基于虚拟仪器的某型火炮液压测试系统研究.pdf

2 0 1 0年 4月 第 3 8卷 第7期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 7 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 7 ． 0 2 8 基于虚拟仪器的某型火炮液压测试 系统研究 阎文，梁光建，李金龙 军械 工程学院火炮工程系，河北石家庄 0 5 0 0 0 3 摘要为准确快速掌握液压系统性能状况，发现故障及其原因，提高火炮维修质量 ，降低检测成本，引入虚拟仪器技 术对某型火炮液压系统检测设备进行研究与开发。以计算机为平台，采用虚拟仪器技术，使用传感器、采集卡和信号调理 电路等硬件 ，搭建检测系统 ，采取有效的抗干扰措施 ，消除热干扰和噪声的影响，并对液压系统进行 了测试。实例证明该 液压检测系统是可行的，满足检测任务的需要。 关键词虚拟仪器 ；液压系统；数据采集 中图分类号 T P 1 8 3 ；T J 0 1 3 ． 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 7 0 8 5 3 Re s e a r c h o n Te s t i ng S y s t e m o f Hy dr a u l i c S y s t e m f o r a Ty p e o f Gun Ba s e d o n Vi r t ua l I n s t r u m e n t Y A N We n ，L I A N G G u a n g j i a n ，L I J i n l o n g D e p a r t m e n t o f G u n s E n g i n e e r i n g ， O r d n a n c e E n g i n e e r i n g C o l l e g e ，S h i a z h u a n g H e b e i 0 5 0 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o ma s t e r t h e c a p a b i l i t y o f h y d r a u l i c s y s t e m ，d e t e c t f a u l t a n d i t ’ s c a u s a t i o n，i mp r o v e g u n ma i n t a i n i n g q u a l i t y ， r e d u c e c o s t o f me a s u r e me n t ，v i r t u a l i n s t r u me n t t e c h n o l o g y wa s i n t r o d u c e d t o r e s e a r c h o n t h e h y d r a u l i c me a s u r e me n t e q u i p me n t o f s o me g un． Ba s e d o n vi rtua l i n s t rume n t t e c h no l o g y，t h e me a s u r e me nt s y s t e m wa s s e t u p by us i n g t he s e n s o r s，d a t a a c qu i s i t i o n c a r d s a n d s i g - n al c o n d i t i o n i n g c i r c u i t ．E f f e c t u a l a n t i - j a m mi n g me a s u r e w a s a d o p t e d a n d h o t - j a m a n d y a w p w a s e x c l u d e d ．