基于VXI总线技术的飞机伺服阀测试数采系统设计.pdf

２０１５ 年 １１ 月 第 ４３ 卷 第 ２２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２２􀆱 ０５７ 收稿日期 ２０１４－０９－３０ 作者简介 魏珊珊 （１９７７）， 女， 讲师， 研究方向为机电液一体化。 Ｅ－ｍａｉｌ ｈａｎｈａｎ２０１０１０２４＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 基于 ＶＸＩ 总线技术的飞机伺服阀测试数采系统设计 魏珊珊 （徐州生物工程职业技术学院机电工程系， 江苏徐州 ２２１００６） 摘要 介绍了基于 ＶＸＩ 总线技术的伺服阀测试台测试系统的设计方法以及 ＶＸＩ 总线设备在 ＬａｂＶＩＥＷ 编程环境下数据 采集的实现方式， 描述了该伺服阀测试系统需要应用 ＶＸＩ 总线设备实现的功能， 说明了 ＶＸＩ 总线设备在 ＬａｂＶＩＥＷ 编程环 境下的软件设计方案。 系统具有较好的实用性， 可以带来较好的经济效益和社会效益， 为基于 ＶＸＩ 总线的测试系统设计提 供了参考。 关键词 ＶＸＩ 总线； 测试系统； 刹车伺服阀测试； ＬａｂＶＩＥＷ 中图分类号 ＴＰ２７４ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２２－１７２－４ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｓｅｒｖｏ Ｖａｌｖｅ Ｔｅｓｔ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＶＸＩ Ｂｕｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＷＥＩ Ｓｈａｎｓｈａｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ， Ｘｕｚｈｏｕ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｘｕｚｈｏｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２１００６， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＶＸＩ⁃ｂｕｓ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ＬａｂＶＩＥＷ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｎ ａ ｓｅｒｖｏ ｖａｌｖｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄａｔａ ａｑｕｉｓｉｔｏｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｗａｓ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｇｒａｍ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｔｈｅ ｓｙｓ⁃ ｔｅｍ’ｓ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｈａｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐｒｏｇｒａｍ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙ ａｎｄ ｃａｎ ｂｒｉｎｇ ｍｏｒｅ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｂｅｎｅｆｉｔ． Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ＶＸＩｂｕｓ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＶＸＩ ｂｕｓ； Ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ； Ｂｒａｋｅ ｓｅｒｖｏ ｖａｌｖｅ ｔｅｓｔ； ＬａｂＶＩＥＷ 民用飞机在着陆接地时具有较大的水平分速度， 同时由于飞机质量较大， 所以在降落滑跑过程中， 很 难依靠气动阻力与机轮滚动阻力对飞机迅速减速。 因 此， 现代飞机都有着陆减速装置。 而现代飞机的着陆减速装置需要刹车伺服阀来控 制刹车力的大小以避免出现着陆时对轮胎的损坏。 针 对飞机刹车伺服阀测试系统的研究比较多， 但基于 ＶＸＩ 总线技术的刹车伺服阀测试系统的研究并不多。 ＶＸＩ 总线仪器同时具有消息基和寄存器基的特 点， 可以实现 ＶＸＩ 仪器之间的高速通信， 此外 ＶＸＩ 总线仪器与计算机也有着很高的通信速度， 具有较高 的系统模块化能力， 为虚拟仪器的进一步扩展提供了 一个较好的平台。 １ 飞机刹车伺服阀测试 飞机刹车伺服阀测试需要对伺服阀进行静态和动 态的测试试验， 如果试验结果能够满足相关标准则认 为该刹车伺服阀液压特性是满足要求的。 飞机刹车伺服阀需要进行 保压试验测试、 内泄 漏试验测试、 压力增益试验测试、 滞环试验测试、 压 降试验测试、 瞬态响应测试、 频率响应测试。 要实现以上试验就需要操作相应数据采集仪器进 行数据采集。 根据实际需要， 确定了该测试系统需要 ＶＸＩ 仪器设备实现的功能有 高速数据采集、 驱动伺 服阀放大器。 ２ 测控系统的组成与软件实现 该测控系统由 ３ 个部分构成 工控机、 ＶＸＩ 总线 机箱、 液压系统、 测控系统软件， 如图 １ 所示。 其中 数据采集任务主要由包含在 ＶＸＩ 总线机箱内部的数 据采集卡 ＶＴ１４１３Ｃ、 ＶＴ１４３５ 完成， 伺服阀放大器输 入电压由 ＶＭ３６０８Ａ 信号输出模块提供， 数采系统采 用 ＬａｂＶＩＥＷ２０１０ 的编程环境。 图 １ 测控模块原理简图 ２􀆱 １ 数据采集卡简介 ＶＴ１４１３Ｃ 模块具有 ６４ 通道多路转换器、 高速 １６ｂｉ 分辨率 ＡＤ 转换器、 多路切换器控制器、 采集精 度高 （读数的 ０􀆱 ０１％）、 ４ ｍＶ～１６ Ｖ 的满量程输入范 围 （６０ Ｖ 满量程可选需配置 ＶＴ１５１３Ａ 衰减器 ＳＣＰ 模 块）、 内置 ６４ ｋＳａ 双口 ＦＩＦＯ 缓存满足高速的数据传 输率、 板载 ＤＳＰ、 当前值表、 自校准等功能。 ＶＴ１４３５ 模块是 Ｃ 尺寸、 单槽、 基于寄存器的 ＶＸＩ 模块， ２４ 位， １０２􀆱 ４ ｋＳａ／ ｓ 数字化仪， 集成了 ＤＳＰ、 传感器信号调理、 抗混叠、 数字化和高速测量 计算功能， 采样速率高、 数据精度高。 ２􀆱 ２ 数据采集底层软件实现 两款数据采集卡自带针对 Ｃ 编程环境的驱动程 序， 由于系统采用的是 ＬａｂＶＩＥＷ 的编程环境， 因此， 图 ２ 数采系统构架 在编程过程中需要先应 用 Ｃ 语言调用相关驱动 函数， 生成动态数据库文 件， 然后在 ＬａｂＶＩＥＷ 的 编程环境下封装这些动 态数据库文件， 从而实现 在 ＬａｂＶＩＥＷ 的编程环境 下调用仪器的 Ｃ 语言驱动 函数。 