（机械电子工程专业论文）数控往复式摩擦磨损试验机及其测试系统的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 在机械工程及其相关领域不断发展的形势下，摩擦学的研究领域正由宏 观转向微观，摩擦学试验也向着微观领域和动态测试方面发展，从而对摩擦 学试验数据的精确性和实时性提出了更高的要求。为了迸一步提高摩擦学试 验的测试水平，满足生产和教学工作对摩擦磨损试验的要求，我们应用摩擦 磨损测试技术、传感器以及机电一体化等技术自行研制了数控往复式摩擦磨 损试验机及其测试系统。由于该试验机是通过伺服电机直接驱动直线运动部 件来模拟摩擦副的相对运动状态，所以该机具有结构紧凑，控制简单，振动 噪声小等特点。该试验机测试系统是建立在w i n d o w s 操作环境下的，试验 参数信号经传感器拾取、放大器放大后，通过基于p c i 总线的内置数据采 集卡p c i 7 4 2 2 进行数据采集和处理。并利用v b 6 0 开发了界面友好的测试 软件，可以实现在一定速度、载荷、温度条件下，对摩擦系数的实时采集、 在线分析、记录保存和离线处理等功能，以便对试验材料的摩擦学特性做出 实时、定量分析。 本课题所研制的摩擦磨损试验机不仅能满足不同载荷、速度、摩擦性 质、摩擦副等条件下的多种试验要求，而且同时克服了传统摩擦学试验不能 体现摩擦学的时变性的缺点，所以本文关于摩擦磨损试验机的研究对摩擦磨 损机理的研究具有重要的意义。 关键词摩擦磨损试验机；测试系统；实时采集 丝窒鎏三些垒兰三兰堡当兰竺鎏圭：! 。：。一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n ga n di t sc o r r e l a t i v ef i e l d s ， t h er e s e a r c ha b o u tt r i b o l o g yh a sb e e nc h a n g i n gf r o m m a c r o c o s mf i e l dt o m i c r o c o s mf i e l d ，t r i b o l o g ye x p e r i m e n ta l s od e v e l o pt om i c r o c o s ma n dd y n a m i c t e s t ，c o n s e q u e n t l y ，i th a sm o r es t r i c tr e q u i r e m e n tt ot h ea c c u r a c ya n dr e a l - t i m e p e r f o r m a n c eo fe x p e r i m e n t d a t a i no r d e rt oi m p r o v et h et e s t i n g l e v e lo ft h e t r i b o l o g ye x p e r i m e n t ，m e e tt h en e e d so ft e a c h i n ga n dp r o d u c t i o no f t h ef r i c t i o n a n dw e a re x p e r i m e n t ，t h e t e c h n o l o g y o ff r i c t i o na n dw e a rt e s t i n g ，s e f l s o r t e c h n o l o g ya n de l e c t r o m e c h a n i e a li n t e g r a t i o nh a v eb e e nu s e di nd e v e l o p i n gt h e f r i c t i o na n dw e a rm a c h i n ea n di t s t e s t i n gs y s t e mw h i c hi s c o n t r o l l e dw i t h c o m p u t e r t h em o t o r m a k et h em o v i n gc o m p o n e n t so ft h em a c h i n em o v ea l o n ga i i n e ，s oa st om o c kt h er e l a t i v em o t i o no fd i f f e r e n tm a t e r i a l s t h es t r u c t u r eo f t h e m a c h i n ei sc o m p a c t ，i ti se a s yt oc o n t r o la n dt h en o i s ei sl o w t h et e s t i n gs y s t e m i sb u i l tu n d e rw i n d o w s ，a n dt h es i g n a lp a r a m e t e ri sp i c k e du pt h r o u g ht h es e n s o r ， m a g n i f i