（机械电子工程专业论文）基于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研究.pdf

基子虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时溯试技术研究 摘要 减振嚣是汽车、摩托车中一个关键的易擐零部件，主蒙是内部导向套一活 塞秆这对往复运动摩擦副的失效导教，因此研究就裟型往复运动的摩擦磨损机 理具有十分麓要的实际意义和理论意义本文在研究了减振器往复运动特点的 基础上，提国并研究了基予虚拟仪器的往簸式摩擦瘩损试验实时测试系统。本 文着藁论述了根据往复运动特点建立的数学模型，实时测试系统的硬件设计， 并且针对动态系统中静赉王羹静误差邈行了分辑，褥滋了解决方案，在硬锌鹃配 合下以虚拟仪器技术和图形化的编程语言l a b v i e w 为核心，开发了并完成了 基予凌羧纹器戆建笺式摩擦耱援试验实孵测试系绫。该系统吴毒稳定、胃纛、 操作界面友好的特点，并实现了数据的实时采样、实时分析处理、瞬间图形存 壤、图形秀瑷、辕囊等功熊，方便黥对试验镞爨安孵、量纯懿售诗。枣予冀具 有良好的频响特性，满足了试验的实时测试要求，并成功的将虚拟仪器技术与 摩擦学试验缝合起卷，为摩擦学测试技术野鼹了凝约发展方囊。 关键词；虚拟仪器? 实时测试系统? 往复式摩擦磨损试验，l a b v i e w r e a l t i m em e a s u r i n ga n d t e s t i n gt e c h n i q u e f o r r e c i p r o c a t i n g f r i c t i o n & w e a r e x p e r i m e n t b a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t a b s t r a c t a sw e l lk n o w nt h es h o c ka b s o r b e rl sak e yp a r to f a u t o & m o t o r c y c l et h a ti s e a s yt ob ef a i l u r e t h eg u i d eb u s h i n g & p i s t o nr o di sa l s oe a s yt of a i lm o s t l yi nt h e s h o c ka b s o r b e r t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n tp r a c t i c a la n dt h e o r e t i c a lm e a n i n gt o s t u d yf r i c t i o n & w e a rm e c h a n i s md u r i n gt h i sr e c i p r o c a t i n gm o v e m e n t i n t h i sp a p e r , ar e a l - t i m em e a s u r i n ga n dt e s t i n g s y s t e mb a s e do nv i r t u a li n s t r u m e n t s ( v 1 ) f o r r e c i p r o c a t i n gf r i c t i o n w e a re x p e r i m e n ti sp r o p o s e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h et e s tb e dw a sg i v e nb a s e do nr e c i p r o c a t i n gc h a r a c t e r i s t i c a g a i nt h eh a r d w a r e d e s i g na n d e h o r a n a l y s i so f r e a l t i m et e s ts y s t e mw e r e s h o w na sw e l l 。t h i sr e a l - t i m e t e s t s y s t e mw a sc o m p l e t e dt h r o u g hv ia n dt h eg r a p h i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e l 蘸b v i e w , i ti sar e l i a b l es y s t e mw i t hf r i e n d l yi n t e r f a c e s w h i c hc a r r i e so u tt h e t e s td a t a sr e a l t i m e s a m p l i n g ，a n a l y s i sa n dh a n d l i n g ，i n s t a n t a n e o u sg r a p hs a v i n g ， g r a p hr e o c c u r r e n c ea n de x p o r t i n gf u n c t i o ne t c i tc a ng i v et h er e a l - t i m ea n dr i g h t r e s u l t so f t r i b o l o g ye x p e r i m e n t i tc a nm e e tt h et r i b o l o g y t e s t sr e a l * t i m er e q u i r e b e c a u s eo f g o o df r e q u e n c yc h a r a c t e r i z a t i o n 。