基于LabWindows CVI的扭矩扳手?jǐn)?shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)扭矩扳手的檢定點(diǎn)、自動(dòng)檢定次數(shù)、加荷速率等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，扭矩扳手相關(guān)資料的錄入、存儲(chǔ)、查詢，及扭矩儀表的數(shù)據(jù)采集、電動(dòng)機(jī)控制等功能的要求，為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，提出了一種將傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、控制技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。該方案以研華TPC-1570H工控機(jī)、PCI-1761采集卡和TCA稱重傳感器結(jié)合AT-150扭矩測(cè)量?jī)x為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集模塊、扭矩

測(cè)量?jī)x控制模塊和電機(jī)控制模塊。應(yīng)用虛擬儀器軟件LabWindows CVI編寫程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)扭矩扳手檢定值的采集、分析、存儲(chǔ)、打印和報(bào)警。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試表明：系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好。

扭矩扳手是廣泛使用于航空、航天、艦船、汽車、石油化工等工業(yè)部門的一種高精度裝配工具。各種扭矩扳手在出廠前或使用一段時(shí)間后均需檢定，以保證使用要求。

目前，檢定單位使用機(jī)械式檢定儀，通過人工手動(dòng)檢定，扭矩扳手的檢定結(jié)果需要人工錄入計(jì)算機(jī)后保存、打印輸出，這種檢定方式既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，而且檢測(cè)結(jié)果受操作者的經(jīng)驗(yàn)影響，容易造成人為因素影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

本系統(tǒng)不但可以進(jìn)行扭矩扳手的人工手動(dòng)檢定，還具備自動(dòng)檢定的功能，并且將扭矩扳手的基本信息、標(biāo)準(zhǔn)裝置的基本信息、每一檢定點(diǎn)的3個(gè)檢定值、示值相對(duì)誤差、示值重復(fù)性及準(zhǔn)確度級(jí)別等參數(shù)保存到Access數(shù)據(jù)庫中，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和打印輸出。

硬件方面，由于2～3 000 N·m的扭矩負(fù)荷輸出相差太大，要想將多個(gè)量程的傳感器集成于一臺(tái)加載裝置上，用一臺(tái)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，很難對(duì)大小量程進(jìn)行兼顧，所以，本系統(tǒng)用兩臺(tái)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)此功能。一臺(tái)裝置用一個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)2～10 N·m量程段的檢測(cè)功能;另一臺(tái)裝置用4個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)10～3000 N·m量程段的檢測(cè)功能。軟件方面，采用虛擬儀器編程軟件LabWindows CVI，編寫了手動(dòng)示值式扭矩扳手(指針式、數(shù)字式)和手動(dòng)預(yù)置式扭矩扳手的檢定程序。

本系統(tǒng)檢定準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定、功能豐富、操作簡(jiǎn)便，在扭矩檢定中具有很高的應(yīng)用價(jià)值，可以成為企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)控制扭矩扳手、扭矩螺絲刀產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由工控機(jī)、采集卡、軟件平臺(tái)、扭矩儀表、伺服電動(dòng)機(jī)、減速器和扭矩傳感器(4個(gè))等主要部分組成。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。4個(gè)TCA稱重傳感器完成10～3000 N·m量程段扭矩扳手的檢測(cè)功能，AT—150扭矩測(cè)量?jī)x將稱重傳感器檢測(cè)到的扭矩值通過RS232串口發(fā)送給工控機(jī)，工控機(jī)根據(jù)在LabWindows CVI環(huán)境下編寫的程序，通過PCI—1761采集卡控制伺服驅(qū)動(dòng)器，從而控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，以不同的控制要求完成對(duì)扭矩扳手扭矩的加載和卸載。

1.2 硬件介紹

1.2.1 AT-150扭矩測(cè)量?jī)x

AT-150扭矩測(cè)量?jī)x，具有精度高、性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，主要用于扭矩峰值檢測(cè)。該測(cè)量?jī)x具有以下功能特點(diǎn)：1)熒光雙顯示屏，清晰直觀;2)4通道傳感器輸入;3)自動(dòng)零位跟蹤功能;4)全面板式數(shù)字調(diào)校及工作參數(shù)設(shè)置;5)模擬、數(shù)字濾波參數(shù)設(shè)置;6)4種力矩單位示值自動(dòng)轉(zhuǎn)換;7)峰值保持及第一峰值保持;8)6組預(yù)設(shè)值及超差設(shè)置。

AT-150扭矩測(cè)量?jī)x與工控機(jī)通過RS232接口連接，AT-150扭矩測(cè)量?jī)x與TCA稱重傳感器的連接如圖2所示。圖中EX+：激勵(lì)正EX-：激勵(lì)負(fù)SIG+：信號(hào)正SIG-：信號(hào)負(fù)SH：屏蔽。

1.2.2 TCA稱重傳感器

TCA稱重傳感器材質(zhì)為不銹鋼，廣泛應(yīng)用于懸掛容器稱重、起重設(shè)備測(cè)力應(yīng)用，船用、港口機(jī)的測(cè)力應(yīng)用，材料試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用等其他測(cè)力裝置。