e db yt h em a g n i f i e r ，a n dt h e nc o l l e c t e da n dd i s p o s e dt h r o u g hp c i 7 4 2 2 w h i c hi sb a s e do np c ib u s i tc a nr e a l i z et h er e a l t i m ec o l l e c t i o n s ，o n l i n e a n a l y s e s ，o f f - l i n ed i s p o s e da n ds a v eo fe x p e r i m e n tp a r a m e t e rb yt h es o f t w a r e w h i c hi sc o m p i l e di nv b 6 0 ，s ow ec a nm a k er e a l t i m ea n dq u a n t i f i e de v a l u a t i o n f o rt h ef r i c t i o nb e h a v i o ro ft h ee x p e r i m e n tm a t e r i a l s t h em a n u f a c t u r ee x p e r i m e n tm a c h i n ei nt h i sp a p e ri sm e a n i n g f u lt o t h e s t u d yo ft h em e e h a n i s mo ff r i o r i o na n dw e 缸b e c a u s e i tn o t o n l yg a l ls a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to f a l lk i n d so f t e s t i n gw i t hd i f f e r e n tl o a d s ，s p e e d s ，f r i c t i o nn a t u r e s ， a n dd i f f e r e n tm a t e r i a l s ，b u ta l s oc a nc h a n g et h et r a d i t i o nt r i b o l o g ye x p e r i m e n t s s y s t e m ss h o r t c o m i n gt h a ti t c a r l ts h o wt h et i m e l i n e s so ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t i ne x p e r i m e n t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c hc o n c e r n e df r i | c t i o na n dw e a rm a c h i n ei n t h i st h e s i sh a si m p o r t a n tm e a n i n gf o rt h es t u d ya b o u tp r i n c i p l e so ff r i c t i o na n d w e a r k e y w o r d s f r i c t i o na n dw e a rm a c h i n e ，t e s t i n gs y s t e m ，r e a l t i m ec o l l e c t i o n - u 一 哈尔演t 业大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 摩擦磨损试验研究现状及分析 1 1 1 摩擦磨损试验机国内外研究现状 摩擦学来源于j o s t 在1 9 6 6 年关于润滑的教育与研究现状及工业需求 的调查报告，其定义为“研究相互接触、相对运动表面的科学及相关技术， 包括研究摩擦、磨损与润滑。”摩擦是指相互接触的摩擦副表面作相对运动 或有相对运动趋势时产生的阻碍切向运动的物理和化学的相互作用。磨损是 指摩擦副表面作相对运动时，由于物理和化学的作用，使摩擦副表面材料脱 落现象，它是伴随摩擦而产生的必然结果。磨损的主要类型有：磨粒磨损、 粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损( 化学磨损) 。润滑是为减少摩擦和磨损而 采取的技术措施，是指在摩擦到表面之间形成具有法向承载能力而切向剪切 强度低的润滑膜。润滑状态可以分为：流体动压润滑、弹性流体动压润滑、 薄膜润滑、边界润滑和干摩擦状态。摩擦学是一门实践性很强的技术基础学 科，它已经发展成为涉及表面科学、力学、材料科学、热力学、物理、化学 和数学等的边缘学科【l “。同时摩擦学也是一门实践性很强的技术基础学 科，它的形成和发展与社会的要求和科技进步密切相关。现代摩擦学设计已 经得到了广泛应用1 5 】，例如在飞机轮胎胡、农具w 、胶片跗、入行道的设计f 9 】 中取得的良好的效果，在医学中也有很多应用【l 仉“l ，都充分说明了摩擦学研 究具有十分重要的应用价值。 