i nt h e t e s ts y s t e m ，i ti ss u c c e s s f u lt ou s e t h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n i q u ei nt r i b o l o g ye x p e r i m e n t ，w h i c hp i o n e e r e dan o v e l m e t h o do f m e a s u r i n ga n dt e s t i n gt e c h n i q u e o f t r i b o l o g y ， k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t s ( v i ) ，r e a l t i m em e a s u r i n ga n dt e s t i n gs y s t e m ， r e c i p r o c a t i n gf r i c t i o n & w e a re x p e r i m e n t ，l a b v i e w 独创性声明 本人声明所鼙交的学位论文是本入在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究戏累。握我所知，除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他入已经发表或撰写过韵研究成采，也不毹含为获得金疆薹鼗太堂或其熊 教育机毒句的学位或证书丽使用过的材料。与我同工作过的同志所做的任何贡 献均融在论文中作了明确盼溅辫 并表示致谢。 学位论文作者签名：高论 签字日期：og 年。明舀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作兹完全了解佥罡王些太燮有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构递交论文的复荽f 】件和磁盘，允许论文被 查阅却借翊。本人授权佥月墨王：! g 太堂可以姆学位论文的垒部或部分内容编 入有关数据库进行稔索，可以采雨彩印、缩印或扫播等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 僳密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 焉玲导师签名：禽 盘参 签字| 三| 期：。；年e 钥 f t 签字日期：蛰多年廿钥 题 学位论文俸者毕娃菇去囱 工作单位： 通讯地址： 电话：f 一，；r 罗 邮编：；删7 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师俞建卫和焦明华老师表示由衷的感谢。 在课题研究工作中，两位老师严谨的治学态度、渊博的知识和丰富的实践经验 使我受益终生。 两年多的时间里，两位老师不仅为我提供了良好的学习试验条件，还在生 活上给予了无微不至的关怀。从两位老师身上学到的不只是科学知识，同时学 会为人处事的道理以及人生的态度，是我研究生学习期间的一份宝贵财富。 由衷感谢田明老师在课题及生活方面给予了极大的关心，并且在实验方面 给予了很大的帮助。 感谢胡献国老师对我的论文提出了许多宝贵的意见和建议；感谢余晓芬老 师在系统的软件设计方面给予的极大帮助。 同时感谢黄飞、孙帖、沃恒洲和其他研究生同学在课题研究过程中给予的 无私帮助。 最后，衷心的感谢我的父母、哥哥姐姐，他们的支持和关心是我学习的动 力。 作者 2 0 0 3 4 符号清攀 p 。拐始载穗 k 弹簧弹性系数 e 一凸轮偏心距 r 一凸轮半径 ( 。一角速度 l 一涟杆长 b 一曲柄长度 母。一与载必瓣秘位麓 f ( t ) - - i 9 1 j 传感器实测力值 m 活塞杆质量 ) 一活塞抒燕速澄 m 2 一传感器与活塞杆连接部分质量 苎王生垫垡璺堡堡苎壁堡壁塑蔓堕壅堕! 些堕型! ! 堕 1 i 摩擦磨损概述 第一章绪论 摩擦、磨损和润滑是一个古老而又新颖的课题，摩擦磨损问题存在于人类 物质活动的各个方面。特别是随着物质文明的进步和工业技术现代化的发展， 机械设备的开发使用普遍趋于重载、高速、高效率化，如何控制和改善机械的 摩擦磨损状况、提高其使用寿命和工作可靠性，已成为机械工业技术人员必须 关注的问题，并促使其研究不断的深入和发展。1 9 6 6 年英国学者h p j o s t 发表 了著名的学术报告一润滑( 摩擦学) 、教育和研究( a r e p o r t o n t h e p r e s e n ta n d i n d u s t r y s n e e d ) ，系统的阐述了“摩擦学( t r i b o l o g y ) ”及其在国民经济中的重 大意义并被人们普遍关注，也标志着摩擦学发展成为一门包括摩擦、磨损和润 滑在内的跨学科的科学。 摩擦学定义为“研究相互接触、相对运动表面的科学、技术及相关的实践。 【1 】”。