基于LabVIEW的新型静摩擦试验机测控系统的研究

现代制造技术与装备２００７第１期总第１７６期基于ＬａｂＶＩ　ＥＷ的新型静摩擦试验机测控系统的研究江新１徐建生１徐新桥２周晶１徐东建３（１．武汉工程大学机械工程学院，武汉，４３００７３；２．湖北省发展与改革委员会，武汉，４３００００；３．湖北经济管理大学，武汉，４３００７４）摘要：运用国际上流行的虚拟仪器软件ＬａｂＶＩＥＷ编写了一套基于新型静摩擦试验机的测控系统，重点论述了该系统的实现方法和技术。

在实验中，该系统能够较好地完成实验参数的设置，压力的调整，数据的采集和实时显示，数据的分析、处理和对比等工作，使用方便，功能齐全，具有采样精度高，数据处理快，友好的人机交互界面，自动化水平高等优点。

关键词：静摩擦试验机ＬａｂＶＩＥＷ测控ＳｔｕｄｙｏｎＭｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇＳｙｓｔｅｍｏｆａＮｅｗＫｉｎｄｏｆＳｔａｔｉｃＦｒｉｃｔｉｏｎＴｅｓｔｅｒＢａｓｅｄｏｎＬａｂＶＩＥＷＪＩＡＮＧＸｉｎ１，ＸＵＪｉａｎｓｈｅｎｇ１，ＸＵＸｉｎｑｉａｏ２，ＺＨＯＵＪｉｎｇ１，ＸＵＤｏｎｇｊｉａｎ３（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ，４３００７３；２．ＨｕｂｅｉＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＲｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＣｏｍｍｉｔｔｅｅ，Ｗｕｈａｎ，４３００００；３．ＨｕｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｃｏｎｏｍｉｃＭａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｗｕｈａｎ，４３００７３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆａｎｅｗｓｔａｔｉｃｆｒｉｃｔｉｏｎｔｅｓｔｅｒｂｙｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｌｙｐｏｐｕｌａｒｖｉｒｔｕａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｏｆｔＬａｂＶＩＥＷｗａｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄ；ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｐｏｉｎｔｉｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｓｅｔｔｉｎｇｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｏｆｖｅｒｔｉｃａｌｐｒｅｓｓ，ｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｒｅａｌ－ｔｉｍｅｄｉｓｐｌａｙ，ｄａｔａａｎａｌｙｓｉｓ，ｄａｔａｄｉｓｐｏｓａｌａｎｄｄａｔａｃｏｎｔｒａｓｔ；ｕｓｅｓｅｘｐｅｄｉｅｎｔｌｙ，ｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｗｅｌｌ－ｆｏｕｎｄ，ａｎｄｈａｓｓｏｍｅａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈａｓｆｒｉｅｎｄｌｙｍｕｔｕａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｅｔｗｅｅｎｍａｎａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｈｉｇｈｓａｍｐｌｉｎｇｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｐｅｅｄｙｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｈｉｇｈａｕｔｏｍａｔｉｚａｔｉｏｎｌｅｖｅｌａｎｄｓｏｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｔａｔｉｃｆｒｉｃｔｉｏｎｔｅｓｔｅｒ，ＬａｂＶＩＥＷ，Ｍｅａｓｕｒｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ引言摩擦磨损试验在摩擦学研究中有着重要的作用。

在一般情况下，研究者往往只片面地研究滑动摩擦对于研究对象的影响，而忽视了在自然界中大量存在的静摩擦现象。

考虑到对材料在静摩擦条件下研究的需要，本文开发了一台新型静摩擦试验机。

该机可以考察时间、压力、润滑条件和材料特性对于不同摩擦副摩擦学特性的影响，能够一次性完成对静、动摩擦力及其摩擦系数的测量、曲线绘制与显示、数据处理与分析。

传统的摩擦磨损试验机不仅体积大，质量重，仪表仪器多，成本高，功能单一，自动化水平低，而且实验数据的采集、读取、处理以及分析完全依靠试验人员手工完成，工作强度大，效率低，而且数据不能实现共享，在信息化袭卷全球的背景下越来越不适应二十一世纪的发展。

