CN103424355B - 圆珠笔书写润滑度检测仪及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种圆珠笔书写润滑度检测仪及其检测方法，该圆珠笔书写润滑度检测仪包括：夹持机构，用于夹持试样笔芯；书写角度可调的夹持机构支架，夹持机构设置于夹持机构支架中，夹持机构支架的下部设置有拉力传感器，用于采集试样笔芯的检测数据；直线运动机构，与夹持机构支架连接，用于驱动夹持机构支架作直线运动并使试样笔芯自转；旋转平台，用于放置书写纸并使其作旋转运动；控制系统，与直线运动机构和旋转平台控制连接，用于调节直线运动机构的直线运动速度和旋转平台的转速；以及计算机，与拉力传感器连接，用于处理采集的检测数据，以得到检测结果。本发明的圆珠笔书写润滑度检测仪及其检测方法可科学合理表征圆珠笔的书写润滑度。
Description
技术领域
本发明涉及一种书写笔的检测方法，特别涉及一种圆珠笔书写润滑度检测仪及其检测方法。
背景技术
在书写时人们所感受的是书写手感舒适度，所谓书写手感舒适度是指书写时的流畅性和润滑度的综合反映，对于书写的流畅性可以在规定的书写角度、书写速度和书写压力下，采用专用的书写划线仪，通过检测书写线迹的状况、出墨量大小及其波动状况来定量地判定其书写的流畅性；但是，长期以来对于书写的润滑度始终没有找到一种可以定量检测的方法，只能依靠有经验的人，通过比对的方法来作出定性的判断。
CN201819762U公开了一种书写工具摩擦力测试仪，通过直线运动的划线方式，能够比较精确地检测出各种笔在书写时的摩擦力大小。考虑到人们书写时不仅是划直线，更多的是划圆或者折返运动等，因此，有必要进一步改善，以模拟实际书写状况的条件下，比较精确地检测出各种笔在书写时的润滑度。
CN102830061A公开了一种滑度仪，在现有书写划线仪的基础上，在装夹笔芯的夹持机构中呈正交方向放置二个测力传感器，来检测笔芯划线时的摩擦力，二个测力传感器的位置分别在夹持机构的中间，靠近笔头一侧，两者与笔头以及定位圈之间的距离均相差约一倍左右，并且定位圈与传递动力的支架接触，相当于夹持机构以定位圈的位置为支点在摆动，二个测力传感器则通过夹持机构的位移大小来测得力值数据，由于二个测力传感器之间的距离相差约一倍，则位移大小会产生同比例的差异，毫无疑问传感器所测得的力值数据同样会有非常明显的差异。此外，夹持机构在摆动的同时，还会产生沿自身轴向的移动，定位圈与支架之间，以及夹持机构与二个滑槽之间的摩擦而产生的侧向力，将严重干扰测力传感器获得真实的书写摩擦力数据。
本发明经过大量试验与验证发现，圆珠笔在书写时，在垂直方向的书写压力和水平方向的推力的作用下，其笔头前端的球珠与书写面（纸张）之间会产生滚动摩擦，或者说是滚动、旋转和微量滑动的组合。同时，球珠与支承其的球座底部之间，由于书写压力和推力的作用会发生滑动摩擦。此外，书写介质（墨水）对于滑动摩擦可以起到润滑剂的作用，同时其本身还存在液体的内部摩擦。因此，圆珠笔的书写润滑度，是滑动摩擦、滚动摩擦、内部摩擦及润滑作用的综合反映，也就是说以圆珠笔书写时的综合摩擦系数来表征圆珠笔的书写润滑度将更为科学合理。
发明内容
本发明提供一种圆珠笔书写润滑度检测仪及其检测方法，可更为科学合理地表征圆珠笔的书写润滑度。
一方面，本发明提供一种圆珠笔书写润滑度检测仪，包括：
夹持机构，用于夹持试样笔芯；
书写角度可调的夹持机构支架，所述夹持机构设置于所述夹持机构支架中，所述夹持机构支架的下部设置有拉力传感器，用于采集试样笔芯的检测数据；
直线运动机构，与所述夹持机构支架连接，用于驱动所述夹持机构支架作直线运动并使试样笔芯自转；
旋转平台，用于放置书写纸并使其作旋转运动；
控制系统，与所述直线运动机构和所述旋转平台控制连接，用于调节所述直线运动机构的直线运动速度和所述旋转平台的转速；以及
计算机，与所述拉力传感器连接，用于处理采集的检测数据，以得到检测结果。
在本发明的一个实施方式中，所述夹持机构包括：套筒、设置于所述套筒内的夹头以及设置于所述套筒顶端的砝码架。
在本发明的另一个实施方式中，所述砝码架包括台阶和设置于所述台阶下方的定位销，所述夹持机构通过所述定位销与所述夹持机构支架连接。
在本发明的另一个实施方式中，所述夹持机构支架包括支架座、支架套筒、上直线轴承、径向接触轴承、大同步皮带轮、轴向推力轴承和拉力传感器，所述支架套筒上设置缺口，所述上直线轴承设置于所述支架套筒的内部，所述径向接触轴承和所述轴向推力轴承均与所述支架座连接并套装在所述支架套筒外，所述大同步皮带轮设置于所述径向接触轴承和所述轴向推力轴承之间并固定安装在所述支架套筒外，所述拉力传感器设置于所述支架座的下部。
在本发明的另一个实施方式中，所述拉力传感器包括固定端和悬空端，所述固定端与所述支架座连接固定，所述悬空端设置有轴承座，所述轴承座内设置有下直线轴承，所述下直线轴承包含内孔；进行检测时，所述夹持机构从所述支架套筒的上部插入并穿过所述支架套筒，再插入所述下直线轴承的所述内孔，使得所述夹持机构所夹持的试样笔芯的笔头与所述旋转平台的平面接触。
在本发明的另一个实施方式中，所述直线运动机构包括直线运动伺服电机、滚珠直线导轨、移动平台支架、慢速电机座、慢速电机、小同步皮带轮和同步皮带；所述滚珠直线导轨连接所述直线运动伺服电机和所述移动平台支架，所述慢速电机座和所述慢速电机设置于所述移动平台支架上，所述慢速电机和所述小同步皮带轮连接，所述小同步皮带轮通过所述同步皮带与所述大同步皮带轮连接。
