CN109682751A - 多功能材料表面性能试验仪及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料表面性能试验设备，具体涉及多功能材料表面性能试验仪及其控制系统,测力机头内的横梁和短轴的结构形成自动平衡机构，可以准确的检测到在被检测件表面施加的加载力，限位装置减小加载杆在实验过程中的抖动，摩擦力与加载力是单独测量的，没有相互间的影响与干扰，故测力更加准确，声信号采集器可反映镀层脱落时的准确情况，工作台的移动，实现被检测件在同一平面，同一工况下的不同位置的对比实验，测力机头实现恒定加载力的功能，台阶仪完成位移量的测定，升降机构能通过工控计算机的控制持续提升加载力的数值，更换不同的接触头来完成不同的表面性能实验，无需更换实验仪器，保证实验数据准确性，大范围缩短了实验时间。

Description

多功能材料表面性能试验仪及其控制系统

技术领域

本发明涉及材料表面性能试验设备，具体涉及多功能材料表面性能试验仪及其控制系统。

背景技术

近十多年来,材料表面的研究在国防、科技、工业、农业领域得到广泛应用, 特别是离子镀涂层在工具、模具、仪器部件、装饰等方面的应用,收到了很大的经济效益和社会效益；因此，涂层的各项机械性能的检测是当前涂层产品开发的关键，涂层产品的各项技术指标也成为供需双方首先关注的焦点；当前硬质涂层机械性能的常规检测有硬度检测、结合力检测、摩擦性能和耐磨强度检测、粗糙度检测、弹性模量检测、厚度检测等。

目前现有技术中所公开的检测仪器存在以下缺点：一是机械结构存在缺陷，使得在实验过程中对被检测件的表面加载力不够稳定和精确，造成实验数据波动较大，不能准确、直观的体现材料表面性能；二是在实验过程中实验设备自身稳定性较差，与被检测件接触的零部件会产生抖动，尤其在高速运转设备时抖动更为强烈，造成实验数据的不准确性；三是不能精准、稳定的在被检测件表面不断增加加载力，需要设定一个数值的加载力后进行试验，然后停机增加加载力数值，再重新开始实验，需多次重复工作，不仅造成实验数据产生误差，同时浪费大量的时间；四是实验仪器单元化，不能在同一实验仪器上进行多种实验，在被检测件在各仪器之间换装过程中，被测试件需多次拆卸、装夹，使得被测试的点不能完全保证一致，造成实验数据真实、准确性不能保证。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供多功能材料表面性能试验仪及其控制系统，能够恒定精确的对被检测件的表面施加加载力，或者精准的不断的增加加载力的数值，增加台阶仪组件进行位移信号的测量，同时保证在实验过程中仪器的自身稳定性，进而保证了实验数据的准确性和真实性，并且在本发明上可同时实现多种表面测试性能实验，大幅度的节约了实验时间，解决了现有技术中存在的问题。

本发明所采用的技术方案是：多功能材料表面性能试验仪，包括往复机构、升降机构、测力机头、底座和台阶仪，往复机构和升降机构连接在底座上，往复机构设置在升降机构左边，测力机头通过活塞连接在升降机构上，台阶仪连接在往复机构上，测力机头设置在台阶仪和往复机构之间。

进一步所述台阶仪包括机身、活塞Ⅱ、升降丝杠Ⅱ、调整螺母Ⅱ、平面轴承Ⅱ、涡轮Ⅱ、蜗杆Ⅱ、电机、导向支柱Ⅱ、机头、盖、位移传感器、传感器套和限位套。

进一步所述机身包括连接部和活塞安装部，活塞安装部设置在连接部上端，连接部连接在往复机构上。

进一步所述活塞安装部内设有导向孔Ⅱ、传动室Ⅱ和活塞缸Ⅱ，传动室Ⅱ和活塞缸Ⅱ之间设有台阶面Ⅱ，传动室Ⅱ连通导向孔Ⅱ和活塞缸Ⅱ。

进一步所述机头下端设有活塞安装孔Ⅱ，活塞Ⅱ连接在活塞安装孔Ⅱ内，活塞Ⅱ下端连接升降丝杠Ⅱ，活塞Ⅱ设置在活塞缸Ⅱ内，涡轮Ⅱ与升降丝杠Ⅱ螺纹连接，涡轮Ⅱ两端面连接有平面轴承Ⅱ，涡轮Ⅱ和平面轴承Ⅱ设置在传动室Ⅱ内，平面轴承Ⅱ下表面与台阶面Ⅱ贴合，调整螺母Ⅱ螺纹连接在传动室Ⅱ上端，调整螺母Ⅱ下表面与平面轴承Ⅱ上表面贴合，导向支柱Ⅱ设置在导向孔Ⅱ内，导向支柱Ⅱ外缘与导向孔Ⅱ内壁贴合，导向支柱Ⅱ连接在升降丝杠Ⅱ下端，蜗杆Ⅱ与涡轮Ⅱ啮合，蜗杆Ⅱ一端连电机，电机设置在机身外部。

进一步所述机头右端开设有传感器安装孔，传感器安装孔两端设有螺纹，限位套连接在传感器安装孔下端螺纹上，传感器套设置在传感器安装孔内，位移传感器设置在传感器套内，位移传感器的触头穿过传感器套，触头伸出限位套，触头与测力机头上表面贴合，盖连接在传感器安装孔上端螺纹上。

