機(jī)械測試技術(shù)論文(2)
機(jī)械測試技術(shù)論文
機(jī)械測試技術(shù)論文篇二
虛擬儀器及其在機(jī)械工程測試技術(shù)中的應(yīng)用
引言
現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展主要是看計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，計算機(jī)技術(shù)的不斷革新在很大程度上能牽動各行業(yè)的技術(shù)得以更新。隨著科學(xué)技術(shù)的的發(fā)展，尤其是科學(xué)技術(shù)當(dāng)中的信息科學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)我國工業(yè)的發(fā)展日新月異。工業(yè)領(lǐng)域中的機(jī)械工程測試的能力、技術(shù)也不斷得到更新。在測試分析的領(lǐng)域當(dāng)中，傳統(tǒng)的利用模擬信號來進(jìn)行信息處理的方式已逐漸被數(shù)字信號處理方式所替代，現(xiàn)使用最為廣泛的信息處理方式就是數(shù)字信號處理方法[1]。但是市場上數(shù)字化、智能化的測試儀器或是系統(tǒng)復(fù)雜多樣，雖然其方便了測試工作，但其儀器之間的連接非常復(fù)雜使得測試工作的效率大大降低，并且存在很多硬件及軟件的冗余現(xiàn)象。在這種背景下，虛擬儀器就被發(fā)明了出來，使得測試技術(shù)又向前邁進(jìn)了一步。
1.機(jī)械工程測試技術(shù)的發(fā)展
現(xiàn)代工程測試技術(shù)是指人們利用專門的儀器設(shè)備，通過對研究對象進(jìn)行試驗、測量之后再進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算及分析等，從而獲得人們所需要的研究對象的相關(guān)信息，使得人們能夠能過對信息流的控制來實現(xiàn)對能量流及物質(zhì)流的控制的目的[2]。現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展帶動了機(jī)械工程測試技術(shù)的向前進(jìn)步，但同時也要求有更高的機(jī)械工程測試技術(shù)與之匹配，給機(jī)械工程測試技術(shù)也帶來了挑戰(zhàn)?，F(xiàn)代工程測試技術(shù)已逐漸從原來的單一學(xué)科慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬W(xué)科之間的相互借鑒及滲透，使得現(xiàn)代工程測試技術(shù)能夠形成一個各學(xué)科內(nèi)容相互滲透的綜合性測試系統(tǒng)，傳統(tǒng)的測試技術(shù)的方法、方式等都能得到更新及提升，讓工程測試技術(shù)得到進(jìn)一步地發(fā)展。
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)我國工業(yè)已實現(xiàn)機(jī)電一體化及工業(yè)自動化，并且隨著科學(xué)技術(shù)水平的提高，其一體化及自動化水平也越來越高，而工程測試系統(tǒng)是工業(yè)系統(tǒng)研發(fā)、應(yīng)用及教學(xué)過程當(dāng)中重要的組成部分，所以工程測試系統(tǒng)也要求越來越復(fù)雜。傳統(tǒng)的工程測試系統(tǒng)其功能比較簡單，對于很多需要用上的軟件或是硬件資源都不能兼容或進(jìn)行共享，這不但加大了進(jìn)行測試所需要的成本，而且也限制了測試范圍，同時測試參數(shù)的精準(zhǔn)度也大大下降。在這種情況下，人們急需要一套能夠綜合各學(xué)科、功能多樣、系統(tǒng)完善及測量精準(zhǔn)的測試系統(tǒng)來滿足應(yīng)用新技術(shù)的需要，而虛擬儀器就是在這種需求下應(yīng)運(yùn)而生的。
2.虛擬儀器的基本概念
