軸系摩擦力矩測試系統的設計與實現*

□ 谷運龍 □ 姜萬生 □ 秦現生 □ 劉建平 □ 譚小群 □ 白 晶

西北工業大學機電學院 西安 710072

軸承作為旋轉部件中的旋轉支撐件，其摩擦力矩影響著旋轉部件的工作穩定性以及可靠性，尤其是在精密機床主軸、高速電主軸、精密儀器軸系等高精度軸系中的應用。摩擦力矩是航天軸承極為重要的性能,其穩定性和可靠性是制約系統壽命以及可靠性的關鍵技術［1］。

目前國內外對軸承摩擦力矩的測試作了很多研究,有從理論計算方面著手［2-3］,為軸承的設計提供了理論依據；有直接對相關型號、尺寸的軸承［4-5］的摩擦力矩進行直接測試，得到相應的數據，為軸承的設計制造提供數據依據。目前對軸承的摩擦力矩測試的方法以及測試儀種類較多，但對軸系組件的摩擦力矩測量的相關儀器比較少見，大部分是采用裝機前先測量各支承軸承的摩擦力矩值，然后根據各個支承軸承的摩擦力矩的實際測量值估算整個軸系組件總的摩擦力矩［6］。

本文從軸承摩擦力矩的產生機理、影響因素著手，研究軸系的摩擦力矩測量方式，提出一種基于伺服電機-扭矩傳感器-被測軸系技術實現對軸系摩擦力矩的測量方法，并完成測試系統的設計。

1 軸系摩擦力矩測試方法

1.1 軸承摩擦力矩的影響因素

軸承摩擦力矩的影響因素主要有以下幾種。

（1）彈性滯后引起的摩擦力矩。由于材料的彈性滯后性質，鋼球在溝道上滾動時產生的滾動摩擦力矩。

（2）差動滑動引起的摩擦力矩。由于球與溝道接觸橢圓面上各點的線速度不同，從而產生微觀滑動而產生的滑動摩擦力矩。

（3）自旋滑動引起的摩擦力矩。在軸承轉動過程中，球與溝道接觸處產生的自旋滑動引起的滑動摩擦力矩。

（4）保持架與球接觸產生的摩擦力矩。由保持架與滾珠接觸處產生的滑動摩擦力矩。

（5）保持架與引導面接觸產生的摩擦力矩。由保持架與引導面接觸處引起的滑動摩擦力矩。

（6）油膜黏性損失引起的摩擦力矩。潤滑劑產生黏性摩擦力矩。

以上軸承摩擦力矩是建立在套圈控制理論為基礎的擬靜力學分析條件下［2］，都是理論計算時需要考慮的因素，也是各種理論計算的內容。但在實際加工過程中，所有的尺寸以及表面特性并不能和理論完全一致，實際軸承的工作載荷、加工精度、裝配精度、潤滑條件、材料性能、環境參數（如溫度、運動速度等）等因素都會影響其實際的摩擦力矩［7］。

1.2 軸承摩擦力矩的特性

由圖1可以得出，軸承摩擦力矩是軸承內外圈角變位的函數，軸承在旋轉過程中每個位置都具有一個摩擦力矩值［8］，因此，軸承的摩擦力矩是一個與位置有關的隨機變量。軸承摩擦力矩分為靜態力矩 （啟動力矩）、動態力矩，其中動力矩又有最大值、最小值及平均值等概念。在不同的應用場合，對軸承的摩擦力矩的要求不同，陀螺儀軸承對啟動力矩有要求，伺服電機和儀表齒輪傳動系統的主軸承要求其平均值，而精密電位計、同步接收機、磁帶導輪中的軸承對最大摩擦力矩有要求［9］，因此，要根據軸承的具體應用場合規范摩擦力矩的具體要求。

▲圖1 軸承摩擦力矩曲線圖

1.3 軸系摩擦力矩的測試方法

國內外測量力矩的方法有3種，按照摩擦力矩的測量原理，測量軸承摩擦力矩的方法可分為傳遞法、平衡力矩法和能量轉換法［10］。

驅動軸承旋轉時，由于軸承摩擦力矩的存在會引起驅動軸（扭矩傳遞體）的扭轉變形，當扭矩傳遞體由彈性體等與扭矩有對應關系的軸類（傳感器）構成時，可以根據彈性體等傳遞扭矩時所產生的物理參數的變化量來確定扭矩大小，即軸承摩擦力矩，這里所根據的物理參數是變形、應力、應變等，這種方法叫傳遞法。

機械運動時運動部件必然對機體產生作用力，反之機體必然對運動部件產生反作用力。回轉機械主軸受轉矩作用轉動時，在機體上必然存在著與轉動方向相反的平衡力矩（或叫支座反力矩），測量機體上的平衡力矩以確定主軸上作用力矩大小的方法稱平衡力矩法。

軸承在驅動其旋轉的力矩發生器（或電機）驅動下轉動，輸入力矩發生器的能量一部分變成軸承的動能，另一部分由于軸承摩擦力的存在變成熱能等其它形式的能量被消耗。測量能量轉換過程中能量的損失從而間接測量軸承摩擦力矩的原理方法被定義為能量轉換法。

