0 引言
    摩擦材料是汽車制動系統(tǒng)必不可少的功能材料。用摩擦材料制成的剎車片，不但直接影響汽車的操作性、可靠性和舒適性，而且很大程度上影響其安全性。因此摩擦材料的性能在汽車行業(yè)中一直受到高度重視。而性能良好的摩擦磨損試驗機則是摩擦材料性能測試必不可少的工具。
    摩擦磨損試驗機的性能在很大程度上取決于其測控系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。利用計算機軟件對試驗過程進行自適應控制以及模糊控制等規(guī)律控制，實現(xiàn)試驗參數(shù)的實時獲取，并以曲線或表格的形式動態(tài)呈現(xiàn)實時參數(shù)等已成為測控領(lǐng)域的整體發(fā)展趨勢。本文利用LabVIEW語言編寫了測控系統(tǒng)程序，該測控系統(tǒng)實現(xiàn)了試驗參數(shù)的實時測量，可以對數(shù)據(jù)進行濾波和嵌入C語言進行復雜數(shù)據(jù)處理；可對實時參數(shù)進行曲線顯示、存儲和報表處理；編制的系統(tǒng)軟件具備人機對話功能，操作簡單、方便。是智能的人機交互系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)可進行恒載荷和恒轉(zhuǎn)矩類型的多種摩擦磨損試驗。

l 摩擦磨損試驗機介紹
    該摩擦磨損試驗機又叫Chase試驗機，主要用于對汽車制動襯片的安全情況及摩擦磨損特性做出報告。用于SAEJ661和ISO7881等標準，對摩擦材料進行分級及質(zhì)量控制。
1．1 摩擦磨損試驗機的基本要求
    為達到試驗規(guī)定的要求，測控系統(tǒng)必須具備以下功能：測量精度滿足GB／T17469-98的要求；可滿足高速、高溫、高載荷下的測試要求；能完成試驗過程中的轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等試驗參數(shù)的設(shè)定及摩擦正壓力、摩擦力矩、轉(zhuǎn)速、摩擦轉(zhuǎn)盤溫度、汽缸進口壓力等性能參數(shù)的測量；對測量參數(shù)與其設(shè)定值進行比較，形成閉環(huán)控制，使轉(zhuǎn)速、壓力和溫度維持在試驗要求范圍內(nèi)；能實時顯示、記錄試驗過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)并生成報表。
    同時，試驗過程中摩擦塊與試驗盤之間應始終保持貼合狀態(tài)，無振動現(xiàn)象；試塊裝卡應便利、可靠，無松緩、卡死現(xiàn)象。
1．2 摩擦磨損試驗機的試驗環(huán)節(jié)
    該試驗臺可完成恒轉(zhuǎn)矩試驗和恒載荷試驗。恒轉(zhuǎn)矩試驗要求系統(tǒng)通過自動調(diào)整比例閥來控制輸出壓力的大小，使轉(zhuǎn)矩保持恒定。恒載荷試驗則要求輸出壓力始終為恒定值。這其中根據(jù)加載的連續(xù)與否可分為：斷續(xù)拖磨和連續(xù)拖磨，該試驗機中跟據(jù)國標所進行的預處理試驗、終處理試驗、磨損試驗和恢復試驗都是斷續(xù)拖磨；而第一次衰退試驗和第二次衰退試驗則屬于連續(xù)拖磨。

2 試驗機測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2．1 試驗機測控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
    測控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1所示。

    系統(tǒng)中調(diào)速電機通過變頻器可進行無級調(diào)速，輸出氣壓的大小通過調(diào)整比例閥的大小來控制。加熱開關(guān)、風機開關(guān)和壓力開關(guān)則分別通過相應的繼電器進行控制。
2．2 傳感器
    為了精確的完成各類數(shù)據(jù)的測量，完成各個環(huán)節(jié)的測試，裝置中設(shè)置了五個參數(shù)測量傳感器(包括三路溫度傳感器)，其精度滿足GB／T17469-98中所規(guī)定的要求。其具體參數(shù)見表1。

