基于虛擬儀器的平面機構創意組合實驗臺測控系統設

0 引言
平面機構創意組合實驗臺提供了機構運動方案創新組合設計平臺，一方面，以機構及機構組合系統設計為主線，以機構運動創意組合設計為重點，培養學生的動手能力、創新能力和分析解決問題的能力；另一方面，學生通過“平面機構創意組合及參數分析實驗臺”獲得測試數據及曲線，通過分析曲線變化的原因評價系統和設計方案，如安裝精度、改善方法、構件運動規律分析等，提高了學生運用所學知識分析和解決問題的能力，比單純的驗證性實驗按部就班地操作前進了一大步。這就需要實驗臺具有精確的檢測系統，并且檢測系統應在準確測試的基礎上保證開放性和靈活性。基于虛擬儀器技術可以開發適應不同應用場合的虛擬儀器測試方案，更好地組建自動化程度較高，數據處理分析能力較強的測試系統。本文就以此為出發點，開發設計了一套基于虛擬儀器的應用于該實驗臺的測控軟件。

1 試驗臺的工作原理及組成
平面機構創意組合實驗臺提供組成機構的最小單元中的各種構件、運動副以及一個能多層、多面、多維的框架，通過改變連桿機構的尺寸實現復雜的運動規律，通過不同構件和運動副的創新組合實現多種機構運動方案，通過不同的構件拼接成不同的基本機構，包括平面連桿機構、齒輪傳動機構、凸輪機構、間歇運動機構(有槽輪機構、棘輪機構、不完全齒輪機構)等基本機構，同時還可以將基本機構進行拼接，包括齒輪一桿組合機構凸輪組合機構、齒輪一齒條組合機構、鏈一齒輪機構等。通過傳感器裝置測定位移、速度、加速度曲線，利用計算機顯示出從動件運動曲線的變化，從而將測試、仿真、設計與分析有機地結合起來。
本文以JPCC-Ⅱ型平面機構創新組合試驗臺為例，探討將虛擬儀器技術應用到實驗臺的檢測分析系統中的情況。該試驗臺主要包括兩大部分，機械結構部分和檢測分析系統。機械結構如圖1所示，主要由底座(安裝平臺)、平面連桿機構、凸輪機構、間歇機構、齒輪傳動機構、帶(鏈)傳動等機構組成。

通用檢測分析系統如圖2所示，配備有速度、角位移、壓力等各種傳感器，對多種參數進行測量，同時采用單片機與A／D轉換集成相結合進行數據采集、處理分析并通過RS 232接口與PC機的通信，以達到適時顯示運動曲線的目的。
在該檢測系統中，雖然能夠對于平面機構運動過程中的一些位移、轉角信號進行顯示，但不能達到在機構創新組合過程中對于測試過程中的各種情況的處理能力，還存在一些不足：
(1)缺乏開放性，實驗模式固定，靈活性較差，只能依照系統內部設定的方式進行有限的測試，不能根據測試對象條件的改變而隨意改變一些測試方法、測試參數以及測試結果的表現形式等。
(2)數據處理能力較差，界面較單調。對于所有的數據只能進行一定形式的處理，對于測試結果只能以一定的形式進行顯示。例如由于實驗臺工作條件必定會造成的一些誤差，包括采集過程中的一些隨機誤差，還有在操作過程中的操作誤差，這些誤差必然會對于結果有一定的影響，而其并不能對于不同工作條件下引起的一些誤差進行適當的處理。
針對該實驗臺存在的這些缺陷，將基于LabVIEW軟件的虛擬儀器技術引入到檢測系統中，使該實驗臺的開放性、可操作性及數據處理能力大大提高，從而使精確性也提高。

2 基于虛擬儀器的檢測分析系統
將具有一種或多種功能的通用模塊組建起來，就可以構成任何一種儀器。虛擬儀器也是一樣的，由三大功能模塊構成，包括信號的采集與控制、信號的分析與處理、結果的表達與輸出。
虛擬儀器系統的一個核心技術就是軟件技術，美國NI公司提出的“軟件就是儀器”可以看出軟件對于虛擬儀器的重要性。在虛擬儀器系統中用靈活強大的計算機軟件代替傳統儀器的某些硬件，特別是系統中應用計算機直接參與測試信號的產生和測量特征的解析，使儀器中的一些硬件從系統中“消失”，而由計算機的軟硬件資源來完成它們的功能。
虛擬儀器測試系統的軟件，主要包括儀器驅動程序、儀器面板控制軟件和通用I／O接口軟件。虛擬儀器驅動程序是一組應用層次上的軟件模塊，它是處理與特定儀器進行控制通信的一種軟件；儀器面板控制軟件即測試管理層，是用戶與儀器之間交流信息的紐帶；在虛擬儀器系統中，I／O接口軟件作為虛擬儀器系統結構中承上啟下的一層，其模塊化與標準化越來越重要。
本系統的總體設計采用PC-DAQ方案，通過多傳感器采集和數據融合并配以PC機平臺和虛擬儀器軟件，構成了平面機構試驗臺各種輸入、輸出參數的數據采集控制儀器和系統。