沈 毅，費(fèi) 鑫，駱然然，楊 明

（浙江理工大學(xué)浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310018）

基于LabVlEW的離心鑄造監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈 毅，費(fèi) 鑫，駱然然，楊 明

（浙江理工大學(xué)浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310018）

設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)離心鑄造機(jī)生產(chǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。以浙江永成集團(tuán)ZJ013860型離心鑄造機(jī)為研究對(duì)象，搭建了一臺(tái)大型離心鑄造機(jī)過(guò)程監(jiān)測(cè)的虛擬儀器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)監(jiān)測(cè)、轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)可視化程序。仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)溫度、轉(zhuǎn)速和振動(dòng)加速度進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可行，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提高了離心鑄造過(guò)程重要參數(shù)監(jiān)測(cè)的精確性和可視化，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)化、智能化和安全監(jiān)測(cè)有一定的實(shí)用價(jià)值。

Lab VIEW；離心鑄造機(jī)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

0 引 言

目前在我國(guó)離心鑄造行業(yè)中，多數(shù)企業(yè)采用了專業(yè)的鑄造監(jiān)控儀器及專用遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行鑄造的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)，但部分工廠依舊采用人工操作的方法進(jìn)行鑄造生產(chǎn)加工，生產(chǎn)工藝參數(shù)的控制多依賴于經(jīng)驗(yàn)，也存在不少的安全隱患，因此生產(chǎn)過(guò)程中工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)化、智能化和實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)對(duì)于這些企業(yè)已成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題［1-3］。

本課題以浙江永成機(jī)械有限公司ZJ013860型離心鑄造機(jī)為研究對(duì)象。其鑄造機(jī)采用了大型安全防護(hù)罩、地坑式鑄造保護(hù)設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)距離人工監(jiān)測(cè)等方式進(jìn)行加工生產(chǎn)，但對(duì)鑄造生產(chǎn)的精度及鑄造工藝的控制主要依賴于經(jīng)驗(yàn)，因此該企業(yè)迫切希望開發(fā)一套能夠?qū)ιa(chǎn)過(guò)程及工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的控制系統(tǒng)，并且要求該系統(tǒng)便于操作人員使用和調(diào)試。

開發(fā)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的目的是對(duì)鑄造設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的安全監(jiān)測(cè)，以及生產(chǎn)過(guò)程工藝參數(shù)的控制。一方面，可以加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程中人身安全保障，另一方面，生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)并且直觀地監(jiān)測(cè)到軸承溫升、鑄型異常振動(dòng)等不正常的工作參數(shù)，并且結(jié)合工程技術(shù)人員的豐富經(jīng)驗(yàn)及龐大的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而提高鑄件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1 虛擬儀器平臺(tái)選擇

虛擬儀器是計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生出的一種新型的儀器發(fā)展模式。虛擬儀器指的是在計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)上安裝軟件和必要的硬件設(shè)備，比如數(shù)據(jù)采集卡、傳感器等，使得測(cè)試人員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行儀器的操作，還可以根據(jù)測(cè)試的具體情況，對(duì)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行二次開發(fā)，從而滿足不同的測(cè)試情況。

在眾多虛擬儀器的編程軟件中，LabVIEW因具有很多優(yōu)點(diǎn)而凸現(xiàn)出來(lái)［4-5］。由于具有簡(jiǎn)便的程序編寫環(huán)境、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、友好的人機(jī)界面、以及能支持多種不同數(shù)據(jù)采集卡的優(yōu)點(diǎn)，LabVIEW被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)界和科學(xué)研究之中。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

根據(jù)離心鑄造設(shè)備工作的特點(diǎn)和加工的實(shí)際情況，初步設(shè)計(jì)離心鑄造機(jī)過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括實(shí)時(shí)對(duì)離心鑄造加工過(guò)程中的軸承座溫度、軸承座振動(dòng)加速度、銅合金溶液溫度、離心鑄造機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的監(jiān)測(cè)。整套離心鑄造機(jī)過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)核心部分主要包括了傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)、虛擬儀器軟件四部分，各部分的組成如圖1所示。