T h e m e asu r e m e n t s y s t e m wa s us e d t o me a s u r e t h e h yd r a u l i c s y s t e m． The r e s u l t s h o ws t ha t t h e me a s u r e me n t s y s t e m i s f e a s i b l e． Ke y wo r d s Vi r t u al i n s t rume n t ； Hy d r a u l i c s y s t e m ； D a t a a c q u i s i t i o n 随着 国防现代化的不断推进 ，自行火炮 大量装备 部 队，液压技术在 自行火炮上广泛应用 ，液压元件的 测试就成为 自行火炮维修 的重要 内容⋯ 。在液压部件 修理 和检测 中，需要具备必 要的实验设 备 ，如 液压放 大器输 出参数试验台 ，动力油缸综合实验 台等 。 目前 这些设备在 部队修理分队尚未普遍装 备 ，使液压部件 的修理范围受到一定 的限制。因此研制一套能快速检 测液压系统运行状态 、故 障范 围的设备是必要 的。作 者应用虚拟仪器设计思想 ，通过软硬件技术结合， 对液 压测试 系统进行 了研究 ，在此基础上应用数据采 集和信号处理技术 ，实现 了对液压系统各种模拟信号 的采 集与处理 。 1 液压测试系统软硬件设计 该检测 系统主要检测 某型 火炮液 压系 统的压力 、 流量 、温度 、油泵电动机转速 ，并进 行状态 提示 、故 障预警 、故障趋 势分析 、生成诊 断报 告以及 在线 帮助 等。该系统既能随车安装，也能在实验室进行装备液 压系统的性能测试、状态检测和故障诊断。 1 ． 1 液压 测试硬 件设 计 方案 采用虚拟仪器技术、传感器技术 、信号采集以及 信号处理技术搭建 测试 系统硬 件平 台 ，如图 1 所 示。 该测试 系统在硬件上要求 能适应测量环境 的变化 ，适 应环境噪声、电磁干扰等；在软件上能完成信号的处 理 ，测试数据的非线性校正 ，在线帮助等。 计算机 CP U 卜 _ 存储 、打印 数 据采 集 卡 D AQ 信 号调 理 接 口 电路1 一 二 I． 流 量 1 - 传 J 感 器 信 号调 理 接 口 电路2 I 感器 J 信 号调 理 接 口电路3 __-_______●。●_●●_____～ J 感器 I 信号 调理 接 口电路4 [ I 振 动传l I 感 器 J 液 压 系 统 图 1 液压测试 系统硬件框图 液压测试系统硬件选择包括压力传感器 、流量传 感器 、温度传感器、加速度传感器 以及数据采集卡 等 。 流量传感 器采 用 涡轮 流 量传 感 器 ，它 具有 体 积 小、重量轻、使用方便等优点，在低黏度、大流量油 液时精度好 ，也具有一定的动态响应。但它一般只用 于测量稳 定流量，而且其量程 范围较 窄，一般 为 1 0 1 。而且流量传感器带有温度 黏度补偿装置 ， 收稿 日期 2 0 0 9 0 2 2 4 作者简介阎文 1 9 6 4 一 ，男，副教授，研究方向为武器试验、性能检测与故障诊断。电话0 3 1 1 8 7 9 9 4 1 6 4 ，1 5 0 3 2 6 1 0 6 2 5 。 E ma i l 1 5 87 8 87 4 9 q q． c o n。 8 6 机床与液压 第 3 8卷 扩大 了温度 黏度 应用范围。 因为液 压 系统工 作 温度范 围小 ，半 导体 热 敏 电阻式传感 器 已能满 足要 求 ，个别 场 合要求 精度 高 的 0 ． 1 o C 可增 加 温度 补偿 装 置 。作 者 采 用 N T C热敏电阻测温范 围在 一 2 0～ 2 5 0 o C以内 ，其线 性误差为 3 o C；在 5 0℃以 内约为 0 ． 6℃ ；在 3 0℃以 内约为 0 ． 0 5 o C。由于热敏 电阻具有较 大的非 线性特 性 ，需要线性化处 理 ，使输 出电压与温度关 系接近线 性关系 。 机械振动是各 种机器设备和液压装置工作过程 中 经常发生 的现象 ，除某些 利用 振 动原理 工作 的机 器 外 ，多数情况下 ，振动是有害的 ，并且影响机械或液 压装置 的工作性能 和寿命 ，引起元 件或装 置损坏 。 