在本发明的另一个实施方式中，所述滚珠直线导轨包括固定元件和移动元件，所述固定元件与所述直线运动伺服电机连接，所述移动元件与所述移动平台支架连接。
在本发明的另一个实施方式中，所述移动平台支架的外壳的一端设置有连接轴和螺纹杆，所述移动平台支架通过所述连接轴与所述夹持机构支架的外壳连接，并可通过调节所述螺纹杆使得所述夹持机构支架绕所述连接轴转动，转动角度为0°～30°。
在本发明的另一个实施方式中，所述旋转平台包括转动平台、转动轴、连轴器、旋转运动伺服电机、书写纸卷固定轴、书写纸卷转动轴、卷纸电机和书写纸，所述转动平台通过所述转动轴和所述连轴器与所述旋转运动伺服电机连接，所述书写纸平铺在所述转动平台上，所述书写纸的一端与所述书写纸卷固定轴连接，另一端经过所述卷纸电机与所述书写纸卷转动轴连接。
在本发明的另一个实施方式中，所述控制系统包括开关、变速器和编程器。
另一方面，本发明提供利用上述圆珠笔书写润滑度检测仪检测圆珠笔书写润滑度的方法，包括以下步骤：
a)将试样笔芯放入所述夹持机构中，将所述夹持机构固定在所述夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与所述旋转平台的表面接触；
b)调节所述夹持机构，设定试样笔芯的负荷；
c)调节所述直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度；
d)调节所述控制系统，设定试样笔芯的书写速度和划线方式；
e)启动所述控制系统，驱动所述直线运动机构使试样笔芯作直线运动和/或驱动所述旋转平台使书写纸作旋转运动；
f)利用所述拉力传感器采集数据并利用所述计算机进行处理，得到检测结果。
在本发明方法的一个实施方式中，通过调节设置于所述夹持机构上的所述砝码，设定试样笔芯的负荷。
在本发明方法的另一个实施方式中，通过调节设置于所述直线运动机构上的所述螺纹杆，设定试样笔芯的书写角度。
在本发明方法的另一个实施方式中，通过调节所述控制系统中的变速器和编程器，设定试样笔芯的书写速度和划线方式。
在本发明方法的另一个实施方式中，当驱动所述直线运动机构使试样笔芯作直线运动时，试样笔芯在书写纸上划直线。
在本发明方法的另一个实施方式中，当驱动所述旋转平台使书写纸作旋转运动时，试样笔芯在书写纸上划圆周。
在本发明方法的另一个实施方式中，当驱动所述直线运动机构使试样笔芯作直线运动并驱动所述旋转平台使书写纸作旋转运动时，试样笔芯在书写纸上划螺旋线。
利用本发明的圆珠笔书写润滑度检测仪及其检测方法，可综合反映圆珠笔书写时的滑动摩擦、滚动摩擦、内部摩擦及润滑作用，得出圆珠笔书写时的综合摩擦系数，从而更为科学合理表征圆珠笔的书写润滑度。
附图说明
图1为根据本发明一个实施方式的圆珠笔书写润滑度检测仪的结构示意图；
图2为根据本发明一个实施方式的夹持机构的结构示意图；
图3为根据本发明一个实施方式的夹持机构支架的结构示意图；
图4为根据本发明一个实施方式的直线运动机构的结构示意图；
图5为根据本发明一个实施方式的移动平台支架与夹持机构支架的结构示意图；
图6为根据本发明一个实施方式的旋转平台的结构示意图；
图7为根据本发明一个实施方式的控制系统示意图；
图8为根据本发明一个实施方式的夹持机构支架旋转角度的示意图；
图9为根据本发明一个实施方式的摩擦力数值变化的曲线图；
图10为根据本发明一个实施方式的不同书写介质润滑度差异的示意图。
其中，附图标记说明如下：
1 夹持机构 11 套筒 12 夹头
13 砝码架 131 台阶 132 定位销
14 试样笔芯 141 笔头 15 砝码
2 夹持机构支架 20 外壳 201 连接孔
202 调节孔 21 支架座 22 支架套筒
221 缺口 23 上直线轴承 24 径向接触轴承
25 大同步皮带轮 26 轴向推力轴承 27 拉力传感器
271 固定端 272 悬空端 28 轴承座
29 下直线轴承 291 内孔
3 直线运动机构 31 直线运动伺服电机 32 滚珠直线导轨
321 固定元件 322 移动元件 33 移动平台支架
330 外壳 331 连接轴 332 螺纹杆
333 手轮 334 固定块 335 螺栓
34 慢速电机座 35 慢速电机 36 小同步皮带轮
37 同步皮带
4 旋转平台 41 转动平台 411 平面
412 平板 42 转动轴 43 连轴器
44 旋转运动伺服电机 45 书写纸卷固定轴 46 书写纸卷转动轴
47 卷纸电机 48 书写纸
5 控制系统 51 开关 52 A变速器
53 B变速器 54 编程器 6 计算机
具体实施方式
下面根据具体实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。本发明的保护范围不限于以下实施方式，列举这些实施方式仅出于示例性目的而不以任何方式限制本发明。
现参照附图说明本发明圆珠笔书写润滑度检测仪的一个优选实施方式。
