基于虚拟仪器的平面机构创意组合实验台测控系统设计

0 引言
    平面机构创意组合实验台提供了机构运动方案创新组合设计平台，一方面，以机构及机构组合系统设计为主线，以机构运动创意组合设计为重点，培养学生的动手能力、创新能力和分析解决问题的能力；另一方面，学生通过“平面机构创意组合及参数分析实验台”获得测试数据及曲线，通过分析曲线变化的原因评价系统和设计方案，如安装精度、改善方法、构件运动规律分析等，提高了学生运用所学知识分析和解决问题的能力，比单纯的验证性实验按部就班地操作前进了一大步。这就需要实验台具有精确的检测系统，并且检测系统应在准确测试的基础上保证开放性和灵活性。基于虚拟仪器技术可以开发适应不同应用场合的虚拟仪器测试方案，更好地组建自动化程度较高，数据处理分析能力较强的测试系统。本文就以此为出发点，开发设计了一套基于虚拟仪器的应用于该实验台的测控软件。

1 试验台的工作原理及组成
    平面机构创意组合实验台提供组成机构的最小单元中的各种构件、运动副以及一个能多层、多面、多维的框架，通过改变连杆机构的尺寸实现复杂的运动规律，通过不同构件和运动副的创新组合实现多种机构运动方案，通过不同的构件拼接成不同的基本机构，包括平面连杆机构、齿轮传动机构、凸轮机构、间歇运动机构(有槽轮机构、棘轮机构、不完全齿轮机构)等基本机构，同时还可以将基本机构进行拼接，包括齿轮一杆组合机构凸轮组合机构、齿轮一齿条组合机构、链一齿轮机构等。通过传感器装置测定位移、速度、加速度曲线，利用计算机显示出从动件运动曲线的变化，从而将测试、仿真、设计与分析有机地结合起来。
    本文以JPCC-Ⅱ型平面机构创新组合试验台为例，探讨将虚拟仪器技术应用到实验台的检测分析系统中的情况。该试验台主要包括两大部分，机械结构部分和检测分析系统。机械结构如图1所示，主要由底座(安装平台)、平面连杆机构、凸轮机构、间歇机构、齿轮传动机构、带(链)传动等机构组成。

    通用检测分析系统如图2所示，配备有速度、角位移、压力等各种传感器，对多种参数进行测量，同时采用单片机与A／D转换集成相结合进行数据采集、处理分析并通过RS 232接口与PC机的通信，以达到适时显示运动曲线的目的。
    在该检测系统中，虽然能够对于平面机构运动过程中的一些位移、转角信号进行显示，但不能达到在机构创新组合过程中对于测试过程中的各种情况的处理能力，还存在一些不足：
    (1)缺乏开放性，实验模式固定，灵活性较差，只能依照系统内部设定的方式进行有限的测试，不能根据测试对象条件的改变而随意改变一些测试方法、测试参数以及测试结果的表现形式等。
    (2)数据处理能力较差，界面较单调。对于所有的数据只能进行一定形式的处理，对于测试结果只能以一定的形式进行显示。例如由于实验台工作条件必定会造成的一些误差，包括采集过程中的一些随机误差，还有在操作过程中的操作误差，这些误差必然会对于结果有一定的影响，而其并不能对于不同工作条件下引起的一些误差进行适当的处理。
    针对该实验台存在的这些缺陷，将基于LabVIEW软件的虚拟仪器技术引入到检测系统中，使该实验台的开放性、可操作性及数据处理能力大大提高，从而使精确性也提高。