因此有必要对液压 装置进行振动测量和分析。压阻式 加速度传感器适于低频测量 以及需要有直流响应的冲 击测量领域 ，它的低频 响应好 ，可 以测量稳态响应信 号 ，灵敏度 高 ，具有低输 出阻抗 。作 者采用压 阻式加 速度传感器对液压装置的机械振动进行相关分析。 数据采集卡是虚拟仪器进行测试必不可少的核心 硬件设备， 它将输入的标准模拟信号经过一系列的信 号调理 、数据转换输入到虚拟仪器的采集系统。系统 采用 P C I 6 0 1 1 A多 功能 数据 采集 卡 ，3 2路 A D，2路 D A，1 2位 高 分 辨 率 ，采 样 率 1 5 0 k B ／ s ，带 1 6路 D I ／ D O的多功能数 据采集 卡。 1 ． 2液压 测试 系统软 件设计 方 案 采 用 L a b V I E W 平 台 自行 开 发 液 压 测 试 系 统 软 件 ，其 功 能 主 要 有 自 检 、 标 定 、 采 集 、分 析 、输 出 打 印及 帮 助 等 ，检 测 系 统软 件 能 在 不 同平 台 运行 。其 软 件 框 图 如 图 2所示 。 系 统 自检 主 要 是 液 压测 试 系统 萎 是 f I囊 l l 圜 图2 液压测试系统 软件结构框 图 对计算机、采集卡通讯进行测试。系统标定主要是指 在测试前对数据采集 系统及其信号调理模块 进行通道 标定；同时对传感器处理电路模块进行调零设置。数 据采集部分是系统的重点，也是系统最为复杂的部 分 ，主要进行通道信号设置 、单通道 压力检测 、多通 道压力检测 、流量检测和压力、流量综合检测 ；同时 进行采样频率、采样点通道以及系统信息的采集与处 理 。数据分析部分是系统非常关键 的部分 ，软件 中需 要完成数据平滑、数据滤波、实时报警 在故 障诊 断中和数据 时 、频域 的分析 。显 示 打 印部分 是 测 试系统重要部分，实现数据的实时显示 以及保存处 理。帮助部分提供使用说明，在测试时提示安装点的 设置 以及 操作步骤 。 2液压测试系统关键技术研究 2 ． 1信号调 理 电路 信号调理 电路主要有传感 器的激励 电源 、信号放 大电路 以及 惠斯顿 电桥等。 惠斯顿电桥电路是应变式传感器测量中常用的电 桥。在测量应用 中，电桥的一条或多条臂是一电阻传 感器 ，如热敏电阻 、压 阻式加速度传感器等 ，其 阻值 是相应物理量变化的函数 ，因此 电桥 中的一个或 多个 电阻值对初始值 的偏离可被测量 出来 ，并作为被测量 的变化幅度。热敏电阻传感器的信号调理电路的原理 图如图 3所示 。 图3 温度信号测量电路原理图 电路中 U 。 和 的压差 作为放大器 A的输入 端 ，放大器输出 接入采集卡 。压差 U 。 如式 1 。 U 一 R 2 1 N T C热敏 电阻 的特性方程 表示如式 2 。 R R o e 【 丁 一 J 2 式 中 为 当热力学温度为 时 的电阻值 ；r 0 为基 准温度 通常为 2 9 8 ． 1 5 K ；B为热敏 电阻的材料系 数 。系 统 所 用 热 敏 电 阻 为． MF 5 1 3 4 5 0 ，其 R 1 0 k Q，B3 4 5 0℃ ，由此可见 。 与 呈指数 规律 变化 。 由于热敏 电阻 测量 电路 输 出是 毫伏 级 ，而 微机 A ／ D转 换需要 5 V电压 ，为 此必须 经过放 大器 的放 大，才能作为 A ／ D转换的输入值。放大电路如 图3 所示。传感器测量的温度范围为 0～1 2 0℃，将其代 入式 1 中 ，得 U t 0 ． 0 8 7 1 V，则放大倍数 K m U ／ U 5 7 ． 4 0 5 3 ，即最大放大倍数不能超过此值， 反之，如果放大倍数太小 ，那么 A ／ D转换分辨率降 低 。因此 ，放 大倍数 应取 3 0～ 5 0为 宜 ，文 中取 K 4 5。 压力测试技术中采用恒流源供电，需要提供转换 电路 ，将测试 系统提供 的直流电压转换 成电流提供给 压力传感器 。其 电路如 图 4所示。 