圖1 過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

通過(guò)離心鑄造機(jī)過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)四大核心部分實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度、轉(zhuǎn)速和振動(dòng)加速度的監(jiān)測(cè)，各個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象程序框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序構(gòu)架

通過(guò)圖2可知，離心鑄造機(jī)過(guò)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中幾個(gè)監(jiān)測(cè)模塊主要實(shí)現(xiàn)鑄造機(jī)的振動(dòng)加速度、轉(zhuǎn)速和溫度的監(jiān)測(cè)、顯示、報(bào)警、參數(shù)輸出等功能，通過(guò)這幾個(gè)功能使得鑄造機(jī)軸承座振動(dòng)加速度、鑄造機(jī)轉(zhuǎn)速、金屬溶液和軸承座溫度能夠?qū)崟r(shí)的顯示在計(jì)算機(jī)上，并可人工設(shè)置危險(xiǎn)報(bào)警值，從而使得鑄造機(jī)能夠安全有效地進(jìn)行鑄造生產(chǎn)。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)本設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)對(duì)象特點(diǎn)，選用研華PCI-1710型數(shù)據(jù)采集卡和配套PCL10168數(shù)據(jù)線纜及ADAM-3968接線端子盒，振動(dòng)測(cè)量選用康泰ULT2003壓電式離心加速度傳感器及配套CM3502恒流源模塊，轉(zhuǎn)速測(cè)量選用雙福N1H-5C-70霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，熔爐金屬液溫度測(cè)量選用JST1200紅外溫度傳感器，軸承座溫度測(cè)量選用中旺PT100鉑熱式貼片式溫度傳感器。具體傳感器規(guī)格參數(shù)如表1所示。

表1 主要傳感設(shè)備規(guī)格參數(shù)

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)程序

根據(jù)選擇的ULT2003壓電式離心加速度傳感器及CM3502恒流源模塊輸出電壓，使用Lab VIEW隨機(jī)數(shù)模塊（0～1）并乘以常數(shù)10使仿真振動(dòng)傳感器電壓輸出信號(hào)為0～10 V，通過(guò)添加數(shù)值顯示模塊、數(shù)值輸入模塊、滑動(dòng)桿模塊、波形顯示器、指示燈模塊、比較模塊、運(yùn)算模塊和逐點(diǎn)加1模塊實(shí)現(xiàn)振動(dòng)監(jiān)測(cè)程序組［6-7］各個(gè)功能，具體程序功能流程及Lab VIEW程序連接如圖3、圖4所示。

圖3 振動(dòng)監(jiān)測(cè)流程圖

圖4 振動(dòng)監(jiān)測(cè)VI程序連接圖

通過(guò)圖4可以實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的仿真、振動(dòng)加速度值波形顯示、振動(dòng)報(bào)警設(shè)置和振動(dòng)報(bào)警計(jì)數(shù)的功能，通過(guò)6對(duì)程序組即可仿真實(shí)現(xiàn)2個(gè)位置6個(gè)方向（X、Y、Z）加速度值的監(jiān)測(cè)仿真。由于被測(cè)目標(biāo)對(duì)象重力方向靜態(tài)加速度值為重力加速度，因此Z方向報(bào)警振動(dòng)數(shù)值輸入控件最小值強(qiáng)制設(shè)置為9.8 g，另外報(bào)警振動(dòng)數(shù)值輸入控件大小加減按鈕最小變化值強(qiáng)制設(shè)置為1 g，最大設(shè)置為100 g。