它是研究在摩擦与磨损过程中相对运动表面之间相互作用、变化及其有 关的理论与实践的一门科学。摩擦磨损则是“两个接触表面之间的由于相对运 动而发生的相互作用及物质运动的过程。”摩擦与磨损是自然界中能量守恒和物 质守恒两大基本规律的重要环节，因为减少摩擦和磨损从本质上也就是节省能 量和提高材料利用率的问题。 在机器系统中，机器构件的运动是最基本和最重要的功能。机器构件之间 的相对运动和接触作用是通过摩擦副来实现的，同时也在摩擦副两表面之间产 生摩擦、磨损和润滑等物理现象。机器中任何一个摩擦副故障( 摩擦学失效) ， 都将导致机器相关部分或全部功能的失效。因此，摩擦副的摩擦磨损问题是摩 擦学研究的基本问题和及其重大的课题，也是机器设计的关键技术之一。 摩擦学具有两个重要属性：多学科性，即摩擦学的研究涉及材料、化学、 机械、测试、物理和力学等多个领域；实践性，即摩擦学理论分析往往需要大 量实验研究的支持，其应用更是直接服务于各种生产实践i2 1 。在摩擦学研究中， 机械零件的摩擦磨损实验研究及其测试技术的研究对于摩擦学问题的解决具有 重大的意义。 1 2 摩擦磨损试验分类 目前根据实验条件和目的可以将机械元件的摩擦磨损性能试验分为两大 类：第一类是现场摩擦磨损试验；第二类是实验室摩擦磨损模拟试验。 - _ m _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - w - h _ ，_ _ - _ _ _ * h - _ - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ w h m * _ _ - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一一 基于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研巍 第一类摩擦磨损试验是在实际使用条件下对整机的摩擦磨损性能进行的检 验，这种试验的真实性粒可靠性较好，但机器零件在实际使用中的磨损一般较 慢，困而需要较长的周期才能得到综合试验结粟。而且机器在实际使用中，经 常在不同工况下远行，由于运行的条件不固定，所取得的测试数据的夔现性较 麓，隧视经较大，不便研究其縻獠磨损的规律。强，也难戳迸行荦项因素对摩擦 磨损影响的观察。通常这种方法仅作为艇机系统的摩擦磨损性能综合评定的一 释手段。 第二类试验方法不需要在实际机器设备上进行操作，只需疆模拟机器元件 熬镬强工援条传采露模羧试验台黎进行试验。遮耱模拨试验可潋壤撂绘定翡工 况条件改变各种参数来分别测定其对摩擦磨损的影响，而且测得数据麓现性和 娥簿缝较好，矮予进行瓣毙分掇。在实验室模数试验状态下还瓣潋逶：i 窭强辱乏试 验条件来缩短试验周期，减少试验费用，可用来对机器冗件的材料匹配特性和 几何学状特性进纷捡测译定和优他改进。但这类试验方法所得铡题结暴，有时 不能完全反映出实际工况条件下的复杂的摩擦磨损状况，往往不能直接应用， 只有精确的模拟试验褥到的结果才能有较好的实用性。通常台架试验龅主要耳 的在于校验试傅试验数獬的可靠往和零件磨损饿能设计的合理性f 3 】。 实践表明：摩擦磨损试验方法和条件不同，试验结果差别很大。所以在试 验室中送行试验辩，应受尽可麓迩模叛实际工况条件，箕中主鼗的有：滑动速 度和表面压力的大小和变化、表面层的温度变化、润滑状态、环境介质条件和 袭蟊接魅彩式等等，霹予离速摩擦萄酌瓣损试验，溢度影响是囊要阁熬，应当 使试件的敞热条件和温度分布接近实际情况。在低速摩擦副的试验中。由于磨 合辩闽较长，爻了清除熬舍鼹试验结栗貔影穗，可良繇兜将试释静蘑擦表面瘗 合，以便形成与使用条件相适应的表面品质：对于未经磨合的试件，通常不采 瘸运转视麓熬测爨数撂，蠢秀这些数撂爵麓不稳定。 1 3 摩擦滕损测试技术研兜现状 摩擦瓣损测试技术的发展与测试技术和测量仪器仪浅的发展密不可分。传 统瓣摩擦瓣臻试骏橇兹溅试琢毽楚基予传统静溺试系统壤论，测试方法莱餍不 连续测定法，如试验前后称量试样的重羹，测定体积变化等等，即使采用了一 定粒测试浚蛋，凑予受烈溅试技零黎溅爨搜器议表发曩静隈懿，菝率稳澎速度 往往不能满足连续测量的要求，仪仅适j 陂了当时条件下对摩擦磨损表面量的测 量。 随着摩擦学研究的不断深入刚2 ，4 3 1 ，对摩擦磨损试验的要求也越来越禽。人 | 、】缀据摩擦磨损的特点制造了具蠢通用意义豹瘁擦瘥损试验规，雳来礤究不曩 状态下的麟擦磨损过程中速度、潞度、摩擦力、摩擦系数、磨损量等参数的变 2 基于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研究 化，根掇参数的变化判断试验材料、润滑剂等的性能。虽然测试技术和测量仪 器仪表的发展为摩擦学的研究提供了方法和设簦，但是局限于测试技术以及电 子式仪器仪表设备的发熊，试验过程中，通常仍采用人工读数方式，从而g l 入 了大量的人为误麓，即使是在传统摩擦学试验系统中采用的记录仪，其读数也 哭是一种缀糨糙的定量表示，仍| 酲不煞满足现代摩擦攀试验的黉求。 在机械工程及其相关领域不断发展的形势下，对于摩擦学研究的袋求也在 不断静撬嵩，由于许多潦擦学突交遥稷楚在稷俊的颓率帮极矮溺耱下发生的， 因此相应地要求摩擦学试验能更真实地反映摩擦磨损现象，而用于获得摩擦磨 镄试验绩号翡簧懑器受羰率变纯鹣影啕较小，掰班准确溯羹懿关键在予螽嚣记 录试验数据的变化。基于这种情况，摩擦磨损智能化测试分析技术已经势在必 行。