如图1和图4所示，圆珠笔书写润滑度检测仪包括：夹持机构1，用于夹持试样笔芯；书写角度可调的夹持机构支架2，夹持机构1设置于夹持机构支架2中，夹持机构支架2的下部设置有拉力传感器27，用于采集试样笔芯的检测数据；直线运动机构3，与夹持机构支架2连接，用于驱动夹持机构支架2作直线运动并使试样笔芯自转；旋转平台4，用于放置书写纸并使其作旋转运动；控制系统5，与直线运动机构3和旋转平台4控制连接，用于调节直线运动机构3的直线运动速度和旋转平台4的转速；以及计算机6，与拉力传感器27连接，用于处理采集的检测数据，以得到检测结果。
如图2、图3和图8所示，夹持机构1放置于夹持机构支架2的支架套筒22内，包括套筒11、夹头12和砝码架13，用于夹持试样笔芯14，使试样笔芯14的笔头141与转动平台的平面接触。
夹头12设置于套筒11内，砝码架13设置于套筒11的顶端，砝码架13有一台阶131，台阶131上方可以放置砝码15以调节书写压力的大小，台阶131下方有一定位销132，与夹持机构支架2的支架套筒的缺口221配合以固定夹持机构。
如图3所示，夹持机构支架2包括外壳20、支架座21、支架套筒22、上直线轴承23、径向接触轴承24、大同步皮带轮25、轴向推力轴承26和拉力传感器27，用于放置夹持机构。
支架套筒22上设置缺口221与定位销132配合，上直线轴承23设置于支架套筒22的内部，以减小侧向力的影响，径向接触轴承24和轴向推力轴承26均与支架座21连接并套装在支架套筒22外，大同步皮带轮25设置于径向接触轴承24和轴向推力轴承26之间并固定安装在支架套筒22外，拉力传感器27设置于支架座21的下部。
拉力传感器27包括固定端271和悬空端272，固定端271与支架座21连接固定，悬空端272设置有轴承座28，轴承座28内设置有下直线轴承29，下直线轴承29包含内孔291。进行检测时，夹持机构1从支架套筒22的上部插入并穿过支架套筒22，再插入下直线轴承29的内孔291，使得夹持机构1所夹持的试样笔芯14的笔头141与转动平台的平面接触。
轴承座28和下直线轴承29用于夹持机构前端的插入，应尽可能的接近转动平台的平面，使拉力传感器的测力点尽可能靠近试样笔芯的笔头，以获取真实的书写摩擦力数据。夹持机构上下两端均有直线轴承支撑，减小了侧向力的影响。
如图4所示，直线运动机构3包括直线运动伺服电机31、滚珠直线导轨32、移动平台支架33、慢速马达座34、慢速马达35、小同步皮带轮36和同步皮带37。
滚珠直线导轨32包括固定元件321和移动元件322，固定元件321与直线运动伺服电机31连接，移动元件322与移动平台支架33连接，移动平台支架33可以在直线运动伺服电机31的带动下沿滚珠直线导轨32作无级变速的往复直线运动。
移动平台支架33内部包括慢速电机座34和慢速电机35，慢速电机35和小同步皮带轮36连接，小同步皮带轮36通过同步皮带37与大同步皮带轮25连接。当慢速电机35转动时，通过小同步皮带轮36和同步皮带37带动大同步皮带轮25转动，从而带动支架套筒22转动，当夹持机构1插入夹持机构支架2的支架套筒22内时，定位销132与支架套筒22的缺口221配合，使得夹持机构1同步转动，相当于夹持机构1内所夹持的试样笔芯14在围绕自身的轴心转动，以检测笔头的360°的所有角度。自转速度通常是恒定的，且可通过选择慢速电机35的转速和同步皮带轮的变速以达到需要的转速，若需要调节转速，也可在移动平台支架33上设置变速器，来调节慢速电机35的转速。
如图5所示，移动平台支架33外部具有外壳330，外壳330的一端具有连接轴331和两块延伸出来的支撑板，螺纹杆332穿过两块支撑板固定在外壳330之上，螺纹杆332的一端具有手轮333，可通过调节手轮333使得螺纹杆332在两块支撑板之间移动，具有螺纹孔的固定块334穿过螺纹杆332，固定块334的一端具有螺栓335。
夹持机构支架2的外部具有外壳20，外壳20的一端设置连接孔201和调节孔202。
连接轴331穿过连接孔201，夹持机构支架2可绕连接轴331转动。螺栓335穿过调节孔202，当夹持机构支架2垂直于水平面时，螺栓335位于调节孔202的底部。当转动手轮333时，螺纹杆332前后移动，带动固定块334和螺栓335移动，使得螺栓335在调节孔202中向上移动，从而带动夹持机构支架2绕连接轴331转动并与水平面呈一定角度。
可通过调节螺纹杆332使得夹持机构支架2绕连接轴331转动，转动角度为0°～30°，相当于夹持机构1内的试样笔芯14与转动平台41的平面411可以作90°-60°之间的书写角度调整。
如图6所示，旋转平台4包括转动平台41、转动轴42、连轴器43、旋转运动伺服电机44、书写纸卷固定轴45、书写纸卷转动轴46、卷纸电机47和书写纸48。
转动平台41通过转动轴42和连轴器43与旋转运动伺服电机44连接，伺服电机44带动转动平台41作无级变速的旋转运动，在转动平台41的平面411上镶嵌一块打磨光滑的不锈钢平板412，书写纸48平铺在不锈钢平板412上，一端连接在书写纸卷固定轴45上，另一端连接在书写纸卷转动轴46上，卷纸电机47通过齿轮传动机构带动书写纸卷转动轴46转动。书写纸卷固定轴45和书写纸卷转动轴46将书写纸48固定在转动平台41的平面411上，需要时可以将书写纸48由书写纸卷固定轴45上向书写纸卷转动轴46转移。