2．3 信號調(diào)理
    來自傳感器的信號一般都比較小且極易受噪聲影響，有些信號存在很高的尖峰值，不能直接進行數(shù)據(jù)采集，在轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號之前需先進行放大、濾波、隔離等預處理，也就是信號調(diào)理，下面就其中的兩路調(diào)理電路做簡單介紹，如圖2所示。

    在圖2中：
    (1)V／I轉(zhuǎn)換電路是將工控機輸出的1～5 V電壓信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA的電流信號。因為該試驗機中的調(diào)節(jié)氣源的比例閥是靠電流來進行控制，故首先要將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號。其電路圖見圖2(a)，其比例關(guān)系為：I=VR27／R1R61，其中：V為輸入電壓；I為輸出電流。電路中各個電阻應選擇精密電阻，以保證V／I轉(zhuǎn)換的精度。
    (2)I／V轉(zhuǎn)換電路是將從溫度、壓力傳感器采集到的4～20 mA電流信號轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的1～5 V的數(shù)字信號。其電路圖見圖2(b)，由上面電路可以推算出其轉(zhuǎn)換關(guān)系為：V=IR19(1+R107／R99)。其中：I為輸入電流；V為輸出電壓；各個電阻也應選擇精密電阻。經(jīng)過對現(xiàn)場的各路信號進行測試，可以看出，經(jīng)由調(diào)理電路的處理，輸入／輸出的各路數(shù)字／模擬信號都有明顯的改善，干擾信號大大減少，調(diào)理效果很明顯。
2．4 數(shù)據(jù)采集卡
    該系統(tǒng)使用北京研華公司的采集卡PCL-818L和PCL-836，其中PCL-818L卡有16路模擬輸人通道，12位A／D轉(zhuǎn)換分辨率，一路12位模擬輸出通道，一個16位計數(shù)器，采樣率為40 kHz。PCL-836包括6個獨立的16位計數(shù)器，10 MHz的計數(shù)頻率，還有兩個數(shù)字I／O接口。

3 試驗機測控系統(tǒng)程序設(shè)計
3．1 試驗測控系統(tǒng)程序流程
    試驗機測控系統(tǒng)的控制流程如圖3所示。

3．2 Front Panel設(shè)計
    在LabvIEW中，程序由VI的Front Panel和Block Diagram兩部分組成，應用程序的人機界面就是FrontPanel，利用LabVIEW提供的各種控件結(jié)合控件的屬性節(jié)點的設(shè)置可以設(shè)計出儀器化的用戶界面。該試驗機用戶界面如圖4所示。

    根據(jù)測控系統(tǒng)的功能前面板劃分為：試驗環(huán)節(jié)選擇部分；曲線及數(shù)據(jù)顯示部分；試樣批次記錄部分；試驗環(huán)節(jié)指示部分；參數(shù)設(shè)定及調(diào)整部分；測量記錄和路徑設(shè)定部分。
3．3 Block Diagram設(shè)計
3．3．1 數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計
    在數(shù)據(jù)采集部分，將壓力、溫度設(shè)定為一個采集任務，通過多路模擬量采集程序來完成，此采集程序主要有MAI Config．vi，MAI Volgagen In．vi和SplitlD Arrav．vi，Device open．vi及Device Close．vi模塊構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示?？煽偣策M行8路模擬信號的同時采集，其采集的數(shù)組由Index Array模塊進行分離，此處只使用其中的前四路，包括三路溫度和一路壓力信號。轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩則分別進行采集，它們通過頻率采集電路來完成，程序中用到的主要模塊有CounterFrea Start．vi，Counter Freq Read．vi和Counter Reset．vi，Deviceopen．vi及Device Close．vi，其采集周期設(shè)定為200 ms，具體結(jié)構(gòu)見圖5(b)。

