基于虛擬儀器的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實驗臺測控系統(tǒng)設(shè)計

　　0 引言

　　平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實驗臺提供了機(jī)構(gòu)運動方案創(chuàng)新組合設(shè)計平臺，一方面，以機(jī)構(gòu)及機(jī)構(gòu)組合系統(tǒng)設(shè)計為主線，以機(jī)構(gòu)運動創(chuàng)意組合設(shè)計為重點，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)新能力和分析解決問題的能力；另一方面，學(xué)生通過“平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合及參數(shù)分析實驗臺”獲得測試數(shù)據(jù)及曲線，通過分析曲線變化的原因評價系統(tǒng)和設(shè)計方案，如安裝精度、改善方法、構(gòu)件運動規(guī)律分析等，提高了學(xué)生運用所學(xué)知識分析和解決問題的能力，比單純的驗證性實驗按部就班地操作前進(jìn)了一大步。這就需要實驗臺具有精確的檢測系統(tǒng)，并且檢測系統(tǒng)應(yīng)在準(zhǔn)確測試的基礎(chǔ)上保證開放性和靈活性。基于虛擬儀器技術(shù)可以開發(fā)適應(yīng)不同應(yīng)用場合的虛擬儀器測試方案，更好地組建自動化程度較高，數(shù)據(jù)處理分析能力較強(qiáng)的測試系統(tǒng)。本文就以此為出發(fā)點，開發(fā)設(shè)計了一套基于虛擬儀器的應(yīng)用于該實驗臺的測控軟件。

　　1 試驗臺的工作原理及組成

　　平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合實驗臺提供組成機(jī)構(gòu)的最小單元中的各種構(gòu)件、運動副以及一個能多層、多面、多維的框架，通過改變連桿機(jī)構(gòu)的尺寸實現(xiàn)復(fù)雜的運動規(guī)律，通過不同構(gòu)件和運動副的創(chuàng)新組合實現(xiàn)多種機(jī)構(gòu)運動方案，通過不同的構(gòu)件拼接成不同的基本機(jī)構(gòu)，包括平面連桿機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、間歇運動機(jī)構(gòu)(有槽輪機(jī)構(gòu)、棘輪機(jī)構(gòu)、不完全齒輪機(jī)構(gòu))等基本機(jī)構(gòu)，同時還可以將基本機(jī)構(gòu)進(jìn)行拼接，包括齒輪一桿組合機(jī)構(gòu)凸輪組合機(jī)構(gòu)、齒輪一齒條組合機(jī)構(gòu)、鏈一齒輪機(jī)構(gòu)等。通過傳感器裝置測定位移、速度、加速度曲線，利用計算機(jī)顯示出從動件運動曲線的變化，從而將測試、仿真、設(shè)計與分析有機(jī)地結(jié)合起來。

　　本文以JPCC-Ⅱ型平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)新組合試驗臺為例，探討將虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用到實驗臺的檢測分析系統(tǒng)中的情況。該試驗臺主要包括兩大部分，機(jī)械結(jié)構(gòu)部分和檢測分析系統(tǒng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由底座(安裝平臺)、平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、間歇機(jī)構(gòu)、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、帶(鏈)傳動等機(jī)構(gòu)組成。

　　通用檢測分析系統(tǒng)如圖2所示，配備有速度、角位移、壓力等各種傳感器，對多種參數(shù)進(jìn)行測量，同時采用單片機(jī)與A／D轉(zhuǎn)換集成相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理分析并通過RS 232接口與PC機(jī)的通信，以達(dá)到適時顯示運動曲線的目的。

　　在該檢測系統(tǒng)中，雖然能夠?qū)τ谄矫鏅C(jī)構(gòu)運動過程中的一些位移、轉(zhuǎn)角信號進(jìn)行顯示，但不能達(dá)到在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新組合過程中對于測試過程中的各種情況的處理能力，還存在一些不足：

　　(1)缺乏開放性，實驗?zāi)Ｊ焦潭?，靈活性較差，只能依照系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)定的方式進(jìn)行有限的測試，不能根據(jù)測試對象條件的改變而隨意改變一些測試方法、測試參數(shù)以及測試結(jié)果的表現(xiàn)形式等。

　　(2)數(shù)據(jù)處理能力較差，界面較單調(diào)。對于所有的數(shù)據(jù)只能進(jìn)行一定形式的處理，對于測試結(jié)果只能以一定的形式進(jìn)行顯示。例如由于實驗臺工作條件必定會造成的一些誤差，包括采集過程中的一些隨機(jī)誤差，還有在操作過程中的操作誤差，這些誤差必然會對于結(jié)果有一定的影響，而其并不能對于不同工作條件下引起的一些誤差進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?/P>

　　針對該實驗臺存在的這些缺陷，將基于LabVIEW軟件的虛擬儀器技術(shù)引入到檢測系統(tǒng)中，使該實驗臺的開放性、可操作性及數(shù)據(jù)處理能力大大提高，從而使精確性也提高。

　　2 基于虛擬儀器的檢測分析系統(tǒng)

　　將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就可以構(gòu)成任何一種儀器。虛擬儀器也是一樣的，由三大功能模塊構(gòu)成，包括信號的采集與控制、信號的分析與處理、結(jié)果的表達(dá)與輸出。

　　虛擬儀器系統(tǒng)的一個核心技術(shù)就是軟件技術(shù)，美國NI公司提出的“軟件就是儀器”可以看出軟件對于虛擬儀器的重要性。在虛擬儀器系統(tǒng)中用靈活強(qiáng)大的計算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的某些硬件，特別是系統(tǒng)中應(yīng)用計算機(jī)直接參與測試信號的產(chǎn)生和測量特征的解析，使儀器中的一些硬件從系統(tǒng)中“消失”，而由計算機(jī)的軟硬件資源來完成它們的功能。

　　虛擬儀器測試系統(tǒng)的軟件，主要包括儀器驅(qū)動程序、儀器面板控制軟件和通用I／O接口軟件。虛擬儀器驅(qū)動程序是一組應(yīng)用層次上的軟件模塊，它是處理與特定儀器進(jìn)行控制通信的一種軟件；儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶；在虛擬儀器系統(tǒng)中，I／O接口軟件作為虛擬儀器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中承上啟下的一層，其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化越來越重要。

　　本系統(tǒng)的總體設(shè)計采用PC-DAQ方案，通過多傳感器采集和數(shù)據(jù)融合并配以PC機(jī)平臺和虛擬儀器軟件，構(gòu)成了平面機(jī)構(gòu)試驗臺各種輸入、輸出參數(shù)的數(shù)據(jù)采集控制儀器和系統(tǒng)。

　　該實驗臺所要檢測的數(shù)據(jù)主要包括主軸轉(zhuǎn)動時的轉(zhuǎn)角信號、擺桿擺動時的擺角信號和滑塊移動時的線位移信號。在所設(shè)計的檢測系統(tǒng)中，傳感器采集信號，然后通過專用的屏蔽電纜線將傳感器所采集的電信號經(jīng)虛擬儀器專用DAQ板卡送入計算機(jī)。所得到的數(shù)據(jù)通過軟件進(jìn)行處理。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。