CN100529730C - 多功能摩擦磨损实验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超硬工具磨损检测分析的实验装置。多功能摩擦磨损实验机，其特征在于它包括第一液压缸(1)、底板(2)、第一导轨(3)、立柱(4)、滑块连接板(5)、横梁(6)、扭矩传感器(7)、液压马达(8)、主轴箱体(9)、主轴(10)、转速传感器(11)、工作台(13)、第三液压缸(14)、第三导轨(15)、滑板(16)、第二导轨(17)、第二液压缸(19)、第一压力传感器(20)，第一液压缸(1)内设有第一压力传感器(20)，转速传感器孔处的主轴上设有转速测量标识，转速传感器(11)与主轴箱体(9)固定连接；扭矩传感器(7)由扭杆(28)和两个扭矩测量压力传感器(29)构成。本发明可以实现工具的钻、锯、磨三种功能，可检测超硬工具工作时的转矩、钻孔速度、钻进压力参数。

Description

多功能摩擦磨损实验机

技术领域

本发明涉及一种金刚石、立方氮化硼等超硬工具(如钻头、锯片、磨块等)磨损检测分析的实验装置。

背景技术

60年代初，人造金刚石的应用大大推动了金刚石钻探技术的发展，引起了勘探领域的一场革命。然而在人造金刚石制品检测方面，还没有对人造金刚石制品进行性能检测的相关手段。目前，人造金刚石制品都是根据经验进行生产，制品品质到底怎样，往往是现场实际使用过程中通过人的观察得到一个大致的结果，不行回去再修改配方和工艺，没有科学的量化指标作为依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现工具的钻、锯、磨的多功能摩擦磨损实验机，该实验机可检测超硬工具工作时的转矩、钻孔速度、钻进压力参数。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：多功能摩擦磨损实验机，其特征在于它包括第一液压缸1、底板2、第一导轨3、立柱4、滑块连接板5、横梁6、扭矩传感器7、液压马达8、主轴箱体9、主轴10、转速传感器11、工作台13、第三液压缸14、第三导轨15、滑板16、第二导轨17、第二液压缸19和第一压力传感器20，立柱4的下端与底板2的左端部固定连接，立柱4上沿Z向设有第一导轨3，第一导轨3上设有Z向滑块23，Z向滑块23与滑块连接板5固定连接，第一液压缸1的缸头与滑块连接板5铰接，第一液压缸1的缸体的下部穿过底板2上的第一液压缸孔21并与底板2固定连接，横梁6的左端部与滑块连接板5固定连接，横梁6的右端与主轴箱体9固定连接，主轴箱体9上设有主轴通孔，液压马达8的输出轴与主轴10的上端部相联，主轴10的下端穿过主轴箱体9的主轴通孔，主轴10由轴承与主轴箱体9相联；

底板2上沿X向设有第二导轨17，第二导轨17上设有X向滑块24，底板2的右部开有槽22，滑板16的下端面与X向滑块24固定连接，滑板16上的铰接头30穿过底板2的槽22与第二液压缸19的缸头铰接，第二液压缸19的缸体与底板2铰接；滑板16的上面沿Y向设有第三导轨15，第三导轨15上设有Y向滑块，工作台13的下端面与Y向滑块固定连接，第三液压缸的缸头与工作台13铰接，第三液压缸的缸体与滑板16铰接；

第一液压缸1内设有第一压力传感器20，主轴箱体9上开有转速传感器孔，转速传感器孔与主轴箱体9上的主轴通孔相通，转速传感器11穿入转速传感器孔内，转速传感器孔处的主轴上设有转速测量标识，转速传感器11与主轴箱体9固定连接；扭矩传感器7由扭杆28和两个扭矩测量压力传感器29构成，扭杆28的一端与液压马达8固定连接，扭杆28的另一端部位于两个扭矩测量压力传感器29之间，两个压力传感器29设在横梁6上。

主轴箱体9的下端固定连接一进水连接板12，进水连接板12上设有主轴通孔，主轴10的下端穿过进水连接板12的主轴通孔并位于进水连接板12的下方，主轴10的下端部设有水孔25，进水连接板12内设有水环道，水环道与进水连接板12上的进水接口相通，水孔25与进水连接板12上的水环道相通。

转速测量标识为齿形槽、孔眼、凸键或凹槽。

液压马达8穿过轴向限位板27上的液压马达孔，液压马达8上的限位块位于轴向限位板27下(液压马达8可旋转，但不能轴向移动)，轴向限位板27由定位螺栓26与主轴箱体9的上端面固定连接。