随着对摩擦学研究的不断深入，在机械工程及其相关领域不断发展的形 势下，对于摩擦学研究的要求也在不断地提高，相应地要求摩擦学试验能更 真实地反映摩擦现象。人们根据摩擦磨损的特点研制了适合于各种试件摩擦 学行为研究的试验设备，我们通常称其为摩擦磨损试验机，主要用来研究在 不同速度、载荷和温度条件下各种材料和润滑剂的摩擦磨损性能及其磨损机 理。 目前国内外出现了各种摩擦磨损试验方法和试验机【l 。1 4 】。摩擦磨损试验 机试件之间的相对运动方式一般是纯滑动、纯滚动或者滚动伴随滑动的复合 运动。试验机的试件有采用旋转运动，也有是往复运动的。试件的接触形式 堕丝堡三些查耋三兰堡圭兰竺篁童 有面接触、线接触和点接触三种。可以在干摩擦或者介质润滑的条件下，对 摩擦副材料进行粘着摩擦磨损试验、磨粒磨损试验以及接触疲劳磨损试验研 究【1 5 l 。通常面接触试件的单位面积压力只有5 0 1 0 0 m p a ，常用于磨粒磨损 试验。线接触试件的最大接触压力可达1 0 0 0 1 5 0 0 m p a ，适合于接触疲劳磨 损试验和粘着磨损试验。点接触试件的表面接触压力更高，最大可达 5 0 0 0 m p a ，适用于需要很高接触压力的试验。 摩擦磨损试验机根据试件摩擦副接触和运动形式主要分为：四球摩擦磨 损试验机、销盘式试验机、轴瓦式试验机和环块式试验机等。如图1 1 所 示，列出几种典型的摩擦副接触和运动形式。其中a ) 图表示的是四球摩擦 磨损试验机的摩擦副接触及运动形式；b ) 图表示的是环块试验机的摩擦副接 触及运动形式；c ) 图表示的是球盘式试验机的摩擦副接触及运动形式；d ) 图 表示的是往复式试验机的摩擦副接触及运动形式。利用四球摩擦磨损试验机 可以在极高的点接触压力和滑动摩擦的条件下，测试润滑油脂、以及其他润 滑剂和添加剂的抗磨减摩特性等，国内有m q 一8 0 0 型，国外有壳牌四球机等 型号。销盘式试验机主要用来测试摩擦力、摩擦系数大小和磨损情况。轴瓦 式试验机主要测试摩擦力矩、摩擦系数和轴承径向油膜压力分布。环块式试 验机主要用来测量矩形试件表面条状磨痕的宽度，以评定润滑剂或矩形试块 材料的摩擦磨损性能。 图1 1 摩擦副接触方式及运动形式 f i g 1 1t h ec o n t a c tm o d ea n dm o v e m e n tf o r mo f f r i c t i o nf i t s 目前，已有许多新型的多功能摩擦磨损试验机【i ，他们具有多种试件 接触和运动形式，只要更换试件，就可以完成多种不同类型的试验和组合试 验。虽然通常的摩擦磨损试验机都具有测量摩擦力的功能，但测量精度低， 不能满足某些对摩擦性能试验研究的要求【1 ”。所以有必要根据试验研究的 要求继续研究高精度、自动采集数据、自动处理数据的摩擦磨损试验机及其 测试系统。 堕垒堡三垩查兰三冀堡圭兰堡篁兰 1 1 2 摩擦磨损试验方法的标准化 摩擦磨损试验的影响因素非常复杂，所以必须严格控制试验条件才能得 出正确的结论。现在存在的主要问题是缺乏对试验结果的良好评价体系，各 种试验设备所得结果没有较好的可比性。机理研究和动态研究的某些仪器设 备还有待于开发研制。由于摩擦磨损现象的复杂性，试验方法和装置种类繁 多，所得的试验数据具有很强的条件性，往往难以进行比较，所以人们提出 摩擦磨损试验的标准化的问题，以便统一试验规范和方法。近年来，试验方 法的标准化已得到越来越多国家和组织的重视。摩擦磨损试验方法标准化的 建立原则应是便于实际生产的应用和摩擦学理论体系的建立。 现在摩擦磨损试验方法的标准化问题有待于进一步的研究和发展，但目 前采用的摩擦磨损试验方法根据试验条件和目的可以归为两大类i 擒j 。第一 类为现场摩擦磨损试验，第二类为实验室摩擦磨损模拟试验。 第一类现场摩擦磨损试验是在实际使用条件下对整机的摩擦磨损性能进 行的检验，这种试验的真实性和可靠性较好。但机器零件在实际使用中的磨 损一般较馒，因而需要较长的试验周期才能得到试验结果。而且磨损量还需 要精密仪器测量。机器在不同工况下运行，由于运行条件的差异，因而所取 得的测试数据的重现性较差，随机性较大，不便于研究其摩擦磨损的规律 性，也难以进行单项因素对摩擦磨损影响的观察。通常这种方法仅作为整机 系统的摩擦磨损性能综合评定的一种手段。 第二类实验室摩擦磨损模拟试验不需要在实际工况下进行，只需要模拟 机器元件的使用工况条件采用模拟试验台进行试验。这种试验方法的特点： 可以根据给定的工况条件改变各种参数来分析测定其对摩擦磨损的影响，而 且测得数据的重复性和规律性较好，便于进行对比分析；可以通过强化试验 条件来缩短试验周期，降低试验成本；可用来优化摩擦配副的材料特性和几 何特性；其缺点是由于模拟试验不能完全真实反映实际工况，往往不能直接 应用，但精确的模拟试验得到的结果具有较高实用性。实验室摩擦磨损模拟 试验又可分为实验室试件试验和模拟性台架试验。实验室试件试验是根据给 定的工况条件，在通用的摩擦磨损试验机上对试件进行试验。由于实验室试 验的条件和工况参数容易控制，因而试验数据的重复性较高，试验周期短， 试验条件的变化范围宽，可以在短时间内取得比较系统的数据。