2 基于虚拟仪器的检测分析系统
    将具有一种或多种功能的通用模块组建起来，就可以构成任何一种仪器。虚拟仪器也是一样的，由三大功能模块构成，包括信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出。
    虚拟仪器系统的一个核心技术就是软件技术，美国NI公司提出的“软件就是仪器”可以看出软件对于虚拟仪器的重要性。在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特征的解析，使仪器中的一些硬件从系统中“消失”，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能。
    虚拟仪器测试系统的软件，主要包括仪器驱动程序、仪器面板控制软件和通用I／O接口软件。虚拟仪器驱动程序是一组应用层次上的软件模块，它是处理与特定仪器进行控制通信的一种软件；仪器面板控制软件即测试管理层，是用户与仪器之间交流信息的纽带；在虚拟仪器系统中，I／O接口软件作为虚拟仪器系统结构中承上启下的一层，其模块化与标准化越来越重要。
    本系统的总体设计采用PC-DAQ方案，通过多传感器采集和数据融合并配以PC机平台和虚拟仪器软件，构成了平面机构试验台各种输入、输出参数的数据采集控制仪器和系统。
    该实验台所要检测的数据主要包括主轴转动时的转角信号、摆杆摆动时的摆角信号和滑块移动时的线位移信号。在所设计的检测系统中，传感器采集信号，然后通过专用的屏蔽电缆线将传感器所采集的电信号经虚拟仪器专用DAQ板卡送入计算机。所得到的数据通过软件进行处理。结构框图如图3所示。

2．1 系统硬件设计
    本系统采用PXI-1024组合式机箱，为系统提供了坚固的模块化封装结构，其具有8个PXI／Compact PCI插槽，第一槽是系统控制器，其余7个插槽是外围扩展槽，可用于安装数据采集卡，示波器等；机箱还具有高性能PXI背板，可以独立地向每个外围扩展槽提供PXI10 MHz(PXI-CLKl0)系统时钟信号，用于多模块的同步测量或是系统控制。
    同时选取了PXI-6251型多功能数据采集卡，插入机箱的左端第三个插槽。
    物理信号的获得通过传感器实现，其中编码器采集转角信号，角位移传感器采集摆角信号，直线位移传感器采集线位移信号。
    对于数据采集系统来说，由于来自于电力线或机器的影响，会产生噪声信号，对于这种情况，采用低通滤波器来实现最大程度的抑制。另外，由于采样率低而产生信号混叠，奈奎斯特定理指出，如果对一种模拟信号进行采样，所有频率超过1／2采样率的信号都会以一种低频率信号的方式出现。只有在采样前把所有频率超过1／2采样率的信号消除才能避免这种失真。基于以上两种可能出现噪声信号的原因，本系统采用模拟低通滤波器、数字滤波器两者的结合。模拟滤波器通常放在A／D转换器的前面，用来消除信号通道位于A／D转换之间的高频噪声和干扰。数字滤波器被放在A／D转换器的后面，通过采用平均技术来减少通带内频率上的噪声。
    本系统采用双二阶环滤波电路，利用两个以上的加法器、积分器等组成的运算放大电路，根据要求的传递函数，引入适当的反馈，构成滤波电路。其突出特点是电路灵敏度低，特性非常稳定，并可实现多种滤波功能，这里使用低通滤波抑制部分噪声信号。具体电路如图4所示。

    构成低频滤波器时，电路固有频率(单位：Hz)和通带增益如下：
   
2．2 软件实现
    软件是检测系统的灵魂。本实验台测控系统应用虚拟仪器图形化软件LabVIEW，该软件具有运算速度快、界面友好、人机交换便捷、操作直观方便等特点。该测试系统的主程序界面如图5所示：实现对所测试的不同项目进行有效选择，并在选择好输入项目的基础上，从主程序界面中选择所要测试的项目，点击，则系统进入所要进行的性能测试系统的功能模块仪器软件面板。