本发明的实验机在工作时有三个方向的运动，即三个方向上的进给，分别可以通过液压缸的伸缩来实现；工作时将超硬工具(如钻头、锯片、磨块等)固定在主轴10的下端，试件(工作对象)夹持在工作台13上，由主轴10带着超硬工具对试件实施实验；X轴、Y轴方向上的进给适用于对工作对象进行切割(即锯)；Z轴上的进给可用来实现钻进和磨削。

扭矩测量原理及过程：

1)将扭矩测量压力传感器放置在横梁上与扭杆相接触。

2)将扭杆与液压马达8相联结。

3)液压马达8在工作状态下，在试件反作用力作用下，液压马达定位螺栓26限制其轴向自由度，液压马达8只能绕自身轴线旋转，驱动扭杆，缓慢加载，对扭矩测量压力传感器施加最大力F，测量出力臂L。

计算出力矩M＝F·L即可作为液压马达8最大输出扭矩；即可实现对工具工作时的转矩的测量。

钻进压力测量原理及过程：钻进压力测量通过压力传感器20检测，当工作时，第一液压缸1作伸缩移动，压力传感器20检测得到油缸缸体内油液压力变化，油液压力与活塞面积的乘积就得到钻具钻进压力；即可实现对钻进压力的测量。

钻孔速度测量原理及过程：钻孔速度测量通过转速传感器(电涡流转速传感器)11检测，适合于测量从零转速以上的任何一转速，对于被测体转轴的转速发生装置要求也很低，主轴10上可以开些齿形槽，也可以是一个很小的孔眼，一个小凸键、一个小的凹槽；转速传感器11实现对主轴10转速的测量，即可实现对钻孔速度的测量。

本发明通过设置扭矩传感器7、转速传感器11、第一压力传感器20能够模拟实际工况，实时检测超硬材料工具工作时的转矩、钻孔速度、钻进压力工作参数及其磨损情况，并将数据传输给计算机进行分析，为揭示超硬材料制品的工作机理和失效原因提供科学的、可靠的实验数据。本发明具有结构简单、控制稳定可靠的特点。

本发明可广泛应用于金刚石、立方氮化硼等超硬工具的生产、科研、教学等领域。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是图1的左视图