瑷 弋测试技零以及与之配套熬测量纹器智熊仪表豹发浸戈瘴擦磨损智能他 测试分析技术的发展提供了新的契机，它摈弃了传统方式中人工读数的缺陷， 瘸现代臻戆让测试仪器仪表代餐传统豹仪器仪表进彳亍摩擦磨拨试验熬测量王 作，改进了传统测试方法的不足与缺点。 8 0 年代初期，计算机技术的飞速发展不仅骺动了测试技术的飞快发展，网 时也为摩擦磨损智能化测试分析技术的发展提供了新的发展空间f 辩1 ，使其朝蓿 性能提高、功能发展、价格降低、技术成熟的方向发展【5 1 。作为摩擦学测试技 术发展蘩础的核心自动检测技术到目前已经经历了三彳弋的发展历程，受倾向予 挖掘计算机的软件潜力。 隧麓虚撅技术被弓l 避翻仪耩设计中，测量仪器仪表技术也由单台仪器、叠 架式仪器逐渐转向虚拟仪器的发展，倾向于使用数据采集卡等硬件设备配合软 髂编镯，完成涮燕互俸。虚拟仪器技术澄经被广泛遣成焉疑了鑫动检溺各个赣 域当中【6 l k ”，目前在全世界仪器仪表行业占有很大市场，并代寝着仪器发展的 最耨方淘释潮滚，阖露迄为摩擦瘗损试验智麓纯溺试分析提供了薪豹方法。 1 4 虚拟仪器简奔 1 4 1 测擞仪器的发展 测量测试仪器发展黛今，可以分为删个阶段。 第一代是基于兹瑾宠律懿甄逛磁辊壤式舞代表熬搂羧纹表，魏茯糁表、安 培表、电能表、压力表、温度表等，以及随后发明的电桥电位差计等磁电式模 薹 仪表。这些议装基本主解决了般耨壤量静测量海鬈。 当2 0 世纪5 0 年代出现电予管，6 0 年代出现晶体管时，便产生了以电子管 或燕体管为基磁熬第二代邀予仪器，翔电子式万题表，逛子式魄蘧表等，荬圭 蒙特征为响应速艨快，准确度较高。 基于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研究 数字式仪表是第三代测量仪器的典型代表。同时电子技术、控制技术、集 成电路和计算机技术融为一体，成为测攫仪器的主要特征，测量过程骢程序化 控制，以及不同仪器之间的通讯并形成个测蓬系统。 第四代测量仪器除采用了上述技术外，还采用了数字信号处理技术( d i g i t a l s i n g l ep r o c e s s e r , d s p ) 、系统辨t 鞋技术、计算梳技术及现代数学，它是黻微处疆 器为核心的智能式仪表 1 3 , 5 4 , 1 0 】。 隧薷电子技术和徽辘技术髂飞速发装，溅试接术与计算梳深层次静结合弓| 越测试领域里一场新的革命，一种新的仪器结构概念导致新一代仪器一虚拟仪 器静出魏释“。 1 4 。2 虚拟仪器的出现及定义 由于微机技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及麒在电子 溅塞技术与纹嚣上魏应麓，薮鹣溅试理论、瑟豹测试方法、薪豹测试鹱藏浚及 新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破丁仪器的概念，电子测艇仪器的 秘能帮接翅发生了本矮交往。袭这静饕簸- f ，1 9 8 6 年焚鋈n l 公司( n a t i o n a l i n s t r u m e n tc o ) 首先提出了虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ，简称v i ) 的概念。 辑潺虚拟纹器是指在逶霜微爨诗冀枫上燕入必要豹模块鼗功毙疆传( 魏数 据采集卡) ，在计算机屏幕上用图形界面模拟仪器面板，用程序控制信号的采集、 分辑、显示、存锉积输出等，实现真实仪器的功毙。测试系统秘能可投据软彳譬 模块的功能及不同组合而灵活配蒲f h 】。它的实质是将传统仪器和最新计算机软 牛结合越来，蛆实现扩充传统仪器的功能。实现了“软俅靼使仪器( t h es o f t w a r e i st h ei n s t r u m e n t ) 1 5 1 ” 与传统仪器相比，廉拟仪器有其鳞明的特点： ( 1 测量精度高，可重复行好 由于虚拟仪器减少了硬件的使用，因此也减少了测量误差。据报邀采用虚 掇仪器对窄稼冲的溯羹精度院传统的物理仪器w 提高2 个数量级，同时测试 羹复性进步提高。 ( 2 ) 灏量遮发快 由于测量输入信号只需要一个量化的数据模块，就可通过数据处理器将信 号特经诗簿出寒，因梵鼙缩短溅爱辩蠲，提离溅量速度。 ( 3 ) 缩短缎建系统时间，降低仪器硬件开销，同时也降低了系统故障率 逶_ i 建寝接搜器模块熬支持穰露豹共耀疆释平台，姿溺试系统要增翱个囊 的测量功能时，只需要增加软件来执行新的功能或增加个新的模块来扩展系 绞黪测量菠疆，滚魏系绞瓣组建速度将大大热抉，露鼹系统硬静需求少，系统 故障率也得以降低。 基于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研究 ( 4 ) 实现了用户自定义测量功能，可测传统物理仪器不可测量的对象 如某些复杂波形的动态测量，这些波形需要研究的关键问题可能是高速、 同时出现，对于传统物理仪器是没有办法测量的，而基于v x i 总线的虚拟仪器 具有用户自定义测量功能，并且由于虚拟仪器具有较高的数据传输速度和数据 处理能力，因而可实现这种情况下的测量。 ( 5 ) 易于扩展 为提高系统性能，可方便的加入或更换仪器模块，而不必购买新系统，有 利于测试系统扩展。 ( 6 ) 具有较短的系统更新周期 虚拟仪器是建立在计算机技术和数据采集技术基础之上的，由于这类技术 发展非常迅速，将使虚拟仪器的更新周期由传统仪器的5 1 0 年缩短到1 2 年 1 6 , 1 7 , 1 8 1 。 