如图7所示，控制系统5包括开关51、A变速器52、B变速器53、编程器54。开关51用于启动或关闭仪器，A变速器52用于调节直线运动机构3中的直线运动伺服电机31的速度，B变速器53用于调节旋转平台4中旋转运动伺服电机44的速度，编程器54用于控制各种运动之间的先后顺序以及起步、停止的时间点等。
圆珠笔书写润滑度检测仪可以模拟书写的实际状况，即可以使试样笔芯垂直于书写面，也可以调整为与书写面呈60°书写角度；可以使试样笔芯绕自身轴心旋转的同时分别作直线运动或围绕转动平台轴心的圆周运动，也可以是上述两种运动同时进行的复合运动即划螺旋线。
计算机6与拉力传感器27连线，计算机6内安装传感器测试软件，检测时可以在计算机的显示屏上直接读出试样笔芯的书写摩擦力和摩擦系数数值，并且可以得到摩擦力数值变化的曲线图(见图9)等。
在本发明方法的一个优选实施方式中，利用上述圆珠笔书写润滑度检测仪检测圆珠笔书写润滑度的方法包括以下步骤：
a)将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；
b)调节夹持机构，设定试样笔芯的负荷；
c)调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度；
d)调节控制系统，设定试样笔芯的书写速度和划线方式；
e)启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动和/或驱动旋转平台使书写纸作旋转运动；
f)利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，得到检测结果。
检测前将卷筒书写纸放入旋转平台下的固定装置，并绕行旋转平台的平面后连接在旋转平台下的传动装置上，要求确保书写纸紧贴旋转平台的平面，每次试验完成后，卷纸电机会带动卷纸轴转动一定的角度，使书写纸移动一定距离，再进行下一次试验，以确保每次试验所划线迹不会重叠，或者连续试验时划螺旋线。
试样笔芯的负荷可通过设置于夹持机构上的砝码来调节。
试样笔芯的书写角度可通过设置于直线运动机构上的螺纹杆来调节，调节螺纹杆使夹持机构支架绕连接轴转动，转动角度为0°～30°，相当于夹持机构内的试样笔芯与转动平台的平面可以作90°-60°之间的书写角度调整。
试样笔芯的书写速度和划线方式可通过控制系统中的变速器和编程器来调节。
当驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动时，试样笔芯在书写纸上划直线；在根据本发明方法的另一个优选实施方式中，当驱动旋转平台使书写纸作旋转运动时，试样笔芯在书写纸上划圆周；当驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动并驱动旋转平台使书写纸作旋转运动时，试样笔芯在书写纸上划螺旋线。
上述检测方法相当于试样笔芯在书写纸上以一定的书写压力、书写速度和书写角度划直线或者划圆，或者划螺旋线等。
当试样笔芯在书写纸面上划直线时，或者旋转平台转动相当于试样笔芯在书写纸面上划圆时，或者直线与旋转复合运动相当于试样笔芯在书写纸面上划螺旋线时，试样笔芯的笔头所在的拉力传感器悬空端会因为与划线方向相反的阻力而发生位移，拉力传感器将信号传输至计算机，经过传感器测试软件的处理，以直观的综合摩擦力和综合摩擦系数等显示在计算机的显示屏上，同时还有摩擦力变化曲线图等；
对试样笔芯在书写纸上所划线迹要进行检查，必须达到正常书写的要求，即线迹不能断线，浓度不能有明显变化，试验数据才能采信，否则需要重新试验，甚至更换试样笔芯，因为试验所需要得到的是在正常书写条件下的圆珠笔书写润滑度数据；
每次试验后，计算机显示屏上会自动显示所需要的数据，例如综合摩擦力、综合摩擦系数等，以及摩擦力变化曲线图等；
考虑到单独一次试验可能会受到偶然因素的干扰，本方法需要进行多次的重复试验，通常在5-10次，以平均值作为最终试验数据。
实施例1
试样笔芯采用P681-0.5不锈钢笔头，碳化钨球珠直径为0.5mm，不灌注墨水，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为90°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为直线，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.29 | 0.313 | 0.322 | 0.281 | 0.289 | 0.31 | 0.31 | 0.29 | 0.30 | 0.306 | 0.301 |
| 摩擦系数 | 0.296 | 0.319 | 0.329 | 0.287 | 0.295 | 0.307 | 0.307 | 0.296 | 0.309 | 0.312 | 0.307 |
实施例2
试样笔芯采用P681-0.4不锈钢笔头，碳化钨球珠直径为0.4mm，不灌注墨水，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为90°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为直线，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.347 | 0.318 | 0.285 | 0.325 | 0.339 | 0.324 | 0.343 | 0.348 | 0.319 | 0.352 | 0.33 |