进一步所述往复机构包括机架、往复电机、齿轮齿带、往复丝杠、滑轨和滑台，机架上部设有滑轨安装槽，滑轨连接在滑轨安装槽内，滑台连接在滑轨内，往复电机设置在机架内，往复丝杠穿过滑台，往复丝杠与滑台螺纹连接，往复丝杠水平设置在滑轨安装槽内，往复丝杠与滑轨安装槽转动连接，齿轮齿带连接往复电机和往复丝杠。

进一步所述往复机构还包括工作台，工作台包括支架、托板、托板手柄、台钳壳体、台钳和台钳手柄。

进一步所述支架固定在滑台上，支架上开设有滑槽，滑槽水平设置，滑槽与往复丝杠垂直布设，滑槽两端设有挡板，托板滑动连接在滑槽内，托板手柄贯穿挡板和托板，托板手柄与挡板转动连接，托板手柄与托板螺纹连接，台钳壳体固定在托板上，台钳壳体上开设有台钳安装槽，台钳安装槽与滑槽方向一致，台钳安装槽内设有一对台钳，台钳手柄贯穿台钳安装槽的壁，台钳手柄一端与台钳连接，台钳手柄与台钳安装槽螺纹连接。

进一步所述升降机构包括活塞Ⅰ、升降丝杠Ⅰ、调整螺母Ⅰ、平面轴承Ⅰ、涡轮Ⅰ、蜗杆Ⅰ、手轮、导向支柱Ⅰ、筒体和加载电机。

所述筒体内设有导向孔Ⅰ、传动室Ⅰ和活塞缸Ⅰ，传动室Ⅰ和活塞缸Ⅰ之间设有台阶面Ⅰ，传动室Ⅰ连通导向孔Ⅰ和活塞缸Ⅰ，所述活塞Ⅰ上端连接测力机头，活塞Ⅰ下端连接升降丝杠Ⅰ，活塞Ⅰ设置在活塞缸Ⅰ内，涡轮Ⅰ与升降丝杠Ⅰ螺纹连接，涡轮Ⅰ两端面连接有平面轴承Ⅰ，涡轮Ⅰ和平面轴承Ⅰ设置在传动室Ⅰ内，平面轴承Ⅰ下表面与台阶面Ⅰ贴合，调整螺母Ⅰ螺纹连接在传动室Ⅰ上端，调整螺母Ⅰ下表面与平面轴承Ⅰ上表面贴合，导向支柱Ⅰ设置在导向孔Ⅰ内，导向支柱Ⅰ外缘与导向孔Ⅰ内壁贴合，导向支柱Ⅰ连接在升降丝杠Ⅰ下端，蜗杆Ⅰ穿过筒体，蜗杆Ⅰ与涡轮Ⅰ啮合，蜗杆Ⅰ一端连接手轮，手轮设置在筒体外部，蜗杆另一端连接加载电机。

进一步所述测力机头包括机头体、横梁、短轴、调节螺杆、配重块、连接螺栓、加载杆、销轴、接触头、直线轴承、轴承套、调节螺丝、摩擦力传感器、声信号采集器、加载力传感器和传感器垫块。

进一步所述横梁设置在机头体内，横梁中间开设有轴孔，轴孔前后方向布设，短轴贯穿轴孔，短轴两端连接在机头体上，横梁右端开设有凹槽和传感器安装槽，凹槽设置在传感器安装槽上方，配重块设置在凹槽内，配重块外壁与凹槽内壁贴合，调节螺杆两端连接在凹槽内，调节螺杆贯穿配重块，调节螺杆与配重块螺纹连接，加载力传感器设置在传感器安装槽内，加载力传感器左端连接横梁，传感器垫块连接在加载力传感器下方，横梁前端开设有加载杆安装槽，加载杆通过销轴铰接在加载杆安装槽内，加载杆下部连接直线轴承，直线轴承外缘连接轴承套，轴承套连接在机头体上，轴承套左端设有摩擦力传感器，摩擦力传感器上端与机头体连接，摩擦力传感器下部连接有调节螺丝，调节螺丝与摩擦力传感器螺纹连接，调节螺丝右端与轴承套连接，加载杆下端连接声信号采集器，声信号采集器下端连接接触头，连接螺栓穿过机头体，连接螺栓下端连接横梁，连接螺栓上表面和触头贴合，连接螺栓、加载杆、接触头和触头在同一轴线上，机头体下端设有活塞安装孔Ⅰ，活塞Ⅰ连接在活塞安装孔Ⅰ内。

进一步所述接触头为压头、磨头或划针。

进一步所述控制系统包括工控计算机、多功能板卡、电机驱动模块和信号采集模块，多功能板卡连接工控计算机、电机驱动模块和信号采集模块，传感器采集的信号依次通过信号采集模块和多功能板卡传递至工控计算机，电机控制信号依次通过工控计算机、多功能板卡和电机驱动模块传递。

进一步所述电机驱动模块包括往复电机驱动器、加载电机驱动器和台阶仪电机驱动器，往复电机驱动器连接往复电机，加载电机驱动器连接加载电机，台阶仪电机驱动器连接电机。

进一步所述信号采集模块包括放大电路板Ⅰ、放大电路板Ⅱ和放大电路板Ⅲ，放大电路板Ⅰ连接摩擦力传感器和加载力传感器，放大电路板Ⅱ连接声信号采集器，放大电路板Ⅲ连接位移传感器。