第 7期 阎文 等 基 于虚拟仪器 的某 型火炮液压测试系统研究 8 7 l l l 2 图 4恒压源电路图 尺 为负载 电阻 ， 。 。 、u 为输 入 电压 ；当 减 小使点 B电位 下降时 ，若点 A电位也相应下降 ，i 将 不改变 ，也就达到 了恒 流 的 目的。为 实现这个 目的 ， 将点 通过电阻 R 引 回到运 放的 同相 端 ，点 A通过 R 引到反相端 ，并分别与 ， 和 R 组成分 压的形式 。 可 以证 明，当 R ／ R 。 R ， ／ R R时，i 不变 ，其 值表 示为 i R ／ R 一 。 ／ R 3 2 ． 2 非线性纠正环节 在信号采集中 ，由于受 到环境 、电磁 以及 电路板 布线等因素的影响，采集的数据都不能正确反映测量 因素的真实值 ，同时 由于采集 系统本 身存 在非线性 问 题 ，影 响测 量 的真 实性 ，因此 需要 加 入线 性 纠 正环 节 。 现行的非线性 纠正主要 分为硬件 电路 纠正 和软件 纠正。由于硬 件电路 纠正存在 电路设计复杂 、成本偏 高等原 因 ，所 以软件纠正得到 了广泛应用 。系统采用 人工神 经网络对温度测量数据进行非线性处理 ，使非 线性精 度达到了 1 ％。 软 件纠 正采用 M A T L A B S c r i p t 节 点 ，调 用 M A T - L A B神经网络 工具 箱进 行 运算 ，对 易受 环 境 温度 影 响的传感器进行补偿 ，该实例采用 2 5组样本数据对 压阻式压力传 感器进 行 温度补 偿 ，其 L a b V I E W 程序 框 图如 图 5所示。 翦 ] 一 - 1 ．‘ 量 S e r i lP t， l I ■ 赢 鏊 蹩 ⋯ ⋯ 蠹 r I 卅 l o 、 n ≈ 铀 t ， i i 壹 一 萎 蒌 蕊 ￡ 卤 1 JL I L I LI S e r i p ] l o d e 厂 一 i h e t n f f l m ∞ [ s ， 1 ] { t l ’ t l } ， t r a l 抽 一 ； ⋯ t t e t p t r ● l T a r 抽e po c hs 2 0 0 0， a e t p t r 4 l | 『 c o O o 01 ． e t p t r a l n e t p ， Z Z s e C n o _ l l 、 I2I f L 盯 n - 轴 圃 h 莹 t p * t t ， n e t 团 图5 非线性纠正程序框图 软件纠正采用三层 B P神经网络 ，其模型为单 输入、单输出。训练函数采用 T r a i n l m函数 ，目标误 差为 o ． 0 0 1 ，其训练过程如图 6所示。当迭代进行到 第 3 4 4代时迭 代停 止。 Pe r f o r ma nc e i s 0 ． 0 0 0 9 9 9 8 6 7 Go a l i s 0 ． 0 0 l 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 ℃ 图 6 神经网络训练过程 图7 神经网络校正曲线 为测试 B P神 经 网络 的校 正效 果 ，在 系 统 中从 0 5任取 2 5组数据 ，输入的电阻值与校正值 、 真实 值在误差允许范围内。图7为测试电阻 B P神经网络 校正 图，连续 曲线 为 电阻温度 的关 系 曲线 ，所取 电 阻的校正值的平均误差 为 0 ． 0 0 1 ，实现 了热敏 电阻高 精度校正的要求 。 2 ． 3 系统抗 干扰 设计 在液压测试系统过程中，主要存在空问辐射 干扰 、 信号通道干扰 、电源干扰和数字 电路等引起的干扰。 。 。 在本系统 中，温度也是一个重要的影响因素。在 设计电路时，采用对差分放大电路、电桥电路 、流量 传感器调理电路和压力传感器调理电路等，采用对称 平衡结构和温度补偿 设计 ，消除 了温度因素对 系统 的 影响。同时在振动加速度信号采集时采用 软件滤波的 方法 ，消除了高频噪声对系统的影响。 3测试系统实例分析 本 测试 系统通过对液压 系统的测试 ，发现火炮在 高低向运动时，向上运动吃力，原因为两高压导管液 压明显 不一致 ，下高压导管的液压低 于上 高压导管 。 