| 摩擦系数 | 0.354 | 0.324 | 0.291 | 0.332 | 0.346 | 0.331 | 0.350 | 0.355 | 0.326 | 0.359 | 0.337 |
实施例3
试样笔芯采用P681-0.3不锈钢笔头，碳化钨球珠直径为0.3mm，不灌注墨水，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为90°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为直线，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.382 | 0.35 | 0.295 | 0.347 | 0.37 | 0.365 | 0.361 | 0.325 | 0.368 | 0.353 | 0.352 |
| 摩擦系数 | 0.39 | 0.357 | 0.301 | 0.354 | 0.378 | 0.372 | 0.368 | 0.332 | 0.375 | 0.36 | 0.359 |
从上述实施例1-3来看，在试验条件相同的情况下，笔头球珠直径的不同，其综合摩擦力和综合摩擦系数也不同，并形成以下规律：
球珠直径为0.3mm的摩擦系数＞球珠直径为0.4mm的摩擦系数＞球珠直径为0.5mm的摩擦系数。
上述规律符合摩擦学原理的Dupuit定律，
即
当摩擦材料及润滑剂相同的情况下，其滚动摩擦系数k是基本不变的，那么滚动阻力系数fr与球珠的直径大小成反比。这也是球珠直径大的笔头书写润滑度要比球珠直径小的好的原因之一。
实施例4
试样笔芯采用P670-0.5不锈钢笔头，碳化钨球珠直径为0.5mm，不灌注墨水，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为90°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为圆周，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.294 | 0.268 | 0.268 | 0.288 | 0.32 | 0.305 | 0.302 | 0.298 | 0.306 | 0.285 | 0.293 |
| 摩擦系数 | 0.30 | 0.273 | 0.273 | 0.294 | 0.327 | 0.311 | 0.308 | 0.304 | 0.312 | 0.291 | 0.30 |
实施例5
试样笔芯采用P158-0.5镍白铜笔头，碳化钨球珠直径为0.5mm，不灌注墨水，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为90°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为圆周，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.359 | 0.354 | 0.319 | 0.381 | 0.374 | 0.351 | 0.31 | 0.359 | 0.366 | 0.353 | 0.353 |
| 摩擦系数 | 0.366 | 0.361 | 0.325 | 0.389 | 0.382 | 0.358 | 0.316 | 0.366 | 0.373 | 0.36 | 0.36 |
实施例6
试样笔芯采用Q670-0.5铅黄铜笔头，碳化钨球珠直径为0.5mm，不灌注墨水，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为90°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为圆周，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.362 | 0.411 | 0.384 | 0.415 | 0.406 | 0.389 | 0.392 | 0.418 | 0.39 | 0.443 | 0.401 |
| 摩擦系数 | 0.369 | 0.419 | 0.392 | 0.423 | 0.414 | 0.397 | 0.40 | 0.427 | 0.398 | 0.452 | 0.409 |
实施例7
试样笔芯采用T670-0.5塑料（POM）笔头，碳化钨球珠直径为0.5mm，不灌注墨水，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为90°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为圆周，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.494 | 0.505 | 0.413 | 0.453 | 0.523 | 0.45 | 0.461 | 0.472 | 0.518 | 0.491 | 0.478 |
