CN101929896B - 高精度摩擦力动态过程测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度摩擦力动态过程测试装置及测试方法。电机联轴器(7)与伺服电机(6)连接。扭杆弹簧(8)两端分别与电机联轴器(7)和传感器联轴器(9)连接；扭矩传感器(10)的输入端和输出端分别与联轴器(9)和连轴器(12)连接。连接轴(13)的两端分别与被测件(15)和花键轴联轴器(12)连接。扭杆弹簧(8)的扭矩弹性变形与扭矩为线性关系时，精度为0.1％。本发明采用周期性测试方法，由于增加了扭杆弹簧使伺服电机的震动和位移被部分吸收，对摩擦力的动态测试精度可达0.3％。本发明具有结构简单，操作方便，可用于旋转输入或输出的各种机构任意点静动摩擦力和摩擦力的动态变化过程的测量。

Description

高精度摩擦力动态过程测试装置及测试方法

一、技术领域

本发明涉及机械设计的摩擦力测试领域，具体是一种高精度摩擦力动态过程测试装置及测试方法。

二、背景技术

在专利号为200720089567.6的专利申请文件中公开了一种轴系摩擦力矩测试仪。如图9所示，该测试仪包括伺服电机6、同步齿形带21、光电编码器22、支撑主轴23、台面2、卡盘24、立柱导轨26、扭矩传感器10以及被测轴系25组成。该仪器可以实现对轴系摩擦力矩测试，但被测对象的摩擦力矩很小时，无法对摩擦力矩静态变化过程进行测量；同时该仪器的测试对象有一定的局限性，只能针对轴系进行测试。

在专利号为02226928.2的实用新型专利中公开了一种微摩擦力测试装置，其摩擦力测试精度为0.5Nm，测试精度难以满足高精度摩擦力测试要求。

经对现有技术文献的检索分析发现目前摩擦力测试装置，测试对象范围小；测试过程主要是测试动摩擦力变化，未能精确测试摩擦力由静态到动态的整个变化过程；同时也难以测试被测对象各指定点的静动摩擦力以及摩擦力的测试精度相对较低。随着摩擦力测试对象的多元化，测试过程的完整性要求以及测试精度成倍提高等要求，目前的各种摩擦力测试装置或仪器已无法满足测试要求。

三、发明内容

为克服现有技术中存在的无法测试摩擦力静态变化过程、难以测试被测对象各指定点的静动摩擦力以及摩擦力测试精度相对较低等不足，本发明提出了一种高精度摩擦力动态过程测试装置及测试方法。

本发明是用于高精度摩擦力动态过程测试装置，包括台架、动力部件、被测件工装部件和控制系统。台架的台面中部固定有定位条，动力部件和被测件工装部件分布位于定位条的两侧。控制系统包括工业控制机计算机、多轴运动控制器和伺服驱动器，均通过数据线与扭矩传感器连接。

本发明的台架包括支架、台面和定位条。定位条沿台面的宽度方向固定在台面上表面中部；在台面的上表面有一对T形槽，该T形槽位于定位条一侧，并与定位条垂直。

动力部件包括动力部件支座、伺服电机及电机支撑座、电机联轴器、扭杆弹簧、传感器联轴器、扭矩传感器及其支座。动力部件支座固定在位于台面上的定位条的一侧，电机支撑座固定在动力部件支座一端上表面。

伺服电机和电机联轴器分别位于电机支撑座的垂直支板两侧，并且电机联轴器的一端通过电机支撑座上的连接孔与伺服电机的输出轴连接。扭杆弹簧两端的轴杆分别与电机联轴器和膜片式传感器联轴器相连接；传感器支座固定在动力部件支座另一端上表面；扭矩传感器固定传感器支座上方，传感器联轴器与扭矩传感器输入端连接，扭矩传感器输出端接花键轴轴器。扭杆弹簧弹性变形与扭矩大小为线性关系，精度不小于0.1％。

被测件工装部件包括连接轴、被测件、固定架和被测件支座。被测件支座位于定位条的另一侧，被固定在固定架上。连接轴的两端分别与被测件和花键轴联轴器连接。被测件固定架固定在被测件支座的上表面。

高精度摩擦力动态过程测试装置的控制系统包括工控机、多轴运动控制器和伺服驱动器。其中多轴运动控制器包括运动控制卡和接线板，运动控制卡与工控机相连；扭矩传感器的信号输出电缆与多轴运动控制器接线板数据采集口相连。