4.2 轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)程序

根據(jù)選擇的N1H-5C-70霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器輸出高電平為24 V的方波信號(hào)，因此使用LabVIEW仿真信號(hào)模塊和隨機(jī)數(shù)模塊（0～1）仿真霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器方波信號(hào)，通過(guò)添加單頻測(cè)量、數(shù)值顯示模塊、數(shù)值輸入模塊、滑動(dòng)桿模塊、波形顯示器、指示燈模塊、比較模塊、運(yùn)算模塊和逐點(diǎn)加1模塊實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)程序組［8］各個(gè)功能，具體程序功能流程及LabVIEW程序連接如圖5、圖6所示。

通過(guò)圖6可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)的仿真、轉(zhuǎn)速信號(hào)波形顯示、轉(zhuǎn)速值曲線記錄、實(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速報(bào)警設(shè)置和轉(zhuǎn)速報(bào)警計(jì)數(shù)的功能。在本設(shè)計(jì)中由于被測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)速有限，因此通過(guò)常數(shù)1 300與隨機(jī)數(shù)模塊控制仿真信號(hào)模塊仿真最高1 300 Hz的方波信號(hào)，報(bào)警轉(zhuǎn)速數(shù)值輸入控件最大值強(qiáng)制設(shè)置為1 300 r/min，另外報(bào)警轉(zhuǎn)速數(shù)值輸入控件輸入大小加減按鈕最小變化值強(qiáng)制設(shè)置為1 r/min。

圖5 轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)流程

圖6 轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)VI程序連接圖

4.3 溫度監(jiān)測(cè)程序

根據(jù)選擇的JST1200紅外測(cè)溫傳感器輸出為0～5 V電壓信號(hào)，因此使用Lab VIEW隨機(jī)數(shù)模塊（0～1）并乘以常數(shù)5使仿真紅外測(cè)溫傳感器輸出電壓信號(hào)，通過(guò)添加數(shù)值輸入模塊、數(shù)值顯示模塊、滑動(dòng)桿模塊、波形顯示器、旋鈕顯示器、溫度計(jì)顯示器、比較模塊、布爾模塊、選擇開關(guān)模塊、創(chuàng)建表格模塊、寫入測(cè)量文件模塊、運(yùn)算模塊和逐點(diǎn)加1模塊實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)程序組［9］各個(gè)功能，具體程序功能流程及Lab VIEW程序連接如圖7、圖8所示。

圖7 溫度監(jiān)測(cè)程序組流程

通過(guò)圖8可以實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的仿真、攝氏溫度值曲線記錄、實(shí)時(shí)顯示溫度、溫度信號(hào)攝氏度華氏度的顯示切換和輸出切換、溫度報(bào)警設(shè)置和溫度報(bào)警計(jì)數(shù)的功能。在本設(shè)計(jì)中由于被測(cè)目標(biāo)對(duì)象溫度值有限，因此報(bào)警溫度數(shù)值輸入控件最大值強(qiáng)制設(shè)置為1 200℃，由于JST1200紅外溫度傳感器識(shí)別的銅液溫度最小變化為1.2℃，PT100鉑熱電阻溫度傳感器識(shí)別的軸承座溫度最小變化為0.5℃。因此對(duì)兩個(gè)溫度檢測(cè)程序組中報(bào)警溫度數(shù)值輸入控件大小加減按鈕最小變化值分別強(qiáng)制設(shè)置為1.2℃及0.5℃。在本設(shè)計(jì)中由于銅液溫度和軸承座溫度監(jiān)測(cè)程序組基本相似，因此不再對(duì)軸承座溫度監(jiān)測(cè)程序做具體程序設(shè)計(jì)。

圖8 溫度監(jiān)測(cè)程序組VI程序連接圖

4.4 軟件主界面設(shè)計(jì)

根據(jù)本設(shè)計(jì)所需要監(jiān)測(cè)的目標(biāo)對(duì)象，將程序主界面分為三個(gè)主要區(qū)域，從左到右依次為：溫度監(jiān)測(cè)區(qū)域、轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)區(qū)域和振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)區(qū)域。