| 摩擦系数 | 0.504 | 0.515 | 0.421 | 0.462 | 0.534 | 0.459 | 0.47 | 0.482 | 0.529 | 0.501 | 0.488 |
从上述实施例4-7来看，在试验条件相同的情况下，球座体的材料不同，其综合摩擦力和综合摩擦系数也不同，并形成以下规律：
塑料（POM）与碳化钨的摩擦系数＞铅黄铜与碳化钨的摩擦系数＞镍白铜与碳化钨的摩擦系数＞不锈钢与碳化钨的摩擦系数。
实施例8
试样笔芯采用P670-0.5不锈钢笔头，碳化钨球珠直径为0.5mm，灌注中性墨水黑B-1型，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为70°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为直线，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.339 | 0.314 | 0.314 | 0.315 | 0.34 | 0.318 | 0.303 | 0.287 | 0.319 | 0.33 | 0.318 |
| 摩擦系数 | 0.346 | 0.32 | 0.32 | 0.321 | 0.347 | 0.324 | 0.309 | 0.293 | 0.326 | 0.337 | 0.324 |
实施例9
试样笔芯采用P670-0.5不锈钢笔头，碳化钨球珠直径为0.5mm，灌注中性墨水黑B-1型，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为70°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为圆周，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.331 | 0.319 | 0.356 | 0.382 | 0.353 | 0.32 | 0.289 | 0.326 | 0.331 | 0.32 | 0.333 |
| 摩擦系数 | 0.338 | 0.326 | 0.363 | 0.39 | 0.36 | 0.327 | 0.295 | 0.333 | 0.338 | 0.327 | 0.339 |
实施例10
试样笔芯采用P670-0.5不锈钢笔头，碳化钨球珠直径为0.5mm，灌注中性墨水黑B-1型，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为70°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为螺旋线，直线运动的速度为0.024m/min，旋转运动的速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.319 | 0.321 | 0.342 | 0.318 | 0.353 | 0.363 | 0.344 | 0.285 | 0.349 | 0.359 | 0.335 |
| 摩擦系数 | 0.325 | 0.328 | 0.349 | 0.324 | 0.36 | 0.37 | 0.351 | 0.291 | 0.356 | 0.366 | 0.345 |
从上述实施例8-10来看，在其他试验条件相同的情况下，因为划线方式的不同，其综合摩擦力和综合摩擦系数也会有轻微变化，划螺旋线的综合摩擦系数比划圆周的综合摩擦系数增大1.77%，比划直线的综合摩擦系数增大6.48%；划圆周的综合摩擦系数比划直线的综合摩擦系数增大4.63%。
实施例11
试样笔芯采用G200-1.0不锈钢笔头，碳化钨球珠直径为1.0mm，灌注中性墨水蓝B-2型，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷分别为0.5N、1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为70°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为圆周，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
从上述实施例11来看，在其他试验条件相同的情况下，书写载荷的不同，书写载荷轻的综合摩擦力明显小于书写载荷重的综合摩擦力，但是，两者的综合摩擦系数基本相同，仅相差2.76%。
实施例12
试样笔芯采用P823-0.5不锈钢笔头，碳化钨球珠直径为0.5mm，灌注水性墨水黑D-1型，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为70°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为圆周，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.373 | 0.377 | 0.4 | 0.393 | 0.347 | 0.481 | 0.435 | 0.445 | 0.437 | 0.409 | 0.41 |