本发明还提出了一种高精度摩擦力动态过程的测试方法，其测试过程包括：

步骤一：标定传感器精度。

步骤二：被测件工装装配。将被测件工装部件安装在台架上，调整各部分配合精度，并与动力部件连接固定。

步骤三：被测件初始位置调整。

步骤四：被测件摩擦力测试。测试过程为周期性，即伺服电机6转动n′后停止5秒为一个测试周期；其中n′是伺服电机6在整个测试过程中电机转动圈数n与采样周期的比值。测试过程中伺服电机6按所确定的电机转动圈数n转动；电机转动圈数n根据所测对象确定。测试中，通过多轴运动控制器采集扭矩传感器测试数据。

当测试丝杠副时，电机转动圈数n根据丝杠的头数确定，即依据所测试丝杠的长度以及丝杠螺距，通过公式n＝s/p确定；式中，s为丝杠长度，p为丝杠螺距。根据测试要求电机转速可调，并且测试精度越高，电机的转速越低。根据测试要求确定采样点和采样周期；采样周期根据所要求的采样精度确定。

当测试齿轮副时，电机转动圈数n根据齿轮副角位移确定，即依据所测试齿轮副角位移θ以及减速比i，通过公式n＝θ·i/360确定。根据测试要求电机转速可调，并且测试精度越高，电机的转速越低。根据测试要求确定采样点和采样周期；采样周期根据所要求的采样精度确定。

步骤五：打印试验数据和试验曲线。

本发明的特点在于：

1、在本发明测试装置中，由于增加了扭杆弹簧，伺服电机震动和位移都被扭杆弹簧部分吸收，被测机构的静摩擦力和动摩擦力的动态变化过程得到了精确测量。

2、可准确测试不同型号的轴系、轴承、齿轮副、丝杠副以及其它任何有旋转输入或输出的机构任意点的静动摩擦力和摩擦力的动态变化过程。

3、本发明测试装置结构简单，操作方便，只需一人即可快速完成试验测试，同时对摩擦力的动态测试精度可达0.3％。若扭矩传感器量程为1Nm，测试精度为0.003Nm；若扭矩传感器量程为0.1Nm，测试精度为0.0003Nm。选取更高精度的扭矩传感器，则摩擦力的测试更加精确。

本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种高精度摩擦力动态测试装置及测试方法。由于本发明在伺服电机和扭矩传感中间增加了扭杆弹簧，消除了伺服电机震动和对初始位移及转矩的缓冲，因而可以完整的测试被测件摩擦力由静态到动态的动态变化的全过程，同时对该装置摩擦力测试精度可达0.3％适用于包括各种轴系、轴承、齿轮副、丝杠副以及其它任何有旋转输入或输出的机构。

四、附图说明

图1是丝杠副摩擦力动态测试主视图；

图2是丝杠副摩擦力动态测试俯视图；

图3是扭杆弹簧主视图；

图4是丝杠副摩擦力动态测试步骤示意图；

图5是齿轮副摩擦力动态测试主视图；

图6是齿轮副摩擦力动态测试俯视图；

图7是齿轮副摩擦力动态测试步骤示意图；

图8是装置控制示意图；

图9是轴系摩擦力矩测试仪结构示意图。图中：

1.台架  2.台面  3.定位条  4.动力部件支座  5.电机支撑座

6.伺服电机  7.电机联轴器  8.扭杆弹簧  9.传感器联轴器

10.扭矩传感器  11.传感器支座  12.花键轴联轴器  13.连接轴

14.被测件固定架  15.被测件  16.被测件支座  17.传动轴

18.齿轮箱定位块  19.斜块  20.齿轮箱支座  21.同步齿形带

22.光电编码器  23.支撑主轴  24.卡盘  25.被测轴系  26.立柱导轨

五、具体实施方式

实施例一

本实施例是用于测试丝杠副摩擦力动态过程的装置，包括台架、动力部件、被测件工装部件和控制系统。

如图1、图2所示，台架包括支架1、台面2和定位条3，并且支架1与地面固定，台面2固定在支架1上。端面为矩形的长条状定位条3沿台面2的宽度方向固定在台面2上表面中部；在台面2的上表面有一对T形槽，该T形槽位于定位条3一侧，并与定位条3垂直。