图3是图1的俯视图

图4是本发明底板的结构示意图

图5是图4的右视图

图6是图4的俯视图

图7是本发明立柱的结构示意图

图8是图7的右视图

图9是图7的俯视图

图10是本发明滑块连接板的结构示意图

图11是图10的左视图

图12是本发明横梁的结构示意图

图13是图12的俯视图

图14是本发明主轴箱体的结构示意图

图15是图14的左视图

图16是图14的俯视图

图17是本发明主轴的结构示意图

图18是本发明进水连接板的结构示意图

图19是图18的左视图

图20是图18的俯视图

图21是本发明滑板的结构示意图

图22是图21的左视图

图23是图21的俯视图

图24是本发明工作台的结构示意图

图25是图24的左视图

图26是图24的俯视图

图27是本发明扭矩传感器7的结构示意图

图28是本发明定位螺栓26的结构示意图

图29是本发明液压系统的原理图

图30是本发明计算机数据采集及控制系统框图

图31是本发明计算机数据采集及控制系统的滤波、放大电路图

图32是本发明计算机数据采集及控制系统的数据传输线路图

图33是本发明计算机数据采集及控制系统的单片机系统电路图

图中：1-第一液压缸，2-底板，3-第一导轨，4-立柱，5-滑块连接板，6-横梁，7-扭矩传感器，8-液压马达，9-主轴箱体，10-主轴，11-转速传感器，12-进水连接板，13-工作台，14-第三液压缸，15-第三导轨，16-滑板，17-第二导轨，18-第二压力传感器，19-第二液压缸，20第一压力传感器，21-第一液压缸孔，22-槽，23-Z向滑块，24-X向滑块，25-水孔，26-定位螺栓，27-轴向限位板，28-扭杆，29-扭矩测量压力传感器，30-铰接头。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20、图21、图22、图23、图24、图25、图26、图27、图28、图29所示，多功能摩擦磨损实验机，它包括第一液压缸1、底板2、第一导轨3、立柱4、滑块连接板5、横梁6、扭矩传感器7、液压马达8、主轴箱体9、主轴10、转速传感器11、进水连接板12、工作台13、第三液压缸14、第三导轨15、滑板16、第二导轨17、第二压力传感器18、第二液压缸19、第一压力传感器20，立柱4的下端与底板2的左端部固定连接(通过螺栓)，立柱4上沿Z向设有第一导轨3，第一导轨3上设有Z向滑块23(Z向滑块23内设有滑槽并卡在第一导轨3上，Z向滑块23可沿第一导轨3滑动)，Z向滑块23与滑块连接板5固定连接(通过螺栓)，第一液压缸1的缸头与滑块连接板5铰接，第一液压缸1的缸体的下部穿过底板2上的第一液压缸孔21并与底板2固定连接，横梁6的左端部与滑块连接板5固定连接(通过螺栓)，横梁6的右端与主轴箱体9固定连接(通过螺栓)，主轴箱体9、进水连接板12分别设有主轴通孔，进水连接板12位于主轴箱体9的下端并与主轴箱体9固定连接(通过螺栓)，液压马达8穿过轴向限位板27上的液压马达孔，液压马达8上的限位块位于轴向限位板27下(液压马达8可旋转，但不能轴向移动)，轴向限位板27由定位螺栓26与主轴箱体9的上端面固定连接，液压马达8的输出轴与主轴10的上端部相联，主轴10的下端穿过主轴箱体9的主轴通孔、进水连接板12的主轴通孔位于进水连接板12的下方，主轴10由轴承与主轴箱体9相联；主轴10的下端部设有水孔25，进水连接板12内设有水环道，水环道与进水连接板12上的进水接口相通，水孔25与进水连接板12上的水环道相通；

底板2上沿X向设有第二导轨17，第二导轨17上设有X向滑块24(X向滑块24内设有滑槽并卡在第二导轨17上，X向滑块24可沿第二导轨17滑动)，底板2的右部开有槽22，滑板16的下端面与X向滑块24固定连接(通过螺栓)，滑板16上的铰接头30穿过底板2的槽22与第二液压缸19的缸头铰接，第二液压缸19的缸体与底板2铰接；滑板16的上面沿Y向设有第三导轨15，第三导轨15上设有Y向滑块(Y向滑块内设有滑槽并卡在第三导轨15上，Y向滑块可沿第三导轨15滑动)，工作台13的下端面与Y向滑块固定连接(通过螺栓)，第三液压缸的缸头与工作台13铰接，第三液压缸的缸体与滑板16铰接；

第一液压缸1、第二液压缸19、第三液压缸14内分别设有第一压力传感器20、第二压力传感器18、第三压力传感器；主轴箱体9上开有转速传感器孔，转速传感器孔与主轴箱体9上的主轴通孔相通，转速传感器11穿入转速传感器孔内，转速传感器孔处的主轴上设有转速测量标识(如齿形槽、孔眼、凸键或凹槽)，转速传感器11与主轴箱体9固定连接；扭矩传感器7由扭杆28和两个扭矩测量压力传感器29构成，扭杆28的一端与液压马达8固定连接，扭杆28的另一端部位于扭矩测量两个压力传感器29之间，两个压力传感器29设在横梁6上。

第一压力传感器20、第二压力传感器18、第三压力传感器、转速传感器11、扭矩传感器7(两个压力传感器29)分别与计算机数据采集及控制系统相连。液压系统如图29所示。

选用GM5-6型液压马达作为主轴的驱动设备；三个液压缸选用DG-J40C-E1E，采用三个液压缸实现三个方向的运动，具有控制稳定可靠的特点；导轨与滑块构成轨副，选用汉阳机床厂HJG-D25规格滚动直线导轨副。

液压马达8、主轴箱体9、进水连接板12的作用是通过液压马达的旋转来带动主轴和金刚石工具转动，传递扭矩，同时通过进水连接板12供水来降低金刚石工具工作时的温度并将切割下来的碎削冲走。

数据采集与传输：

计算机数据采集及控制系统由下位机和上位机两部分组成，下位机、上位机两部分均可采用公知技术，下面对下位机、上位机两部分简述如下：

如图30所示，上位机部分是计算机，用Visual Basic开发的接收数据程序，采用串口与下位机的单片机系统(即多功能数据采集卡)进行通讯，使用RS-232C协议。可实现手动控制单片机的运行，设置单片机采集数据长度、滤波长度、采样间隔等参数，并且可以通过设置时间或采集数据长度来自动控制单片机的运行。