但由于实验 室的试验条件与实际工况不完全符合，因而试验结果往往可靠性不高。实验 室试件验主要用于各种类型的摩擦磨损机理和影响因素的研究，以及摩擦副 堕垒鎏三些查兰三兰堡圭兰墨篁苎 材料、工艺和润滑剂性能的评定。模拟性台架试验是在实验室试验的基础 上，根据所选的参数设计实际的零件，并在模拟实际使用条件下进行台架试 验。由于台架试验的条件接近实际工况，增强了试验结果的实用性和可靠 性。同时，通过对试验条件的强化和严格控制，也可以在较短的时间内获得 系统的试验数据，还可以进行个别因素对磨损性能影响程度的试验。台架试 验的主要目的在于校验实验室试验数据的可靠性和零件磨损性能设计的合理 性【：1 9 】。 综上所述，由于摩擦磨损试验方法和条件不同，试验结果差别很大。所 以在进行实验室模拟试验时，应尽可能地模拟实际工况条件，主要的影响条 件因素有：摩擦副的相对运动形式和速度、表面压力的变化、润滑状态、环 境温度以及表面接触形式等。 1 1 3 传统的摩擦磨损试验存在的不足 传统的摩擦磨损试验，其测试原理基本上是基于传统的测试系统理论， 摩擦磨损试验往往不能体现摩擦学研究的系统性和时变性。例如经典的摩擦 磨损测试设备和方法中一般都采用不连续测定法，如试验前后称重或测定几 何参数的变化等等。 随着摩擦学研究的深入和发展【2 0 2 ”，人们发现了许多摩擦学突变过程是 在极快的频率极短周期下发生的，而用于获得摩擦磨损试验信号的传感器受 频率变化的影响小，所以准确测量的关键在于如何记录下试验数据的变化。 试验过程中，采用人工读数，会带来很大的误差。即使是在传统摩擦学试验 系统中采用记录仪，其读数也只是一种很粗糙的定量数值。例如电压式记录 仪，由于机械系统的惯性过大，致使频率响应较差、工作频段很低，不能记 录快速变化的试验数据。电流式记录仪( 例如光线示波器) 由于其振子内部 的测量部分依然是机械共振系统，频率响应只能达到1 5 0 0 h z ，也不能满足现 代摩擦学试验对于其响应频率的要求。其测量结果无法反映极短周期内发生 的变化( 例如动静摩擦系数的过渡变化，擦伤、咬死现象发生的过程等) 。 因此，在研究摩擦学问题时，如果忽略了摩擦磨损现象随时间所发生的变化 特征，将可能导致试验结果的误差乃至错误的结论。 另外，在摩擦磨损试验测量中不仅要确定被测值，有时还要求大量数据 进行分析、判断，人们逐渐认识到，单靠人工已经不能完成测量任务，而且 传统测量仪器功能块基本上是由硬件或固化的软件形式存在，只能由生产厂 ：! 查堡三些查兰三兰堡圭兰堡篁兰 家来定义、制造，其设计复杂、灵活性差，在一些较为复杂和测试参数较多 的场合下，使用起来很不方便。 1 1 。4 摩擦学试验测试技术研究现状 随着世界上各领域的高新技术特别是电子计算机软硬件技术的飞速发 展，以及计算机网络技术和通讯技术的迅猛发展，计算仪器中的总线和软件 地位同益突出，于是人们领悟到传统上都以硬件形式出现的仪表及管理与控 制这些仪表的部分硬件均可软件化，实现“软件即仪器”。而且，在机械工 程及其相关领域不断发展的形势下，对于摩擦学研究的要求也在不断地提 高，相应地要求摩擦学试验能更真实地反映摩擦现象。基于这些情况，摩擦 磨损测试技术已经势在必行。计算机技术的发展为摩擦磨损测试技术提供了 新的契机，使其朝着性能提高、功能发展、价格降低、技术成熟的方向发 展。摩擦学试验测试技术所依据的基础是现代测试技术。现代测试技术的核 心是自动化测试技术。自动化测试技术的发展与计算机的发展有着紧密的联 系。以计算机为信息处理核心的摩擦学测试系统具有较强的智能功能，可以 满足各类用户的需要。 现阶段，对于利用计算机辅助的摩擦磨损试验测试技术【2 2 1 的研究已经起 步，并处在一个全新的发展阶段。在国外，该技术已经逐渐应用到实践中， 而在我国的起步较晚，发展速度相对较慢，有部分企业、研究机构进行该技 术的研究 2 3 - 2 6 且有一些相关产品已经投入市场。但是相对于摩擦磨损试验 的不断深入，目前该技术的研究还远远没有达到实际要求。将这项技术能尽 快地发展起来，并应用到实际中为生产实践服务是摩擦学研究的一个重要课 题。 1 2 现代测试技术的基本概况 1 2 1 测试技术的基本概述 测试技术包含着测量和试验两个方面的内容。测量，就是把被测对象的 某种特征信息测试出来，并加以度量；试验，就是通过某种人为的方法，利 用专门的装置，把被测试系统所存在的某种特征信息，激发出来并加以测 量。典型测试系统的结构框架如图1 2 所示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1 2 测试系统 f i g 1 - 2t e s tt h es y s t e m 通常，一个完整的测试过程一般应包括： ( 1 ) 信息的提取用传感元器件完成。信号是信息的载体；为了便于被测 信息的后续处理，一般要将被测信息转换成电信号，也就是说，把被测信号 转换成电压、电流或电路参数( 电阻、电感、电容) 等电信号输出。 ( 2 ) 信号的转换存储与传输用中间转换装置来完成，一般是把信号转换 成传输方便、功率足够，可以传输、存储和记录，并具用一定驱动功能的电 压电流。 ( 3 ) 信号的显示和记录用显示器、指示器和记录仪来完成。 ( 4 ) 信号的处理和分析用数据分析仪、频谱分析仪、计算机数据分析系 统来完成，找出被测信息的变化特征及变化规律，为研究和鉴定工作提供有 效的依据，也可以为系统的控制提供反馈信号。 测试技术归纳起来具有如下三种功能： ( 1 ) 过程中参数测量功能。 ( 2 ) 过程中参数监测控制功能。 ( 3 ) 测量数据分析判断功能。 1 2 2 现代测试系统的基本结构与类型 现代测试系统是以计算机为中心，采用数据采集与传感器相结合的方 式，把从传感器或其他方式得到的各种模拟信号经过处理后变成计算机能接 收的数字信号，以便储存、传输、显示、处理，能最大限度地完成测试工作 的全过程。它是计算机测试系统是计算机硬件、软件结合的综合技术，是当 代传感器技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、微电子技术的综合 应用。 堕查堡三些尘兰三兰至圭兰墨篁兰 现代测试系统大致分为三种类型【3 7 】：基本型、标准接口型与闭环控制 型。如图1 3 所示典型的计算机测试系统。 图】3 计算机测试系统 f i g i - 3c o m p u t e r t e s t i n gs y s t e m 1 2 3 数据采集处理系统的研究现状 近几年来，随着电子技术的飞速发展，数据采集和处理系统的研究也得 到了迅速的发展，正在各个领域中得到了广泛的应用。在测试技术研究方 面，美国和西欧的一些国家一直走在前面。他们把军事电子技术的应用作为 推动测试技术发展的主要动力，并使传感器技术、测试技术与计算机技术同 步发展口“”】，基于各种各样总线体系结构的测试仪器得到了广泛的应用， 高性能的新型传感器和数据采集系统不断涌现，数据采集和处理技术的发展 进入到一个新的阶段。 目前用于数据采集要求的仪器主要可分为三种：g p i b 仪器、基于p c 的仪 器和7 x i 总线仪器。1 9 7 0 年设计的最早的仪器总线( h p i b 或g p i b ) 是作为仪 器和计算机间的标准通信协议。虽然传输速度一般低于5 0 0 k b y t e s 。最适用 于那些要求高准确度，但不要求对计算机进行高速数据传输的应用。基于p c 的仪器在8 0 年代后期开始流行，1 9 9 2 年引入的p c i ( 外围设备互连) 总线达到 了1 3 2 m b s 的速度。基于p c 的仪器在价格方面比其它的各种体系结构有明显 的优势，它们能方便的使用现有的计算机主板作电源和数据传输。大多数情 堕尘堡三些奎兰三兰璧：耋堡篁圣 况下，p c 插卡适合于那些要求高速、低分辨率的测量应用。v x i 是1 9 8 7 年由 主要的仪器制造商创建的一种模块化仪器的标准。为其设计了稳定电源，强 劲的冷却能力，以及严格控制的r f i e m 屏蔽。良好设计的软件协议确保了 正确的总线伸裁。主要的数据采集公司都把v x i 用于它们最精确的高性能系 统。 近年来国内测试技术水平也在迅速的发展，特别是在摩擦学测试等领域 内得到了广泛的应用。 1 2 4 计算机测试技术的发展趋势 随着为电子技术、计算机技术及数字信号处理( d s p ) 等先进技术在测 试技术中的应用，就共性及基础技术而言，现代计算机测试技术的发展趋势 是：集成仪器、测试系统的体系结构、测试软件、人工智能测试技术等方 面。由于篇幅有限本文仅就软件方面进行说明。 现代测试系统将进一步挖掘计算机的强有力软件能力，用软件来替代某 些传统仪器的硬件，如激励信号的发生、测试信号的分析处理功能，大批可 调用的功能模块和元器件库，柔性的系统组建能力等等，使计算机成为测试 系统的核心，出现了除计算机以外基本上没有多少附加硬件的虚拟仪器 ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 。因此有专家预言“在测试平台上，下一次大 变革就是软件”。 软件技术对于现代测试系统的重要性，表明计算机技术在现代测试系统 中的重要地位。可见，以虚拟集成仪器为代表的现代测试仪器、系统与传 统测试仪器相比较的最大特点是：用户在集成仪器平台上根据自己的要求开 发相应的应用软件，就能构成自己需要的使用仪器和实用测试系统，其仪器 的功能不限于厂家的规定。 本课题所研究的往复式摩擦磨损试验机的测试系统应用软件将采用 v b 6 0 编写，获得友好的人机交互界面，以实现数据实时采集处理、存储、 打印等功能。 1 3 本课题研究的主要内容 随着现代自动化测试技术、机电一体化技术的迅速发展，以及计算机技 术在控制、测量和数据分析等方面的应用，摩擦学测试技术面临着前所为有 的发展机遇。结合生产实际和现有条件我们研制种新型往复式摩擦磨损试 哈尔滨工业大学t 学碗上学位论义 验机，以满足一些科研试验和教学工作。本课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 试验机机械部分的设计主要包括导轨支承及传动部件和加载机构的 设计以及驱动元件的选择。 ( 2 ) 试验机数据采集系统的设计设计硬件接口实现测试对象的信息转换 为计算机可以识别的信息。主要包括传感器电路设计和数据采集卡的应用。 ( 3 ) 试验机测试系统软件的开发开发出具有友好的人机交互界面，能实 现数据的实时采集、实时显示、处理、保存、打印等功能的测试系统软件。 