黄浩， 黄巧亮， 陈谦

(1.江苏科技大学 电子信息学院,江苏 镇江 212003； 2.上海飞睿测控科技有限公司企业技术中心，上海 200082)

汽车拉索弹性形变测试

黄浩1， 黄巧亮1， 陈谦2,

(1.江苏科技大学 电子信息学院,江苏 镇江 212003； 2.上海飞睿测控科技有限公司企业技术中心，上海 200082)

为了提高汽车拉索弹性形变的测量精度，解决在传统工业生产中人工成本过高、生产效率低下、自动化水平偏低的现状，提出了基于LABVIEW虚拟仪器设计平台，采用NI CRIO-9074开发的一种智能化数据采集系统。实践证明：能够完成对汽车拉索的弹性形变测试功能，使测量的精度达到0.1%,测试的精度和自动化程度相较传统方法都有了显著地提高。

汽车拉索; 数据采集; 伺服控制; 弹性测试; 精度

0 引 言

汽车拉索是汽车零部件之一，是用于拉动改变变速器档位、刹车、离合器等的一种钢丝绳索，在汽车生产应用领域有着广泛的应用[1]。汽车拉索的使用寿命、承载能力、损伤程度，时时刻刻关系到使用者的安全，长期使用的拉索会产生磨损和变形，由于这种变形是不可恢复的，所以长期使用会降低其使用的效率，加速它的老化，降低使用寿命，危及使用者的生命，所以研究它的弹性变形、永久变形是至关重要的[2]。目前我国汽车行业标准QC/T 29101-1992汽车用操纵拉索总成关于弹性形变的测量方法，主要是采用人工手动检测的方式，存在稳定性差、测试效率低、测量精度低等问题[3]，不能适应我国汽车零配件行业高速发展和对产品大批量测试的要求，所以寻找一种合适的方法保证弹性形变时的精度至关重要。文中根据国内汽车零配件相关企业的现实需求，研发了一套汽车拉索弹性形变测试系统， 实现了汽车拉索弹性形变测试的高精度、快速和自动化，满足了企业的实际要求。

1 系统硬件设计

汽车拉索弹性测试系统是基于LABVIEW和NI 数据采集卡研发的，主要测试汽车拉索在拉伸状态下的力和位移的状态值。通过设置固定的拉伸目标值，重复拉伸拉索，得出测量值。比较这些测量值与标准值之间的差值来判断此汽车拉索的好坏。总体的硬件设计模块框图如图1所示。

图1 汽车拉索弹性测试系统硬件连接图

如图1所示，此测试系统是由工控机、NI Compact RIO控制器、五个NI数据采集卡、伺服驱动器、伺服电动缸、力传感器、位移传感器、汽车拉索构成，下面具体的介绍各部分的作用。

(1)NI Compact RIO平台：NI Compact RIO平台包括实时控制器与机箱，NI数据采集卡可以插入到Compact RIO机箱中，机箱的背面板可以运行LABVIEW编程的FPGA程序，而实时控制器运行的是实时操作系统，通过网线其可与上位机进行通讯。

(2)NI9401是一款运动控制板卡，它能从使能信号、脉冲信号、方向信号三个方面控制伺服电机驱动器，从而控制伺服电动缸运动，拉动拉索。本设计总共有2个NI9237模块，都与力传感器相连，共八个通道，其主要用来采集力传感器的电压值。NI9215模块有四个通道，与位移传感器相连，实时采样位移传感器电压模拟输入。

(3)伺服电动缸与驱动器：伺服驱动器主要是用来驱动电动缸运转，电动缸主要是来带动连接着位移和力传感器的汽车拉索运动。

(4)传感器：传感器都与拉索相连，用以检测拉索形变时的参数变化情况。测得的电信号按相应的转换规律转换为力或位移值。

(5)工控机：主要用来实时显示系统的工作状态、对被控对象进行设置和控制、能够对历史数据进行回放和分析等。

2 系统软件的编写

测控系统软件是在LABVIEW 2010开发环境下完成的，分为两层：上位机通讯层和下位机数据采集与控制层。上位机通讯层包括对下位机通道数值的读取，将读取的通道数值制成曲线直观的反映在用户界面上等，还有为了满足拉索测试的精度要求，而进行的循环测试和行程测试。下位机数据采集和控制层主要包括采集力和位移的电压值，控制伺服电机运转和将得到的电压值写入到DMA FIFO中，供上位机来读取。

