分析LabVIEW程序在机械抛光中对力学数据的采集应用

金 鑫，Philip Mathew，吴 冰

(新南威尔士大学机械工程与制造学院，澳大利亚悉尼 2032)

利用计算机和网络技术对传统的产业进行改造，已是大势所趋，而虚拟仪器系统正是计算机和网络技术与传统仪器技术进行融合的产物，在21世纪，虚拟仪器将会引发传统仪器产业一场新的革命［1］。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)程序正是虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)的代表，是由美国(NI)公司研制开发的作为数据采集和控制软件的标准程序，被广泛应用于工业界、学术界、实验室研究等［2］。它可以运行于Windows、Mac OS X和Linux系统上，类似于C和Basic开发环境。与其他计算机语言的显著区别:传统计算机都是采用基于文本语言生成代码;LabVIEW来源于传统设计语言的顺序特性并以易用的图形化设计环境为特色，包括数据采集(DAQ)、数据分析、结果显示等必须的所有工具。本文通过对一项力学实验数据采集的研究，来描述对LabVIEW软件程序的具体应用。

1 仪器与方法

a．仪器。机床选用 Colhchester Tornado A50型。其他设备有:多用途摩擦测量设备 (Multipurpose Friction Measurement Rig)、DAQ数据采集器、直径为80mm金属圆环，材质为1045(美国标准)。

b．方法。在基于数据采集DAQ系统上采用LabVIEW，来采集实验中测得的力学数据，其中抛光压头选用形状为头部半球形抛光压头。实验时间为60s。实验所用方法是通过抛光压头对被紧固在机床上的工件表面进行摩擦抛光实验，并紧固在多用途摩擦测量设备上，其底座连接DAQ数据采集器，并与计算机相连［3］。在实验中，抛光压头使用的材质为1045金属，作用力为150N。实验开始后，计算机以0．1s的间隔记录60s内抛光压头作用在金属板上的X，Y，Z 3轴方向的力。

c．依据 American Iron and Steel Institute(AISI)美国钢铁学会金属材料牌号标准，材质为1045金属。

2 实验结果分析

在实验中LabVIEW程序在0～15．1s内，对机械抛光压头在金属工件上理论作用值150N的力进行数据采集和记录。

再根据所采集的数据进行公式运算:

式中:f为摩擦力;μ为摩擦系数;Fx为X轴方向的力;Fy为Y轴方向的力;p为压力，其值等于Z轴方向的力。

在实验中，由于要对所使用的多用途摩擦测量设备进行校准，所以一切参数均为校准后参数。在运用LabVIEW软件过程中，为保证所测力学数据的准确性，尤其是压力p，即Z轴向力的数据，所以应在Z轴上进行测量，为得到更好的R2值，在设定线性表达式时，使用一元五次线性表达式。根据校准后的参数，设置LabVIEW的框图式结构，如图1所示。

图1 LabVIEW程序框图结构

从图1中可以很明显地看出，初始电信号被转换成为3个频道，分别对应X，Y和Z轴力学数据。由于通过校准后决定所采集后信号的单位需要统一换算为毫伏电压(mV)，因此在信号采集后乘以1 000再进行运算，其他参数则是校准后所得。由图1可以很清晰地看到，在进行Z轴力学数据采集时，使用了一元五次线性表达式。在数据转换后，通过电压放大器，分别输出X，Y和Z轴的力学数据，并转换为文本格式存储到所存放路径的文本当中，方便后期数据的查看和处理。

首先使用LabVIEW程序所采集的数据，通过式(1)和(2)的计算，运算结果、摩擦力和摩擦系数经线性表示如图2所示。图3(a)、(b)所示的“使用C语言程序下所得数据绘图”则是通过使用C语言程序进行采集所得的数据绘制而成。

图2所示的是在理论压力150N、进给速度40m/min的条件下，1045金属抛光压头在Al 6061金属工件上进行实验所得的摩擦力以及摩擦系数的线性趋势图。从图2可以看出，在理论压力150N的条件下，所测实际压力平均值近似150N;另外，通过计算后绘制出的摩擦系数曲线振动也很平稳，平均维持在约0．3附近。从图3(a)中可以看到，所测力学数据随着时间的推移而使得振动加剧［3］。在图3(b)中也可以看出，摩擦系数的测量曲线振幅明显偏大，尤其在最后实验阶段，所测数据几乎无法做出实验评估［3］。

图2 使用LabVIEW程序下金属工件摩擦力和摩擦系数线性趋势

通过本实验，现代程序LabVIEW相较于传统C语言程序的进步可分为以下几点:

图3 使用C语言程序下所得数据绘图

a．通过使用LabVIEW程序，根据采集所得数据绘制而成的曲线(如图2所示)，与应用原传统C语言程序实验所得数据(如图3所示)绘制成的曲线对比可以看出，LabVIEW数据线的平滑与平稳度都好于C语言;在数据结果上，两者的数值差异在实验起始阶段差异并不十分明显，但LabVIEW的数据在之后的测量中更加平稳与准确。

b．LabVIEW软件的框图程序相较于传统C语言程序，无论是从编写量还是简单程度都有明显的优势。在本实验中，使用传统C语言程序编写量约为A4纸4页，因为在传统编译语言中，实验测试开始前需要输入各种参数，比如:＜时间＞、＜转速＞、＜直径＞、＜作用力＞等等。但在LabVIEW程序中，以上这些参数都可以不用输入，这比传统编译程序中时间长度被定义下来后就不能更改会更加优化、更加控制自如。比如在本实验中，从开始到实验结束，完全是自行控制，若对数据不满意，可以随时延长或随时暂停，缩短其实验时间。机床的控制也是如此，随时可以调整转速、进给速度等。与传统的编程语言比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85%以上的程序开发时间，其运行速度不受影响，体现出了极高的效率。

c．面对传统程序中大量的程序语言，编写者需要非常仔细和慎重，且一旦出现问题修改起来比较困难。LabVIEW软件的框图程序省去了复杂的程序语句，只需考虑图例和算法，程序更清晰易懂;另外，对于出错的框图结构，也会有明显的出错提醒与纠错建议，使得修改程序变得简单明了。

3 结束语

本文通过对机械抛光力学的实验，在利用LabVIEW程序的基础上采集力学数据，并对结果进行了分析与绘图。通过对比之前运用传统C语言程序采集的数据分析可以看出，LabVIEW程序完全是图形化界面，摒弃了传统程序的逻辑编写，更加简单方便，也更易于理解和纠错，节省了约85%的程序编写时间，极大地提高了效率。另外LabVIEW的采集结果始终保持平稳，避免了大幅度数据振动，这一点在一些需要较长时间实验数据的采集中将起到重要作用。虽然本实验也有它的局限性，但是仍然可以证明，LabVIEW为用户快捷地搭建在实际生产中所需要的仪器系统创造了基础条件，替代了一些中小型仪器系统［4］。不久的将来，LabVIEW将适用于各个领域的高端系统设计、代码审查、源代码控制和高级编程。

［1］ 陈锡辉，张银鸿．LabVIEW 8．20程序设计从入门到精通［M］．北京:清华大学出版社2007．

［2］ 张桐，陈国顺，王正林．精通LabVIEW程序设计［M］．北京:电子工业出版社，2008．

［3］ Manudha Thiyunuwan Hearth．Development of a multipurpose friction measurement rig［D］．Sydney，NSW，Australia:The U-niversity of New South Wales，2010．

［4］ Mark B Jensen．Using labVIEW to demonstrate instrumentation principles［J］．Anal Bioanal Chem，2011(400):2673-2676．