虚拟仪器与传统仪器的比较可以总结为表1 1 传统仪器虚拟仪器 功能由仪器制造商定义并固定功能由用户定义 硬件是关键软件是关键 系统封闭，与其它仪器设备连接受限制基于计算机的开放系统 价格高，开发维护费用高价格低，软件结构可节省开发和维护费 技术更新周期慢( 5 1 0 年)技术更新周期快( 1 2 年) 友好的中英文图形界面 图形界面小而呆板，不友好 仪器通用化和网络化 1 4 3 虚拟仪器的构成 表1 - l 虚拟仪器与传统仪器对比 总的来说，虚拟仪器可以分成完成数据输入与输出的硬件模块和实现测量 任务的核心部分软件模块两大部分。其基本框图如图1 - 1 。 虚拟仪器的硬件构成有多种方案，通常采用以下几种：基于g p i b ( g e n e r a l p u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) 接口的仪器系统；基于数据采集的虚拟仪器系统；利用 v x i ( v m eb u se x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t ) 总线仪器实现虚拟仪器系统；基于串 行口或其它工业标准总线的系统等四种。 基于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研究 1 丕垂h 数摇滁每r 溅1 g 残转接口仪器卜1g p l b 谩强p 按 - - 1 p c 机工作站i 蓉 l i 。 一| 串行疆仪器| 一 统 r 一 ”| ! 兰! 些璺| 一 一l 枷明辩弱阪裔i 一 图1 - 1 虚拟仪器构成的基本框图 g p i b 仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步，即利用g p i b 接口卡将糟 予g p i b 纹器连接起寒，震诗冀橇增强传统纹器魏弱簸，缀缎大鳌柔瞧叁动溅 试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和使用容易， 它霹裹效灵活遗宠或荟耱不霹魏模兹溅试溅量馁务。稳蔫g p i b 装本溪矮诗舅 机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的 测试测爨误差，闷对可予鬟先编裁好测试趱痔，实现叁动溅试，提褰了测试效率。 基于数据采集的虚拟仪器系统则通过m d 变换将模拟、数字信号采集入计 爨机进行分孝厅、处理、照示等，著可通_ i 建d a 镣转换实现反馈控剿。投据需要 还可加入信号调理和实时d s p 等硬件模块。 v x i 总线为虚拟仪器系统提供了一个更为广阔的发展空间。v x i 总线是 种高速计算杌总线，是v m e ( r s am o d u l ee u m c a r d ) 总线在仪器领域的扩展。 由于其标准开放，传输率惠，数据吞吐熊力强，定时和阔步糖确，模块化设计， 结构紧凑，使用方便灵涵，已经越来越受蓟人们的重视。它便于组织大规模、 集成化系统，是仪器发展的一个方向。 基予审行日竣其它工洼标凇总线的系统就怒将菜登窜口仪器和工妲控带耩 块连接起来，组成实时败控系统【3 3 3 6 】。 述冤论耀荦孛虚 茎l 仪器系统鄂是遥避应用软件将通稻硬件奄通用计算税裰 结合。它是虚拟仪器的核心，其过程与主要工作内容就怒编制应用软件的过程， 露嚣菸滚行豹软传工买主要骞嚣类：一类是文本式编程谣言，魏c 、v i 鞭拄lc + + 、 v i s u a lb a s i c 、l a b w i n d o w 8 c v i 镣；另一类是图形化编程语言，如l a b v i e w 、 h p v e e 等【1 9 l 。 6 基于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研究 1 4 4 虞拟仪器的发展前景 虚拟仪器技术的优势在于用户自定义仪器功能、缩构等t 箍且构建容易， 转换灵活，因此在几何量计量、测控、电子测量、电力工程、物矿勘探、医疗、 振动分幸斤、声学分析、敬障诊断等领域得舞了广泛的应用。翔院利时i 嫩e r s o f l 瓶子工程公司的r a s s p d p 和r a s s s 软件；美国斯坦福大学的虚拟仪器教学、 实验、傍粪系绞；挪藏c a r d i a c 公司豹基于l a b v i e w 平台豹溯试j t 海漓圈 磺油、大气、水流的m p f m 系统等。在国内有清华大学应用虚拟技术构建的用 予捡测汽车发囊缀程麓熬窭厂捡测系绣；毫子郝三瑷懿纹器錾漤控裁系统；石 油科学研究院研制的小测石油精炼试验系统等；另外航天局8 0 9 所、上海8 0 3 蕈舞究颠、上海仪器搜表辑、滤波雀电力试验疆炎掰、澎漫医科大学、上海圈济 大学、上海交通大学等单位也正在开展这方面的研究和应用【2 0 j 。 虚拟仪器的怒现是仪器史上的一场萋套，代表蓑仪器发展敬最毅方向鄹潮 流，是信息技术的一个黧要领域，对科学技术的发展和工业生产将产嫩不可储 鬟的影响。我国传统仪器技术还比较落艏，与豳扑楣魄，测量糖度和埘靠性均 低个数量级，髓自动化程度较低。丽目前，备种测试软件、专用集成电路、 固化软件豹广泛戍用，系统技术茅bv x i 、m m s 等模块式仪器的迅速发展，都 绘虚叛仪器静研究和应糟创遥了良好条件，也为我们掇供了一个缩小与国际先 进水平差距的机会。虚拟仪器狂我国的研究和开发有赘十分显藩的意义，广泛 采角寝瓠铰器技术有韵予绳嵩我蓠仅器的整体永平，节省役器开发的入力和费 用。虚拟仪器技术必将在更多、更广的领域得到应用和普及。 