本发明的有益效果是：通过测力机头内的横梁和短轴的结构形成自动平衡机构，可以准确的检测到在被检测件表面施加的加载力，同时通过限位装置减小加载杆在实验过程中的抖动，摩擦力与加载力是单独测量的，没有相互间的影响与干扰，故测力更加准确，通过声信号采集器可反映镀层脱落时的准确情况，通过工作台的移动，可实现被检测件在同一平面，同一工况下的不同位置的对比实验，测力机头可实现恒定加载力的功能，台阶仪可完成位移量的测定，升降机构能通过工控计算机的控制持续提升加载力的数值，通过更换不同的接触头来完成不同的表面性能实验，无需更换实验仪器，保证实验数据准确性，同时大范围缩短了实验时间。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是台阶仪左视局部剖结构示意图；

图3是图2机身局部剖结构示意图；

图4是图2台阶仪B-B截面结构示意图；

图5是图2机头半剖结构示意图

图6是往复机构结构示意图；

图7是工作台结构示意图；

图8是工作台俯视结构示意图；

图9是升降机构结构示意图；

图10是筒体结构示意图；

图11是图9升降机构A-A截面结构示意图；

图12是测力机头结构示意图；

图13是测力机头去除机头体的结构示意图；

图14是图12测力机头A处局部放大结构示意图；

图15是本发明恒定加载力的实验数据曲线图；

图16是本发明加载力稳定增大的实验数据曲线图；

图17是本发明表面粗糙度实验的数据曲线图；

图18是本发明控制系统原理图；

图19是放大电路板Ⅰ原理图；

图20是放大电路板Ⅱ原理图，

图21是摩擦力校准图。

其中，1.往复机构，101.机架，102.往复电机，103.齿轮齿带，104.往复丝杠，105.滑轨，106.滑台，107.滑轨安装槽，2.升降机构，201.活塞Ⅰ，202.升降丝杠Ⅰ，203调整螺母Ⅰ，204.平面轴承Ⅰ，205.涡轮Ⅰ，206.蜗杆Ⅰ，207.手轮，208.导向支柱Ⅰ，209.筒体，210.导向孔Ⅰ，211.传动室Ⅰ，212.活塞缸Ⅰ，213.台阶面Ⅰ，214.加载电机，3.测力机头，301.机头体，302.横梁，303.短轴，304.调节螺杆，305.配重块，306. 连接螺栓，307.加载杆，308.销轴，309.接触头，310.直线轴承，311.轴承套，312.调节螺丝，313.摩擦力传感器，314.声信号采集器，315.加载力传感器，316.传感器垫块，317.轴孔，318.凹槽，319.传感器安装槽，320.加载杆安装槽，321.活塞安装孔， 4.底座，5.工作台，501.支架，502.托板，503.托板手柄，504.台钳壳体，505.台钳，506.台钳手柄，507.滑槽，508.挡板，509.台钳安装槽，6.台阶仪，601.机身，602.活塞Ⅱ，603.升降丝杠Ⅱ，604.调整螺母Ⅱ，605.平面轴承Ⅱ，606.涡轮Ⅱ，607.蜗杆Ⅱ，608.电机，609.导向支柱Ⅱ，610.机头，611.盖，612.位移传感器，613.传感器套，614.限位套，615.连接部，616.活塞安装部，617.导向孔Ⅱ，618.传动室Ⅱ，619.活塞缸Ⅱ，620.台阶面Ⅱ，621.活塞安装孔Ⅱ，622.传感器安装孔，623.触头，7.工控计算机，8.多功能卡，9.电机驱动模块，901.往复电机驱动器，902.加载电机驱动器，903.电机驱动器，10.信号采集模块，1001.放大电路板Ⅰ，1002.放大电路板Ⅱ，1003.放大电路板Ⅲ。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：

多功能材料表面性能试验仪包括往复机构1、升降机构2、测力机头3、底座4和台阶仪6，往复机构1和升降机构2连接在底座4上，往复机构1设置在升降机构2左边，测力机头3通过活塞201连接在升降机构2上，台阶仪6连接在往复机构1上，测力机头3设置在台阶仪6和往复机构1之间。

进一步所述台阶仪6包括机身601、活塞Ⅱ602、升降丝杠Ⅱ603、调整螺母Ⅱ604、平面轴承Ⅱ605、涡轮Ⅱ606、蜗杆Ⅱ607、电机608、导向支柱Ⅱ609、机头610、盖611、位移传感器612、传感器套613和限位套614。

进一步所述机身601包括连接部615和活塞安装部616，活塞安装部616设置在连接部615上端，连接部615连接在往复机构1上。

进一步所述活塞安装部616内设有导向孔Ⅱ617、传动室Ⅱ618和活塞缸Ⅱ619，传动室Ⅱ618和活塞缸Ⅱ619之间设有台阶面Ⅱ620，传动室Ⅱ618连通导向孔Ⅱ617和活塞缸Ⅱ619；

进一步所述机头610下端设有活塞安装孔Ⅱ621，活塞Ⅱ602连接在活塞安装孔Ⅱ621内，活塞Ⅱ620下端连接升降丝杠Ⅱ603，活塞Ⅱ602设置在活塞缸Ⅱ619内，涡轮Ⅱ606与升降丝杠Ⅱ603螺纹连接，涡轮Ⅱ606两端面连接有平面轴承Ⅱ605，涡轮Ⅱ606和平面轴承Ⅱ605设置在传动室Ⅱ618内，平面轴承Ⅱ605下表面与台阶面Ⅱ620贴合，调整螺母Ⅱ604螺纹连接在传动室Ⅱ618上端，调整螺母Ⅱ604下表面与平面轴承Ⅱ605上表面贴合，导向支柱Ⅱ609设置在导向孔Ⅱ617内，导向支柱Ⅱ609外缘与导向孔Ⅱ617内壁贴合，导向支柱Ⅱ609连接在升降丝杠Ⅱ603下端，蜗杆Ⅱ607与涡轮Ⅱ606啮合，蜗杆Ⅱ607一端连电机608，电机608设置在机身601外部。