1.2.3 PCI-1761采集卡

PCI-1761是一款PCI總線的繼電器輸出及隔離數(shù)字量輸入卡，它提供8路光隔離數(shù)字量輸入通道，在噪聲環(huán)境下為采集數(shù)字量輸入提供3750VDC的隔離保護(hù);它帶有8個(gè)SPDT繼電器可以用作開關(guān)控制設(shè)備或者小型電源斷路開關(guān)。為了便于監(jiān)控，每個(gè)繼電器都帶有一個(gè)紅色的LED指示燈，用來顯示繼電器的開關(guān)狀態(tài)。PCI-1761的8路光隔離輸入通道是噪聲環(huán)境或電位漂移下數(shù)字量輸入的理想選擇。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要完成兩個(gè)控制要求：手動(dòng)示值式扭矩扳手(指針式、數(shù)字式)、手動(dòng)預(yù)置式扭矩扳手的檢定，恒扭矩加載率控制要求。手動(dòng)示值式扭矩扳手(指針式、數(shù)字式)的檢定需要結(jié)合手動(dòng)操作;手動(dòng)預(yù)置式扭矩扳手的檢定程序，可以人工手動(dòng)檢定，也可以自動(dòng)檢定，在自動(dòng)檢定時(shí)，首先控制伺服電機(jī)以一定速度正轉(zhuǎn)，完成扭矩的加載過程，當(dāng)扭矩扳手的實(shí)測(cè)值下降10%時(shí)，該實(shí)測(cè)值即是扭矩扳手的實(shí)際扭矩值，此時(shí)，控制伺服電機(jī)以一定速度反轉(zhuǎn)，完成扭矩的卸載過程，并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)JJG707—2003要求，自動(dòng)判斷扭矩扳手是否合格，將檢定結(jié)果記錄在表格和數(shù)據(jù)庫中。如果在加載過程中，為了防止扭壞扭矩扳手，當(dāng)扭矩的實(shí)測(cè)值超過待測(cè)扭矩扳手的扭矩值的10%時(shí)，控制伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)，進(jìn)行卸載。恒扭矩加載率控制方框圖如圖3所示，首先給定扭矩加載率，將實(shí)際扭矩加載率和給定扭矩加載率比較，如果實(shí)際扭矩加載率等于給定扭矩加載率，控制伺服電機(jī)保持目前加載速度不變;如果實(shí)際扭矩加載率小于給定扭矩加載率，控制伺服電機(jī)加速;如果實(shí)際扭矩加載率大于給定扭矩加載率，控制伺服電機(jī)減速。

2.1 初始化PGI-1761采集卡

PCI-1761采集卡和計(jì)算機(jī)通過PCI總線進(jìn)行通信。LabWindows CVI程序啟動(dòng)時(shí)對(duì)PCI-1761采集卡進(jìn)行了初始化，主要程序如下：

2.2 LabWindows CVI與AT-150扭矩測(cè)量?jī)x的通信

LabWindows CVI與AT-150扭矩測(cè)量?jī)x通過RS-232進(jìn)行通信，串口波特率為9600，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，偶校驗(yàn)。主要程序如下：

ComWrt(comselect，startsample_SJ，7);//計(jì)算機(jī)向AT-150扭矩測(cè)量?jī)x發(fā)送命令

state=ComRd(comselect，readBuf，18);//計(jì)算機(jī)接收AT-150扭矩測(cè)量?jī)x發(fā)送的數(shù)據(jù)

根據(jù)AT-150扭矩測(cè)量?jī)x的通信協(xié)議，編寫了相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，方便的將扭矩值顯示在計(jì)算機(jī)上。

2.3 Access的初始化程序

在扭矩扳手檢定前需要將扭矩扳手的信息錄入到數(shù)據(jù)庫中，程序中設(shè)計(jì)了“錄入”界面;在扭矩扳手檢定后需要給出打印報(bào)告，并將檢定結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。在程序安裝以前需要在“管理工具”中用“ODBC數(shù)據(jù)源”配置數(shù)據(jù)庫，Access的初始化程序如下：

if(SQLDBint(NJ_db1)==FAIL)

{ MessagePopup(“錯(cuò)誤”，“數(shù)據(jù)庫初始化失敗”);

return-1;

}

hdbc=SQLDBDSNConnect(NJ_db1，“SJK”，“admin”，“”);

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，圖中的“檢定次數(shù)”欄中設(shè)定扭矩扳手的檢定次數(shù)，可以自動(dòng)完成扭矩扳手的檢測(cè)，界面上設(shè)置有“超限”和“檢定點(diǎn)”指示燈，用于指示扭矩值超量程和扭矩的實(shí)測(cè)值。界面中的“證書編號(hào)”可以自動(dòng)生成，選擇了“檢定點(diǎn)”的個(gè)數(shù)后，表格中的檢定點(diǎn)自動(dòng)生成。界面中的左下方為電機(jī)控制區(qū)域，右下方為扭矩儀表控制區(qū)域。

通過對(duì)不同量程扭矩扳手的連續(xù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，LabWindows CVI可以實(shí)時(shí)的用收到的數(shù)據(jù)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)IJG707—2003計(jì)算出被測(cè)扭矩扳手符合的的精度等級(jí)，并可以依據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的信息自動(dòng)對(duì)檢定結(jié)果是否合格進(jìn)行判斷，反應(yīng)迅速。

4 結(jié)束語

文中研制了一種扭矩扳手自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理平臺(tái)基于LabWindows CVI的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，介紹了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理的整個(gè)流程，成功實(shí)現(xiàn)了LabWindows CVI對(duì)扭矩扳手?jǐn)?shù)據(jù)的處理，及扭矩扳手檢定點(diǎn)的自動(dòng)和手動(dòng)的控制。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，效果良好。