动力部件包括动力部件支座4、伺服电机6及电机支撑座5、电机联轴器7、扭杆弹簧8、传感器联轴器9、扭矩传感器10及其支座11。其中动力部件支座4为一底部有减重槽的方形铸铁平台。电机支撑座5为L形；在电机支撑座5垂直的支板中部，有伺服电机轴的过孔；在电机支撑座5水平支板上分布有该电机支撑座的安装孔。电机联轴器7为刚性联轴器。扭杆弹簧8是用45CrMn制成的弹性机构，其两端是与联轴器连接的轴杆，该轴杆的直径同联轴器的连接孔；扭杆弹簧8的长度应能够将固定在电机支撑座5上的电机联轴器7和固定在扭矩传感器10上的传感器联轴器9相连接；扭杆弹簧8，其所受扭矩不大于1Nm时，弹性变形与扭矩大小为线性关系，精度为0.1％。扭矩传感器10为成品件，其量程为1Nm，精度为0.1％。扭矩传感器10的支座11为矩形，固定在动力部件支座4上。

所述动力部件支座4固定在位于台面2上的定位条3的一侧，电机支撑座5固定在动力部件支座4一端上表面。伺服电机6固定在电机支撑座5外侧；电机联轴器7位于电机支撑座5内侧，一端通过电机支撑座5上的连接孔与伺服电机6的输出轴连接，另一端通过扭杆弹簧8与传感器联轴器连接9，其中传感器联轴器9为膜片式。传感器支座11固定在动力部件支座4另一端上表面；扭矩传感器10固定传感器支座11上方，传感器联轴器9与扭矩传感器10输入端连接，扭矩传感器10输出端接花键轴轴器12。其中动力部件固定在台架1上不可拆卸。

被测件工装部件包括连接轴13、被测件15、固定架14和被测件支座16。

连接轴13为花键轴；连接轴13的一端与被测件15配合连接。被测件固定架14为L形，其水平板用于与被测件支座16连接，其垂直板中部有连接孔，用于连接轴13与花键轴联轴器12连接。被测件支座16为一内部有减重槽的方形铸铁平台；被测件支座16的两侧面开有与台面2平行的工艺槽，用于被测工装的搬移。被测件支座16固定在定位条3的另一侧；被测件固定架14固定在被测件支座16的上表面。

如图8所示，高精度摩擦力动态过程测试装置的控制系统包括工控机、多轴运动控制器和伺服驱动器。其中多轴运动控制器包括运动控制卡和接线板，运动控制卡与工控机相连；扭矩传感器的信号输出电缆与多轴运动控制器接线板数据采集口相连。

本实施例还提出了一种丝杠副摩擦力动态过程测试方法。所测试的丝杠导程为40mm，丝杠螺距为1mm；本实施例对该丝杠副进行8次测试。

如图4所示，丝杠副摩擦力动态过程测试的具体步骤如下：

步骤一：标定传感器精度。

步骤二：被测件工装与动力部件装配。将被测件工装安装在台架1上，使被测件支座16与定位条3贴合完成粗定位；调整被测件工装，使连接轴13轴端与力矩传感器10输出端相连，并通过花键轴联轴器12将连接轴13和扭矩传感器10连接固定，此后将被测件支座16固定在台架1上。

步骤三：被测件初始位置调整。通过工控机控制伺服电机6转动，进而带动被测件15丝杠转动，使被测丝杠处于摩擦力测试的初始位置。

步骤四：被测件摩擦力测试。测试过程为周期性，即伺服电机6转动n′后停止5秒为一个测试周期；其中n′是伺服电机6在整个测试过程中电机转动圈数n与采样周期的比值。测试过程中伺服电机6按所确定的电机转动圈数n转动；电机转动圈数n根据所测对象确定。测试中，通过多轴运动控制器采集扭矩传感器测试数据。

本实施例中，电机转动圈数n根据丝杠的头数确定，即依据所测试丝杠的长度以及丝杠螺距，通过公式n＝s/p确定；式中，s为丝杠长度，p为丝杠螺距；采样周期为x，其中x≤20；采样点为N，其中N≥200x。以下是本实施例的8次测试参数。

丝杠被测长度(mm)	5	10	15	20	25	30	35	40
									丝杠的螺距(mm)	1	1	1	1	1	1	1	1
电机圈数n	5	10	15	20	25	30	35	40
									电机转速ω≤20°/秒	2°	4°	8°	10°	12°	15°	16°	20°
采样周期x	1	2	4	6	10	15	18	20
									采样点N	200x	200x	200x	200x	200x	200x	200x	200x