同时测 出上下 高压导管 的压力 和速度不稳定 ，分 析原 因为设 备运 行 初期 ，管道 和油 道 内的毛 刺 、型 砂 ，切 屑等污 物在液 流的冲击下脱 落 ，堵塞 阻尼孔和 滤油器 。 在检测补油箱液量时，通过该测试系统发现液压 系统压力上升 的时间变长 ，其原 因为补油箱液体容量 不足造成压力上升缓慢 。 利用该测试系统对液压元件及 系统进行测试 ，取 得 良好 的效果 ，较好地完成 了测试任务的要求 。 4结 论 针对某型火炮液压系统测试的特点 ，运用虚拟仪 器、传感器、电子技术及采集卡等，研究开发出了一 套液压测试设备，较好的满足了测试任务的要求。同 时液压测试 系统 可用 于 同类 液压 系统 的测 试 和检测 中，达到 了一定的通用性。 下转第 l 1 2页 1 1 2 机床与液压 第 3 8卷 是 ，因 目标零件上的特征往往存在 于多个 已有 的零件 上 ，因此在工艺设计过程中要 检索 多实例 的相似工艺 集合 。采用递进 式相 似工 艺实例 的检 索策 略 ，在 不 同的检索阶段 ，其相 似工艺 实例集 和相似度可 以不 同，因此复杂零 件也 能够 匹配 到各 阶段 的相似工艺实 例 。另外 ，单特征检索位 于递进式检索的过程 中，使 单特征相似性 匹配是在零 件全局特征相似 的前提下进 行 ，因此单特征 的相似性 匹配准确度能够得到保证 。 5 ． 2 ． 3 零件工艺分层 设计 目标零件工艺分层设计过程模型如图 2 ，根据 目 标零件信息 ，依据人工工艺设计过程的要求，使用计 算机进行相似工艺实例集的层次检索 ，并依据零件特 征的相似度对工艺实例排序 。系统提供的各层相似工 艺实例是完整 的工艺实例文件 ，在完整的工艺实例中 提取全部或局部的工艺知识是工艺人员，目前计算机 的智能 尚不能达到 。工艺设计人员对相似 工艺实例集 进行 寻优评价和工艺知识重用 ，并结合企业制造 资源 进行 目标零件的人机交互式的主干工艺路 线 、工序细 化 和工步 的分层设计 ，完成 目标零 件的工 艺设计 。 5 ． 2 ． 4 工艺实例存储 目标零件的工艺设计结果存人 工艺实例文件管理 数据库中，作为工艺实例的组成部分。 6结束语 计算机的工作模式适合处理重复繁琐的工作，但 是能胜任抽象性 综 合性 强 的决 策任 务是 工艺 设计 人 员 。大量的研究 企图通过记 录人 的行为 、找 出其 中的 规律并将 它们 赋予 计 算机 ，但 是 ，其 实用 还 有待 时 日，所 以设计理论和方法的发展必须是 以人为本而不 是企 图摆脱人⋯ 。通过计算 机用工 艺实例检索特征对 相似工艺实例进行递进式检索，工艺设计人员对工艺 实例知识进行提取和重用，进行零件 的分层工艺决 策 ，人与计算机各 自执行 自己最擅 长的任务 ，建立人 机交互式的基于实例推理的工艺决 策模 型。下一步 的 研究是基 于上述 理 论 ，研究 零件 信 息模 型 的详细 结 构，对零件的相似性进行度量 ，以静态的零件特征信 息和动态的制造资源信息为依据进行 工艺决策 ，以提 高 C A P P系统 的实用性和通用性。 参考文献 【 1 】谢友柏． 知识服务互联 网上合作设计的基础[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 2 ， 1 3 4 2 9 02 9 7 ， 3 2 0 ． 【 2 】刘晓冰， 刘彩燕 ， 马跃， 等． 基于分层实例推理的混合型 行业工艺设计 系统研究 [ J ] ． 计算 机集成制造系统， 2 0 0 5 ， 1 1 7 9 4 1 9 4 6 ， 1 0 1 3 ． 【 3 】张恒文 ， 丁霞庆， 蔡颖， 等． 基于实例推理的工艺规划 [ J ] ． 航空制造技术， 2 0 0 6 9 7 78 1 ． 【 4 】罗尚虎， 尹建伟， 董金祥． 一个工艺实例的匹配方法[ J ] ． 计算机辅助设计与图形学学报 ， 2 0 0 2 ， 1 4 6 5 9 0 5 9 3 ． 【 5 】 高伟， 殷国富， 胡晓兵． 一种新的 C A P P 实例检索和检索 特征构建算法 [ J ] ． 