进一步所述机头610右端开设有传感器安装孔621，传感器安装孔622两端设有螺纹，限位套614连接在传感器安装孔622下端螺纹上，传感器套613设置在传感器安装孔621内，位移传感器612设置在传感器套613内，位移传感器612的触头623穿过传感器套613，触头623伸出限位套614，触头623与测力机头3上表面贴合，盖611连接在传感器安装孔621上端螺纹上，所述位移传感器612的型号为：京海泉牌 GA0.2型高精度位移传感器。

通过机身601的设置，使得本发明整体结构更为稳定，通过蜗杆Ⅱ607和涡轮Ⅱ606将水平方向的旋转运动与动力传递为垂直方向，再通过涡轮Ⅱ606将动力传递给升降丝杠Ⅱ603，同时升降丝杠Ⅱ603带动活塞Ⅱ602上下运动，进一步带动机头610上下运动，通过调整螺母Ⅱ604将涡轮Ⅱ606压紧，防止其在工作过程中发生跳动，避免实验数据产生误差，通过电脑控制电机608的正反转实现机头610的上下运动，完成了自动控制及调节工作，避免了手动调节，节约时间，并且使机头610的位置控制更加精准，设置活塞安装孔Ⅱ621，方便机头610与活塞Ⅱ602之间的拆卸与安装，同时可增加机身601与机头610之间的稳定性，在位移传感器612外套装限位套614，一方面起到保护位移传感器612的作用，另一方面方便对位移传感器612的位置进行调整，避免在操作过程中对位移传感器612造成损伤影响实验数据。

进一步所述往复机构1包括机架101、往复电机102、齿轮齿带103、往复丝杠104、滑轨105和滑台106，机架101上部设有滑轨安装槽107，滑轨105连接在滑轨安装槽107内，滑台106连接在滑轨105内，往复电机102设置在机架101内，往复丝杠104穿过滑台106，往复丝杠104与滑台106螺纹连接，往复丝杠104水平设置在滑轨安装槽107内，往复丝杠104与滑轨安装槽107转动连接，齿轮齿带103连接往复电机102和往复丝杠104，通过往复电机102的正反转，带动齿轮齿带103转动，从而实现往复丝杠104的正反转，滑台106即可在往复丝杠104的正反转作用下左右移动，设置滑轨105和滑台106，使往复运动的接触面为滑动摩擦，减小摩擦力对实验数据的影响，通过往复丝杠104和滑台106的配合，形成了水平方向X轴向被检测件的双向运动。

进一步所述往复机构1还包括工作台5，工作台5包括支架501、托板502、托板手柄503、台钳壳体504、台钳505和台钳手柄506。

进一步所述支架501固定在滑台106上，支架501上开设有滑槽507，滑槽507水平设置，滑槽507与往复丝杠104垂直布设，滑槽507两端设有挡板508，托板502滑动连接在滑槽507内，托板手柄503贯穿挡板508和托板502，托板手柄503与挡板508转动连接，托板手柄503与托板502螺纹连接，台钳壳体504固定在托板502上，台钳壳体504上开设有台钳安装槽509，台钳安装槽509与滑槽507方向一致，台钳安装槽509内设有一对台钳505，台钳手柄506贯穿台钳安装槽509的壁，台钳手柄506一端与台钳连接，台钳手柄506与台钳安装槽509螺纹连接，支架501固定在滑台106上，使工作台5与滑台106形成一体，保证运动同步，同时可通过转动托板手柄503使托板502前后运动，通过转动台钳手柄506可实现台钳505的开合，完成被测件的安装和拆卸工作，操作简便，并且台钳505的开合方向与托板502的运动方向垂直，可实现被测件在工作台5范围内，全方位的位置变化，还解决了被试件的重复拆卸、装夹的问题，保证了实验数据的准确性，通过工作台5的结构，形成了水平方向垂直于X轴的Y轴的轴向被检测件的双向运动。

进一步所述升降机构2包括活塞Ⅰ201、升降丝杠Ⅰ202、调整螺母Ⅰ203、平面轴承Ⅰ204、涡轮Ⅰ205、蜗杆Ⅰ206、手轮207、导向支柱Ⅰ208、筒体209和加载电机214。