1 5 本课题的研究意义和内容 容然猝存在备秤各样的摩擦运动方式，往篾运动是种典整的机械运动形 式，它相对于旋转运动和单方向匀速直线运动，其运动形式相对复杂，大部分 德复运韵豹瞬态遨动速凌，甚至载荷都怒交讫的，因戴研究毪鬟运动静摩擦磨 损机理具有十分踅要的实际意义和理论意义。 本深越是在建羧投器按术豹蓥礁上，辩经复式摩擦蒲损试验实靖溺试技零 加以研究，研究对象是汽车、摩托车减振器中的导向套活塞杆这对被复运动 摩擦剽，舞试验平台奔予模掇试验稳台繁试验之海。嚣内井氇裔许多摩擦蘑攘 试验平台用于研究往复运动的摩擦特性1 5 l 52 1 ，黧多数是针对发劝机汽缸和活塞 抒摩擦学特牲豹磷究，露汽车猿缀器孛熬罢肉套一活塞榉豹经笺运魂鸯英特殊 性，针对此摩擦剐的摩擦学特性研究具有十分堂大的实际意义。 基予汽车、壤援车城振爨中警逛套活塞蟹往复式耀攘瘗损实瓣溅试系绞 是根据虚拟仪器瑕论、利用计算机辅助进行往复式摩擦磨损的在线试验。首先 7 基于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研究 根据往复式摩擦磨损试验机的机械结构对反映摩擦特性的信号如：速度、载荷、 激发、麟擦力、摩擦系数等进行理论分析，建立其数学模型。然后进彳亍线检测 系统的硬件设计以及软件设计，其中硬件设计包括检测系统从传感器获取信号， 信号的放大、整流和滤波等信号调理硬件，选取数据采集卡作为虚拟仪器硬件 郝分，激及在信号获取、传输及处理酶整个过程中加速度方程较复杂、误差等 问题加以分析，并给出了解决方案等。而软件部分包括通过调用板卡驱动程序 避幸亍a d 浚及读教数据信号，檄据数学模墅辩采集数信号迸行相应逸楚瑾；数 据的实时显示，并在固定周期内对采集信号进行极值、均值计算处理。在整个 试验辩瓣壤蠹锻逛数据夔线。为了方蠖数据对魄，在魏合除段、歪露王镎除段、 试验结束阶段对实时采样图进行定时存储、再现，并殿可以对在试验过程中出 现蹇次谐波豹实辩采嚣辫进行隧辍存锉、再璎，夔便分辑试验试撵豹耀擦学姆 性。实验结束后，可以将数据和图样进行打印输出，实现了测试系统的自动化， 并力求使整个系统达到最少豹人工干预状态。 8 熬于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研究 第二肇虚拟仪器图形饯编程语言l a b v i e w 2 1l a b v i e w 概遂 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ，实验室虚 拟仪器工程平台) 是美国n i 公司推出的种基于g 语言( g r a p h i c sl a n g u a g e ， 鬻澎化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具，它广泛地被工、韭赛、学术器积砑 究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。l a b v i e w 集成了 与满足g p i b 、v x l 、r s 。2 3 2 和r s 一4 8 5 镑议的磺传及数据采集卡通讯的全部功 能。它还内置了便于应用t c p i p 、a c t i v e x 等软件标准的库函数，是一个功能 强大且灵活的软件。利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面 使得编程及使魇过程都生动有趣。使用l a b v i e w 这种谬言编稔时，綦本上不 需要写程序代码，取而代之的是流程图，这为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、 轻松的设诗环境。稠稻它，设计者可敬像搭积本一样，轻松组建个测量系统 和构造自己的仪器面板，而无需进行任何繁琐的计算机代码的编写。 l a b v i e w 软件工具有以下特点： 1 ) 鹜形稼熬编程方式，设嚣卷无须骂饪褥文本格式豹代码，是真歪工程舔 的语言。 2 ) 携洪了丰塞兹数撂采集、分掇及存罐懿黪遗数。 3 ) 既提供了传统的程序调试手段，如设置断点、单步运行，同时提供有独 至的裹亮执行工其，是纛痔动垂裁运行，联予设计者蕊察程序运行豹缨 节，使程j 学的调试和开发更为便捷。 4 ) 3 2 b i t 的编译器编译生成3 2 b i t 豹编译程黟，探 歪瘸户数擐聚集、测试魏 测量方案的高速执行。囊括了d a q 、g p i b 、p x i 、v x i 、r s 2 3 2 4 8 5 在内的各葶申仪器邋信总线标准的所有功黯蘧数，使褥不懂总线标准的开 发者也能够驱动不同总线标准接口设备岛仪器。 5 ) 撼供大量与外郝代码或软件进行连接的机制，诸如d l l s ( 动态连接疼) 、 d d e ( 共享库) 、a c t i v e x 等。 6 ) 强大的i n t e r n e t 功能，支持常用网络协议，方便网络、远程测掇仪器的 开发。 使用l a b v i e w 开发平台编制的程序称为虚拟仪器稷序，简称为v i 。v i 包 瑟三个懿分：程枣靛瑶叛、框图稷净和蚕标连接禧。前瑟板的功髓等效于传统 测试仪器的前面板；流程图功能等效于传统测试仪器与前面板棚联系的硬件电 9 基于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研究 路。 程序前面板用于设黧输入数值和观察输出墩，可以模拟真实仪表的前面板。 在程序前西板上，输入羹被称为蔽错( c o n t r o l s ) ，输崮萋羧称为鬟示( i n d i c a t o r s ) 。 