虛擬儀器的引入，主要是隨著經(jīng)濟(jì)及科技的發(fā)展，現(xiàn)代工程測試系統(tǒng)需要一種技術(shù)能實現(xiàn)系統(tǒng)更新方便，保證機(jī)動運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活性，能實現(xiàn)資源共享，系統(tǒng)功能強(qiáng)大，研發(fā)及應(yīng)用成本低廉且擁有自主版權(quán)等一系列功能的前提下而提出來的。應(yīng)用虛擬儀器的測試系統(tǒng)可以根據(jù)機(jī)械工程的具體測試需求，通過對系統(tǒng)模塊的自由調(diào)換組合、對系統(tǒng)資源的重新配置，并將現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)資源利用上，采取透明的方式來將機(jī)械工程測試技術(shù)的應(yīng)用效率提高。
虛擬儀器當(dāng)中有硬件及軟件，硬件是用來實現(xiàn)信號的輸入及輸出，而軟件則是用來體現(xiàn)整個系統(tǒng)在運(yùn)行時的關(guān)鍵技術(shù)及功能[3]。虛擬儀器可在利用同一個硬件系統(tǒng)的前提下，通過利用不同的軟件來提供不同的測量儀器所需要的功能。虛擬儀器不但實現(xiàn)了測試功能的軟件化，而且其面板控制也都是通過軟件來完成的，簡單來說虛擬儀器的最重要核心就是軟件系統(tǒng)，通過軟件可對各種儀器進(jìn)行定義，可以說軟件系統(tǒng)就是虛擬儀器本身。
虛擬儀器中所帶的測量儀器主要是用來采集數(shù)據(jù)，同時還肩負(fù)著測試及分析數(shù)據(jù)、輸出顯示結(jié)果等功能。其中數(shù)據(jù)的分析及其結(jié)果輸出都是通過軟件系統(tǒng)來實現(xiàn)的，所以如果能在外部提供一套完整的用于采集數(shù)據(jù)的硬件，就可利用計算機(jī)來組成一套測量儀器。我們把這種利用計算機(jī)來構(gòu)成的數(shù)字化測量儀器叫做“虛擬儀器”[4]。
在實際的操作當(dāng)中，我們可以根據(jù)具體的測試需要將所用到的模塊化的硬件接口卡插入計算機(jī)的總線槽內(nèi)，這樣可同時將儀器的測試功能以及用來模擬畫面的面板控制都轉(zhuǎn)變成軟件模塊，然后將計算機(jī)硬件上的資源進(jìn)行充分地共享，這樣就能在計算機(jī)的幫助及協(xié)調(diào)下來將機(jī)械工程的測試、計算、數(shù)據(jù)處理及分析、數(shù)據(jù)存儲及取用、數(shù)據(jù)顯示及回放一步到位地完成，而且還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的打印同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，這樣就將傳統(tǒng)儀器中所存在的問題都解決了，從而慢慢替代了傳統(tǒng)的以硬件為主的測試系統(tǒng)。虛擬儀器的應(yīng)用排在了傳統(tǒng)測試技術(shù)的原有結(jié)構(gòu)、測試模式及有關(guān)測試概念，使得機(jī)械工程測試技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，同時也體現(xiàn)了現(xiàn)代測試技術(shù)正朝智能化及軟件化發(fā)展。虛擬儀器的應(yīng)用將對產(chǎn)品的研發(fā)、提高生產(chǎn)效率以及教學(xué)過程當(dāng)中的實驗都產(chǎn)生世大的影響。
3.虛擬儀器的組成及特點(diǎn)
虛擬儀器主要是由硬件及軟件共同組成，其具體組成結(jié)構(gòu)可見圖1。下面就從這兩方面作具體分析。
3.1硬件部分
虛擬儀器主要是通過利用計算機(jī)來將傳統(tǒng)測試儀器的測試功能進(jìn)行軟件化，也就是我們所說的將測試功能進(jìn)行軟件化的設(shè)計;同時要根據(jù)具體的測試需要將所用到的模塊化的硬件接口卡插入計算機(jī)的總線槽內(nèi)，還要通過利用傳感器和測量電路來將測試對象與模塊接口卡進(jìn)行連接，這樣一套完整的利用虛擬儀器來組成的測試系統(tǒng)就完成了。
另外我們還可通過利用不同的集成測試方法來把傳統(tǒng)儀器所擁有的不同測試功能及面板控件等都集中在同一個軟件平臺上，這樣我們就可以利用一臺計算機(jī)而實現(xiàn)各種不同的工程測試功能，這不僅發(fā)揮了虛擬儀器的優(yōu)勢而且體現(xiàn)了利用虛擬儀器的測試效率。