所述筒体209内设有导向孔Ⅰ210、传动室Ⅰ211和活塞缸Ⅰ212，传动室Ⅰ211和活塞缸Ⅰ212之间设有台阶面Ⅰ213，传动室Ⅰ211连通导向孔Ⅰ210和活塞缸Ⅰ212，所述活塞Ⅰ201上端连接测力机头3，活塞Ⅰ201下端连接升降丝杠Ⅰ202，活塞Ⅰ201设置在活塞缸Ⅰ212内，涡轮Ⅰ205与升降丝杠Ⅰ202螺纹连接，涡轮Ⅰ205两端面连接有平面轴承Ⅰ204，涡轮Ⅰ205和平面轴承Ⅰ204设置在传动室Ⅰ211内，平面轴承Ⅰ204下表面与台阶面Ⅰ213贴合，调整螺母Ⅰ203螺纹连接在传动室Ⅰ211上端，调整螺母Ⅰ203下表面与平面轴承Ⅰ204上表面贴合，导向支柱Ⅰ208设置在导向孔Ⅰ210内，导向支柱Ⅰ208外缘与导向孔Ⅰ210内壁贴合，导向支柱Ⅰ208连接在升降丝杠Ⅰ202下端，蜗杆Ⅰ206穿过筒体209，蜗杆Ⅰ206与涡轮Ⅰ205啮合，蜗杆Ⅰ206一端连接手轮207，手轮207设置在筒体209外部，蜗杆206另一端连接加载电机214，通过涡轮Ⅰ205和蜗杆Ⅰ206的自锁功能，稳定了升降机构2工作过程中的位移量的准确性，同时保证了测力机头3施加的加载力的稳定性，通过活塞Ⅰ201的支撑，使得整体结构稳定，避免了仪器工作过程中的抖动，设置导向支柱Ⅰ208和导向孔Ⅰ210，进一步稳定了升降过程中运动的稳定性，通过升降机构2形成了竖直的垂直于X轴和Y轴的Z轴的轴向相对于被检测件的双向运动。

进一步所述测力机头3包括机头体301、横梁302、短轴303、调节螺杆304、配重块305、连接螺栓306、加载杆307、销轴308、接触头309、直线轴承310、轴承套311、调节螺丝312、摩擦力传感器313、声信号采集器314、加载力传感器315和传感器垫块316。

进一步所述横梁302设置在机头体301内，横梁302中间开设有轴孔317，轴孔317前后方向布设，短轴303贯穿轴孔316，短轴303两端连接在机头体301上，横梁302右端开设有凹槽318和传感器安装槽319，凹槽317设置在传感器安装槽319上方，配重块305设置在凹槽318内，配重块305外壁与凹槽318内壁贴合，调节螺杆304两端连接在凹槽318内，调节螺杆304贯穿配重块305，调节螺杆304与配重块305螺纹连接，加载力传感器315设置在传感器安装槽319内，加载力传感器315左端连接横梁302，传感器垫块316连接在加载力传感器315下方，横梁302前端开设有加载杆安装槽320，加载杆307通过销轴308铰接在加载杆安装槽320内，加载杆307下部连接直线轴承310，直线轴承310外缘连接轴承套311，轴承套311连接在机头体301上，轴承套311左端设有摩擦力传感器313，摩擦力传感器313上端与机头体301连接，摩擦力传感器313下部连接有调节螺丝312，调节螺丝312与摩擦力传感器313螺纹连接，调节螺丝312右端与轴承套311连接，加载杆307下端连接声信号采集器314，声信号采集器314下端连接接触头309，连接螺栓306穿过机头体301，连接螺栓306下端连接横梁302，连接螺栓306上表面和触头623贴合，连接螺栓306、加载杆307、接触头309和触头623在同一轴线上，机头体301下端设有活塞安装孔Ⅰ321，活塞Ⅰ201连接在活塞安装孔Ⅰ321内，横梁302和短轴303形成自动平衡机构，横梁302两端所受力即为相等的力，所以加载力即为测力机头3由升降机构2带动向下运动时产生的力，当升降机构2稳定在一个位置时，加载力即为恒定的力，从而实现恒定加载力的实验要求，当升降机构2不断向下运动时，加载力即为稳定增加的力，从而实现加载力增加的实验要求，同时加载杆307和传感器垫块316对称布设，因为力臂相等，即此时测得的加载力即为加载杆307施加的加载力，进一步提升了实验数据的精准性，同时加载力传感器315和摩擦力传感器313分开布设，避免了实验数据的干扰，调节螺杆304和配重块305的设置可对横梁302进行预先的调平功能，通过直线轴承310和轴承套311的设置，保证了加载杆307在实验过程中不论是上下方向还是左右方向的运动都更加稳定，避免了实验数据的波动过大造成数据不准确，同时增设调节螺丝312，可预先调节加载杆307和摩擦力传感器313之间的位置，保证实验的精准性，在接触头309和加载杆307之间设置声信号采集器314，可在实验过程中，通过声音的波动确认镀层脱落的准确数据。

进一步所述加载力传感器315为悬臂梁式测力传感器，传感器型号为：永正牌108BA-30Kg。

进一步所述声信号采集器314的型号为：SS-20T-6.8E。

进一步所述摩擦力传感器313为悬臂梁式测力传感器，传感器型号为：1B-YZ-5Kg。

进一步所述接触头309为压头、磨头或划针，通过更换接触头309即可完成不同要求的表面性能实验。

进一步所述控制系统包括工控计算机7、多功能板卡8、电机驱动模块9和信号采集模块10，多功能板卡8连接工控计算机7、电机驱动模块9和信号采集模块10，传感器采集的信号依次通过信号采集模块10和多功能板卡8传递至工控计算机7，电机控制信号依次通过工控计算机7、多功能板卡8和电机驱动模块9传递，所述多功能板卡8为ISA 总线的多功能模入模出接口卡，型号为：SFISA-7012，通过此控制系统能完成人机交互，实时显示实验数据，同时可随时进行操作，简单有效。