如图30、图31、图32、图33所示，下位机部分包括可检测转速、钻进压力、转矩等通道数据的硬件电路，以及对其进行相应数据处理、转存并传输数据到上位机的单片机系统(即多功能数据采集卡，如图33所示)。单片机部分采用带4KROM的AT89C51，数据存储器使用32K的62256，并采用了GAL器件译码和进行基本的运算。如图32所示，传输部分用MAX232进行协议转换。如图31所示，信号调理电路的放大电路采用LM324芯片进行放大，用ADC0809进行A/D转换。

如图30所示，图30中：

AD0-转速传感器(PN1)输入，正脉冲信号，TTL电平；

AD1-扭矩传感器(P0)输入，电压信号幅值0～5V；

AD2-第一压力传感器20[钻进油缸压力传感器](P1)输入，电压信号幅值0～5V；

AD3-第二压力传感器18、第三压力传感器[工作台油缸传感器](P2)输入，电压信号幅值0～5V；

DA0-接液压系统比例溢流阀控制器，控制电压幅值0～10.0V；

DA1-接液压系统比例换向阀控制器，控制电压幅值±15V；

D00-油泵电机工作控制端，“1”运行，“0”停机；

D01-钻进油缸动作控制端，“1”钻进，“0”停止；

D02-钻进油缸动作控制端，“1”提升钻头，“0”停止。

D03-工作台给进油缸动作控制端，“1”向左移动，“0”停止。

D04-工作台给进油缸动作控制端，“1”向由移动，“0”停止。

1、钻进压力检测方案

由于超硬工具(如钻头)处于工作状态，会有不停震动的干扰，无法直接对钻头检测。但工作台上横梁所受的应力、油缸的油压与钻头的钻进压力都有相应的线性关系，钻头压力变大则横梁所受的应力亦变大，相应油缸对其的驱动力也会变大，所以可以通过对横梁所受应力和液压缸油压的测量，间接地得出钻进压力。

检测横梁所受的应力，使用时可在第一液压缸1的高压端端口接第一压力传感器20(应变式压力传感器)，传感器将信号送至滤波、放大电路，再经AD转换后送至8031，进而送至计算机。

2、转速检测方案

检测转速的方法有很多，其中常用方法有：

a)使用光电编码器检测转速；

b)使用测速发电机检测转速；

c)使用接近开关检测转速；

d)通过检测电机电流检测转速；

根据执行机构结构特点，考虑成本、对机械部分的布局影响小等因素，最终选用方案3(使用接近开关检测转速)。

3、转矩检测方案

1)、扭矩测量原理及过程：

(1)将压力传感器放置在横梁上与扭杆相接触。

(2)将扭杆与液压马达8相联结。

(3)液压马达8在工作状态下，在试件反作用力作用下，液压马达定位螺栓26限制其轴向自由度，液压马达8只能绕自身轴线旋转，驱动扭杆，缓慢加载，对压力传感器施加最大力F，测量出力臂L。

计算出力矩M＝F·L即可作为液压马达8最大输出扭矩；即可实现对工具工作时的转矩的测量。

2)、在工作台侧面设计一个压板，压力传感器放置在压板边上，当钻头回转切削岩样时，由于切向力的作用使工作台上的压板作用在压力传感器的端部，通过测量该作用力的大小便可计算出切削扭矩的大小。

4、传感器的选择

扭矩测量压力传感器29选用由中国航天科技集团公司第701研究所生产的AK-4型应变式压力传感器，测量范围应在0~20MP之间，分辨率应达到0.1MP以上，工作温度为室温环境(-20℃~40℃)之间，应有一定的过载能力，可靠性要较好。

第一压力传感器20选用由上海自动化仪表股份有限公司华东电子仪器厂生产的BHR-8M型带密封，测量范围应在0~100kg，需另配前置放大。

转速检测采用长春三峰传感技术有限公司接近开关LJM38T-18J/K。

5、数据传输

由于本计算机数据采集及控制系统需实时采集数据，单片机的数据存储器只暂存少量的数据，待采集一定的数量后需将其传输给计算机，以进行下一步处理。故应设计数据传输电路。

在计算机数据采集及控制系统中，数据通讯主要采用异步串行通讯方式。异步串行通讯接口有三类：

·RS-232C(RS-232A，RS232B)

·RS-449，RS-422，RS-423和RS-485

·20mA电流环

三种通讯标准在通讯速度、通讯距离和抗干扰能力上各有不同的表现。通常的标准串行接口的电气特性都有满足可靠传输时的最大通讯速度和传送距离指标。但通讯速度和通讯距离这两个指标之间具有相关性，适当地降低通讯速度，可以提高通讯距离，反之亦然。采用RS-232C标准进行单向数据传输时，最大数据传输速率为20K bit/s，最大传送距离为15m。改用RS-422标准时，最大传输速率可达10M bit/s，最大传送距离为300m，适当降低数据传输速率，传送距离可达到1200m。