通过软件系统对采集数据的滤波，减小机械和电气部分产生的测量误差。 堕垒堡三些查兰三兰堡圭兰竺鲨兰 第2 章试验机总体设计及电机容量选择 2 1 往复式摩擦磨损试验机总体设计 2 1 1 概述 本课题研究的往复式摩擦磨损试验机用来模拟一种往复运动摩擦副的实 际运动和受力状态。该试验机可以实现在一定速度、载荷、温度条件下，对 摩擦力和摩擦系数的实时采集、在线分析、记录保存和离线处理等功能，以 便对试验材料的摩擦学特性做出实时、定量分析。 往复运动是一种典型的机械运动形式，大部分的瞬态运动速度，甚至载 荷都是变化的。要研究其磨损机理就必须研究其各个瞬态摩擦学特性的变化 规律，这就给研究摩擦测试技术的工作者带来很大困难。用传统的测试方法 难以对往复运动过程中摩擦副在每个瞬态的摩擦学特性进行详细的描述和分 析。随着计算机技术在摩擦学测试技术方面的广泛应用、信号采集速度和计 算机运算速度的不断提高，以及软件技术的不断完善，为动态测试技术发展 提供了条件，作为测试技术发展的趋势和方向，动态测试技术可以较好的解 决往复运动中摩擦学测试和实际数据分析问题。 随着数控技术及机电一体化技术的飞速发展，作为机电一体化化产品关 键部件的直线导轨副也得到迅速发展，本课题采用交流伺服电机来驱动导轨 引动器，以实现旋转运动转换为往复直线运动，进而模拟摩擦副的往复相对 运动的状态。并且采用简单、可靠的杠杆加载机构进行加载。 2 1 2 设计中需解决的技术难题及关键技术 ( 1 ) 运动部件运动精度和疲劳寿命的保证。 ( 2 ) 加载机构加载垂直方向载荷的保证。 ( 3 ) 测试数据采集精度及实时显示动态参数图象的保证。 ( 4 ) 系统测试软件准确性、可移植性以及界面友好性的保证。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 1 3 试验机的功能特点及技术指标 ( 1 ) 利用伺服电机直接驱动导轨引动器实现往复运动的功能，可以在速度 l 1 5 0 0 r a d m i n 范围内实现平滑调遽，最大往复速度v = 3 0 m s ，并实时显示 速度值。 ( 2 ) 本试验机采用机电一体化技术，具有结构紧凑、运行平稳、效率高、 长寿命、低噪声、承载能力强等特点。加载范围p = o 1 5 0 n ，最大行程 1 = 3 0 0 m m 。 ( 3 ) 通过更换加载附件可以实现多功能摩擦磨损试验，比如可以进行有无 润滑的滑动和滚动摩擦磨损试验，还可以进行接触疲劳试验。 ( 4 ) 利用高精度电阻式传感器实时测量动态摩擦力，将摩擦力信息通过数据 采集卡输入计算机进行存储、数据处理。在监视器上实时显示摩擦系数变 化随线。 2 1 4 试验机及其测试系统的总体设计 在试验机的设计过程中采用功能模块化设计思想，将试验机总体结构功 能分解为三部分。如图2 1 所示，该试验机总体结构主要有以下三部分构 成：i 驱动系统，包括伺服驱动单元和交流伺服电机；i i 工作平台，包括导 轨支承及传动部件( l m 导轨引动器l m 导轨和滚珠丝杠一体化构造) 和加载机构；i 数据采集处理系统，包括电阻式传感器、信号调理器、接口 电路( 数据采集卡) 、计算机处理软件以及打印机部分。如图2 2 所示试验 机实物照片。 一- 一一- - 一一一一一一一一- 一一- 一一一一一一一一一一一一一 图2 - 1 试验机的组成 f i g 2 1c o m p o n e n t so f t h ee x p e r i m e n tm a c h i n e 坠垒堡三些查耋三兰竺圭兰垒堡兰 图2 - 2 试验机照片 f i g 2 2t h ep h o t oo ft h ee x p e r i m e n tm a c h i n e 试验机机械结构原理图如图2 3 所示。该摩擦磨损试验机可以用于滑 动摩擦磨损试验，以及接触疲劳试验。试验机机械结构主要由以下几部分构 成：底座1 、交流伺服电机8 、加载机构( 包括导向轴承4 、杠杆9 、定向键 1 0 、加载立柱1 4 、杠杆支撑块1 5 、平衡调整螺母1 6 ) 、试件夹持部件( 包括 背向螺母1 2 、下试件座3 ) 、传感器弹性元件1 3 。该试验机试件接触形式为点 接触，相对运动方式为纯滑动。 该试验机采用机电一体化结构设计，其工作原理为：交流伺服电机8 驱 动l m 导轨引动器2 带动下试件5 往复运动。通过杠杆加载机构施加载荷。 上试件为球体材料，利用背紧螺母将其固定在弹性元件1 3 上，随着上、下 试件的相对往复运动，此时产生的摩擦力信号通过贴在弹性元件1 3 上的电 阻应变片转换为相应的电信号，该电信号经信号调理器放大、滤波后变为 2 5 屯5 v 的标准电压，然后把一2 5 2 5 v 的标准电压通过数据采集卡输入计 算机，通过a d 转换器把一2 5 2 5 v 的模拟量电压转换为数字量，由计算机 实时采集并计算出摩擦系数，并在监视器上实时显示摩擦系数时间变化 曲线。试验后，可以用打印机打印试验数据和试验报告。 