控制和显示是以备种图栎形式出现在前面板上，如旋钮、开关、按钮、图表、 鬻彩等，这使这褥蘸嚣投壹褒易懂。瑟每一个纛痔蔻露板都怼波着一骏框蚕程 序a 框图程序用l a b v i e w 图形编程语言编写，可以把它理解成传统穰序的源 找秘。据图程序港漩疆、节点、图挺亵连线攘威。其中蠛1 ：1 被掰来嚣程_ 搴蓦蓼瑶 极的控制和显示传递数据，节点被用来实现函数和功能调用，图框被用来实现 继构化程序控制愈令，聪连线代表程序执李亍过羧中的数据滚，定义了攥图内的 数据流动方向。下面是一个温度计程序( t h e r m o m e t e rv i ) 的前面板和后面板。 图2 - 1 温度计程序前面板图 铲 斟 蓬2 - 2 湿度诗程彦鑫瓣援鋈 国标连接嚣怒子v l 被其它v l 调露瓣接日。篷标是予v l 程其彳氇稷侉框图 中被调用的节点袭现形式；而连接器则表示节点数据的输入输出口，就象函数 壁王堕垫堡矍堡望垫璧堡壁塑垫墼壅堕! ! 避苎! ! ! ! 塑 的参数。用户必须指定连接器端日与前谣板的控制和显示一一对应。下面蚕示 为温度计程序( t h e r m o m e t e rv i ) 的图标u 连接器。连接器一般情况下隐含不显 示，除j # 蠲户选择打开鼷察它。 2 , 2l a b v i e w 模扳分析 图2 - 3 温度计程序图标连接器图 l a b v i e w 是种图形化设计语言，在一个虚拟仪器v i 的开发过稷中，主 要利用模板创建釉运行稷序。这魑操作模扳可以随意在羼幕上移动，并霄以敖 羲在屏幕的任意位置。搡级模板莛有三类：工具( t o o l s ) 模板、控制( c o n t r o l s ) 模板和功能( f u n c t i o n s ) 模板。 2 , 2 1 工爨模板( t o o l sp a l e t t e ) 工具模板为编程者提供了各种用于创建、修改和调试v i 程序的工熟( 如图 所示) 。该模板可以在w i n d o w s 菜单下选择s h o wt o o l s p a l e t t e 命令以显示该模板。当从模板内选择了侄种工 具后，鼠标箭头就会变成该工具捆应的形状，它包括了 醵下工嶷稳。 操作工具：使用该工具来操作前面板的控制和显 示。使用它趣数字或字耱串控创中键入焦慰，工 具会变成标签工其的形状。 选择工具：用于选择、移动域改变对象的大小。当絮用于改变对象瓣连 框大小时，会变成穗应形状。 苎生型堡璺堡星垄壁堡壁塑苎竺苎型塑旦塑望! ! ! 旦 标签工具：用于输入标签文本或者创建自由标签。当创建自由标签时它 会变成相应形状。 连线工具：用于在框图程序上连接对象。如果联机帮助的窗1 2 1 被打开时， 把该工具放在任一条连线上，就会显示相应的数据类型。 对象弹出菜单工具：用左鼠标键可以弹出对象的弹出式菜单。 漫游工具：使用该工具就可以不需要使用滚动条而在窗口中漫游。 断点工具：使用该工具在v i 的框图对象上设置断点。 探针工具：可以在框图程序内的数据流线上设置探针。程序调试员可以 通过控针窗口来观察该数据流线上的数据变化状况。 颜色提取工具：使用该工具来提取颜色用于编辑其他的对象。 颜色工具：用来给对象定义颜色。它也显示出对象的前景色和背 景色。 2 2 2 控制模板( c o n t r o l sp a l e t t e ) 虚拟仪器的面板是通过软件实现 的。就是l a b v i e w 将传统仪器上的各 种旋纽、开关、显示屏等所有可能涉及 到的操作部件，都做成外形相似的“控 件”分类存于控制模板上。设计仪器模 板时，只需根据需要选择合适的“控件” 放在面板相应的位置上即可。每个图标 代表一个子模板( 如图所示) 。控制模板 可以用w i n d o w s 菜单的s h o wc o n t r o l s p a l e t t e 功能打开它，也可以在前面板的 空白处，点击鼠标右键，以弹出控制模 板。它只有当打开前面板窗口时才能调 用。 控制模板如图所示，它包括以下几个子模板。 数值子模板：包含数值的控制和显示。 1 2 撼于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研究 南尔傻予模袭：遴辑数德鼹控翎鞠显示。 字符串予模板：字符串和表格的控制和盟示。 列表和环( r i n g ) 子模板：菜单环和列袋栏豹掇割j 秘显示。 数组和群子模板：复合黧数据类型的控制和显示。 网形子模板：显示数据结果的趋势图和曲线图。 鼹径霸参考名( r e f n u m ) 予模板：文俘路径稽各释棘鼋； 静控制霸蘧示。 控件容器库子模檄：用于操作o l e 、a c t i v e x 等功能。 对话框子模扳：髑予输入对话壤豹显示羧裁。 修饰子模板：用于给前面板进行装饰的备种图形对象。 用户自定义的控制和显示。 镶糟存储稔文件中静控翻衽显示的接日。 基于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时期4 试技术研究 2 2 3 功能模板( f u n c t i o n sp a l e t t e ) 臻钱模板懿楚l a b v i e w 将传统仪器上瓣各 种测试功能、信号分析文件操作以及输入输 ( i 0 ) 接口设套筑驱动锻成霹供妻接谖趱载露涵 数。使用时只需根据预完成的功能与操作，从子 模板上选择提应的“圈拣”放在滚程凰编辑密翻 中相应的位置上即可。浚模板，二的每一个顶层图 标都表示一个予模扳( 如图所示) 。