基于LabVIEW的气缸信赖性测试系统设计

胥　军，　冯　澜，　孙裕民

(武汉理工大学 机电工程学院，武汉 430070)

0　引　言

NI的可视化开发软件LabVIEW平台及DAQmx是数据采集与仪器控制软件的标准[1-3]，其综合了虚拟仪器平台开放性和资源复用性的优点，在各类测控系统中得到了广泛应用[4-8]。在现代企业中，特别是在自动化装配、过程及流程控制等现场，各型气缸得到了广泛地应用。作为一种重要的执行元件，由于连续运行时间长、动作频率高，气缸易发生性能失效或疲劳失效。

为检验气缸的综合性能，气缸信赖性测试系统在新产品性能检验、元件适用性性能评价等场合不可或缺。为此，本文参照ISO/FDIS/19973标准[9]设计了一种气缸信赖性测试系统，不仅可用于现场，还可用于实践教学。与已有的气缸信赖性测试系统常采用空载低速测试模式不同[10-11]，本设计方案综合考虑了气缸在实际运行过程中所受的负载、动作频率等因素对气缸性能及疲劳寿命的影响，一方面通过在活塞杆顶端附加配重块模拟运行负载，另一方面通过高频电磁阀驱动气动回路快速切换，达到加速气缸性能衰减、减少疲劳测试周期的目标。

1　总体设计

本文设计的气缸信赖性测试系统中气缸为SMC MB系列[12]，安装形式为脚座型，其结构简图如图1所示。

1-缸筒2-耐磨环3-活塞4-导向套5-端盖6-活塞杆7-负载

图1气缸结构简图

国标ISO/FDIS/19973规定进行气缸信赖性测试时以气缸连续运行时的泄漏量、最小动作压力和冲/回程时间作为测量参数，并对不同型号的气缸规定了阈值，参数超出阈值即可判定气缸性能失效。根据气缸信赖性测试需求，将测试分为定期性能测试与连续疲劳寿命测试。测试指标包括泄漏量、回路压力、冲/回程时间、运行次数等，测试系统结构设计如图2所示。

图2测试系统总体结构

其中，上位机安装LabVIEW软件和DAQmx硬件驱动程序，驱动数据采集卡NI-USB 6009输出脉冲控制电磁阀通断，并通过A/D与I/O端口采集数字压力计、流量计、位移传感器，分别采集压力、流量和活塞位移数据。

2　测试系统硬件设计

根据系统总体结构设计方案，综合考虑安全、结构紧凑和安装方便等要求设计测试系统硬件，其结构如图3所示。在测试过程中，气缸竖直放置，在活塞推杆顶端加载不同质量的配重模拟负载。

压缩气体经过气动三联件过滤清洁之后，经过调压阀调节气体压力，然后通过控制电磁阀换向使气缸缸杆顶出或缩回。单向节流阀选择排气节流型安装方式，使气缸进气时进气腔压力上升较快，排气腔压力下降缓慢，活塞两侧压差稳定，活塞输出速度和输出力平稳，以调节气缸活塞速度、减小振动和对气缸冲击。

图3气缸信赖性试验平台硬件结构

3　测试系统软件设计

测试系统软件包括登录管理模块、电磁阀驱动模块、位移采集与处理模块和报表输出模块，用于脉冲信号输出、数据采集、数据处理与数据存储，其结构如图4所示。

图4软件系统结构

3.1　登录管理模块

登陆管理模块实现操作人员登陆以及管理员对操作人员信息的增删[13]，登陆模块部分程序如图5所示。

通过DB Tools Open Connection.VI“数据打开函数”打开指定路径的数据库，将登陆人员的信息从数据库调取到程序中。在指定数据库里建立若干数据表，调用登录人员信息时利用DB Tools Select Date.VI函数来搜寻指定的数据表的数据，并运用Datespace Variant To Date函数将变体转化为可以操作的数组。

图5　登陆模块部分程序框图

利用“索引数组”将在数据库调用出来的二维数组变为分别包含用户名和密码的两个一维数组。

管理员利用登陆管理模块对操作用户进行授权与信息管理，系统测试开始时，用户在登录界面输入姓名、工号、测试时间和运行负载等内容，上述信息保存于系统数据存储模块中，便于测试结果的索引，并用于数据报表输出。

3.2　电磁阀驱动模块

程序通过仿真信号Express VI产生方波输出至DAQ助手，经数据采集卡的数字输出通道输出，信号放大之后驱动电磁阀的通断。在软件人机交互界面可改变方波的频率、幅值和占空比等参数，以改变电磁阀通断的快慢与时长，控制气缸冲/回程的频率。电磁阀驱动模块程序如图6所示。