本文基于平衡力矩法，采用伺服電機-扭矩傳感器-被測軸系的方式，對軸系的靜摩擦力矩以及某個規定速度下的動摩擦力矩進行測量。通過伺服電機帶動被測軸系，當伺服電機提供的扭矩與軸系的靜摩擦力矩相同時，軸系運動通過扭矩傳感器以及相應的數據采集系統得到軸系的靜摩擦力矩，當伺服電機帶動軸系運動到一定速度時，通過相應的采集系統得到軸系的動摩擦力矩。

2 測試系統的設計與實現

2.1 測試系統的機械單元設計與實現

測試系統的機械結構部分主要由工作臺體、伺服驅動部件、彈性扭桿、扭矩傳感器部件、軸系部件等組成，如圖2所示。

機械結構設計過程中應注意的問題以及采取的相應措施如下。

（1）同軸度。因軸系中的摩擦力矩較小，當被測軸系的旋轉軸與伺服電機的驅動軸不同軸時會產生一個額外的力矩，會影響被測軸系的摩擦力矩。本測試系統采用精密級工作臺面作為整個機械結構的安裝基準。伺服電機的安裝部件、扭矩傳感器的安裝部件以及被測軸系的安裝部件采用精密加工工藝，以保證同軸度的要求。

▲圖2 測試系統的機械結構

（2）扭矩傳遞的穩定性。為保證能夠反映實際測量過程中的摩擦力矩，本機構中加入彈性扭桿以吸收扭矩的突變，緩和扭矩的變化［11］。彈性扭桿的具體結構、尺寸設計，本文不作介紹。

2.2 控制單元的設計與實現

要實現對軸系的靜摩擦力矩和動摩擦力矩的測試,靜摩擦與動摩擦之間轉換的時間差特別小,要求能夠精確地采集到這個轉變過程,數據采集方面就需要實時性、準確性及穩定性。本控制單元采用工控機+伺服控制器的控制方式，控制單元由工控機、伺服電機控制模塊、開關量I/O模塊、模擬量采集模塊、外圍電器模塊、打印機等組成，如圖3所示。

伺服控制模塊采用美國Delta Tau公司的開放式多軸運動控制器，采用80MHz DSP為核心的Clipper運動控制卡，其處理速度、分辨率等指標均優于一般的控制器。自身集成的有模擬量輸入輸出模塊，分別用于控制伺服電機和采集扭矩傳感器電壓信號，其以網線的方式與工控機進行通信，開關量I/O模塊用于相關狀態指示。

2.3 測試系統的軟件設計與實現

▲圖3 測試系統硬件組成單元

為實現對運動方式的實時控制以及對軸承靜、動摩擦力矩的實時監測，本測試系統在Visual C++語言環境下對相關參數進行設置和監測，其中Clipper運動控制卡提供相關的動態鏈接庫，完成與上位機的數據交換，方便編程使用。Clipper控制卡通過網線通信的方式與上位機（工控機）進行通信。具體實施步驟是：首先在工控機中對Clipper進行相關參數的初始化，然后進入系統的自檢功能模塊，自檢成功后進入測試界面。在測試界面中點擊測試面板中的測試按鈕，通過網線接口將相應的命令傳遞給控制卡，由控制卡將相應的控制字發給伺服電機控制器，進而控制伺服電機執行規定的動作，并由模擬量采集模塊采集扭矩傳感器的電壓輸出值，然后由模擬量采集模塊將采集到的電壓值傳給工控機，由相應的數據處理模塊進行數據處理，具體流程圖如 圖4所示。

▲圖4 數據采集流程圖

3 應用實例

本測試系統對某型號的軸系（預緊力為定值）進行測試，應用工況及環境參數：室溫，濕度≤80%，電機設置的工作速度為2 000 r/min。圖5為本型號軸系在整個測試過程中的摩擦力矩曲線圖。

▲圖5 某型號軸系摩擦力矩報表

4 結束語

通過本測試系統的機械機構、控制部分的硬件選取、搭建以及測控軟件的編程，最終完成整個測試系統的搭建，通過對某型號產品的測試檢驗可滿足性能要求。因此，基于本測試系統提出的測試原理及測試方法是可行的。

［1］ 臧穩通，梁波.衛星飛輪用軸承的設計與應用［J］.軸承，1999（7）:4-6.

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［5］ 王道恒，魯鴻雁，王長山，等.中小型軸承摩擦力矩測量儀 ［J］.軸承，1999（12）:31-32.

［6］ 李副來，李濟順，朱孔敏.軸系摩擦力矩測量儀的研制［J］.軸承，2008（10）:38-40.

［7］ 朱江紅.低速球軸承摩擦力矩的分析研究［J］.導彈與航天運載技術,2000（6）:20-25.

［8］ 高奮武,王宗克.滾動軸承摩擦力矩測量技術 ［R］.洛陽:中國軸承工業協會,2009.

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