它可以用 w i n d o w s 菜单下的s h o wf u n c t i o n sp a l e t t e 功能l 打 开它，也可以在框图程序窗口的空白处点击鼠标 右键戬弹出功能模板。褥且它只有打开了框图程 序窗口，后才能出现。它包括结构予模扳、数值 运算子模板、布尔逻辑予模板、字符串运算予模 板、数组子模板、类子模板、比较子模板、时间 鞠对话糕子模投、文嵇输入输漱予摸投、仪器按 制子模极、仪器驱动程序库、数据采集子模板、 镰号整璎子模数、数学模型予模块、蘩澎与声襄 予模块、通讯子摸板、殿用程序控制予模块、底 鼷接1 2 1 予模块、文拦生戏子摸投、示教漾程予摸叛、臻户鑫定义缝子￥l 摸板巍 选择v i 子程序等子模板。 结构子模板：包括程序控制结构命令，例如循环控制等，以及全局变 量程震嫠交量。 数德运算予攘叛：毽摇备群l 常簿静数篷运算簿，魏+ 、一等；戮及各稀常 见的数值运算式，如+ 1 运算；还包括数制转换、三角函数、对数、复数 等运算，以及餐耱数篷露数。 习蠡尔逻辑予模援：毽括各葶孛逻辑遨算慧以及鑫尔鬻数。 字狩串运算子摸板：包含各耪字符串搡掺遵数、数值与警蒋事之润豹 转换函数，以及字符( 串) 常数等。 数维予模板：包括数组运算函数、数组转换函数，以及常数数缀等。 基于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研究 群子模板。包括群的处理函数，以及群常数等。这里的群相当于c 语 蓦中瓣绫椽。 比较子摸投：包括各秘毙较运舅濑数，翔大予、小于、等于。 时间和对话框子模板：包括对话框窗口、时间和出错处理函数等。 文件输入输出予模扳：包括处理文件输入输出的程序和函数。 更器控裁子模板：包摇g p i b ( 4 8 8 、4 8 8 。2 ) 、率行、v x i 佼器控麓静 程序和函数，以及v i s a 的操作功能函数。 仪器驱动程序库：用于装入各种仪器驱动程序。 数据采集予摸扳：包括数据采集硬终熬驱动程廖，以及继号调理获霉 的各种功能模块。 信号处理子模板：包括信号发生、时域及频域分析功能模块。 数学模型予模块：包括统计、曲线拟合、 数值微分、积分簿数值计算工具禳块。 图形与声音子模块：包括3 d 、o p e n g l 、 公式框节点等功能模块，以及 声音播放等功能模块。 逶事嚣子模叛：篷蕹t c p 、d d e 、a c t i v e x 翻o l e 镣功髓的处理模块。 应用程序控制子模块：包括动态调用v i 、标准可执行程序的功能函数。 基于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验实时测试技术研究 底层接口子模块：包括调雳动态连接痒霸c i n 节点等功能懿憝瑾模块。 文档生成子模板。 示教谋程予模摄：包括己a b v i e w 示教糕序。 用户自定义的子v i 模板。 “选择v i 孑稷序”予模扳：包摇一令对话撰，可以选择一令v i 程 j 葶作为予程序( s u bv i ) 插入当前程序中。 壤露软 牛对通过对控制和功能模块中予模块豹灵涵调用，选取楣斑的功黪 予模块，分别置于前后丽板内，使用连线工具即可完成虚拟仪器设计 1 9 , 2 1 1 。 本章介绍了当今在测控领域内的康拟仪器开发软件l a b v i e w 语蠢，它满 足了实现虚拟测试仪器的条件，是虚拟仪器开发环境中图形化语言的杰出代表 之一。l a b v i e w 语言是种面向工程技术入员的图形化编程语言，是种面向 对象的模块化编程语言，使面向对象技术程序的复用性达到最佳，被誉为工獠 矫和科举家静语言。 撼于虚拟仪器往复式摩擦磨损试验宴时测试技术研究 3 1 减振器 第三章往复式摩擦磨损试验枫的数学模型 汽车、摩托李减振嚣( 班下篱拣减缀器) 是汽车臻扼车中一个关键戆零部 件。它是汽车、摩托车悬架与车轮连接的柔性环节，起着缓冲隔振的作用。当 零辆在行驶过程中，路联不平或遇到路跨对，减振器将受力压缩上跳，受力鳃 除后，又在弹簧的作用下回弹。减振器和阻尼油缸能缓冲振动，阻尼通过吸收 熊基衰减振动，减轻驾驶者的起伏程度，延缓越伏时间，使驾驶者感到舒适和 平稳。 图3 1 为典烈的减震器结构原理图。该结构为内置弹簧式，在滑桂内腔装 裔一活塞秆，淆柱内腔被活塞隔开的左右两部分通过活塞秆的内孔和导流孔逐 邋。活塞样通过螺钉与外筒固连，杆上开有丽个阻尼小孔。滑柱受压时，弹簧l 被征缩，撬侠缓渖隧力，b 腔容积减，l 、，腔凌空气受弱篷缩，靛内液舔涵通过 导流孔进入活塞杆内腔。同时a 腔容积增大，形成局部真空，通过两阻尼孔吸 、漓，产垒聪缩阻力；夏纛辩，在弹簧l 瓣罄复力传瘸下，a 腔容积减，j 、，腔内 油压增加，只能通过阻愿孔和配合缝隙排出腔外，形成复原阻力。阻尼力将振 动镌量转纯蠢热熊，减夸擎轮报韵簿绘车赛豹掇福稻筑爨，挺燕嚣驶约平稳链 和舒适性【22 1 。整个过程活塞杆不断地往复运动，与导向套之间产生摩擦磨损， 莠隧羞终赛踌援豹变纯瑟交纯，瓣憩减援爨极荔擐蓼。农车辍使翅寿念耀麓孛， 一般要更换8 一1 0 次。由于减振器的失散，会赢接影响牟辆行驶的平稳性和舒 适性，有对甚至衾导致纾驶事鼓；两其巾最易失效匏就是导向套一活塞好这对 摩擦副，特别是释向套。它们的失效很快会导致整个减振器的失效。因此测试 减擐器特别是导囱套一活塞轩这对凄擦副的摩擦学性能，研究其壤损枧瑕，提窝 其使用寿命是一项十分裔意义的工作。 本课磁研究的对象往复式摩擦磨损试验机是模拟汽车、摩撼车减掇器中导 向套一活塞秆这对摩擦副的实际遗动形式和受力状态；