步骤五：打印试验数据和试验曲线。

实施例二

本实施例是用于测试齿轮副摩擦力动态过程的装置，包括台架、动力部件、被测件工装部件和控制系统。

如图5、图6所示，台架包括支架1、台面2和定位条3，并且支架1与地面固定，台面2固定在支架1上。端面为矩形的长条状定位条3沿台面2的宽度方向固定在台面2上表面中部；在台面2的上表面有一对T形槽，该T形槽位于定位条3一侧，并与定位条3垂直。

动力部件包括动力部件支座4、伺服电机6及电机支撑座5、电机联轴器7、扭杆弹簧8、传感器联轴器9、扭矩传感器10及其支座11。其中动力部件支座4为一底部有减重槽的方形铸铁平台。电机支撑座5为L形；在电机支撑座5垂直的支板中部，有伺服电机轴的过孔；在电机支撑座5水平支板上分布有该电机支撑座的安装孔。电机联轴器7为刚性联轴器。扭杆弹簧8是用42CrMn制成的弹性机构，其两端是与联轴器连接的轴杆，该轴杆的直径同联轴器的连接孔；扭杆弹簧8的长度应能够将固定在电机支撑座5上的电机联轴器7和固定在扭矩传感器10上的传感器联轴器9相连接；扭杆弹簧8，其所受扭矩不大于1Nm时，弹性变形与扭矩大小为严格线性关系，精度为0.1％。扭矩传感器10为成品件，其量程为1Nm，精度为0.1％。扭矩传感器10的支座11为矩形，固定在动力部件支座4上。

所述动力部件支座4固定在位于台面2上的定位条3的一侧，电机支撑座5固定在动力部件支座4一端上表面。伺服电机6固定在电机支撑座5外侧；电机联轴器7位于电机支撑座5内侧，一端通过电机支撑座5上的连接孔与伺服电机6的输出轴连接，另一端通过扭杆弹簧8与传感器联轴器连接9，其中传感器联轴器9为膜片式。传感器支座11固定在动力部件支座4另一端上表面；扭矩传感器10固定传感器支座11上方，传感器联轴器9与扭矩传感器10输入端连接，扭矩传感器10输出端接花键轴轴器12。其中动力部件固定在台架1上不可拆卸。

被测件工装部件包括传动轴17、被测件15、齿轮箱定位块18、斜块19和齿轮箱支座20。

传动轴17为光杆轴，其一端与被测件15配合连接，齿轮箱定位块18为L形，其水平板用于与齿轮箱支撑座20连接，其垂直板中部有连接孔，传动轴17穿过该连接孔，与被测件15连接。被测件15固定在齿轮箱定位块18垂直板上。斜块19为一楔形铁块，倾斜度为1°其楔角

入被测件15下表面，并且通过调整斜块19沿平台2长度方向的深入量，使被测件15得到支撑；斜块19固定在齿轮箱支座20的上表面。齿轮箱支座20为一内部有减重槽的方形铸铁平台；齿轮箱支座20的两侧面开有与台面2平行的工艺槽，用于被测工装的搬移。齿轮箱支座20固定在定位条3的另一侧，齿轮箱定位块18固定在齿轮箱支座20的上表面。

如图8所示，高精度摩擦力动态过程测试装置的控制系统包括工控机、多轴运动控制器和伺服驱动器。其中多轴运动控制器包括运动控制卡和接线板，运动控制卡插在工控机相连；扭矩传感器的信号输出电缆与多轴运动控制器接线板数据采集口相连。

本实施例还提出了一种齿轮副摩擦力动态过程测试方法。所测试的齿轮副减速比为420；本实施例对该齿轮副进行8次测试。

如图7所示，齿轮副摩擦力动态过程测试的具体步骤如下：

步骤一：标定传感器精度。

步骤二：被测件工装与动力部件装配。将被测件工装安装在台架1上，使齿轮箱支座20与定位条3贴合完成粗定位；调整被测件工装，使传动轴17与力矩传感器10输出端相连，并通过花键轴联轴器12将传动轴13和扭矩传感器10连接固定，此后将使齿轮箱支座20固定在台架1上。

步骤三：被测件摩擦力测试。测试过程为周期性，即伺服电机6转动n′后停止5秒为一个测试周期；其中n′是伺服电机6在整个测试过程中电机转动圈数n与采样周期的比值。测试过程中伺服电机6按所确定的电机转动圈数n转动；电机转动圈数n根据所测对象确定。测试中，通过多轴运动控制器采集扭矩传感器测试数据。