堕丝堡三些奎兰三耋璧圭兰堡篁兰 1 - 底座2 - l m 导轨引动器3 下试件座4 导向轴承5 下试件6 金属膜片联轴器 7 - 电机支架8 一伺服电机9 杠杆l o 定向键1 1 - 上试件1 2 背向螺母1 3 弹性元件 1 4 加载立柱1 5 杠杆支撑块1 6 平衡调整螺母 图2 - 3 试验机机械结构原理图 f i g 2 - 3t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r ep r i n c i p l ef i g u r eo f t r i mm a c h i n e 堕垒堡三些盔耋三兰塑圭兰堡篁三 2 2 交流伺服电机的容量选择及控制 2 2 1 交流伺服电机选择原则 伺服电机作为伺服系统的驱动元件，应满足下列条件： ( 1 ) 在所有的进给速度范围内( 包括快速移动) ，空载进给力矩应小于电 动机的额定转矩。 ( 2 ) 最大负载力矩小于电动机的额定转矩。 ( 3 ) 加、减速时间应符合所希望的时间常数。 ( 4 ) 快速进给频繁度在希望值以内。 2 2 2 负载转矩和惯量的归算 为选取满足上述条件的电动机，需要进行负载转矩计算、惯量匹配计 算和加、减速转矩计算。 ( 1 ) 负载转矩计算负载转矩是由于驱动系统的摩擦力所弓l 起，可用下式 表示： m - 2 a , = f t( 2 - 1 ) 式中肛电动机轴转矩( 负载等效转矩) ； 卜使机械部件沿直线方向移动所需力( 沿丝杠轴向) ； 厶丝杠导程 由于存在传动效率和摩擦系数因素，滚珠丝杠克服外部载荷p 做等速 运动所需力矩，应按下式计算： m ：k 掣+ 婴十：3 5 9 6n mm(2-2) h m | 、 式中必等速运动时的驱动力矩( n r a m ) ； f ， 足笔啦滚珠丝杠的预紧力矩( n r a m ) ； z 万 r r 预紧力( n ) ，通常取最大轴向工作载荷，k 。的1 3 ； k 丝杠预紧力矩系数，取0 1 ： p _ 加在丝杠轴向外部载荷( n ) ，p = 凡尸m g t 产= 1 0 4 n ； 帮，滚珠丝杠效率，取0 9 5 ； 堕玺鎏三些盔耋三耋堡兰堡堡兰 结支承轴承的摩擦力力矩，取o 1 0n m ； ( 2 ) 惯量匹配计算为使伺服电机进给执行部件具有快速响应能力，必须 选用加速度能力大的电动机，亦即能够快速响应的电动机( 如采用大惯量伺 服电机) ，但又不能盲目地追求大惯量，否则由于不能充分发挥其加速能 力，会不经济。因此必须使电机惯量与进给负载惯量有个合理的匹配。通常 在电动机惯量山与负载惯量以( 折算到电机轴) 或总惯量4 之间，推荐下 列匹配关系： 三4 s 争l 眨3 ) j 。， j 或o 5 sj ls 0 8 ( 2 - 4 ) ， 或0 2 茎o l o 5( 2 5 ) 负载惯量的计算： ! m u 2 ：三，2 22 式中沪一一移动部件质量( k g ) ； u 一一移动部件线速度； 一移动部件换算到电机轴上的负载转动惯量 廿丝杠转动的角速度 而移动部件的移动速度与丝杠转速的关系为 l 一2 筇 d 把( 2 - 7 ) 代入( 2 6 ) 得 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 中等：雩孕_ 3 0 3 9 6k g 姗2 。，2 百产2 可刮叫k 姗 丝杠转动惯量为： ，s g = i 1 历r 2 = ：1 ( 7 8 7 1 0 6 3 1 4 x 7 5 2 4 9 1 ) x 7 5 2 = 1 9 2 1k g m m 2 式中l ，。g 丝杠转动惯量( 蝇m m 2 ) ； m 丝杠质量( 蚝) ； ，- 一丝枉外径的1 2 ，p = 7 。5 ) r a m 望查堡三些奎兰士耋至当兰篁兰兰 矗皇詈 负载总转动惯量： 五= 工+ ，也= 3 0 3 9 6 + 1 9 2 1 + 3 8 2 3 6 1 2k g i t l n l 2 式中正s f c 一0 4 0 w d 型膜片联轴器的转动惯量( a = 3 8k g m m 2 ) ： ( 3 ) 加速时最大转矩计算 m = 等( 凡+ 以) - 1 0 4 8 n m( 2 8 ) 式中 r 快速移动的电机转速( 1 5 0 0 r m i n ) ； ，r 加减速时间，t a 3 k s ，取1 7 5 m s ； k r 系统开环增益，通常取8 s 。1 - 2 5s ； 五负载惯量( k g m 2 ) ： 山一一电机惯量( k g m 2 ) 2 2 3 交流伺服电机的控制 根据转速、转矩和转动惯量要求我们选择了安川伺服电机电机参数如表 2 1 所示。 表2 1 电机型号及参数 t a b l e2 - 1t h em o d e la n d p a r a m e t e r o f m o t o r 额定功率额定转矩转动惯量最高转速额定转速 型号 ( w )( n m ) ( k g m m 2 ) ( r a i n “)( r a i n 一1 ) s g m g h - 8 5 05 3 91 3 9 03 0 0 01 5 0 0 0 9 a c a 6 】 驱动器的型号为s 0 d m 0 1 a d 和驱动器之间的控制电路包括电源接口和 编码器接口。在电机上配有1 7 位增量型编码器，用于电机内部位置反馈闭 环，从而实现驱动器对电机的精确控制。 安川交流伺服电机提供3 种控制方式，即转矩、速度和位置控制方式。 