进一步所述电机驱动模块9包括往复电机驱动器901、加载电机驱动器902和台阶仪电机驱动器903，往复电机驱动器901连接往复电机102，加载电机驱动器902连接加载电机214，台阶仪电机驱动器903连接电机608，所述往复电机驱动器901、加载电机驱动器902和电机驱动器903的型号为：Q3HB64MA，通过单独的驱动器对各个电机单独进行控制，避免了信号干扰，并且保证了控制电路的稳定性，可有效提升可部件的使用寿命。

进一步所述信号采集模块10包括放大电路板Ⅰ1001、放大电路板Ⅱ1002和放大电路板Ⅲ1003，放大电路板Ⅰ1001连接摩擦力传感器313和加载力传感器315，放大电路板Ⅱ1002连接声信号采集器314，放大电路板Ⅲ1003连接位移传感器612，其中放大电路板Ⅲ1003为位移传感器612自带放大电路，放大电路板Ⅰ1001的放大电路原理如图19所示，主要是可通过该放大电路实现加载力和摩擦力的调零以及放大倍数调节（最高可放大一万倍），该放大电路一方面调节放大倍数，另一方面用于调零，而调节这些主要是为了对仪器测力的校准，检测力（摩擦力、加载力）的校准，就是施加给测力传感器一个标准力（砝码）使传感器显示的值，与加载砝码相对应，从而使检测力在实验过程中所测到的里即为实际的力（摩擦力、加载力），校准效果如图21所示，放大电路板Ⅱ1002的放大电路原理如图20所示，本放大电路用于多功能试验机声信号放大，主要是可通过该放大电路实现对仪器基线调节、声信号采集灵敏度调节、以及放大倍数调节（最高可放大一万倍），声信号曲线如图16所示，所谓基线调节是指调节声信号曲线最底端（基线）与横轴之间的距离，是通过电路图中的Ⅲ进行调节；所谓声信号采集灵敏度是指调节采集声信号分贝的大小的选择（即采集声音的大小），是通过电路图中的Ⅳ进行调节；所谓放大倍数的调节是指将采集到的声信号进行放大多少倍的处理，表示在曲线中为曲线峰值的大小，是通过电路图中的Ⅰ和Ⅱ进行调节。

因为材料表面是凹凸不平的，并非绝对的平面，传统设备加载力无法保证恒定，使得加载力曲线波动较大，通过材料表面高点时加载力会增大，通过低点时加载力会减小，所得到的实验数据不能真实的反应材料表面性能，由于本发明测力机头3内特殊的结构设计，形成自动平衡机构，保证接触头309在被检测件表面运动时，不论被检测件表面的高点还是低点，均能保证加载力的恒定，使得实验数据更加精准，具体效果如图15所示，同时增加了台阶仪6，通过台阶仪6上的位移传感器612与测力机头3之间的配合即可完成位移信号的稳定采集，具体效果如图17所示。

依靠升降机构2的作用，可实现测力机头3的上下运动，从而实现了测力机头3在实验过程中可稳定的向下运动，升降机构2带动测力机头3向下运动，在下降过程中即为增大加载力的过程，结合测力机头3的特殊结构，即可保证加载力平稳增大，也保证了实验数据的精确性，具体效果如图16所示，同时在加载力达到一定数值时，被检测件表面图层开始脱落，此时声信号采集器314即可采集到波动信号，声信号曲线会发生大范围的波动，即可准确掌握涂层脱落的信息。

使用时，将被检测件固定在台钳505内并调整好位置，然后通过调节配重块305使横梁302水平，然后调节加载杆307被检测件之间的距离，调节至接触头309与被检测件接触，测力机头3由升降机构2带动向下运动时产生的力，当升降机构2稳定在一个位置时，加载力即为恒定的力，从而实现恒定加载力的实验要求，再调节台阶仪6的高度，让触头623与连接螺栓306上表面贴合，即可在实验过程中同时采集位移信号，然后启动材料表面性能试验仪，使得被检测件形成左右往复运动，即实现接触头309与被检测件之间的相对运动，接触头309在实验过程中的因摩擦力的作用会产生左右微小的位移，从而带动加载杆307左右移动，进一步带动直线轴承401和轴承套402运动，轴承套402将力再传递至调节螺丝404，从而实现摩擦力传感器403对摩擦力的测量，完成摩擦力实验；同时接触头309会因被检测件表面的光滑情况上下运动，接触头309带动加载杆307上下运动，加载杆307使横梁302左右两边上下微小的摇摆，从而使得加载力传感器315采集到加载力的数据发生波动，结合台阶仪6测得的位移数据，从而完成弹性模量检测，通过更换接触头309，即可完成厚度检测、磨损量检测等实验，实验过程中还可通过控制加载电机214匀速缓慢下降，从而实现加载力的稳定增加功能，实验过程中被测件表面涂层脱落会产生微小的声音波动，此时声信号采集器314即可采集到波动信号，当完成一组试验后，停止材料表面性能试验仪，通过调节工作台5，完成被试件的位置移动，即可进行下一组对比性能实验。

Claims (10)

1.多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：包括往复机构（1）、升降机构（2）、测力机头（3）、底座（4）和台阶仪（6），往复机构（1）和升降机构（2）连接在底座（4）上，往复机构（1）设置在升降机构（2）左边，测力机头（3）通过活塞（201）连接在升降机构（2）上，台阶仪（6）连接在往复机构（1）上，测力机头（3）设置在台阶仪（6）和往复机构（1）之间；