计算 机集成制造 系统， 2 0 0 5 ， 1 1 1 1 1 6 0 01 6 0 3 ． 【 6 】孙丽， 王秀伦， 景宁． C A P P系统 中基于实例的推理及检 索方式的研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 1 6 1 5 81 6 1 ． 【 7 】盛步云， 尹术海， 付杰勤． 基于特征／ 零件族的工艺决策 系统研究[ J ] ． 成组技术与生产现代化， 2 0 0 4 ， 2 1 4 1 6 1 9． 【 8 】黄国青， 李建峰． C A P P系统中典型工艺知识的应用研 究[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 6 ， 2 5 4 4 5 5 4 5 7 ． 【 9 】陈静， 程小辉， 杨桂华． 面向工艺决策的箱体零件特征信 息模型的研究[ J ] ． 组合机床与 自动化加工技术， 2 0 0 8 1 2 3 23 7 ． 【 1 0 】褚学宁． 基于原型的渐进式工艺设计过程理论研究 [ J ] ． 计算机集成制造系统 C I M S ， 1 9 9 7 4 3 4 3 9 ． 【 1 1 】邵新宇， 邓建春， 蔡力钢． 直接工程环境下基于相似性 的变异工艺设计 方法 [ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 0 ， 1 1 1 0 1 1 5 71 1 6 0． 上接 第 8 7页 但是还存在测试项 目不够全 面 ，如油液检测没有 进行测试 ；液压放 大器 电机 转子扭矩 没有进 行测试 ； 由于火炮液压系统测 试存在 特殊性 ，液压测试点选择 受 到限制 。 参考文献 【 1 】 李庆久． 自 行火炮液压元件性能测试系统的研究[ D ] ． 大连 大连理工大学 ， 2 0 0 5 ． 【 2 】胡仁喜， 王恒海， 齐东明， 等． L a b V I E W8 ． 2 ． 1虚拟仪器 实例指导教程[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 7 ． 【 3 】吴良宝， 倪善生． 液压测试技术[ M] ． 上海 上海交通大 学出版社 ， 1 9 9 5 ． 【 4 】 零点工作室， 张睿． A h i u mD e s i g n e r 6 ． 0原理图与P C B设 计[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 7 ． 【 5 】 葛哲学， 孙志强． 神经网络理论 与 M A T L A B 2 0 0 7实现 [ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 7 ． 【 6 】 刘成平． 基于虚拟仪器技术的液压系统动态测试仪的研 究与开发一软件设计 [ D ] ． 西安 长安大 学 ， 2 0 0 5 ． 上接第 l 1 6页 【 5 】王延兴， 李防战 ， 孟光， 等． 基于 M o d e l i c a和D y m o l a的压 气机系统的建模与仿真方法 [ J ] ． 燃气涡轮实验与研 究 ， 2 0 0 4， 1 8 3 3 5 3 9 ． 【 6 】李培滋， 王占林． 飞机液压传动与伺服控制 上 [ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 1 9 7 9 ． 【 7 】曹玉璋． 传热学[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0o1 ． 【 8 】沈燕 良， 曹克强， 王建平． 飞机系统原理[ M] ． 西安 空军 工程 大学工程学 院出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 9 】雷天觉． 液压工程手册 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 】 99 0．