选择哪种通讯标准，因使用的场合不同而各异。由于本计算机数据采集及控制系统只在室内实验，所需的传输距离较短，故可选择RS-232C接口标准。

6、系统的软件设计

计算机数据采集及控制系统的软件设计分为下位机和上位机两部分，下位机是针对单片机，用MCS-51指令编写的汇编程序，主要实现接收上位机的指令、控制ADC0809的启停、接收并处理光电通道传来的信号、数字滤波、转存数据和发送数据等功能；上位机是基于PC机用Visual Basic编写的面向对象的接收数据程序，主要实现选择通讯端口、实时显示当前状态、控制单片机的启停，设置单片机要采集的通道数、每帧数据长度、单片机对模拟通道的数字滤波长度、采样间隔长度等参数，并可设置采集一定数据长度或一定时间后单片机自动停止等功能。

Claims (4)

1.多功能摩擦磨损实验机，其特征在于它包括第一液压缸(1)、底板(2)、第一导轨(3)、立柱(4)、滑块连接板(5)、横梁(6)、扭矩传感器(7)、液压马达(8)、主轴箱体(9)、主轴(10)、转速传感器(11)、工作台(13)、第三液压缸(14)、第三导轨(15)、滑板(16)、第二导轨(17)、第二液压缸(19)和第一压力传感器(20)，立柱(4)的下端与底板(2)的左端部固定连接，立柱(4)上沿Z向设有第一导轨(3)，第一导轨(3)上设有Z向滑块(23)，Z向滑块(23)与滑块连接板(5)固定连接，第一液压缸(1)的缸头与滑块连接板(5)铰接，第一液压缸(1)的缸体的下部穿过底板(2)上的第一液压缸孔(21)并与底板(2)固定连接，横梁(6)的左端部与滑块连接板(5)固定连接，横梁(6)的右端与主轴箱体(9)固定连接，主轴箱体(9)上设有主轴通孔，液压马达(8)的输出轴与主轴(10)的上端部相联，主轴(10)的下端穿过主轴箱体(9)的主轴通孔，主轴(10)由轴承与主轴箱体(9)相联；

底板(2)上沿X向设有第二导轨(17)，第二导轨(17)上设有X向滑块(24)，底板(2)的右部开有槽(22)，滑板(16)的下端面与X向滑块(24)固定连接，滑板(16)上的铰接头(30)穿过底板(2)的槽(22)与第二液压缸(19)的缸头铰接，第二液压缸(19)的缸体与底板(2)铰接；滑板(16)的上面沿Y向设有第三导轨(15)，第三导轨(15)上设有Y向滑块，工作台(13)的下端面与Y向滑块固定连接，第三液压缸的缸头与工作台(13)铰接，第三液压缸的缸体与滑板(16)铰接；

第一液压缸(1)内设有第一压力传感器(20)，主轴箱体(9)上开有转速传感器孔，转速传感器孔与主轴箱体(9)上的主轴通孔相通，转速传感器(11)穿入转速传感器孔内，转速传感器孔处的主轴上设有转速测量标识，转速传感器(11)与主轴箱体(9)固定连接；扭矩传感器(7)由扭杆(28)和两个扭矩测量压力传感器(29)构成，扭杆(28)的一端与液压马达(8)固定连接，扭杆(28)的另一端部位于两个压力传感器(29)之间，两个扭矩测量压力传感器(29)设在横梁(6)上。

2.根据权利要求1所述的多功能摩擦磨损实验机，其特征在于：主轴箱体(9)的下端固定连接一进水连接板(12)，进水连接板(12)上设有主轴通孔，主轴(10)的下端穿过进水连接板(12)的主轴通孔并位于进水连接板(12)的下方，主轴(10)的下端部设有水孔(25)，进水连接板(12)内设有水环道，水环道与进水连接板(12)上的进水接口相通，水孔(25)与进水连接板(12)上的水环道相通。

3.根据权利要求1所述的多功能摩擦磨损实验机，其特征在于：转速测量标识为齿形槽、孔眼、凸键或凹槽。

4.根据权利要求1所述的多功能摩擦磨损实验机，其特征在于：液压马达(8)穿过轴向限位板(27)上的液压马达孔，液压马达(8)上的限位块位于轴向限位板(27)下，轴向限位板(27)由定位螺栓(26)与主轴箱体(9)的上端面固定连接。

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