所述台阶仪（6）包括机身（601）、活塞Ⅱ（602）、升降丝杠Ⅱ（603）、调整螺母Ⅱ（604）、平面轴承Ⅱ（605）、涡轮Ⅱ（606）、蜗杆Ⅱ（607）、电机（608）、导向支柱Ⅱ（609）、机头（610）、盖（611）、位移传感器（612）、传感器套（613）和限位套（614）；

所述机身（601）包括连接部（615）和活塞安装部（616），活塞安装部（616）设置在连接部（615）上端，连接部（615）连接在往复机构（1）上；

所述活塞安装部（616）内设有导向孔Ⅱ（617）、传动室Ⅱ（618）和活塞缸Ⅱ（619），传动室Ⅱ（618）和活塞缸Ⅱ（619）之间设有台阶面Ⅱ（620），传动室Ⅱ（618）连通导向孔Ⅱ（617）和活塞缸Ⅱ（619）；

所述机头（610）下端设有活塞安装孔Ⅱ（621），活塞Ⅱ（602）连接在活塞安装孔Ⅱ（621）内，活塞Ⅱ（620）下端连接升降丝杠Ⅱ（603），活塞Ⅱ（602）设置在活塞缸Ⅱ（619）内，涡轮Ⅱ（606）与升降丝杠Ⅱ（603）螺纹连接，涡轮Ⅱ（606）两端面连接有平面轴承Ⅱ（605），涡轮Ⅱ（606）和平面轴承Ⅱ（605）设置在传动室Ⅱ（618）内，平面轴承Ⅱ（605）下表面与台阶面Ⅱ（620）贴合，调整螺母Ⅱ（604）螺纹连接在传动室Ⅱ（618）上端，调整螺母Ⅱ（604）下表面与平面轴承Ⅱ（605）上表面贴合，导向支柱Ⅱ（609）设置在导向孔Ⅱ（617）内，导向支柱Ⅱ（609）外缘与导向孔Ⅱ（617）内壁贴合，导向支柱Ⅱ（609）连接在升降丝杠Ⅱ（603）下端，蜗杆Ⅱ（607）与涡轮Ⅱ（606）啮合，蜗杆Ⅱ（607）一端连电机（608），电机（608）设置在机身（601）外部；

所述机头（610）右端开设有传感器安装孔（621），传感器安装孔（622）两端设有螺纹，限位套（614）连接在传感器安装孔（622）下端螺纹上，传感器套（613）设置在传感器安装孔（621）内，位移传感器（612）设置在传感器套（613）内，位移传感器（612）的触头（623）穿过传感器套（613），触头（623）伸出限位套（614），触头（623）与测力机头（3）上表面贴合，盖（611）连接在传感器安装孔（621）上端螺纹上，所述位移传感器（612）的型号为：京海泉牌 GA0.2型高精度位移传感器。

2.根据权利要求1所述的多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：所述往复机构（1）包括机架（101）、往复电机（102）、齿轮齿带（103）、往复丝杠（104）、滑轨（105）和滑台（106），机架（101）上部设有滑轨安装槽（107），滑轨（105）连接在滑轨安装槽（107）内，滑台（106）连接在滑轨（105）内，往复电机（102）设置在机架（101）内，往复丝杠（104）穿过滑台（106），往复丝杠（104）与滑台（106）螺纹连接，往复丝杠（104）水平设置在滑轨安装槽（107）内，往复丝杠（104）与滑轨安装槽（107）转动连接，齿轮齿带（103）连接往复电机（102）和往复丝杠（104）。

3.根据权利要求1所述的多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：所述往复机构（1）还包括工作台（5），工作台（5）包括支架（501）、托板（502）、托板手柄（503）、台钳壳体（504）、台钳（505）和台钳手柄（506）；

所述支架（501）固定在滑台（106）上，支架（501）上开设有滑槽（507），滑槽（507）水平设置，滑槽（507）与往复丝杠（104）垂直布设，滑槽（507）两端设有挡板（508），托板（502）滑动连接在滑槽（507）内，托板手柄（503）贯穿挡板（508）和托板（502），托板手柄（503）与挡板（508）转动连接，托板手柄（503）与托板（502）螺纹连接，台钳壳体（504）固定在托板（502）上，台钳壳体（504）上开设有台钳安装槽（509），台钳安装槽（509）与滑槽（507）方向一致，台钳安装槽（509）内设有一对台钳（505），台钳手柄（506）贯穿台钳安装槽（509）的壁，台钳手柄（506）一端与台钳连接，台钳手柄（506）与台钳安装槽（509）螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：所述升降机构（2）包括活塞Ⅰ（201）、升降丝杠Ⅰ（202）、调整螺母Ⅰ（203）、平面轴承Ⅰ（204）、涡轮Ⅰ（205）、蜗杆Ⅰ（206）、手轮（207）、导向支柱Ⅰ（208）、筒体（209）和加载电机（214）；