数采系统构架见图 ２， 底层程序构架见图 ３。 图 ３ 底层程序构架 然而由于所需要完成的试验不同， 需要调用的函 数也不一样， 因此， 在对数采卡进行操作的时候需要 根据实际需求确定 Ｃ 程序的编写方式， 需要灵活运 用 ＤＬＬ 动态库封装来使得程序功能模块化。 针对该 数据采集系统实际情况， 分析出需要 ＶＸＩ 仪器设备 实现的功能有 高速数据采集、 驱动伺服阀放大器。 ２􀆱 ２􀆱 １ 数据采集 需要进行数据采集的数据采集卡有 ＶＴ１４１３Ｃ、 ＶＴ１４３５ 两种， 由于两种数据采集卡的编程方式不同， 因此需要单独对这两种数据采集卡进行编程。 ＶＴ１４３５ 数据采集卡要进行数据采集需要首先进 行数据采集卡初始化， 初始化使得数据采集卡从 Ｂｏｏｔｅｄ 状态进行到 Ｉｄｌｅ 状态 （见图 ４）。 图 ４ ＶＴ１４３５ 初始化 在初始化完成以后， 要完成数据采集还需要软件 完成图 ５ 所示步骤。 图 ５ ＶＴ１４３５ 数据采集状态流程 需要 调 用 到 的 函 数 有 ｖｔ１４３２ ＿ ａｒｍＭｅａｓｕｒｅ、 ｖｔ１４３２＿ｔｒｉｇｇｅｒＭｅａｓｕｒｅ， 根据实际情况不同调用的采集 函数也有所不同。 在这里由于采用的是 ＦＩＦＯ 模式进 行数据采集， 因此采用 ｖｔ１４３２＿ｒｅａｄｆｉｆｏｄａｔａ６４ 函数进 行数据采集。 ＶＴ１４１３Ｃ 有着近似的编程方式， 不再赘述。 ２􀆱 ２􀆱 ２ 驱动伺服阀放大器 采用 ＶＭ ３６０８ 信号输出卡进行伺服阀放大器驱 动， ３６１６Ａ 提供 １６ 个独立的并行 ＤＡＣ 通道、 １６ 位分 辨率。 每个通道具有独立的 ＤＡＣ 模块以及独立的输 出放大器。 除了静态输出之外， 还提供 ＦＩＦＯ 模式， 用于连续数据的输出。 ＶＭ３６１６Ａ 还可工作为任意波 形发生器 （ＡＷＧ） 模式， 可输出各种复杂的信号 波形。 根据不同的试验要求， ＶＭ３６０８ 需要输出不同类 型的连续波形 三角波、 锯齿波、 直流、 阶跃、 正弦 信号。 因此， 软件采用 ＦＩＦＯ 模式工作， 在波形输出开 始前先判断需要输出哪种波形信号再进行对应的波形 输出， 输出波形以后根据上层软件时间需要及时停止 波形输出。 ２􀆱 ３ 测控软件上层软件实现 在做好了底层的数据采集动态数据库文件以后， 上层 ＬａｂＶＩＥＷ 软件需要对这些库进行封装以使得在 ＬａｂＶＩＥＷ 软件中对这些动态数据库进行实时调用。 另外， 按照相关标准， 需要完成的试验有 内泄 漏试验、 压力增益试验、 滞环曲线试验、 耐压试验、 压降试验、 阶跃响应试验、 频率响应试验。 还需要实 时对系统各个传感器进行数据采集并显示， 在进行试 验之前还需要引导用户输入产品型号、 产品编号、 试 验人员、 试验日期等信息， 用户选择是否进行传感器 系数标定、 是否进行传感器自检， 在完成了相关操作 以后， 打开试验操作界面， 信息提示栏提示用户进行 进一步操作。 还需要实时监控系统各处压力流量数 据， 一旦压力流量过大就控制 ＰＬＣ 进行报警提示， 根据实际情况， 上位机采用 ＯＰＣ 通信协议与 ＰＬＣ 进 行通信。 软件大致组成情况如图 ６ 所示。 ３７１第 ２２ 期魏珊珊 基于 ＶＸＩ 总线技术的飞机伺服阀测试数采系统设计 图 ６ 软件组成及其与下位机通信 为了方便用户进行试验、 简化用户操作， 软件结构安排较为紧凑， 软件试验操作界面如图 ７ 所示。 ４７１机床与液压第 ４３ 卷 图 ７ 软件操作界面 ３ 试验结果 以试验中较为具有代表性的滞环试验、 瞬态响应 试验、 频率响应试验为例列举了相关试验的试验结果 以验证该系统的构建可以满足试验的各种需求。 ３􀆱 １ 滞环试验 图 ８ 滞环特性曲线 配置该组伺服阀进油口 压力 （２０􀆱 ６９ ０􀆱 ４１） ＭＰａ， 在回油口建立 （０􀆱 ５５０􀆱 ０７） ＭＰａ 的背压， 控制伺服阀驱 动电流从 ０ 到 ３０ ｍＡ 再到 ０， 以小于 ０􀆱 １ Ｈｚ 速率变化， 波 形为三角波， 测量得到的滞 环试验结果见图 ８。 ３􀆱 ２ 瞬态响应试验 设置供油压力 （２０􀆱 ６９０􀆱 ４１） ＭＰａ， 在回油口建 立 （０􀆱 ５５０􀆱 ０７） ＭＰａ 背压， 封闭压力输出口， 控制 伺服阀驱动电流为 ０ 到 ３０ ｍＡ 再到 ０ 的方波， 记录输 出压力和输入电流。 两个阀的上升、 下降瞬态响应曲 线分别为图 ９、 １０。 图 ９ 打开瞬态响应曲线 图 １０ 关闭瞬态响应曲线 处理该伺服阀开启瞬态响应数据 最大相对瞬时 超调量为 １８􀆱 ３３％； 最大相对瞬时超调量为 １８􀆱 ３３％； 延滞时间为 ０􀆱 ００６ ７ ｓ； 上升时间为 ０􀆱 ０１５ ６ ｓ； 峰值 之间时间为 ０􀆱 ０９８ ３ ｓ。 ３􀆱 ３ 频率响应试验 设置供油口压力 （２０􀆱 ６９０􀆱 ４１） ＭＰａ， 在回油口 建立 （０􀆱 ５５０􀆱 ０７） ＭＰａ 的背压， 控制伺服阀驱动电 流幅值， 在 ２ Ｈｚ 信号下使输出口压力均值为 １０􀆱 ３４ ＭＰａ， 交流分量为１􀆱 ０３ ＭＰａ， 并在１～１００ Ｈｚ 范围内 扫频， 得到频率响应特性曲线。 频率响应试验结果采 用互相关的相关理论获得。 一维互相关 序列 ｘ（ｔ） 和 ｙ（ｔ） 的互相关 Ｒｘｙ（ｔ） 由以下等式 定义 Ｒｘｙ（ｔ） ＝ ｘ（ｔ） 􀱌 ｙ（ｔ） ＝∫ － ｘ（τ）ｙ（ｔ ＋ τ）ｄτ 互相关的离散实现如下 ｈ 代表序列， 其索引可 以为负， Ｎ 是输入序列 Ｘ 的元素个数， Ｍ 是序列 Ｙ 中 元素的个数， 并假设超出序列 Ｘ 和 Ｙ 的索引元素等 于 ０， 如下列等式所示 ｘｊ＝０， ｊ＜０ 或 ｊ≥Ｎ 与 ｙｊ＝０ ｊ＜０ 或 ｊ≥Ｍ ｈｊ＝∑ Ｎ－１ ｋ ＝ ０ ｘｋｙｊ＋ｋ 其中 ｊ＝－ （Ｎ－１）， － （Ｎ－２）， ， －１， ０， １， ， （Ｍ－２）， （Ｍ－１）。 输出序列 Ｒｘｙ的元素与序列 ｈ 中的元素 Ｒｘｙ ｉ ＝ ｈ ｉ－（Ｎ－１） 其中 ｉ＝０， １， ２， ， （Ｎ＋Ｍ－２）。 由于 ＬａｂＶＩＥＷ 数组不能使用负索引， ｔ ＝ ０ 位置 对应的互相关值是输出序列 Ｒｘｙ的第 Ｎ 个元素。 因此， Ｒｘｙ代表该 ＶＩ 移位 Ｎ 次索引后的相关值。 输入信号序列和输出压力数据序列进行互相关 后， 获得这两个序列的相位差， 对相位差作图得到该 阀的相位－频率曲线， 见图 １１。 图 １１ 相位 θ－频率 ｆ 曲线 ４ 结论 综上所述， 调用 ＤＬＬ （动态数据库） 来构建底 层采集程序的方式能够满足该伺服阀测试系统的硬件 指标， 能够完成包括伺服阀频率响应试验在内的动态 性能测试试验， 能够完成包括伺服阀压力增益、 内泄 漏等在内的伺服阀静态试验； 该系统采用了 ＶＸＩ 协 议总线的数据采集系统， 数据采集安全可靠， 数据采 集系统最大采样频率完全覆盖伺服阀测试标准所要求 的性能指标， 在采样速率上保证了系统数据采集的可 靠性； 系统采用了通用的 ＯＰＣ 通信协议， 保证了上 位机与下位机的通信安全和通信时间， 系统构建合理 稳固。