结合研制的静摩擦试验平台，运用现代测控技术编成了一套基于Ｌａｂ－ＶＩＥＷ的新型静摩擦试验机测控系统。

该系统运用了国际上流行的虚拟仪器软件ＬａｂＶＩＥＷ，极大地提高了系统测试测量的专业水准，优化了系统的性能，降低了系统的开发和运行成本。

１新型静摩擦试验机静摩擦试验机主要由驱动机构，测力系统，压力加载与调节系统，测控系统以及机架等五部分构成。

试验时，驱动机构可由砝码产生牵引力，作用于下试样上。

上下试样在接触部位产生的摩擦力使测力系统中的弹性悬臂梁沿作用力方向产生微小位移。

而摩擦力的大小与弹性悬臂梁的位移成正比。

配合摩擦力传感器，测力机构能够测量出摩擦力。

作用于上试样的正压力由压力加载与调整系统产生。

压力加载与调整系统包括电动机、变速机构、丝杆－弹簧机构三部分，电动机提供动力，经过变速机构的减速，带动丝杆沿垂直方向运动，进而压缩弹簧，产生对上试样的正压力。

测控系统测量控制系统主要是完成实验参数数据的设定，压力的调整，摩擦力和压力的实时采集、显示、分析、处理以及对比等工作。

该机使用方便，成本低，数据可靠，重复性好，自动化程度高。

该机的主要技术指标有：①摩擦力测量范围：≤２００Ｎ；②正压力加载范围：≤１００ｋｇ，最大压力可达到４０ＭＰａ左右；③综合精度≦０．０５。

与传统试验机相比，该机具有以下特点：（１）采用了更为新颖、精准、可靠的静摩擦力测量方法；（２）成本低，自动化程度高，能够自动完成实验机的压力加载和驱动，实时测量摩擦力（系数）和正压力；（３）采用了计算机测试测量技术，运用专业软件ＬａｂＶＩＥＷ，大大提高了实验机的现代化水平，降低了开发成本；（４）实验机具有开放性的结构设计，为后续功能升级预留了空间。

２静摩擦试验机测控系统静摩擦试验机测控系统包括硬件和软件两部分。

硬件主要包括数据采集卡，摩擦力传感器，荷重传感器以及信号调理与驱动电路，软件是虚拟仪器开发平台ＬａｂＶＩＥＷ。

系统的结构图如图１所示。

图１静摩擦试验机测控系统结构图２．１ＬａｂＶＩＥＷ开发平台ＬａｂＶＩＥＷ是由美国ＮＩ公司推出的一种基于图形编辑语言的开发平台。

ＬａｂＶＩＥＷ具有简单直观的编程特点，直接面向非计算机编程人员，它可以增强用户构建自己的科学和工程的能力，提供实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径［１］。

使用Ｇ语言编写的ＬａｂＶＩＥＷ程序称为虚拟仪器（简称ＶＩ），一个ＶＩ由前面板（ＦｒｏｎｔＰａｎｅｌ）、框图程序（ＢｌｏｃｋＤｉａｇｒａｍ）组成。

与传统编程语言相比，二者最大的区别是：传统语言是文本语言编程，而ＬａｂＶＩＥＷ是用图形语言编程。

ＬａｂＶＩＥＷ是当今世界最具代表性的虚拟软件开发平台之一，已被工业界、学术界和研究实验室广泛接受［２－３］。

２．２数据采集卡与传感器数据采集卡选择的是ＮＩ公司出品的Ｍ系列多功能ＤＡＱ板卡ＮＩ６２２１。

该卡用于ＰＣＩ总线，具有１６路单端或８路双端模拟输入通道，采样率２５０ＫＳ／ｓ，输入／输出分辨率１６位，最大输入电压范围±１０Ｖ，同时具有模拟输出通道２路，还具有１０路数字ＤＩＯ通道和２个计时器。

系统需要测量摩擦力和正压力。

摩擦力传感器选用应变式拉压力传感器。

正压力传感器选用荷重传感器。

２．３测控系统的功能及其实现２．３．１测控系统的功能系统的主要功能是：试验参数的设置与调节，对摩擦力和正压力的测量和实时动态显示，对采集到的实验数据的处理、分析、对比以及存盘，试验报告生成、打印等。