| 摩擦系数 | 0.381 | 0.385 | 0.408 | 0.401 | 0.354 | 0.491 | 0.444 | 0.454 | 0.446 | 0.417 | 0.418 |
实施例13
试样笔芯采用P670-0.5不锈钢笔头，碳化钨球珠直径为0.5mm，灌注中性墨水黑B-2型，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为70°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为圆周，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.29 | 0.245 | 0.308 | 0.334 | 0.304 | 0.348 | 0.347 | 0.294 | 0.328 | 0.307 | 0.311 |
| 摩擦系数 | 0.296 | 0.25 | 0.314 | 0.341 | 0.31 | 0.355 | 0.354 | 0.30 | 0.335 | 0.313 | 0.317 |
实施例14
试样笔芯采用P670-0.5不锈钢笔头，碳化钨球珠直径为0.5mm，灌注油性墨水黑W-1型，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为70°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为圆周，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.232 | 0.256 | 0.244 | 0.226 | 0.248 | 0.235 | 0.243 | 0.271 | 0.279 | 0.238 | 0.247 |
| 摩擦系数 | 0.237 | 0.261 | 0.249 | 0.231 | 0.253 | 0.24 | 0.248 | 0.277 | 0.285 | 0.243 | 0.252 |
实施例15
试样笔芯采用P670-0.5不锈钢笔头，碳化钨球珠直径为0.5mm，灌注中油墨水黑D-2型，试样笔芯的自转速度为50rpm。将试样笔芯放入夹持机构中，将夹持机构固定在夹持机构支架内，并使试样笔芯的笔头与旋转平台的表面接触；调节夹持机构，设定试样笔芯的书写负荷为1N；调节直线运动机构，设定试样笔芯的书写角度为70°；调节控制系统，设定试样笔芯的划线方式为圆周，书写速度为4.5m/min；启动控制系统，驱动直线运动机构使试样笔芯作直线运动；利用拉力传感器采集数据并利用计算机进行处理，重复测试10次，得到检测结果如下：
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 平均值 | |
| 摩擦力(N) | 0.176 | 0.172 | 0.182 | 0.174 | 0.17 | 0.169 | 0.197 | 0.186 | 0.216 | 0.199 | 0.184 |
| 摩擦系数 | 0.18 | 0.175 | 0.186 | 0.178 | 0.173 | 0.172 | 0.201 | 0.19 | 0.22 | 0.203 | 0.188 |
从上述实施例12-15来看，在笔头球座体和球珠的材料相同，其他试验条件相同的情况下，因为墨水的不同，其综合摩擦力和综合摩擦系数也不同，并形成以下规律（见图10）：
水性墨水的摩擦系数＞中性墨水的摩擦系数＞油性墨水的摩擦系数＞中油墨水的摩擦系数。
综上所述，利用本发明的圆珠笔书写润滑度检测仪及其检测方法，可综合反映圆珠笔书写时的滑动摩擦、滚动摩擦、内部摩擦及润滑作用，得出圆珠笔书写时的综合摩擦系数，从而更为科学合理表征圆珠笔的书写润滑度。
本领域技术人员应当注意的是，本发明所描述的实施方式仅仅是示范性的，可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进。因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。
Claims (17)
1.一种圆珠笔书写润滑度检测仪，包括：
夹持机构(1)，包括夹持试样笔芯的夹头(12)；
书写角度可调的夹持机构支架(2)，包括支架套筒(22)，所述夹持机构(1)设置于所述支架套筒(22)中，所述夹持机构支架(2)的下部设置有采集试样笔芯检测数据的拉力传感器(27)；
直线运动机构(3)，与所述夹持机构支架(2)连接，包括驱动所述夹持机构支架(2)作直线运动的直线运动伺服电机(31)以及使试样笔芯自转的慢速电机(35)；
旋转平台(4)，用于放置书写纸并使其作旋转运动，包括转动平台(41)，进行检测时，所述夹持机构(1)所夹持的试样笔芯的笔头与所述转动平台(41)接触；
控制系统(5)，与所述直线运动机构(3)和所述旋转平台(4)控制连接，包括调节所述直线运动机构(3)的直线运动速度和所述旋转平台(4)的转速的变速器；以及
计算机(6)，与所述拉力传感器(27)连接，用于处理采集的检测数据，以得到检测结果。
2.根据权利要求1的圆珠笔书写润滑度检测仪，其中所述夹持机构(1)包括：套筒(11)、设置于所述套筒(11)内的夹头(12)以及设置于所述套筒(11)顶端的砝码架(13)。