    其中，每一个功能模块又分别调用其子模块，主要包括数据采集模块、传感器标定模块、误差处理模块、数据分析处理模块、数据波形输出模块、输出数据保存模块和数据恢复模块。
2．2．1 数据采集
    数据采集模块将各种硬件仪器的驱动程序模块封装在组件中，当测试要求改变需要更换新的仪器硬件时，只需更新相应参数，并且保证它对上层的接口保持不变，那么新的仪器硬件就能在原来的系统中正常运行。
2．2．2 传感器数据的标定
    传感器的标定就是通过试验建立传感器输入量与输出量之间的关系。利用已知的标准值输入到待标定的传感器中，传感器得到相应的输出量，将输出量与输入的标准量绘制成曲线即得标定曲线，通过标定曲线可以得出输入量与输出量之间的关系式，从而可以确定标定系数。利用标定的数据作为测量数据输入提高了传感器的使用精度。
2．2．3 数据的分析及处理
    数据分析与处理模块包括数据的逻辑计算、测试信号的图形显示、测量过程中特性参数的显示、误差的分析、信号的滤波等，通过该模块的工作，可以输出非常精确的数据及其对应的曲线。
    (1)信号滤波
    算术平均值滤波法就是连续取n个采样值进行平均。其数学表达式为：
   
    算术平均滤波法用于对一般具有随机干扰的信号进行滤波。这种信号的特点是围绕着一个平均值，在某一范围附近作上下波动。算术平均滤波法对信号的平滑程度完全取决于N在系统误差的情况下，当n→∞，项噪声信号趋近于零，其平均值趋向于最大期望值，但是实际上N较小时，平滑度低，但灵敏度高。应根据具体情况选取N，既保证滤波效果，又尽量减少计算时间。
    (2)误差处理
    回转运动误差包括传动误差和回程误差。测量传动误差，可以采用手工转动使电机的转速不超过10 r／min，当电机转动后，通过输入、输出传感器分别测量输入、输出角位移，得到的试验数据可以在计算机内进行显示和记录。瞬时传动误差=输入转角／理论传动比-输出转角，可以拟合相应的曲线。在测量回程误差时，去掉电动机、转动输入传感器，当在某一个角位移处，使输出端不动，输出端反转，所反向产生的转角为回程误差，在若干个角位移处试验，可以拟合出一条回程误差曲线。
2．2．4 数据的保存与恢复
    数据保存模块可以对实时测量的数据进行保存，数据恢复模块可以对以往测试的数据曲线重新显示，以利于对比分析等。
2．3 试验验证
    为验证本试验台测控系统设计的可行性，现通过试验台对某曲柄摇杆机构摆杆摆动角度进行测试，主要完成数据采集、数据输入、信号处理、数据分析、结果显示和测试结果处理等。检测系统前面板如图6所示。

    图6右上角即为系统输入参数，包括采集参数和数据处理参数，可以根据测试对象的不同，测试条件的不同进行灵活的设置；右下角为系统输出参数，可以根据要求显示摆杆摆角以及角速度和角加速度的极限值，从而为高速运动的系统在一定的工作条件下的振动和噪声等研究提供一定的依据；左侧为曲线图和操作按钮，除了可以显示摆动角度和时间之间关系的曲线图外，还可以显示摆动角度和主轴转角之间关系的曲线图，这样对于主轴转速有一定变化的情况下的动态系统，可以进一步研究动力和从动件之间的关系。两个曲线图分别表示摆角与主轴转角之间的关系和摆角与时间之间的关系，横坐标直接标注出了两种测试的方式即主轴转角和时间，纵坐标对于不同曲线的意义通过曲线图右上角的显示用不同颜色代表不同的运动性质，白色、红色、绿色分别代表摆动角度、角速度、角加速度，这样既简单又清晰的描述除了不同的对应关系，在同一个曲线图中描述出一个测试对象的不同运动性质，更有利于对于同一测试对象不同运动特性的分析与研究。

3 结语
    基于虚拟仪器的平面机构创意组合试验台是在原有测控试验台基础上，引进虚拟仪器技术，使其通用性更强，实验系统组件更灵活，数据处理能力更强，测量数据更准确、更快捷，其开放的环境更有利于发挥学生的能动性和创造性。同时，LabVIEW软件是一种图形化语言，更适合于工程技术人员应用，实验过程中可以根据需要自行编制测试软件或修改软件部分模块，从而实现开放式试验的目的，不但可以进行基础性的教学试验，而且可以进行相应的科研试验项目。