2.1 下位机采集和控制功能实现

2.1.1 上位机与Compact RIO系统通讯实现

在下位机软件编程之前，首先要创建FPGA项目，完成Compact RIO系统与上位机之间的通信。通过一系列的步骤将用于项目管理的VI、终端和I/O模块创建完成。至此，软件上FPGA I/O与硬件外部I/O的联系就建立起来，通过操作和控制软件上的FPGA I/O就相当于直接操作外部的I/O点[4]。

2.1.2 模拟量采集程序设计

下文以NI9237模块对力传感器(PST300 kg)电压信号的采集和NI9215模块对位移传感器(NS-WY02)电压信号的采集为例，讲述模拟量采集的程序设计过程，具体步骤如下：右键单击 FPGA的终端(FPGA Target)项，选择新建->VI。在后面板中放入While循环，右键单击编程->FPGA I/O->I/O Node，然后单击I/O Item,选择Mod1/AI0、Mod1/AI1、Mod1/AI2、Mod1/AI3。同2创建Mod2/AI0、Mod2/AI1、Mod2/AI2、Mod2/AI3、Mod5/AI0、Mod5/AI1、Mod5/AI2、Mod5/AI3。创建子VI signal processor和signal processor_shift，对采集到的力和位移的数据进行滤波求平均值。得出处理完的通道采集值。通过上述步骤，得到如图2所示的程序框图。

图2 力和位移传感器模拟输入的程序框图

图2中标号1为模拟输出的I/O，其是从FPGA项目中的直接拖放过来，因外部的I/O点直接和传感器相连，所以通过标号1可以读取此时传感器的电压值。图中标号2所示的Mod1为经过处理的电压值。图中标号3为替换数组子集，通过移位寄存器将每次标号4处理的有效值替换到Mod1数组中。正如上文所述，Mod1和Mod2都对应外部的NI9237通道，是用来采集力传感器的电压值，而Mod5对应外部的NI9215通道，其用来采集位移传感器的电压值。

2.1.3 采集数据写入DMA FIFO

在高速采集过程中，FPGA的运行速率可以达到ns的级别，而RT系统一般在ms的级别。在这种情况下，如果要求上位机读取全部的数据，又不会出现数据丢失，就需要采用DMA FIFO方式来传递数据[5]。要通过DMA FIFO完成数据交换的功能，首先要创建和配置DMA FIFO，配置和创建完成后，在程序框图中放置一个循环，然后将创建配置完的FPGA FIFO拖放到循环内，将采集到的力和位移传感器的数据写入到DMA FIFO中。如图3所示Mod1和Mod2采集的力传感器数据写入到1.9237FIFO中，Mod3采集的位移传感器数据写入到3.9215FIFO中，写入的数据供上位机来读取，具体步骤详看2.2节。

图3 FPGA数据写入DMA FIFO

2.2 上位机功能模块实现

2.1.3节讲述了将采集的力和位移的数据通过FPGA写入到DMA FIFO中，要实现通道数值的实时显示，需在上位机上将写入到DMA FIFO中的数据读取出来[6]。在完成此步骤之前，首先要将FPGA程序下载编译生成的LVBITX文件，引用到上位机，供上位机使用。下图中的标号1(9074RefContainer.VI)就是引用到上位机的LVBITX文件，通过调用此VI，就能将显示在下位机上的前面板数值调用到上位机界面上。如下图所示的程序框图中首先创建了一个while循环，然后调用9074RefContainer子VI，添加Read/Write control(标号2)控件，与之相连。进入While循环，让图中控件Invoke method(标号3)来读取采样通道的数值，最终得到Data、Data2、Data3。其中Data和Data2为力传感器的数据，Data3为位移传感器的数据。读取通道数值的程序框图如图4所示。