其中转矩、速度控制的指令是模拟电压形式，而位置控制指令则可以采用与 步进系统相同的脉冲制形式。转矩控制方式需要软件构成位置、速度闭环， 速度控制方式则需要软件构成位置闭环，这两种控制方式在交流伺服装置外 都要调节器，现场整体的工作量大。而位置控制方式相对简单，现场整定容 易。定位精度也可以得到保证，因此我们选用了位置控制方式。而位置控制 信号有三种方式：正交脉冲指令控制方式、c w c c w 脉冲指令控制方式， 脉冲方向控制方式。正交脉冲指令控制方式中，电机的正反转是由正交脉 竺垒耋三垩查兰三兰丝圭耋竺鎏圣 冲中的一相超前或滞后来控制，c w c c w 脉冲指令控制方式中，电机的正 反转是通过给电机发c w c c w 发脉冲来控制的，单脉冲+ 方向控制方式 中，一路是脉冲信号，一路是方向控制信号。考虑到控制的简单，可靠我们 采用数字操作器进行手动控制。 2 3 本章小结 本章论述了试验机的总体结构及其工作原理，分析了该试验机设计需要 解决的几大技术难题，总结了该试验机的特点和技术指标。最后对该试验机 的驱动元件交流伺服电机进行选取，这里涉及到等效惯量和等效转矩的 计算，并由此来进行伺服电机型号的选择以及相应的驱动单元型号的确定。 最后根据交流伺服电机的控制方式，选择了利用数字控制器进行位置控制来 满足目前试验要求。 篁垒堡三些查兰三兰堡圭兰堡篁= 三 第3 章试验机关键部件设计 3 1 导轨支承及传动部件的设计 3 1 1 具体结构 本课题采用t h k 公司生产的k r 4 6 2 0 a 型l m 导轨引动器 ”l ，如图3 1 所示。其构造特点：高刚性u 字形断面形状的外侧轨道与两侧是l m 导 轨，中央是滚珠丝杠的一体构造的内滑块，以最小的空间构成了高刚性、高 精度的引动器。 支座a 乓 ， 岛 。 。 支座b 图3 一ll m 导轨引动器构造 f i g 3 - 1t h e s t r u c t u r eo fl m s l i d i n gg u i d ea c t u a t o r 该导轨引动器由l m 导轨、滚珠丝杠和支承轴承三部分构成，其主要性 能参数见表3 1 。 2 查鎏三些查主三兰堡圭兰竺里兰 表3 1k r 4 6 2 0 a 导轨引动器性能参数 t a b l e3 1t h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f k r 4 6 2 0 as l i d i n gg u i d ea c t u a t o r 部件名称l m 导轨滚珠丝杠支承轴承( 轴向) 基本额定动载荷c ( n ) 2 7 4 0 03 0 4 06 6 6 0 基本额定静载荷白( n ) 4 5 5 0 d7j 5 d3 2 4 0 径向间隙( m l n ) + 0 0 0 3 - 0 0 0 6 丝杠轴径( m m )1 5 导程( m m )2 0 3 1 2 试验机的寿命计算 摩擦磨损试验机用来做大量长时间的摩擦磨损以及疲劳试验，这就要求 该试验机具有较长的使用寿命。而本课题所研制的数控往复式摩擦磨损试验 机的寿命取决于关键部件导轨支承及传动部件，即导轨引动器自身的寿命。 本试验机采用交流伺服电机作为驱动元件，传动系统的结构示意图如图3 2 所示( p 一载荷；卜摩擦力) 。 图3 - 2 传动系统结构示意图 f i g 3 2t h es t r u c t u r a ls k e t c hm a po f t h et r a n s m i s s i o ns y s t e m 如图3 3 所示滑块速度曲线。 实际工作条件为： 速度：o = 5 0 0 m m s 加速度：口= 2 4 m s 2 质量( 载荷十自重) ：m = 3 0k g 行程：l = 3 0 0 m m 重力加速度：譬= 9 8 0 7 m s 2 v ( r e n d s ) 杠 图3 - 3 滑块速度曲线 f i g ，3 3 t h es p e e dc u r v eo fs l i d i n g 哈尔滨工业丈学工学硕士学位论文 3 1 2 1l m 导轨的寿命计算 如图3 - 4 所示，m a 、m b 、m c 为各个方向的力矩。 m r 。 m c 气 闰3 - 4l m 导轨各方向力矩 f i g 3 - 4t h e e a c hd i r e c t i o nf o r c em o m e n to fl m s l i d i n gg u i d e 本试验机l m 导轨各个方向的力矩为： m a = m 口1 9 3 m b = m 口4 0m c = m 4 0 力矩等效系数为： 氟= k n = 8 6 3 i 0 2 缸一2 8 3 1 0 2 b l(五fc巴cj x 5 。 ( 3 - 1 ) 式中上额定寿命( k m ) ( 让一批寿命相同的l m 导轨在相同条件下逐运 动时，其中的9 0 不产生表面剥落所能达到的总运行距离) ； c l 一基本额定动载荷( n ) ： p c 一计算载荷大小( n ) ： 载荷系数； 序一接触系数( 1 0 ) 上1 0 6 厶2 西而 ( 3 2 ) 式中 时间( h ) ： 挖，每分钟往返次数( 7 4 m i n 。1 ) ( 1 ) 计算滑块载荷大小