3.根据权利要求2的圆珠笔书写润滑度检测仪，其中所述砝码架(13)包括台阶(131)和设置于所述台阶(131)下方的定位销(132)，所述夹持机构(1)通过所述定位销(132)与所述夹持机构支架(2)连接。
4.根据权利要求1的圆珠笔书写润滑度检测仪，其中所述夹持机构支架(2)包括支架座(21)、支架套筒(22)、上直线轴承(23)、径向接触轴承(24)、大同步皮带轮(25)、轴向推力轴承(26)和拉力传感器(27)，所述支架套筒(22)上设置缺口(221)，所述上直线轴承(23)设置于所述支架套筒(22)的内部，所述径向接触轴承(24)和所述轴向推力轴承(26)均与所述支架座(21)连接并套装在所述支架套筒(22)外，所述大同步皮带轮(25)设置于所述径向接触轴承(24)和所述轴向推力轴承(26)之间并固定安装在所述支架套筒(22)外，所述拉力传感器(27)设置于所述支架座(21)的下部。
5.根据权利要求4的圆珠笔书写润滑度检测仪，其中所述拉力传感器(27)包括固定端(271)和悬空端(272)，所述固定端(271)与所述支架座(21)连接固定，所述悬空端(272)设置有轴承座(28)，所述轴承座(28)内设置有下直线轴承(29)，所述下直线轴承(29)包含内孔(291)；进行检测时，所述夹持机构(1)从所述支架套筒(22)的上部插入并穿过所述支架套筒(22)，再插入所述下直线轴承(29)的所述内孔(291)，使得所述夹持机构(1)所夹持的试样笔芯的笔头与所述旋转平台(4)的平面接触。
6.根据权利要求4的圆珠笔书写润滑度检测仪，其中所述直线运动机构(3)包括直线运动伺服电机(31)、滚珠直线导轨(32)、移动平台支架(33)、慢速电机座(34)、慢速电机(35)、小同步皮带轮(36)和同步皮带(37)；所述滚珠直线导轨(32)连接所述直线运动伺服电机(31)和所述移动平台支架(33)，所述慢速电机座(34)和所述慢速电机(35)设置于所述移动平台支架(33)上，所述慢速电机(35)和所述小同步皮带轮(36)连接，所述小同步皮带轮(36)通过所述同步皮带(37)与所述大同步皮带轮(25)连接。
7.根据权利要求6的圆珠笔书写润滑度检测仪，其中所述滚珠直线导轨(32)包括固定元件(321)和移动元件(322)，所述固定元件(321)与所述直线运动伺服电机(31)连接，所述移动元件(322)与所述移动平台支架(33)连接。
8.根据权利要求6的圆珠笔书写润滑度检测仪，其中所述移动平台支架(33)的外壳(330)的一端设置有连接轴(331)和螺纹杆(332)，所述移动平台支架(33)通过所述连接轴(331)与所述夹持机构支架(2)的外壳(20)连接，并可通过调节所述螺纹杆(332)使得所述夹持机构支架(2)绕所述连接轴(331)转动，转动角度为0°～30°。
9.根据权利要求1的圆珠笔书写润滑度检测仪，其中所述旋转平台(4)包括转动平台(41)、转动轴(42)、连轴器(43)、旋转运动伺服电机(44)、书写纸卷固定轴(45)、书写纸卷转动轴(46)、卷纸电机(47)和书写纸(48)，所述转动平台(41)通过所述转动轴(42)和所述连轴器(43)与所述旋转运动伺服电机(44)连接，所述书写纸(48)平铺在所述转动平台(41)上，所述书写纸(48)的一端与所述书写纸卷固定轴(45)连接，另一端经过所述卷纸电机(47)与所述书写纸卷转动轴(46)连接。
10.根据权利要求1的圆珠笔书写润滑度检测仪，其中所述控制系统(5)包括开关、变速器和编程器。
11.使用根据权利要求1至10中任一项的圆珠笔书写润滑度检测仪检测圆珠笔书写润滑度的方法，包括以下步骤：
a)将试样笔芯放入所述夹持机构(1)中，将所述夹持机构(1)固定在所述夹持机构支架(2)内，并使试样笔芯的笔头与所述旋转平台(4)的表面接触；
b)调节所述夹持机构(1)，设定试样笔芯的负荷；
c)调节所述直线运动机构(3)，设定试样笔芯的书写角度；
d)调节所述控制系统(5)，设定试样笔芯的书写速度和划线方式；
e)启动所述控制系统(5)，驱动所述直线运动机构(3)使试样笔芯作直线运动和/或驱动所述旋转平台(4)使书写纸作旋转运动；
f)利用所述拉力传感器(27)采集数据并利用所述计算机(6)进行处理，得到检测结果。
12.根据权利要求11的方法，其中通过调节设置于所述夹持机构(1)上的所述砝码(15)，设定试样笔芯的负荷。
13.根据权利要求11的方法，其中通过调节设置于所述直线运动机构(3)上的所述螺纹杆(332)，设定试样笔芯的书写角度。
14.根据权利要求11的方法，其中通过调节所述控制系统(5)中的变速器和编程器，设定试样笔芯的书写速度和划线方式。
15.根据权利要求14的方法，其中当驱动所述直线运动机构(3)使试样笔芯作直线运动时，试样笔芯在书写纸上划直线。
16.根据权利要求14的方法，其中当驱动所述旋转平台(4)使书写纸作旋转运动时，试样笔芯在书写纸上划圆周。
17.根据权利要求14的方法，其中当驱动所述直线运动机构(3)使试样笔芯作直线运动并驱动所述旋转平台(4)使书写纸作旋转运动时，试样笔芯在书写纸上划螺旋线。
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