２．３．２测控系统的实现为了满足上述功能，软件设计上主要采用了模块化设计方法和以事件驱动的软件架构以及事件结合动态菜单等在内的技术。

由于篇幅所限，在此仅主要介绍前两种技术方法。

２．３．２．１模块化设计为了增加软件的灵活性、提高软件的整体效率，采用了目前比较流行的模块化设计方法。

软件系统的模块化是指整个软件被划分成若干单独命令和可编址的部分，称之为模块。

这些模块可以被组装起来，以满足整个问题的需求［４］。

该系统共有７个模块，即：参数设置模块，正压力调节模块，数据采集与显示模块，数据分析与处理模块，数据对比模块，数据保存以及试验报告生成、打印模块。

在参数设置模块中，采用动态菜单结合事件的方法，运用ＬａｂＶＩＥＷ７．０版本中新增加的快速ＶＩＰｒｏｍｐｔＵｓｅｒｆｏｒＩｎｐｕｔ经转化而成的子ＶＩ，方便快捷地完成了试验中各相关参数的设置。

在正压力调节模块中，通过调节压力调节旋钮设定正压力的大小，而且为了防止出现由于过失造成的正压力变动，特意设置了压力调节锁。

当压力调节锁处于开的状态时，可以使用压力调节旋钮；当压力调节锁处于关的状态时，压力调节旋钮被置于禁用状态（见图２）。

正压力的调节主要运用到了数字Ｉ／Ｏ与外围驱动电路进行通讯和产生驱动试验台步进电机驱动电路打印机计算机数据采集卡信号调整压力传感器正压力摩擦力传感器摩擦力设计与研究（下转第３７页）（上接第３３页）信号，使用ＴＴＬ信号触发驱动电路。

在数据采集与显示模块中，根据获取可靠数据的原则，固定了触发方式、数据块长度，但采样率可以调节；把采集到的数据通过波形显示控件Ｗａｖｅ－ｆｏｒｍＧｒａｐｈ实时显示出来，并且将它们写入到临时的表格之中（见图２和图３）。

在数据分析与处理模块中，首先将临时表格中的数据读出，然后根据试验数据的处理要求，经一定的算法把这些数据进行拟合，并以曲线图表的形式显示出来；与此同时，将读出的数据进一步处理得到试验结果：动、静摩擦力，动、静摩擦系数以及正压力和可信的摩擦系数的拟合曲线。

为了验证试验数据的可信性，该测控系统还可以在数据对比模块中读取较成熟摩擦磨损试验机试验数据，经处理后与该试验机试验结果进行对比，在得出结论的基础上，还可以生成、保存、打印相关报告。

图２系统前面板图３数据采集和显示模块框图程序在数据保存模块，可以将原始试验数据、图形、图片和试验结果以ＥＸＣＥＬ表格的方式存盘。

在试验报告生成模块中，可以生成具有试验数据、试验结论以及相关试验信息在内的、包含文字、图形、图片、表格的实验报告，并且可以直接打印，也可以直接生成ＷＯＲＤ格式的报告。

２．３．２．２采用以事件驱动的软件架构在ＬａｂＶＩＥＷ７．１版本中新增加的事件响应，特别是动态事件，改变了在ＬａｂＶＩＥＷ旧版本中的程序连续运行完全依靠循环来控制的局面，使得主ＶＩ中产生的事件可以在子ＶＩ中响应，大大地便利了程序的模块化设计。

例如在参数配置模块中，利用事件结构，在程序左上部的菜单中选择菜单选项，可以直接在主ＶＩ中修改子ＶＩ中的配置参数，而结果同步显示在主ＶＩ中。

另外，软件的编写过程中还应用了动态菜单和事件驱动相结合的方法。

在图２中可以看出，系统具有四个菜单选项，各菜单选项中还拥有子菜单。

３总结经验证，新型静摩擦试验机测控系统能够较好的完成试验参数的设置和调整、试验数据的采集和实时显示、试验数据的处理、分析以及对比等工作，同时具备了对试验数据进行保存、生成和打印试验报告的能力，采样精度高，数据处理快，使用方便，功能齐全，具有友好的人机交互界面和较高的自动化水平，降低了工作强度，提高了工作效率。