升油缸和水平油缸共同推动负载起升;当80° ＜θ ＜90°时，水平油缸停止，起升油缸单独运动。当θ=90°时，起升油缸停止，负载运动到位。在起升过程中需要实时观测压力和流量的变化，并且由于双缸的相互影响，系统的振动也是一个不容忽视的因素。

2 基于AMESim 的系统模型

AMESim 是多学科领域的仿真建模软件，具有丰富的模型库［3］，涵盖液压、气动、机械、控制、液压气动元件设计、热流体、冷却、汽车设计等领域，建模方法采用图形化的方式反映各元件的相互关系，建立的模型与实际的工作原理几乎一样。

根据系统的原理调用液压库、机械库和信号库中提供的元件建立的模型如图2 所示，图中左半部分为液压系统模型，系统由定量泵提供系统动力源;溢流阀用于限制系统压力，防止过载;电磁比例换向阀用于控制液压油缸的运行速度;平衡阀目的是当负载起升角度超过90°，防止负载由于重力而运动，当负载回平时，在起升油缸无杆腔产生背压以控制负载的速度;双向液压锁用于换向阀在中位时水平油缸的精确定位和锁死。右半部分为机械系统模型，由起升臂和支架两部分模型连接而成。

图2 系统模型

主要参数设置:液压泵的额定转速为1 460 r/min，排量为25 mL/r，溢流阀限定压力5 MPa，平衡阀限定压力0.2 MPa;起升和水平液压缸缸径/杆径分别为125 mm/90 mm、90 mm /63 mm，起升臂和负载质量1 500 kg，支架质量100 kg。

按照系统要求设置好其他元件的参数进行仿真得到系统的压力如图3 所示，图中曲线1、2 为起升油缸无杆腔、有杆腔压力;曲线3、4 为水平油缸有杆腔、无杆腔压力。从图中可以看到运行过程中压力变化平稳;在水平油缸启动时，水平缸有杆腔压力有一个突变，起升油缸有杆腔和无杆腔压力有一个扰动。

图3 系统压力

3 虚拟仪器设计

3.1 硬件构成

虚拟仪器硬件连接如图4 所示:其中PXI-1044是12 槽的机箱，是一种低成本、紧固式的PXI 机箱，有适用于工业系统的模块化体系和坚固的结构，能在噪声、潮湿、振动、倾斜的恶劣环境下正常运作;PXI-6259 是一块高速、多功能数据采集卡，提供32路单端、16 路差分模拟输入，4 路模拟输出和48 路数字I/O，具有强大的数据采集和控制能力;PXI-4472 是动态数据采集模块，适合用于声音及振动的检测;SCB-68 是一款屏蔽式I/O 接线盒，有68 针连接端口，用以将传感器输入信号连往PXI-6259 数据采集卡，结合屏蔽式电缆时，SCB-68 可提供坚固且噪声极低的信号终端。

图4 系统硬件连接图

测量过程中，首先需要将物理信号转换为电信号，然后由数据采集卡转换为计算机能够进行处理的数字信号。根据系统原理，压力传感器选用CSPT300 系列压力变送器，量程为35 MPa，输出0 ～10 V 电压;流量传感器选用LWGB-15 系列涡轮流量传感器，输出0 ～10 V 电压;角度传感器选用倍加福公司生产的FSS58 单圈绝对型编码器，具有单圈13 位的测量精度，输出格雷码;水平油缸位移传感器选择巴鲁夫位移传感器，量程1 700 mm，输出0 ～10 V 电压。

3.2 软件编程

目前较流行的虚拟仪器软件有两类:一类是图形化的编程语言，如HPVEE、LabVIEW 等;另一类是文本式的编程语言，如Visual C ++、LabWindows/CVI 等［4］。NI 公司的LabVIEW 软件使得设计者无须编写文本格式的代码，具有用户自定义界面和数据流编程风格，是一个开放式的虚拟仪器开发系统应用软件［5］，具有很多优势，因此选用LabVIEW 软件进行编程。