图6　电磁阀驱动方波输出

3.3　位移采集与处理模块

DAQ助手通过数据采集卡采集位移传感器数据，考虑到测试环境温度变化、电磁干扰等因素，采用低通滤波器对缸杆位移数据进行滤波，并输出“时间-位移”曲线，位移采集与处理模块程序如图7所示。

图7　位移-时间波形采集程序框图

3.4　气缸失效自诊断模块

系统进行疲劳寿命测试时，程序须有失效自动检测功能以检测气缸是否失效，避免测试人员长时间值守。针对气缸失效时特点，采用超时限自检法设计失效自诊断程序，控制指令发出后，执行元件在规定时间内未发生动作或未达到相应位置，则判定执行机构发生故障或失效[14]。

气缸失效自诊断模块部分程序框图如图8所示。按照系统元件工作顺序，数据采集卡输出脉冲信号至电磁阀后，一定时间内激光位移传感器应测量到气缸动作数据，若在脉冲发出之后气缸未动作则系统判定气缸故障或电磁阀失效。

图8　气缸失效自诊断部分程序框图

3.5　报表输出模块

为便于分析测试结果并对测试过程进行及时存档，设计报表输出打印程序框图如图9所示。在测试完成之后系统自动存储操作员信息、测试频率、测试次数和曲线数据，并根据报表模板自动生成测试报告。

图9　报表输出打印程序框图

4　测试方法

4.1　定期性能测试

定期性能测试用于测试气缸的始动压力、泄漏量与行程时间。

始动压力测试：以气缸顶出为例，测试气缸顶出启动压力时，手动调节调压阀使气路压力为0，DAQ助手驱动二位五通电磁阀保持接通状态。从零开始缓慢手动调节调压阀增加回路气压，直到DAQ助手读取激光位移传感器测量的活塞杆运动行程大于规定的运行阈值，此时记录压力传感器显示的压力值即为气缸始动压。

泄漏量测试：气缸动作时直接通过流量显示仪表读出气缸进气侧和出气侧的流量差值。

行程时间测试：气缸连续运行时，活塞运行位移周期性变化。利用激光位移传感器测量气缸活塞的位移变化，通过模拟量输入到数据采集卡的模拟输入接口，经数据处理之后实时显示位移-时间波形，分析计算“位移-时间”波形即可得出行程时间。

4.2　连续疲劳寿命测试

气缸疲劳寿命试验需连续长时间运行气缸直至气缸疲劳失效，即活塞杆不再正常顶出或缩回，气缸无法继续工作，气缸疲劳失效时已运行的次数即为疲劳寿命。批量测试时，可根据测量得到的气缸动作次数利用三参数威尔分布方法[15]建立气缸疲劳寿命分布模型作为产品可靠性数据。

连续运行时，软件程序自动记录驱动电磁阀的脉冲下降沿信号次数作为气缸的运行次数，直至气缸疲劳失效时运行的总次数即为气缸寿命。

5　测试结果

气缸信赖性测试系统的测量并经低通滤波处理后的“位移-时间”曲线如图10所示。

图10位移-时间波形

该“位移-时间”曲线呈现为周期性连续波形，曲线上升沿和下降沿的斜率分别表示活塞在冲程与回程动作的速率。由于活塞与端盖之间有短时间的冲击，在活塞完全顶出和缩回之后波形有轻微的抖动；在缸杆顶出时由于有活塞杆与导向阀之间的缝隙泄露，则气缸顶出时比气缸缩回时的泄漏量测量结果稍大。

6　结　语

本文所设计的气缸信赖性测试系统在实验室条件下已完成了气缸连续疲劳寿命测试75天，系统整体性能稳定、运行高效，获取了大量的测试结果数据，为气缸新产品性能检验、元件适用性性能评价提供了重要的基础实验数据，取得了良好的实效。

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引言的写作要求

1 开门见山，不绕圈子。避免大篇幅地讲述历史渊源和立题研究过程。

2 言简意赅，突出重点。不应过多叙述同行熟知的及教科书中的常识性内容，确有必要提及他人的研究成果和基本原理时，只需以参考引文的形式标出即可。在引言中提示本文的工作和观点时，意思应明确，语言应简练。

3 尊重科学，实事求是。在论述本文的研究意义时应注意分寸，切忌使用“有很高的学术价值”、“填补了国内外空白”、“首次出现”等不适之词；同时也要注意不用客套话，如“才疏学浅”、“恳求指教”、“抛砖引玉”之类的语言。

4 引言的内容不应与摘要雷同，也不应是摘要的注释。引言一般应与结论相呼应，在引言中提出的问题，在结论中应有解答，但应避免引言与结论雷同。

5 引言不必交待开题过程和成果鉴定程序，也不必引用有关合同公文和鉴定的全部结论。

6 引言最好不要分段论述，不要插图、列表和数学公式的推导证明。