要實現(xiàn)不同一的測試功能只需要啟動相對應(yīng)的模塊就可實現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)的 機(jī)械工程測試儀器來說，其比較方便且性價比明顯更高。其次，利用虛擬儀器可將 計算機(jī)的硬件資源進(jìn)行充分共享，從而使得新的測試儀器具有功能強(qiáng)大、智能化、高可靠性、操作界面簡潔及方便推廣等諸多優(yōu)點(diǎn)。再次，運(yùn)用虛擬儀器的測試儀器都測試功能都軟件化了，因此用于制造及調(diào)試硬件的費(fèi)用就大大減少了，從而使得研發(fā)及運(yùn)用成本有了大幅度地下降，傳統(tǒng)測試儀器當(dāng)中的硬加工也逐漸轉(zhuǎn)化成軟件加工，所需要耗費(fèi)的資源及能源在很大程度上就減少了，實現(xiàn)了環(huán)保及綠化的 社會 發(fā)展需求。再一個軟件的升級非?？焓沟酶呖萍夹畔⒑看蟠笤黾訌亩辜夹g(shù)能夠快速更新并具信息化。除此之外，因 應(yīng)用虛擬儀器實現(xiàn)了測試儀器自定義需求，用戶可根據(jù)自己具體需求來任意組裝系統(tǒng)從而實現(xiàn)不同的測試功能，使儀器具有強(qiáng)開放性、高參與性、個性化、系統(tǒng)模塊化及標(biāo)準(zhǔn)化的特征。
3.2軟件部分
軟件部分是組成虛擬式測試系統(tǒng)的最關(guān)鍵部分，不同領(lǐng)域的編程人員可通過對不同編程 語言 (比如說VB語言、VC語言、C++等)的利用，通過計算機(jī)來實現(xiàn)對信息進(jìn)行處理、運(yùn)算及分析等不同功能，同時還可通過面板控制來制造形象的動態(tài)旋鈕、按鈕、指示燈或是顯示窗口等種操作界面[5]。軟件的虛擬面板相當(dāng)于傳統(tǒng)測試系統(tǒng)當(dāng)中的按鍵式儀器，但利用虛擬式測試系統(tǒng)可通過定義不同的系統(tǒng)功能而對數(shù)據(jù)處理及分析的方法進(jìn)行選擇，從而能獲得各種不同的測試及分析所用的數(shù)據(jù)或是圖形來幫助完成測試 工作。
從圖3中我們可看到虛擬儀器具體的軟件結(jié)構(gòu)，其中頻響測試的功能主要是通過利用傳遞函數(shù)的分析功能來實現(xiàn)的，其中包括測定頻響函數(shù)及計算相干函數(shù)，另外還可以通過對構(gòu)件的振動物性參數(shù)進(jìn)行測定來使頻響測試功能得以實現(xiàn)。示波器的功能主要是通過顯示通道內(nèi)所輸入的信號，并對其進(jìn)行波形存儲及波形回放而實現(xiàn)的。而信號分析儀的功能主要體現(xiàn)于以下幾個方面：對時域進(jìn)行分析、對頻域進(jìn)行分析以及對AR譜進(jìn)行分析等功能，在使用這些功能時，其都可通過信號分析儀在菜單或是工具條上進(jìn)行方便的選擇。另外軟件體現(xiàn)的是多文檔結(jié)構(gòu)的風(fēng)格，多分析窗體可將刷新情況同時顯示出來，一種信號的改變可在不同的分析窗體中同時顯示。
3.3虛擬儀器的特點(diǎn)
在機(jī)械工程測試系統(tǒng)中應(yīng)用虛擬儀器從根本上打破了傳統(tǒng)測試儀器的功能設(shè)定及實現(xiàn)。傳統(tǒng)的測試儀器其功能都是由廠家來設(shè)定的，其所能測試的對象也是固定的，另外儀器所能完成的任務(wù)也比較單一。然而應(yīng)用虛擬儀器的機(jī)械工程測試系統(tǒng)實現(xiàn)了功能的自定義，用戶可利用不同的編程語言在不違反使用規(guī)則的前提下來對各功能模塊進(jìn)行變換、自由組合以實現(xiàn)不同用戶的測試所需，滿足了不同用戶的個性化需求。另外比較重要的一點(diǎn)是，運(yùn)用虛擬儀器的機(jī)械工程測試系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)來說，其因?qū)崿F(xiàn)了各功能的軟件化，在很大程度上減少了研發(fā)及運(yùn)用硬件的成本，同時還減少了資源及能源的消耗，保護(hù)了 環(huán)境的同時還促進(jìn)了企業(yè)的發(fā)展。這表明在未來的機(jī)械工程測試系統(tǒng)當(dāng)中，虛擬儀器的使用將成為主流，其有著廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景。