本实施例中，电机转动圈数n根据齿轮副角位移确定，即依据所测试齿轮副角位移θ以及减速比i，通过公式n＝θ·i/360确定；采样周期为x，其中x≤20；电机转速ω≤20°/秒；采样点为N，其中N≥200x。以下是本实施例的8次测试参数。

齿轮副角位移θ	30°	60°	90°	120°	180°	270°	300°	360°
									齿轮副减速比i	420	420	420	420	420	420	420	420
电机圈数n	35	70	105	140	210	315	350	420
									电机转速ω	2°	4°	8°	10°	12°	15°	16°	20°
采样周期x	1	2	4	6	10	15	18	20
									采样点N	200x	200x	200x	200x	200x	200x	200x	200x

步骤四：打印试验数据和试验曲线。

Claims (7)

1.一种高精度摩擦力动态过程测试装置，其特征在于：

a.所述的测试装置包括台架(1)、动力部件、被测件工装部件和控制系统；台架(1)的台面中部固定有定位条(3)，动力部件和被测件工装部件位于定位条(3)的两侧；控制系统包括工业控制计算机、多轴运动控制器和伺服驱动器，其中多轴运动控制器包括运动控制卡和接线板，运动控制卡插在工业控制计算机PCI插槽内；扭矩传感器的信号输出电缆与多轴运动控制器接线板模拟量AD数据采集口相连；

b.动力部件包括动力部件支座(4)、伺服电机(6)及电机支撑座(5)、电机联轴器(7)、扭杆弹簧(8)、传感器联轴器(9)、扭矩传感器(10)及其支座(11)；电机联轴器(7)的一端通过电机支撑座(5)上的连接孔与伺服电机(6)的输出轴连接；扭杆弹簧(8)两端的轴杆分别与电机联轴器(7)和传感器联轴器(9)相连接；传感器联轴器(9)与扭矩传感器(10)输入端连接，扭矩传感器(10)输出端接花键轴联轴器(12)；

c.扭杆弹簧(8)所受扭矩弹性变形与扭矩大小为线性关系，精度为0.1％；扭矩传感器(10)的精度为0.1％；

d.被测件工装部件包括连接轴(13)、被测件(15)、固定架(14)和被测件支座(16)；连接轴(13)的两端分别与被测件(15)和花键轴联轴器(12)连接。

2.如权利要求1所述一种高精度摩擦力动态过程测试装置，其特征在于：动力部件中的伺服电机(6)和电机联轴器(7)分别位于电机支撑座(5)的垂直支板两侧；动力部件支座(4)固定在位于台面(2)上的定位条(3)的一侧，电机支撑座(5)固定在动力部件支座(4)一端上表面；传感器支座(11)固定在动力部件支座(4)另一端上表面；扭矩传感器(10)固定传感器支座(11)上方。

3.如权利要求1所述一种高精度摩擦力动态过程测试装置，其特征在于：被测件工装部件中的被测件支座(16)固定在定位条(3)另一侧的固定架(14)上；被测件固定架(14)固定在被测件支座(16)的上表面。

4.一种用于权利要求1所述高精度摩擦力动态过程测试装置的测试方法，其特征在于，测试过程包括以下步骤：

步骤一：标定传感器精度；

步骤二：被测件工装装配；

步骤三：被测件初始位置调整；

步骤四：被测件摩擦力测试；测试过程为周期性，即伺服电机(6)转动n′后停止5秒为一个测试周期；其中n′是伺服电机(6)在整个测试过程中电机转动圈数n与采样周期个数的比值；测试过程中伺服电机(6)按所确定的电机转动圈数n转动；电机转动圈数n根据所测对象确定；测试中，通过多轴运动控制器采集扭矩传感器测试数据；

步骤五：打印试验数据和试验曲线。

5.如权利要求4所述高精度摩擦力动态过程测试装置的测试方法，其特征在于：当测试丝杠副时，电机转动圈数n根据丝杠的头数确定，即依据所测试丝杠的长度以及丝杠螺距，通过公式n＝s/p确定；式中，s为丝杠长度，p为丝杠螺距。

6.如权利要求4所述高精度摩擦力动态过程测试装置的测试方法，其特征在于：当测试齿轮副时，电机转动圈数n根据齿轮副角位移确定，即依据所测试齿轮副角位移θ以及减速比i，通过公式n＝θ·i/360确定。

7.如权利要求4所述高精度摩擦力动态过程测试装置的测试方法，其特征在于：根据测试要求电机转速可调，并且测试精度越高，电机的转速越低。

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