金 鑫，Philip Mathew，吳 冰

(新南威爾士大學(xué)機(jī)械工程與制造學(xué)院，澳大利亞悉尼 2032)

利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造，已是大勢(shì)所趨，而虛擬儀器系統(tǒng)正是計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)儀器技術(shù)進(jìn)行融合的產(chǎn)物，在21世紀(jì)，虛擬儀器將會(huì)引發(fā)傳統(tǒng)儀器產(chǎn)業(yè)一場(chǎng)新的革命［1］。

LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)程序正是虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)的代表，是由美國(guó)(NI)公司研制開發(fā)的作為數(shù)據(jù)采集和控制軟件的標(biāo)準(zhǔn)程序，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界、實(shí)驗(yàn)室研究等［2］。它可以運(yùn)行于Windows、Mac OS X和Linux系統(tǒng)上，類似于C和Basic開發(fā)環(huán)境。與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別:傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)都是采用基于文本語(yǔ)言生成代碼;LabVIEW來(lái)源于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言的順序特性并以易用的圖形化設(shè)計(jì)環(huán)境為特色，包括數(shù)據(jù)采集(DAQ)、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等必須的所有工具。本文通過對(duì)一項(xiàng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的研究，來(lái)描述對(duì)LabVIEW軟件程序的具體應(yīng)用。

1 儀器與方法

a．儀器。機(jī)床選用 Colhchester Tornado A50型。其他設(shè)備有:多用途摩擦測(cè)量設(shè)備 (Multipurpose Friction Measurement Rig)、DAQ數(shù)據(jù)采集器、直徑為80mm金屬圓環(huán)，材質(zhì)為1045(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn))。

b．方法。在基于數(shù)據(jù)采集DAQ系統(tǒng)上采用LabVIEW，來(lái)采集實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的力學(xué)數(shù)據(jù)，其中拋光壓頭選用形狀為頭部半球形拋光壓頭。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為60s。實(shí)驗(yàn)所用方法是通過拋光壓頭對(duì)被緊固在機(jī)床上的工件表面進(jìn)行摩擦拋光實(shí)驗(yàn)，并緊固在多用途摩擦測(cè)量設(shè)備上，其底座連接DAQ數(shù)據(jù)采集器，并與計(jì)算機(jī)相連［3］。在實(shí)驗(yàn)中，拋光壓頭使用的材質(zhì)為1045金屬，作用力為150N。實(shí)驗(yàn)開始后，計(jì)算機(jī)以0．1s的間隔記錄60s內(nèi)拋光壓頭作用在金屬板上的X，Y，Z 3軸方向的力。

c．依據(jù) American Iron and Steel Institute(AISI)美國(guó)鋼鐵學(xué)會(huì)金屬材料牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)為1045金屬。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)中LabVIEW程序在0～15．1s內(nèi)，對(duì)機(jī)械拋光壓頭在金屬工件上理論作用值150N的力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄。

再根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行公式運(yùn)算:

式中:f為摩擦力;μ為摩擦系數(shù);Fx為X軸方向的力;Fy為Y軸方向的力;p為壓力，其值等于Z軸方向的力。

在實(shí)驗(yàn)中，由于要對(duì)所使用的多用途摩擦測(cè)量設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，所以一切參數(shù)均為校準(zhǔn)后參數(shù)。在運(yùn)用LabVIEW軟件過程中，為保證所測(cè)力學(xué)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，尤其是壓力p，即Z軸向力的數(shù)據(jù)，所以應(yīng)在Z軸上進(jìn)行測(cè)量，為得到更好的R2值，在設(shè)定線性表達(dá)式時(shí)，使用一元五次線性表達(dá)式。根據(jù)校準(zhǔn)后的參數(shù)，設(shè)置LabVIEW的框圖式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 LabVIEW程序框圖結(jié)構(gòu)

從圖1中可以很明顯地看出，初始電信號(hào)被轉(zhuǎn)換成為3個(gè)頻道，分別對(duì)應(yīng)X，Y和Z軸力學(xué)數(shù)據(jù)。由于通過校準(zhǔn)后決定所采集后信號(hào)的單位需要統(tǒng)一換算為毫伏電壓(mV)，因此在信號(hào)采集后乘以1 000再進(jìn)行運(yùn)算，其他參數(shù)則是校準(zhǔn)后所得。由圖1可以很清晰地看到，在進(jìn)行Z軸力學(xué)數(shù)據(jù)采集時(shí)，使用了一元五次線性表達(dá)式。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，通過電壓放大器，分別輸出X，Y和Z軸的力學(xué)數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換為文本格式存儲(chǔ)到所存放路徑的文本當(dāng)中，方便后期數(shù)據(jù)的查看和處理。

首先使用LabVIEW程序所采集的數(shù)據(jù)，通過式(1)和(2)的計(jì)算，運(yùn)算結(jié)果、摩擦力和摩擦系數(shù)經(jīng)線性表示如圖2所示。圖3(a)、(b)所示的“使用C語(yǔ)言程序下所得數(shù)據(jù)繪圖”則是通過使用C語(yǔ)言程序進(jìn)行采集所得的數(shù)據(jù)繪制而成。