4.虛擬儀器在機(jī)械工程測試技術(shù)中的應(yīng)用
虛擬儀器的發(fā)展非常迅速，現(xiàn)其也廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。而在機(jī)械工程測試系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)用虛擬儀器，通常來說是根據(jù)用戶的具體測試需求來對系統(tǒng)的軟件及硬件進(jìn)行設(shè)計，以實現(xiàn)不同檢測需求，同時針對檢測結(jié)果進(jìn)行分析。在這方面，美國的弗吉尼亞洲技術(shù)公司有了一定成就，其利用虛擬技術(shù)研發(fā)出了一種用來測量MEMS中硅片厚度的光學(xué)測微計，其可分辨到微米級別。該系統(tǒng)主要是通過數(shù)據(jù)采集卡來將模擬信號及數(shù)字信號輸出，從而實現(xiàn)對激光器的控制，另外其是利用圖像采集卡來獲取晶體圖像的，而對于x、y坐標(biāo)的控制則是通過PC-Step-4CX來實現(xiàn)的。除此之外最重要的，對于數(shù)據(jù)的分析及其結(jié)果的顯示及控制是通過利用LabVIEW圖形化的編程語言來實現(xiàn)的。
4.1機(jī)械工程測試系統(tǒng)的硬件
下面我們以某一機(jī)械系統(tǒng)來了解虛擬儀器的具體應(yīng)用。利用該系統(tǒng)來測試機(jī)械產(chǎn)品是否達(dá)標(biāo)主要需要對以下參數(shù)進(jìn)行測量：振動幅度、油壓力的最大值、平均值及變化規(guī)律、振動頻率、發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速與振動力之間的關(guān)系。根據(jù)所要測試的參數(shù)，我們可進(jìn)行如下設(shè)計。
結(jié)合虛擬儀器技術(shù)的有關(guān)設(shè)計思路及檢測的需求，我們需要用到的硬件有：傳感器、動態(tài)應(yīng)變儀、A/D轉(zhuǎn)換及計算機(jī)，其具體結(jié)構(gòu)可見圖4。其中的拉壓力傳感器主要是用來對振動力的變化進(jìn)行檢測;壓力傳感器則是用來對系統(tǒng)的壓力進(jìn)行檢測;位移傳感器是用來對振動的幅度進(jìn)行檢測;而數(shù)字式光電轉(zhuǎn)速計是用來對發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量;計算機(jī)是用來對整個測試內(nèi)容和所需量程進(jìn)行控制的。
4.2機(jī)械工程測試系統(tǒng)的軟件
軟件部分是虛擬儀器的最關(guān)鍵組成部分，其主要是由系統(tǒng)程序以及應(yīng)用程序構(gòu)成，其具體結(jié)構(gòu)可見圖5。軟件功能的編程主要是利用LabVIEW來實現(xiàn)。用戶接口則是利用圖形的方式來實現(xiàn)，這在很在程度上給用戶帶來的便利，用戶可將系統(tǒng)當(dāng)作按鍵儀器，根據(jù)自己的測試需求來選擇不同的測試功能，同時還可對數(shù)據(jù)的處理及分析方法進(jìn)行選擇，體現(xiàn)了測試系統(tǒng)的方便、快捷。
結(jié)語
機(jī)械工程測試系統(tǒng)將虛擬儀器應(yīng)用主要是利用了虛擬儀器的技術(shù)思想及集成測試的優(yōu)勢，使得資源能夠極大程度上地進(jìn)行共享，借助計算機(jī)平臺后就可利用軟件模塊將計算機(jī)所擁有的資源以及系統(tǒng)硬件存在的測試功能，通過對軟硬件模塊的變換或進(jìn)行不同設(shè)置，從而讓機(jī)械工程所需要的不同測試任務(wù)得以完成。這不但使測試功能多樣化，而且很大程度上降低了測試成本，同時還為機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)提供了技術(shù)保障，使研發(fā)效率得以提高。因此在未來的機(jī)械工程測試技術(shù)的發(fā)展當(dāng)中，虛擬儀器的應(yīng)用將成為主流，發(fā)揮著其巨大的測試作用。
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