图4 通道数值读取

通过上述步骤就能将各个通道的数据读取上来，在前面板中显示。

2.3 测试主界面

通过上述的软件编程，最终得到的测试主界面如图5所示。

图5 主界面

图中标号1为主显示区，标号2为传感器的配置区域，标号3为主显示配置菜单，标号4为功能配置区，标号5为图表显示区域，标号6为实验功能设置区。

3 行程实验

先选取500 kg的称重传感器一个，点击标号3的主显示配置区域，选择力通道CH_2传感器1，设置上下限分别为5 000 N和-100 N，位移通道为CH_1位移1，上下限为500 mm,-10 mm。然后点击标号6实验功能设置区中的行程控制，选定通道CH_2传感器1为主的观测参数，目标值设定为283.6 N，速度为10 mm/s，点击开始按钮运行，伺服电动缸带动汽车拉索运动，与汽车拉索相连的力和位移传感器将实时的数值显示在主界面上，此时显示的力数值在283.6 N波动，位移数值在40.2 mm波动，其中位移的精确性更高一点，这里近似等于40.2 mm。

如上文介绍本测试系统共用2个NI9237的数据采集卡，共8个通道来测试汽车拉索的拉伸力。8个通道都可以与力传感器相连，将与力传感器相连的航空插头，分别插入到剩余通道，以同样的方法测试剩余7个通道的传感器数值，并分别记录。本测试系统共用4个通道来测试汽车拉索的拉伸位移，用同样的方法将位移传感器接入到剩余的3个通道。因力和位移同时测定汽车拉索的拉伸力和拉伸位移，所以力和位移的数值同时变化，且位移的波动较小，现以力(牛顿)作为主测试参数来观察是否实现弹性形变测试。导出的EXCEL数据如表1所示。

表1 行程控制实验各通道砝码重量表

精度值的计算公式为：

式中T为精确度；X为被测量的目标值；X0为被测量的真值。从公式可以得出，T精确度的绝对值越小，表明被测量值越逼近于标准值，测量的精确度更准；将表1所得数据带入此公式，可得拉索弹性形变的精度误差允许范围在±0.1%N之内。

4 结束语

在测试的精度上，传统的测量方法在读取弹簧测力计数值方面肯定存在误差，而汽车拉索弹性形变测试系统用高精度的称重传感器检测拉伸值，以NI数据采集卡作为数据采集工具，再借助LABVIEW编程语言，能够高效、精确、及时的显示测量结果。在测试的效率上，与传统的测试方法相比，该测试系统完成一次的测试时间只有传统测试方法的1/5，效率值高。在测试的自动化程度上，相较于传统的测量方法，显著地提升了测试自动化的水平。

[1] 佟炳勇,郑海龙,赵超越. 汽车门锁拉线设计的几点注意[J]. 汽车零部件,2015,10(7):70-72.

[2] 景爽,王建生,康献民,等. 基于LabVIEW的摩托车拉索效率测试平台设计[J]. 自动化与仪表,2009,29(7):55-57.

[3] 关丽丽. 车用拉索总成效率试验台架设计[J]. 科技传播,2012,4(15):173-175.

[4] 王树东,孙野,梁国栋. 基于LabVIEW和FPGA在数据采集系统中的开发设计[J]. 自动化与仪器仪表,2014,34(6):64-67.

[5] 陈树学，刘萱.LABVIEW宝典[M]. 北京：电子工业出版社,2011.

[6] 陈标龙,王保成. 基于FPGA和FIFO技术的多串口系统设计与实现[J]. 计算机测量与控制,2013,21(10):2835-2837.

Elastic Deformation Test of Automobile Dragline

Huang Hao1, Huang Qiaoliang1, Chen Qian2

(1. Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang, Jiangsu 212003, China;2. The Enterprise R&D Center, Shanghai-Rui Control Technology Co., Ltd., Shanghai 200082, China)

In order to improve the measurement accuracy of the elastic deformation of the automobile dragline, to resolve the status quo in the traditional industrial production i.e. high labor costs, low productivity and low level of automation a LABVIEW-based virtual platform for instrument design is proposed. It is a data acquisition system with intellectualization developed by NI CRIO-9074. Practice has proved that: The test system can complete the test function for elastic deformation of automobile dragline with the measurement accuracy up to 0.1%. In comparison to conventional methods its test accuracy and automation have been improved significantly.

automobile dragline; data acquisition; servo control; elasticity test; accuracy

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.034

U467.3

A

1000-3886(2016)05-0109-03

黄浩(1992-)，男，江苏宿迁人，硕士生，主要研究领域为测控智能控制及嵌入式开发。 黄巧亮(1970-)，男，江苏镇江人，副教授，主要研究领域为智能仪器与系统开发。

定稿日期: 2016-04-21