基于LabVIEW的装配车体挠度无线快速测量系统

欧阳柏添 蔡家富 刘桂雄

摘  要：针对目前装配车体挠度测量方法存在测量精度不高、测量实时性差、测量效率低的问题，文章提出装配车体挠度无线快速测量系统设计。通过對ZigBee挠度测量数据无线传输系统进行设计，并采用ADS1115模数转换模块实现挠度测量数据高精度转换，实现装配车体挠度无线快速测量。挠度测量控制平台基于LabVIEW进行搭建，控制挠度测量系统挠度采集数据及对挠度测量数据进行显示。试验表明，测量系统可实现装配车体挠度无线快速测量，具有参考意义。

关键词：装配车体;挠度测量;ZigBee无线传输模块;LabVIEW

中图分类号：TP23 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）14-0158-04

Abstract： In view of the problem of low measurement accuracy， poor real-time measurement， and low measurement efficiency in current assembly car body deflection measurement methods， this paper studies the design of a wireless rapid measurement system for assembly car body deflection. The ZigBee deflection measurement data wireless transmission system is designed， and the ADS1115 analog-to-digital conversion module is used to realize the high-precision conversion of deflection measurement data， realizing the wireless rapid measurement of the assembly car body deflection. The deflection measurement control platform is built based on LabVIEW to control the deflection data acquisition of the deflection measurement system and display the deflection measurement data. The test shows that the measurement system can realize the wireless rapid measurement of the deflection of the assembled car body. The research has important reference value.

Keyword： assembly car body; deflection measurement; ZigBee wireless transmission module; LabVIEW

0  引  言

装配车体挠度是轨道交通车辆一项重要结构性能指标，制造完成的车体需具有一定上挠度抵消车体实际使用过程中挠度变形[1，2]。在装配车体制造过程中需多次对车体底架进行挠度测量，若挠度质量不合格需要对装配车体进行一定调整。传统装配车体挠度测量采用基于连通管法的挠度测量装置，测量效率较低，对装配车体制造产生阻碍作用[3]。为解决装配车体测量效率较低的问题，需设计一套装配车体快速挠度测量系统，目前许多研究学者在自动化测量系统设计上做研究，解决工程实际中很多测量难题。文献[4]（2015）针对现有有线输电线路测量系统布线复杂、易受环境影响的问题，研究无线输电线路测量系统，利用实现无线网桥将电压、电流数据远距离传输到中心主站。文献[5]（2017）研究天线辐射特性测量方法，通过设计天线辐射特性自动测试系统对14种不同类型天线辐射特性进行测量，试验表明该系统能够快速对天线辐射特性进行测量与求解。文献[6]（2019）研究一种无线多参数环境监测系统，系统可对多种气体浓度进行采集，且测量数据可通过LoRa网关传输到手持式终端，实现对各类气体浓度监测。文献[7]（2020）针对传统制动距离测量不准确的问题，研究利用高精度霍尔旋转编码器对电梯制动距离进行测量，设计测量系统硬件软件实现电梯制动距离自动快速准确测量。本文对装配车体挠度测量需求进行分析，搭建装配车体挠度无线快速测量系统，系统采用无线传输的方式将挠度测量数据传输到上位机中，装配车体挠度无线快速测量平台基于LabVIEW实现，可对装配车体挠度测量数据显示，实现装配车体挠度测量自动化，提高装配车体挠度测量效率。

1  装配车体挠度测量问题描述及整体方案研究

1.1  测量对象描述

为使装配车体总成焊接完成后，装配车体底架符合设计要求，需要对装配车体底架挠度进行控制。装配车体底架挠度控制点测量位置示意图如图1所示，挠度测量关键位置包括4个端部位置、4个枕中位置、2个车体中部位置。

在底架总组成过程中需要多次对车体挠度控制点进行挠度测量，传统装配车体挠度测量方法测量效率较低，影响装配车体制造速度。因此，研制装配车体挠度测量系统的需求有：

（1）准确测量。传统装配车体挠度测量采用基于连通管法的挠度测量装置，需要技术人员对挠度测量数据进行读取，存在读数误差。研制挠度测量系统需能实现装配车体挠度准确测量。

（2）实时测量。传统装配车体挠度测量方法不能实现各挠度关键控制点挠度数据实时测量，无法观察制造过程中装配车体挠度变化情况。研制装配车体挠度测量系统需能实现装配车体挠度实时测量。

（3）自动测量。传统装配车体挠度测量方法每次测量都需要花费技术人员大量时间，测量效率较低。研制装配车体挠度测量系统需能实现装配车体挠度自动测量。

1.2  总体方案设计

根据上述测量需求设计装配车体挠度无线快速测量系统，装配车体挠度无线快速测量系统结构框图如图2所示。该系统主要包括LabVIEW控制显示平台、ZigBee数据无线传输系统、模数转换系统和挠度数据非接触测量系统。

其中各模块系统功能如以下所示：

（1）LabVIEW控制现实平台由上位机组成，主要用于控制挠度测量数据的采集，并将装配车体各点挠度测量数据进行显示;

（2）ZigBee数据无线传输系统由ZigBee协调器、ZigBee路由器及ZigBee终端组成，主要用于接收上位机指令，并将数据采集指令及停止指令无线传输到各挠度测量节点位置，实现挠度测量数据的无线传输;

（3）模数转换系统由模数转换装置组成，主要用于对挠度测量数据模拟量进行转换，并将挠度转换数据发送到ZigBee数据无线传输系统;