圖2所示的是在理論壓力150N、進(jìn)給速度40m/min的條件下，1045金屬拋光壓頭在Al 6061金屬工件上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得的摩擦力以及摩擦系數(shù)的線性趨勢(shì)圖。從圖2可以看出，在理論壓力150N的條件下，所測(cè)實(shí)際壓力平均值近似150N;另外，通過計(jì)算后繪制出的摩擦系數(shù)曲線振動(dòng)也很平穩(wěn)，平均維持在約0．3附近。從圖3(a)中可以看到，所測(cè)力學(xué)數(shù)據(jù)隨著時(shí)間的推移而使得振動(dòng)加?。?］。在圖3(b)中也可以看出，摩擦系數(shù)的測(cè)量曲線振幅明顯偏大，尤其在最后實(shí)驗(yàn)階段，所測(cè)數(shù)據(jù)幾乎無(wú)法做出實(shí)驗(yàn)評(píng)估［3］。

圖2 使用LabVIEW程序下金屬工件摩擦力和摩擦系數(shù)線性趨勢(shì)

通過本實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)代程序LabVIEW相較于傳統(tǒng)C語(yǔ)言程序的進(jìn)步可分為以下幾點(diǎn):

圖3 使用C語(yǔ)言程序下所得數(shù)據(jù)繪圖

a．通過使用LabVIEW程序，根據(jù)采集所得數(shù)據(jù)繪制而成的曲線(如圖2所示)，與應(yīng)用原傳統(tǒng)C語(yǔ)言程序?qū)嶒?yàn)所得數(shù)據(jù)(如圖3所示)繪制成的曲線對(duì)比可以看出，LabVIEW數(shù)據(jù)線的平滑與平穩(wěn)度都好于C語(yǔ)言;在數(shù)據(jù)結(jié)果上，兩者的數(shù)值差異在實(shí)驗(yàn)起始階段差異并不十分明顯，但LabVIEW的數(shù)據(jù)在之后的測(cè)量中更加平穩(wěn)與準(zhǔn)確。

b．LabVIEW軟件的框圖程序相較于傳統(tǒng)C語(yǔ)言程序，無(wú)論是從編寫量還是簡(jiǎn)單程度都有明顯的優(yōu)勢(shì)。在本實(shí)驗(yàn)中，使用傳統(tǒng)C語(yǔ)言程序編寫量約為A4紙4頁(yè)，因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)編譯語(yǔ)言中，實(shí)驗(yàn)測(cè)試開始前需要輸入各種參數(shù)，比如:＜時(shí)間＞、＜轉(zhuǎn)速＞、＜直徑＞、＜作用力＞等等。但在LabVIEW程序中，以上這些參數(shù)都可以不用輸入，這比傳統(tǒng)編譯程序中時(shí)間長(zhǎng)度被定義下來(lái)后就不能更改會(huì)更加優(yōu)化、更加控制自如。比如在本實(shí)驗(yàn)中，從開始到實(shí)驗(yàn)結(jié)束，完全是自行控制，若對(duì)數(shù)據(jù)不滿意，可以隨時(shí)延長(zhǎng)或隨時(shí)暫停，縮短其實(shí)驗(yàn)時(shí)間。機(jī)床的控制也是如此，隨時(shí)可以調(diào)整轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等。與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85%以上的程序開發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度不受影響，體現(xiàn)出了極高的效率。

c．面對(duì)傳統(tǒng)程序中大量的程序語(yǔ)言，編寫者需要非常仔細(xì)和慎重，且一旦出現(xiàn)問題修改起來(lái)比較困難。LabVIEW軟件的框圖程序省去了復(fù)雜的程序語(yǔ)句，只需考慮圖例和算法，程序更清晰易懂;另外，對(duì)于出錯(cuò)的框圖結(jié)構(gòu)，也會(huì)有明顯的出錯(cuò)提醒與糾錯(cuò)建議，使得修改程序變得簡(jiǎn)單明了。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)機(jī)械拋光力學(xué)的實(shí)驗(yàn)，在利用LabVIEW程序的基礎(chǔ)上采集力學(xué)數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析與繪圖。通過對(duì)比之前運(yùn)用傳統(tǒng)C語(yǔ)言程序采集的數(shù)據(jù)分析可以看出，LabVIEW程序完全是圖形化界面，摒棄了傳統(tǒng)程序的邏輯編寫，更加簡(jiǎn)單方便，也更易于理解和糾錯(cuò)，節(jié)省了約85%的程序編寫時(shí)間，極大地提高了效率。另外LabVIEW的采集結(jié)果始終保持平穩(wěn)，避免了大幅度數(shù)據(jù)振動(dòng)，這一點(diǎn)在一些需要較長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集中將起到重要作用。雖然本實(shí)驗(yàn)也有它的局限性，但是仍然可以證明，LabVIEW為用戶快捷地搭建在實(shí)際生產(chǎn)中所需要的儀器系統(tǒng)創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件，替代了一些中小型儀器系統(tǒng)［4］。不久的將來(lái)，LabVIEW將適用于各個(gè)領(lǐng)域的高端系統(tǒng)設(shè)計(jì)、代碼審查、源代碼控制和高級(jí)編程。

［1］ 陳錫輝，張銀鴻．LabVIEW 8．20程序設(shè)計(jì)從入門到精通［M］．北京:清華大學(xué)出版社2007．

［2］ 張桐，陳國(guó)順，王正林．精通LabVIEW程序設(shè)計(jì)［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2008．

［3］ Manudha Thiyunuwan Hearth．Development of a multipurpose friction measurement rig［D］．Sydney，NSW，Australia:The U-niversity of New South Wales，2010．

［4］ Mark B Jensen．Using labVIEW to demonstrate instrumentation principles［J］．Anal Bioanal Chem，2011(400):2673-2676．