（下转第 １７８ 页） ５７１第 ２２ 期魏珊珊 基于 ＶＸＩ 总线技术的飞机伺服阀测试数采系统设计 起， 测杆 １１ 另一端和滑块 ５ 下端孔通过螺纹连接装 配在一起。 无油轴承 １２ 和无油轴承 ９ 分别安装在滑 块 ５ 横向导向槽两端， 滑杆 １ 插入无油轴承 １２ 和无 油轴承 ９ 的内孔， 紧定螺栓 ４ 拧入滑块 ５ 后直至滑杆 １ 上横向导向槽中， 防止滑动测头组件绕滑杆 １ 转 动， 紧定螺栓 ４ 下端和滑杆 １ 上横向导向槽底面不接 触， 确保滑动测头组件沿滑杆 １ 滑动。 两测头组件上的所述测量标准球之间的空间为测 量区 ２０， 所述测杆的长度与待测外圆锥截面高度相 匹配。 ３ 检具制作关键点 滑杆 １ 选用圆柱直线导轨， 直线度小于 ５ μｍ， 圆度小于 ３ μｍ。 两测头组件的滑块系整体加工， 与横向孔平行的 四面是检具加工基准和测量基准， 需在精密平面磨床 磨削， 保证四面相互之间平行度、 垂直度 ５ μｍ， 四 面粗糙度 Ｒａ０􀆱 ８ μｍ。 滑块的横向孔装入无油轴承后 以上述四面为基准找正作精密镗削， 粗糙度 Ｒａ０􀆱 ８ μｍ， 保证横向孔无油轴承轴线与四面平行度小于 ５ μｍ， 同时横向孔无油轴承孔应与圆柱直线导轨配研， 使滑动阻尼适当， 不可过松， 保证底面对圆柱直线导 轨轴线全程直线度在 ８ μｍ。 确保 ２ 个测杆安装孔轴 线穿过无油轴承轴线并正交， 滑块整体加工完成后用 线切割切割分离成滑块 ２、 滑块 ５。 ４ 检具操作 （１） 校正。 人为施加压力推动滑动测头组件使 百分表 ７ 适当受压， 拧进紧定螺栓 ４， 使百分表 ７ 和 滑动测头组件位置相对固定。 拧松紧定螺栓 ３， 使滑 块 ２、 ５ 的下基准面和校准件上基准面贴实， 同时沿 着校准件上基准面前后滑动整个装置， 校准件推动测 量标准球 １４ 带动可调固定测头组件延滑杆 １ 滑动， 找到校准件的最大直径， 拧紧紧定螺栓 ３， 拧松紧定 螺栓 ４， 反复几次沿着校准件上基准面前后滑动整个 装置， 校准件推动测量标准球 １０ 带动滑动测头组件 沿滑杆 １ 滑动， 观察测量表 ７ 的指针变化， 找到校准 件的最大直径， 测量表 ７ 置零。 （２） 测量。 滑块 ２、 ５ 的下基准面和工件上基准 面贴实， 沿着工件上基准面前后滑动整个装置， 测量 标准球 １０ 受力带动滑动测头组件自动向右移动推动 测量表 ７， 同时弹簧 ８ 对滑动测头组件施加反作用 力， 观察测量表 ７ 的指针变化， 找到锥面最大直径， 读测量表 ７ 示数， 即可知圆锥直径偏差值。 在圆锥不 同方位测量多次， 即可算出圆锥的圆度。 ５ 结束语 经过反复的测量检验， 检具满足了验收要求 测 量重复性 ＧＲ ＆ Ｒ 不大于 １５％。 所设计的锥径尺寸测 量专用检具结构紧凑， 原理正确， 能在生产线快速准 确地测出锥径尺寸和圆度， 大大提高了检测精度和检 测速度， 提高了生产效率。 目前此项检具技术已经推 广使用， 并获实用新型专利授权， 产生了巨大的经济 效益。 参考文献 ［１］ 万安民．锥孔大径的测量方法［Ｊ］．机械工人冷加工， １９９５（７）２１． ［２］ 季祥云．ＺＸ 系列振动器滚锥锥径尺寸的测量［Ｊ］．建筑 机械，１９８６（１０）３２－３４． ［３］ 万良前，杨裕岳．比较测量法的原理及应用［Ｊ］．机电工 程，２００３（６）７４－７５． ［４］ 凌中伦．制造锥径仪构想［Ｊ］．科技视界，２０１２（９）１３０． ［５］ 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