所述筒体（209）内设有导向孔Ⅰ（210）、传动室Ⅰ（211）和活塞缸Ⅰ（212），传动室Ⅰ（211）和活塞缸Ⅰ（212）之间设有台阶面Ⅰ（213），传动室Ⅰ（211）连通导向孔Ⅰ（210）和活塞缸Ⅰ（212），所述活塞Ⅰ（201）上端连接测力机头（3），活塞Ⅰ（201）下端连接升降丝杠Ⅰ（202），活塞Ⅰ（201）设置在活塞缸Ⅰ（212）内，涡轮Ⅰ（205）与升降丝杠Ⅰ（202）螺纹连接，涡轮Ⅰ（205）两端面连接有平面轴承Ⅰ（204），涡轮Ⅰ（205）和平面轴承Ⅰ（204）设置在传动室Ⅰ（211）内，平面轴承Ⅰ（204）下表面与台阶面Ⅰ（213）贴合，调整螺母Ⅰ（203）螺纹连接在传动室Ⅰ（211）上端，调整螺母Ⅰ（203）下表面与平面轴承Ⅰ（204）上表面贴合，导向支柱Ⅰ（208）设置在导向孔Ⅰ（210）内，导向支柱Ⅰ（208）外缘与导向孔Ⅰ（210）内壁贴合，导向支柱Ⅰ（208）连接在升降丝杠Ⅰ（202）下端，蜗杆Ⅰ（206）穿过筒体（209），蜗杆Ⅰ（206）与涡轮Ⅰ（205）啮合，蜗杆Ⅰ（206）一端连接手轮（207），手轮（207）设置在筒体（209）外部，蜗杆（206）另一端连接加载电机（214）。

5.根据权利要求1所述的多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：所述测力机头（3）包括机头体（301）、横梁（302）、短轴（303）、调节螺杆（304）、配重块（305）、连接螺栓（306）、加载杆（307）、销轴（308）、接触头（309）、直线轴承（310）、轴承套（311）、调节螺丝（312）、摩擦力传感器（313）、声信号采集器（314）、加载力传感器（315）和传感器垫块（316）；

所述横梁（302）设置在机头体（301）内，横梁（302）中间开设有轴孔（317），轴孔（317）前后方向布设，短轴（303）贯穿轴孔（316），短轴（303）两端连接在机头体（301）上，横梁（302）右端开设有凹槽（318）和传感器安装槽（319），凹槽（317）设置在传感器安装槽（319）上方，配重块（305）设置在凹槽（318）内，配重块（305）外壁与凹槽（318）内壁贴合，调节螺杆（304）两端连接在凹槽（318）内，调节螺杆（304）贯穿配重块（305），调节螺杆（304）与配重块（305）螺纹连接，加载力传感器（315）设置在传感器安装槽（319）内，加载力传感器（315）左端连接横梁（302），传感器垫块（316）连接在加载力传感器（315）下方，横梁（302）前端开设有加载杆安装槽（320），加载杆（307）通过销轴（308）铰接在加载杆安装槽（320）内，加载杆（307）下部连接直线轴承（310），直线轴承（310）外缘连接轴承套（311），轴承套（311）连接在机头体（301）上，轴承套（311）左端设有摩擦力传感器（313），摩擦力传感器（313）上端与机头体（301）连接，摩擦力传感器（313）下部连接有调节螺丝（312），调节螺丝（312）与摩擦力传感器（313）螺纹连接，调节螺丝（312）右端与轴承套（311）连接，加载杆（307）下端连接声信号采集器（314），声信号采集器（314）下端连接接触头（309），连接螺栓（306）穿过机头体（301），连接螺栓（306）下端连接横梁（302），连接螺栓（306）上表面和触头（623）贴合，连接螺栓（306）、加载杆（307）、接触头（309）和触头（623）在同一轴线上，机头体（301）下端设有活塞安装孔Ⅰ（321），活塞Ⅰ（201）连接在活塞安装孔Ⅰ（321）内；

所述加载力传感器（315）为悬臂梁式测力传感器，传感器型号为：永正牌108BA-30Kg；

所述声信号采集器（314）的型号为：SS-20T-6.8E；

所述摩擦力传感器（313）为悬臂梁式测力传感器，传感器型号为：1B-YZ-5Kg。

6.根据权利要求4所述的多功能材料表面性能试验仪，其特征在于：所述接触头（309）为压头、磨头或划针。

7.根据权利要求1至6任一项所述的多功能材料表面性能试验仪及其控制系统，其特征在于：所述控制系统包括工控计算机（7）、多功能板卡（8）、电机驱动模块（9）和信号采集模块（10），多功能板卡（8）连接工控计算机（7）、电机驱动模块（9）和信号采集模块（10），传感器采集的信号依次通过信号采集模块（10）和多功能板卡（8）传递至工控计算机（7），电机控制信号依次通过工控计算机（7）、多功能板卡（8）和电机驱动模块（9）传递，所述多功能板卡（8）为ISA 总线的多功能模入模出接口卡，型号为：SFISA-7012。

8.根据权利要求7所述的多功能材料表面性能试验仪及其控制系统，其特征在于：所述电机驱动模块（9）包括往复电机驱动器（901）、加载电机驱动器（902）和台阶仪电机驱动器（903），往复电机驱动器（901）连接往复电机（102），加载电机驱动器（902）连接加载电机（214），台阶仪电机驱动器（903）连接电机（608）。

9.根据权利要求7所述的多功能材料表面性能试验仪及其控制系统，其特征在于：所述信号采集模块（10）包括放大电路板Ⅰ（1001）、放大电路板Ⅱ（1002）和放大电路板Ⅲ（1003），放大电路板Ⅰ（1001）连接摩擦力传感器（313）和加载力传感器（315），放大电路板Ⅱ（1002）连接声信号采集器（314），放大电路板Ⅲ（1003）连接位移传感器（612）。

10.根据权利要求8所述的多功能材料表面性能试验仪及其控制系统，其特征在于：所述往复电机驱动器（901）、加载电机驱动器（902）和电机驱动器（903）的型号为：Q3HB64MA。