基于LabVIEW的摩擦磨损试验机智能测控系统

0 引言
    摩擦材料是汽车制动系统必不可少的功能材料。用摩擦材料制成的刹车片，不但直接影响汽车的操作性、可靠性和舒适性，而且很大程度上影响其安全性。因此摩擦材料的性能在汽车行业中一直受到高度重视。而性能良好的摩擦磨损试验机则是摩擦材料性能测试必不可少的工具。
    摩擦磨损试验机的性能在很大程度上取决于其测控系统的性能优劣。利用计算机软件对试验过程进行自适应控制以及模糊控制等规律控制，实现试验参数的实时获取，并以曲线或表格的形式动态呈现实时参数等已成为测控领域的整体发展趋势。本文利用LabVIEW语言编写了测控系统程序，该测控系统实现了试验参数的实时测量，可以对数据进行滤波和嵌入C语言进行复杂数据处理；可对实时参数进行曲线显示、存储和报表处理；编制的系统软件具备人机对话功能，操作简单、方便。是智能的人机交互系统。该测试系统可进行恒载荷和恒转矩类型的多种摩擦磨损试验。

l 摩擦磨损试验机介绍
    该摩擦磨损试验机又叫Chase试验机，主要用于对汽车制动衬片的安全情况及摩擦磨损特性做出报告。用于SAEJ661和ISO7881等标准，对摩擦材料进行分级及质量控制。
1．1 摩擦磨损试验机的基本要求
    为达到试验规定的要求，测控系统必须具备以下功能：测量精度满足GB／T17469-98的要求；可满足高速、高温、高载荷下的测试要求；能完成试验过程中的转速、压力、温度等试验参数的设定及摩擦正压力、摩擦力矩、转速、摩擦转盘温度、汽缸进口压力等性能参数的测量；对测量参数与其设定值进行比较，形成闭环控制，使转速、压力和温度维持在试验要求范围内；能实时显示、记录试验过程中的相关数据并生成报表。
    同时，试验过程中摩擦块与试验盘之间应始终保持贴合状态，无振动现象；试块装卡应便利、可靠，无松缓、卡死现象。
1．2 摩擦磨损试验机的试验环节
    该试验台可完成恒转矩试验和恒载荷试验。恒转矩试验要求系统通过自动调整比例阀来控制输出压力的大小，使转矩保持恒定。恒载荷试验则要求输出压力始终为恒定值。这其中根据加载的连续与否可分为：断续拖磨和连续拖磨，该试验机中跟据国标所进行的预处理试验、终处理试验、磨损试验和恢复试验都是断续拖磨；而第一次衰退试验和第二次衰退试验则属于连续拖磨。

2 试验机测控系统的硬件设计
2．1 试验机测控系统的硬件构成
    测控系统的硬件构成如图1所示。

    系统中调速电机通过变频器可进行无级调速，输出气压的大小通过调整比例阀的大小来控制。加热开关、风机开关和压力开关则分别通过相应的继电器进行控制。
2．2 传感器
    为了精确的完成各类数据的测量，完成各个环节的测试，装置中设置了五个参数测量传感器(包括三路温度传感器)，其精度满足GB／T17469-98中所规定的要求。其具体参数见表1。

2．3 信号调理
    来自传感器的信号一般都比较小且极易受噪声影响，有些信号存在很高的尖峰值，不能直接进行数据采集，在转换为数字信号之前需先进行放大、滤波、隔离等预处理，也就是信号调理，下面就其中的两路调理电路做简单介绍，如图2所示。

    在图2中：
    (1)V／I转换电路是将工控机输出的1～5 V电压信号转换成4～20 mA的电流信号。因为该试验机中的调节气源的比例阀是靠电流来进行控制，故首先要将电压信号转换成电流信号。其电路图见图2(a)，其比例关系为：I=VR27／R1R61，其中：V为输入电压；I为输出电流。电路中各个电阻应选择精密电阻，以保证V／I转换的精度。
    (2)I／V转换电路是将从温度、压力传感器采集到的4～20 mA电流信号转换成计算机能够识别的1～5 V的数字信号。其电路图见图2(b)，由上面电路可以推算出其转换关系为：V=IR19(1+R107／R99)。其中：I为输入电流；V为输出电压；各个电阻也应选择精密电阻。经过对现场的各路信号进行测试，可以看出，经由调理电路的处理，输入／输出的各路数字／模拟信号都有明显的改善，干扰信号大大减少，调理效果很明显。
2．4 数据采集卡
    该系统使用北京研华公司的采集卡PCL-818L和PCL-836，其中PCL-818L卡有16路模拟输人通道，12位A／D转换分辨率，一路12位模拟输出通道，一个16位计数器，采样率为40 kHz。PCL-836包括6个独立的16位计数器，10 MHz的计数频率，还有两个数字I／O接口。