3.2.1 输出程序

为完成起升过程的控制，需要输出电压用以控制电磁比例换向阀和溢流阀。起升油缸的控制电压输出程序如图5 所示，LabVIEW 中数据输出程序选用DAQmx 模块，选择DAQmx 创建通道、读取、清除任务和简易错误处理器子VI 进行连线，设置参数为模拟电压输出，其他的两个输出程序与此相似，在此不再赘述。

图5 电压输出程序

在前面板点击起升按钮，输出电压控制起升油缸运动，并实时地采集信号，只有当角度10° ＜θ ＜80°才输出水平油缸的控制电压;当角度θ ＞90°时，将起升按钮布尔值置为假，停止输出;点击回平按钮输出负值电压进行系统回平操作，过程与此相反。在起升或回平过程中点击停止按钮可以停止起升油缸和水平油缸的电压输出;当程序运行中出现错误时，将输出电压置为零后停止程序。

3.2.2 采集程序

信号采集是将被测对象的物理量通过传感器转换为电信号后，再经调理、采样、量化、编码、传输等步骤送到控制器进行数据处理或存储的过程［6］。系统需要采集的有模拟电压信号和数字信号，模拟信号如压力、流量、位移的程序只需将输出程序稍加修改即可实现，参数设置为模拟输入，并增加定时VI 进行采样率和每通道采样数的设置，为减小测量中的随机误差干扰，将每通道采样数取平均值后输出。

角度传感器输出的是13 位格雷码，需要将其转换为角度值，用Matlab 脚本节点可以方便地将Matlab和LabVIEW 结合起来进行编程。角度采集的程序框图如图6 所示，图中两个脚本节点分别完成格雷码到二进制的转换和二进制到十进制的转换。程序框图中用到的子VI 有:DAQmx 创建通道、定时、开始任务、读取、清除任务、简易错误处理器。数据的存储用写入测量文件VI，当需要保存数据时，点击存储数据按钮将数据保存为基于文本的测量文件，用读取测量文件VI 从保存的文件中读取数据。

图6 角度采集程序

在起升过程中，需要实时地采集信号和输出电压，需要用到多线程技术。LabVIEW 是一种自动多线程语言［7］，它会根据编写的程序决定线程的数目、分配、管理和切换等，专门用一个用户界面线程处理界面刷新、响应用户界面操作等［8］。线程的执行系统和优先级则可以在VI 的属性对话框中直接进行配置。

3.2.3 前面板设计

虚拟仪器将计算机和模块化的硬件结合起来，用户通过操作前面板的各种控件就如同操作真实仪器一样［9］，使得操作人员可以在前面板方便观察系统运行参数变化并实时调节输出电压。从控件选板中分别选择波形图表、按钮和数据输出控件，系统设计的前面板如图7 所示，从中可以直观地看到起升角度、液压缸压力、系统流量、水平油缸位移、振动信号的变化，并能够根据实际情况实时调节输出到电磁换向阀和溢流阀上电压的大小，从而控制起升的速度。

4 实验验证

根据以上设计和编程，在起升模拟平台上进行了一次起升过程实验，起升过程的各个参数变化如图7所示，从图中可以得出:起升过程中角度由0°缓慢增加到90°;水平缸位移起先为0，然后缓慢增加490 mm;起升油缸无杆腔压力由初值迅速增加4.8 MPa而后随着时间逐渐减小，说明随着角度的增加液压缸的负载逐渐减小，在水平油缸启动时有一个扰动;系统流量由0 缓慢增加到12 m3/h，在水平缸启动时有一个突变;由于双向液压锁的作用，在水平油缸未启动时，无杆腔和有杆腔压力保持一个值，之后而随着电磁换向阀的通电而随着负载缓慢变化;水平油缸启动时系统振动比较强烈。