（4）挠度数据非接触测量系统由激光位移传感器模块、电源组成，主要用于对装配车体各节点位置挠度进行测量。利用激光位移传感器模块，可实现高精度非接触式装配车体挠度测量。本文采用激光位移传感器型号为HG-C 1400，能满足装配车体挠度测量精度。

本文轨道交通车辆装配车体挠度调整方法以装配车体车身为研究对象，该方法也可应用于装配车体车头的挠度调整中。

2  装配车体挠度无线快速测量系统设计

2.1  ZigBee数据无线传输系统设计

ZigBee通信技术是一个基于IEEE802.15.4标准（2.4 GHz频段）的低功耗局域网协议，相比Wi-Fi通信技术、蓝牙通信技术、LoRa通信技术，ZigBee通信技术具有通信节点多、功耗低、支持一对多、成本低的优点，可用于装配车体挠度无线快速测量系统中[8，9]。ZigBee网络拓扑图如图3所示，本文ZigBee数据无线传输系统采用树型拓扑的方式实现，所选用ZigBee模块核心处理器为德州仪器公司开发的CC2530芯片。通过在装配车体各挠度测量位置设置ZigBee终端，通过在上位机位置设置ZigBee协调器，设置ZigBee路由器对较远位置挠度测量数据进行传输。基于ZigBee的挠度测量数据无线传输系统如图4所示。

为区别装配车体挠度测量数据传输节点位置同时保证挠度测量数据传输的有效性，终端无线传输的挠度测量数据设计为包含节点位置信息及CRC-16校验码，终端无线传输挠度测量数据格式如表1所示。

2.2  模数转换系统设计

激光位移传感器测量得到的数据为模拟量，为对挠度测量数据能进行无线传输，需要将挠度测量数据模拟量转化为数字量。CC2530模块内部自带模数转换功能最高支持12位模数转换，不适用于挠度测量数据转换，因此本文选用德州仪器公司开发的ADS1115模数转换器模块[10，11]。ADS1115模块是一款低功耗16位4通道模数转换模块，可支持0～6.144 V的模拟量电压转换，模块通过IIC总线与ZigBee模块进行通讯，ADS1115通讯外围接口如图5所示。通过在IAR Embedded Workbench For 8051 v8.10软件开发平台对ZigBee终端模块与ADS1115模数转换器模块通信代码进行编写，可实现挠度测量数据模数转换传递给ZigBee终端模块，ZigBee终端模块与ADS1115模块通信流程图如图6所示。

2.3  基于LabVIEW的装配车体挠度无线测量控制平台

在进行装配车体挠度测量时，需要对装配车体挠度测量数据采集进行控制，同时要求對车体挠度测量数据进行实时显示，展示装配车体各点挠度质量状况给技术人员。本文装配车体挠度无线快速测量平台基于LabVIEW实现，图7为装配车体挠度无线快速测量控制平台模块功能结构图。

基于LabVIEW的装配车体挠度无线快速测量控制平台主要划分为以下几个模块：

（1）看门狗模块。看门狗模块主要用于对挠度测量数据采集过程进行监测，如装配车体挠度无线测量系统长时间未传输挠度测量数据到上位机，则看门狗模块自动停止对挠度测量数据的采集，并提示技术人员挠度无线测量出现故障。

（2）指令发送模块与数据采集模块。指令发送模块实现上位机与ZigBee协调器模块进行通信，发送挠度数据采集命令使ZigBee协调器模块控制ZigBee终端模块对挠度测量数据进行回传，图8为基于LabVIEW的指令发送模块与数据采集模块。数据采集模块主要控制ZigBee协调器模块将收集到的装配车体各点挠度测量数据传输给上位机。

（3）数据分析与处理模块。无线传输系统常因为现场突发因素造成挠度测量数据传输不稳定，上位机采集到的各点挠度测量数据可能出现错误。数据分析与处理模块主要用于判断采集得到的挠度测量数据是否有效，且对挠度测量数据进行辨识与转化，获得各点挠度测量数据。

（4）测量结果显示与打印模块。该模块主要用于将装配车体各点挠度测量数据直观显示给技术人员，且装配车体各点挠度测量结果可进行测试报表打印，用于对装配车体挠度测量结果进行记录。

3  试验与分析

本文试验对象为轨道交通车辆装配车体，将装配车体挠度无线快速测量系统应用于中车广东轨道交通车辆有限公司CRH6型装配车体挠度测量中，装配车体挠度测量数据可稳定快速传输到上位机，挠度测量数据转换准确，装配车体挠度快速在线测量结果界面如图9所示。

试验表明基于LabVIEW的装配车体挠度无线快速测量系统可实现装配车体挠度快速无线动态测量，通过配置装配车体挠度无线快速测量系统，可在远处上位机接收各点挠度测量数据，提升装配车体挠度测量效率。

4  结  论

本文通过对目前装配车体挠度测量方法存在问题进行分析，提出装配车体挠度测量系统需求，并根据测量需求设计测量系统总体方案，包括LabVIEW控制显示平台、ZigBee数据无线传输系统、模数转换系统、挠度数据非接触测量系统。

利用ZigBee无线传输技术对挠度测量数据进行无线传输，并研究ZigBee终端模块与ADS1115高精度模数转换模块通讯方式实现挠度测量数据快速无线传输。

基于LabVIEW开发装配车体挠度无线测量控制平台，可控制装配车体挠度无线测量系统进行挠度数据采集及显示挠度测量数据，试验证明本文所研究系统能够快速实现挠度测量及显示，提高装配车体挠度测量效率。

参考文献：

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作者简介：欧阳柏添（1976—），男，汉族，广东江门人，总工程师，高级工程师，本科，主要研究方向：计量测试。