溫度監(jiān)測(cè)區(qū)域主要包括了工作進(jìn)度顯示條、傳感器電壓值顯示控件、溫度計(jì)顯示控件、攝氏度華氏度切換按鈕、溫度數(shù)值記錄表、溫度數(shù)值記錄控制按鈕組、報(bào)警溫度數(shù)值記錄表、報(bào)警溫度設(shè)置控件、報(bào)警溫度計(jì)數(shù)器、溫度數(shù)值記錄曲線圖、攝氏度華氏度實(shí)時(shí)顯示器。

轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)區(qū)域主要包括了工作進(jìn)度顯示條、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器波形圖、轉(zhuǎn)速值記錄曲線圖、轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)顯示器、轉(zhuǎn)速數(shù)值顯示器、轉(zhuǎn)速報(bào)警設(shè)置控件、轉(zhuǎn)速報(bào)警計(jì)數(shù)器。

振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)區(qū)域主要包括了工作進(jìn)度顯示條、6個(gè)加速度值記錄曲線圖（1號(hào)軸承座X、Y、Z，2號(hào)軸承座X、Y、Z）、6個(gè)加速度報(bào)警組。具體系統(tǒng)界面如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)主界面

5 結(jié) 語(yǔ)

本文論述了離心鑄造過(guò)程監(jiān)測(cè)基于虛擬儀器的軟硬件設(shè)計(jì)，選擇合適的溫度、轉(zhuǎn)速和振動(dòng)傳感器及PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡，搭建了基于Lab VIEW的大型離心鑄造機(jī)過(guò)程監(jiān)測(cè)的虛擬儀器系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)離心鑄造機(jī)工作過(guò)程中的幾項(xiàng)重要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了離心鑄造過(guò)程重要參數(shù)監(jiān)測(cè)的精確性和可視化。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，在實(shí)驗(yàn)室階段只通過(guò)隨機(jī)數(shù)和仿真信號(hào)的模擬，對(duì)溫度、轉(zhuǎn)速和振動(dòng)加速度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證實(shí)方案是切實(shí)可行的，因此，工業(yè)生產(chǎn)的采集工作只需要建立在相應(yīng)的硬件基礎(chǔ)上將程序框圖中隨機(jī)數(shù)模塊及仿真信號(hào)模塊替換成Express中的NI-DAQ助手模塊或者研華DAQNAVI模塊并對(duì)相應(yīng)程序簡(jiǎn)單的設(shè)定即可，設(shè)計(jì)程序基本無(wú)需大范圍改動(dòng)。通過(guò)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用，不僅可提高鑄造加工生產(chǎn)的工藝過(guò)程控制精度，還可以有效地提升離心鑄造技師在操作過(guò)程中的安全性。

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Design of Centrifugal Casting Monitoring System Based on LabVlEW

SHEN Yi，F(xiàn)EI Xin，LUO Ran-ran，YANG Ming
（Key Laboratory of Modern Textile Machinery Technology of Zhejiang Province，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China）

With ZJ013860 centrifugal casting machine of Zhejiang Yongcheng Group as the research object，based on virtual instrument software Lab VIEW，this research designs an automation system that can conduct real-time monitoring on production parameters，Sets up a process monitoring virtual instrument system for large centrifugal casting machine，realizes the visible monitoring of vibration，rotating speed and temperature.The simulation experiment verified the temperature，rotating speed and vibration acceleration in the monitoring process and the design scheme shows feasible.The system improves the precision and visualization of monitoring during the centrifugal casting process，and expected to have certain practical values for datamation，intelligentization and safety monitoring of production process.

Lab VIEW；centrifugal casting machine；real-time monitoring system

TP206.1

A

（責(zé)任編輯：張祖堯）

1673-3851（2014）01-0065-06

2013-04-05

沈 毅（1963-），男，浙江杭州人，教授，碩士；主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，CAD及運(yùn)動(dòng)仿真的研究。