基于模塊的多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

吳虎城

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州221116）

摩擦試驗(yàn)機(jī)主要用于模擬各種摩擦工況，以便于發(fā)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用中機(jī)器存在的摩擦磨損問題。而摩擦運(yùn)動(dòng)形式的實(shí)現(xiàn)，摩擦副的運(yùn)動(dòng)控制以及數(shù)據(jù)采集是摩擦試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展有力的促進(jìn)摩擦試驗(yàn)技術(shù)和智能化摩擦試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展[1]。本文采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)手段對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，研制出一種能夠產(chǎn)生微小載荷尺度和振幅尺度的摩擦試驗(yàn)機(jī)，為摩擦學(xué)試驗(yàn)研究提供了一個(gè)很好的測(cè)試平臺(tái)。

圖1 四種摩擦運(yùn)動(dòng)模塊的工作原理

設(shè)計(jì)的多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想來實(shí)現(xiàn)四種摩擦試驗(yàn)功能，根據(jù)試驗(yàn)需求，選擇裝配相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模塊，調(diào)節(jié)振幅的大小來模擬工程材料摩擦工況，以達(dá)到評(píng)價(jià)不同摩擦行為下的材料摩擦性能的目的。

試驗(yàn)機(jī)的摩擦運(yùn)動(dòng)形式共有四種，分別為大振幅滑動(dòng)、小振幅滑動(dòng)、大角度扭動(dòng)以及小角度扭動(dòng)；大振幅滑動(dòng)的振幅是±8 mm，小振幅滑動(dòng)的振幅是±320μm，大角度扭動(dòng)的振幅為±2°，小角度扭動(dòng)的振幅為±0.05°；正壓力載荷為0~5 N.

四種摩擦運(yùn)動(dòng)模塊工作原理如圖1所示，以大振幅滑動(dòng)為例，其工作原理為：步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)偏心體轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心機(jī)構(gòu)可在偏心體里面滑動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可變偏心距離e，并隨著偏心體做圓周轉(zhuǎn)動(dòng)。滑塊通過連桿與偏心機(jī)構(gòu)連接，則偏心體轉(zhuǎn)動(dòng)一周，滑塊也跟著滑動(dòng)一個(gè)周期，其滑動(dòng)振幅也為e.

1 摩擦運(yùn)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

2 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)兩大任務(wù)：一是通過運(yùn)動(dòng)控制卡來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而完成試驗(yàn)前的定位和試驗(yàn)過程中的加載；二是通過數(shù)據(jù)采集卡采集被測(cè)的正壓力、摩擦力信號(hào)，并將采集到的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)測(cè)試控制功能。

試驗(yàn)機(jī)工作時(shí)，首先由計(jì)算機(jī)發(fā)出控制命令給運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡完成與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的控制動(dòng)作，如發(fā)脈沖/方向信號(hào)、檢測(cè)限位/原點(diǎn)信號(hào)；當(dāng)試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行之后，傳感器感應(yīng)到被測(cè)的信號(hào)后經(jīng)濾波、放大，數(shù)據(jù)采集卡將所采的的信號(hào)進(jìn)行采樣保持及A/D轉(zhuǎn)換后，傳送到計(jì)算機(jī)，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)顯示和處理后，完成測(cè)試工作，測(cè)控系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 測(cè)控系統(tǒng)工作原理

試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制共用到三個(gè)步進(jìn)電機(jī)，其中作為下試樣驅(qū)動(dòng)源的步進(jìn)電機(jī)選擇85BYGH450A型步進(jìn)電機(jī)，它帶動(dòng)固定下試樣的滑塊做往復(fù)滑動(dòng)；選擇兩個(gè)42BYG250A型步進(jìn)電機(jī)作為二維滑臺(tái)移動(dòng)的動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)上試樣的定位和加載的功能。其中85BYGH450A型步進(jìn)電機(jī)由M880驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，42BYG250A型步進(jìn)電機(jī)由M420驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。選用DMC1000運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)構(gòu)成主從式的控制結(jié)構(gòu)，PC機(jī)主要進(jìn)行管理人機(jī)交互界面、實(shí)時(shí)監(jiān)控控制系統(tǒng)等方面的工作；控制卡則完成運(yùn)動(dòng)控制的脈沖和方向信號(hào)的輸出、原點(diǎn)和限位信號(hào)的檢測(cè)等。因?yàn)槟Σ猎囼?yàn)中需要感應(yīng)正壓力和摩擦力兩路信號(hào)，故選擇二維力傳感器以實(shí)現(xiàn)正壓力、摩擦力的同步測(cè)量。選用的PCI-1710L數(shù)據(jù)采集卡可用于各類模擬信號(hào)的采集、處理[2]。

3 摩擦試驗(yàn)

在摩擦試驗(yàn)過程中，試驗(yàn)人員需要發(fā)出控制命令或從現(xiàn)場(chǎng)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這就要求計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)硬件I/O端口的控制與訪問。由于VB不具備直接對(duì)I/O端口進(jìn)行訪問的能力，一般需要通過調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）的方法來實(shí)現(xiàn)I/O的訪問和控制，實(shí)現(xiàn)VB下的運(yùn)動(dòng)控制與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理[3-5]。通過調(diào)用dmc1000.dll函數(shù)庫(kù)可以方便的對(duì)X、Y、Z三軸電機(jī)進(jìn)行精確、高速控制。

圖3為多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)正在進(jìn)行摩擦試驗(yàn)，圖4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用界面，試驗(yàn)時(shí)通過它設(shè)置摩擦運(yùn)動(dòng)相關(guān)參數(shù)。

圖4運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)界面

圖5 為實(shí)時(shí)的摩擦系數(shù)曲線，可以觀察到顯示效果較為理想。

圖5 摩擦系數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研制的多功能摩擦試驗(yàn)機(jī)可以完成大振幅滑動(dòng)、小振幅滑動(dòng)、大角度扭動(dòng)和小角度扭動(dòng)四種摩擦運(yùn)動(dòng)形式，可實(shí)現(xiàn)正壓力、摩擦力數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，摩擦系數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示等功能，該試驗(yàn)機(jī)可針對(duì)多種摩擦運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行摩擦性能的有效評(píng)價(jià)。

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