3．3．2 數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計
    為了提高本測量系統(tǒng)的抗干擾性能和減小測量數(shù)據(jù)的誤差，在軟件里采取程序濾波的方法，通過計算機軟件來提高信噪比。
    (1)遞推平均濾波法：采集幾個周期的數(shù)據(jù)，并求其平均值，作為采集的數(shù)據(jù)。
    (2)中值濾波法：將每次采集的數(shù)據(jù)與前一個的數(shù)據(jù)做比較，當兩數(shù)值之間差大于一定范圍時則認為是干擾信號，此時采用上次的數(shù)值作為本次采集的結(jié)果，否則采用本次采集數(shù)據(jù)。
    筆者通過利用LabVIEW中的移位寄存器來實現(xiàn)了平均濾波算法，具體實現(xiàn)方法如圖6中遞推平均濾波所示。先求取10個數(shù)的和，再求其平均數(shù)。

    對于中值濾波算法的實現(xiàn)，利用別一般的模塊實現(xiàn)起來比較繁瑣，如果能用C語言來處理，就變得很簡單。經(jīng)過多次嘗試，終于實現(xiàn)了在LabVIEW中嵌入C語言的方法，利用LabVlEW中的公式節(jié)點作為切入點，實現(xiàn)調(diào)用C語言進行處理。利用C語言的強大的數(shù)據(jù)處理能力，能很方便的完成一些復雜的算法。程序?qū)崿F(xiàn)如圖7中中值濾波所示，將采集的數(shù)據(jù)先利用Build Array模塊轉(zhuǎn)變成數(shù)組，再將數(shù)組作為公式節(jié)點的輸入，C程序首先對采集的數(shù)據(jù)進行了兩次求平均處理，之后又按照中值濾波算法進行處理。相應的C語言程序附如圖8所示。

    經(jīng)過以上方法的處理，數(shù)據(jù)的取得了較好的輸出效果。尤其是本試驗臺在LabVIEW中嵌入C語言的數(shù)據(jù)處理方法及思路，大大提高了LabVIEW的數(shù)據(jù)處理能力，簡化了程序的編寫，具有較廣的應用價值，可以為其他設(shè)計者提供設(shè)計思路，為以后的數(shù)據(jù)處理提供一個很好的平臺。

4 試驗結(jié)果及分析
    選用山東淄博某制動材料生產(chǎn)公司的汽車制動襯片進行摩擦試驗，先將襯片加工成尺寸為2．54 cm2試樣。利用設(shè)計好的摩擦特性測試系統(tǒng)對試樣進行測試，以獲得襯片摩擦系數(shù)特性曲線。
    圖8所示為測試結(jié)果，圖中給出的是對試樣進行的磨損試驗和第一次衰退與恢復試驗的曲線，未經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的曲線干擾信號太大，曲線抖動嚴重，影響了測試結(jié)過的觀察，經(jīng)過處理的曲線，較為平滑，抖動較小。能很好的反應材料摩擦系數(shù)的變化趨勢。
    如圖8(a)所示，在第一次衰退與恢復試驗中，開始先加溫并進行連續(xù)拖磨，摩擦系數(shù)開始先降低，在達到255 ℃左右開始降低。
    在之后的斷續(xù)拖磨中，摩擦系數(shù)逐漸下降。圖8(b)為磨損試驗的一部分曲線。將處理過的動態(tài)特性曲線與汽車制動襯片特性說明中所述的襯片特性曲線相比較，結(jié)果一致，表明采用本文設(shè)計的測試分析系統(tǒng)得到的試驗結(jié)果是可靠的。

5 結(jié)語
    利用LabVIEW軟件結(jié)合相應的硬件實現(xiàn)了摩擦磨損試驗機的測控系統(tǒng)的設(shè)計，可實時地監(jiān)測和控制各試驗狀態(tài)，滿足多種摩擦試驗的要求。系統(tǒng)采取軟硬件結(jié)合的抗干擾措施，尤其是在LabVIEW中嵌入C語言程序，利用其強大的數(shù)據(jù)處理能力，擴展了LabVIEW的功能，提高了系統(tǒng)的測試精度。人機界面友好、操作方便安全，測試效率較高，在實際應用中取得了良好的效果。