3 试验机测控系统程序设计
3．1 试验测控系统程序流程
    试验机测控系统的控制流程如图3所示。

3．2 Front Panel设计
    在LabvIEW中，程序由VI的Front Panel和Block Diagram两部分组成，应用程序的人机界面就是FrontPanel，利用LabVIEW提供的各种控件结合控件的属性节点的设置可以设计出仪器化的用户界面。该试验机用户界面如图4所示。

    根据测控系统的功能前面板划分为：试验环节选择部分；曲线及数据显示部分；试样批次记录部分；试验环节指示部分；参数设定及调整部分；测量记录和路径设定部分。
3．3 Block Diagram设计
3．3．1 数据采集程序设计
    在数据采集部分，将压力、温度设定为一个采集任务，通过多路模拟量采集程序来完成，此采集程序主要有MAI Config．vi，MAI Volgagen In．vi和SplitlD Arrav．vi，Device open．vi及Device Close．vi模块构成，其结构如图5(a)所示。可总共进行8路模拟信号的同时采集，其采集的数组由Index Array模块进行分离，此处只使用其中的前四路，包括三路温度和一路压力信号。转速和转矩则分别进行采集，它们通过频率采集电路来完成，程序中用到的主要模块有CounterFrea Start．vi，Counter Freq Read．vi和Counter Reset．vi，Deviceopen．vi及Device Close．vi，其采集周期设定为200 ms，具体结构见图5(b)。

3．3．2 数据处理程序设计
    为了提高本测量系统的抗干扰性能和减小测量数据的误差，在软件里采取程序滤波的方法，通过计算机软件来提高信噪比。
    (1)递推平均滤波法：采集几个周期的数据，并求其平均值，作为采集的数据。
    (2)中值滤波法：将每次采集的数据与前一个的数据做比较，当两数值之间差大于一定范围时则认为是干扰信号，此时采用上次的数值作为本次采集的结果，否则采用本次采集数据。
    笔者通过利用LabVIEW中的移位寄存器来实现了平均滤波算法，具体实现方法如图6中递推平均滤波所示。先求取10个数的和，再求其平均数。

    对于中值滤波算法的实现，利用别一般的模块实现起来比较繁琐，如果能用C语言来处理，就变得很简单。经过多次尝试，终于实现了在LabVIEW中嵌入C语言的方法，利用LabVlEW中的公式节点作为切入点，实现调用C语言进行处理。利用C语言的强大的数据处理能力，能很方便的完成一些复杂的算法。程序实现如图7中中值滤波所示，将采集的数据先利用Build Array模块转变成数组，再将数组作为公式节点的输入，C程序首先对采集的数据进行了两次求平均处理，之后又按照中值滤波算法进行处理。相应的C语言程序附如图8所示。

    经过以上方法的处理，数据的取得了较好的输出效果。尤其是本试验台在LabVIEW中嵌入C语言的数据处理方法及思路，大大提高了LabVIEW的数据处理能力，简化了程序的编写，具有较广的应用价值，可以为其他设计者提供设计思路，为以后的数据处理提供一个很好的平台。

4 试验结果及分析
    选用山东淄博某制动材料生产公司的汽车制动衬片进行摩擦试验，先将衬片加工成尺寸为2．54 cm2试样。利用设计好的摩擦特性测试系统对试样进行测试，以获得衬片摩擦系数特性曲线。
    图8所示为测试结果，图中给出的是对试样进行的磨损试验和第一次衰退与恢复试验的曲线，未经过数据处理的曲线干扰信号太大，曲线抖动严重，影响了测试结过的观察，经过处理的曲线，较为平滑，抖动较小。能很好的反应材料摩擦系数的变化趋势。
    如图8(a)所示，在第一次衰退与恢复试验中，开始先加温并进行连续拖磨，摩擦系数开始先降低，在达到255 ℃左右开始降低。
    在之后的断续拖磨中，摩擦系数逐渐下降。图8(b)为磨损试验的一部分曲线。将处理过的动态特性曲线与汽车制动衬片特性说明中所述的衬片特性曲线相比较，结果一致，表明采用本文设计的测试分析系统得到的试验结果是可靠的。

5 结语
    利用LabVIEW软件结合相应的硬件实现了摩擦磨损试验机的测控系统的设计，可实时地监测和控制各试验状态，满足多种摩擦试验的要求。系统采取软硬件结合的抗干扰措施，尤其是在LabVIEW中嵌入C语言程序，利用其强大的数据处理能力，扩展了LabVIEW的功能，提高了系统的测试精度。人机界面友好、操作方便安全，测试效率较高，在实际应用中取得了良好的效果。