基于虚拟仪器的隔振装置特性测试系统的研发

□ 施永康 □ 戴春祥 □ 周晓飞

上海大学 机电工程与自动化学院 上海 200072

现代社会中，高层建筑不断增多，电梯的速度也不断加快，随之而来的振动问题也越来越突出，成为影响乘坐舒适性甚至安全性的因素［1］。电梯的振动主要分为垂直振动［2］和水平振动。近年来，学者们对电梯水平振动的数学建模做了许多工作，李立京等建立了二自由度的电梯轿厢水平振动模型［3］。Utsunomiya等建立了四自由度的振动模型［4］。傅武军等建立了一个空间五自由度的电梯水平振动模型［1］。冯永慧等建立了空间六自由度模型［5］。然而以上模型均为线性模型，其阻尼器或减振器都以等效阻尼处理，而在实际应用中，非线性阻尼器使用非常普遍。

本文基于虚拟仪器开发平台LabVIEW软件，建立了隔振系统机械特性测试系统，并对实际应用中的某电梯隔振系统及其阻尼缓冲器进行了测试，得到了不同频率下的力-位移滞回曲线，从而反映出电梯数学建模中的非线性问题。

1 测试系统主要模块设计

1.1 测试系统总体结构

▲图1 系统硬件总体结构图

测试系统硬件的总体结构如图1所示。该系统由上位计算机、测控系统 （NI USB 6212 BNC数据采集卡）、测试平台（包括伺服驱动器、电动缸、力和位移传感器）等组成。其中上位计算机主要实现人机界面交互、接口管理、参数设置、数据存储、数据处理和实时通信等功能；下位的NI USB6212 BNC实现伺服控制以及数据采集等功能；测试平台中，由驱动器驱动的电动缸实现各种运动，传感器采集数据并传回NI板卡。

1.2 测试平台机械结构

测试平台机械结构如图 2所示，它由刚性底座、电动缸、接近开关、位移传感器、力传感器等组成。其有效测试空间为600 mm×300 mm×200 mm。作动器选用Lim-Tec公司的电动缸，其额定推力为1.5 t，往复频率可达20 Hz，有效行程达300 mm，通过电感式接近开关防止其超行程，可按要求输出正弦、随机、冲击等运动。上端配以Interface公司S型力传感器以及Fltech公司的导电塑料型位移传感器，力传感器综合误差为0.05%FS，位移传感器可重复精度≤0.01%。

1.3 控制与采集系统

控制和采集系统选用的是NI公司的USB-6212（BNC）板卡，该板卡具有16路同步模拟输入（16位 ，400kS/s），2 路 模 拟 输出 （16 位，250kS/s），32 路数字 I/O，2个 32位计数器。它利用USB总线供电，可方便应用于各种便携笔记本电脑。与 NI LabVIEW、ANSIC/C++ 、Visual Basic.NET、Visual Basic 6.0完全兼容。

将伺服驱动设置为位置模式，利用1个计数器和1个数字I/O口，向伺服控制器发出控制转速的脉冲序列和控制方向的高低电平，可完成电动缸的快速上下移动以及准确定位功能。

将伺服驱动设置为速度模式，利用1个模拟输出口，向伺服控制器发出正弦、三角、随机等模拟信号，电动缸可完成对应的运动，实现试验功能。

将传感器信号接入模拟输入口，即可测得同步电压，经过对应换算，可得真实量。

▲图2 测试平台机械结构

2 测试系统软件设计

在硬件设备的基础上，通过虚拟仪器编程语言LabVIEW的集成开发环境，实现电动缸的控制和数据的采集、存储、处理等功能。

电动缸的快速上下移动要实现的功能是：按住上/下按钮不放，电动缸进行上/下快速移动，速度可调。其任务类型属于脉冲频率输出，程序如图3所示。程序发出2路信号，分别是频率可变的连续脉冲以及改变方向的数字量。创建2个数字I/O作为上/下按钮，其按钮机械动作为保持触发直到释放；改变运动方向是通过一个子程序，一次性改变I/O口高低电平；创建1个CO脉冲频率任务，当程序开始运行时，要求脉冲暂停，故创建1个DAQmx触发，当触发I/O为低电平时，脉冲暂停，当按下并保持上/下按钮时，触发I/O为高电平，脉冲发出。通过改变脉冲频率来改变运动速度。

要完成各项试验内容，电动缸需要按照各种模拟波形运动。创建AO电压任务，规定其最大、最小电压值，NI的模拟输出支持±10V的电压。为了产生各类波形，添加波形发生子程序，并规定其已经过换算后的幅值、频率等。规定其缓存采样频率和一个循环读取的波形周期，并添加模拟波形采样，将生成的波形存入板卡的缓存中。将任务送入循环中，即可实现目标要求。循环中添加了SampClk.Rate属性节点，可通过前面板频率输入的改变而实时变更。

▲图3 电动缸快动程序

传感器数据采集程序如图4所示。由于传感器输出的是电压信号，所以创建AI电压任务，采样时钟设置连续采样。任务进入循环后通过模拟1D波形N通道N采样DAQmx进行采样，一个循环采集2路通道的N个数据点。将数据拆分后换算，并在前面板显示曲线，然后写入数据文件，方便离线数据分析。

3 测试结果与分析

利用该设备对某电梯隔振装置进行动态特性实验，输入不同频率正弦波形，其作用力-位移图形如图5右图所示，可见其存在强烈的非线性，且速度越大，非线性越明显。又对其使用的阻尼缓冲器单独进行实验，如图 5左图所示，发现其推程时有阻尼作用，且阻尼大小随速度增大而增大，回程时阻尼基本不起作用，非线性主要体现在阻尼器中。

4 结论

设计和实现了一个基于虚拟仪器的隔振装置动态特性测试系统，基于虚拟仪器编程语言LabVIEW完成了各模块的软件设计。利用该系统对电梯隔振装置以及阻尼缓冲器进行了特性测试，达到了预期效果。为隔振系统的研究提供了一个可行的实验平台，证实了电梯隔振系统中存在的非线性问题，对电梯的数学建模工作有一定帮助。

▲图4 数据采集程序

▲图5 缓冲器（左图）和隔振装置（右图）的试验滞回曲线

［1] 傅武军,朱昌明,张长友,等.高速电梯水平振动建模及动态响应分析［J].机械设计与研究,2003,19（6）:65-67.

［2] 金卫清,张惠侨.电梯机械系统动态特性的建模分析［J].机械设计与研究,1999,15（3）:53-55.

［3] 李立京,李醒飞.电梯轿厢水平振动模型［J].电梯工业,2002,3（5）:24-26.

［4] K Utsunomiya,KI Okamoto.Active Roller Guide System for High-speed Elevators ［J].Elevator World,2002,50（4）:86-93.

［5] 冯永慧,张建武.高速电梯水平振动模型的建立与仿真［J].上海交通大学学报,2007,41（4）:557-560.

［6] ISO 10846-1:2008,Acoustics and Vibration-Laboratory MeasurementofVibro-acoustic TransferPropertiesof Resilient Elements［S].