CN110231242A - 一种旋转摩擦磨损实验仪及其控制系统和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料表面摩擦磨损性能试验设备，具体涉及一种旋转摩擦磨损实验仪及其控制系统和使用方法，包括工控计算机，工控计算机内设有多功能板卡、电机驱动器和放大电路板，还包括旋转摩擦磨损实验仪，旋转摩擦磨损实验仪包括底座、旋转基座、升降机构、机头和连接固定板，旋转基座和升降机构固定在底座上，升降机构连接在旋转基座右端，机头设置在旋转基座和升降机构上端，机头下部设有连接孔，连接孔设置在机头右部，升降机构连接在连接孔内，连接固定板设置在旋转基座和机头左端，连接固定板上部连接机头，连接固定板下部连接旋转基座，旋转基座内设有电机，机头内设有传感器，电机驱动器连接电机，放大电路板连接传感器。

Description

一种旋转摩擦磨损实验仪及其控制系统和使用方法

技术领域

本发明涉及材料表面摩擦磨损性能试验设备，具体涉及一种旋转摩擦磨损实验仪及其控制系统和使用方法。

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。

目前现有技术公开的摩擦磨损试验设备有往复式和旋转式，而旋转式试验设备存在以下缺点：一是机械结构设计存在缺陷，造成测量精度不高、测量稳定性差等问题；二是摩擦副结构不合理，严重影响试验数据，三是调节旋转摩擦半径时不能准确测量并显示出摩擦半径的数值，造成的误差影响试验数据的对比，四是使用方法繁琐，不便于操作。

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一种旋转摩擦磨损实验仪及其控制系统和使用方法，增加了试验设备整体的稳定性，使摩擦副结构设计更为合理，同时可以准确测量和显示出摩擦半径的数值，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：一种旋转摩擦磨损实验仪的控制系统，包括工控计算机，工控计算机内设有多功能板卡、电机驱动器和放大电路板，其特征在于：还包括旋转摩擦磨损实验仪，旋转摩擦磨损实验仪包括底座、旋转基座、升降机构、机头和连接固定板，旋转基座和升降机构固定在底座上，升降机构连接在旋转基座右端，机头设置在旋转基座和升降机构上端，机头下部设有连接孔，连接孔设置在机头右部，升降机构连接在连接孔内，连接固定板设置在旋转基座和机头左端，连接固定板上部连接机头，连接固定板下部连接旋转基座，旋转基座内设有电机，机头内设有传感器，电机驱动器连接电机，放大电路板连接传感器。

进一步所述所述的旋转基座包括基座体、电机、齿轮齿带、传动轴和转动工作台，基座体连接在底座上，电机竖直固定在基座体内，传动轴通过轴承连接在基座体内，传动轴与电机平行布设，齿轮齿带连接在传动轴和电机下端，转动工作台连接在传动轴上端，所述的机头连接接触头，接触头设置和转动工作台之间。

进一步所述机头还包括机头体、压杆、砝码盘、横梁、传感器连接块、传感器、转轴、螺杆和配重块，横梁设置在机头体内，转轴设有两个，转轴对称连接在横梁两边，横梁和机头体通过转轴转动连接，横梁左端连接有压杆，压杆下端连接接触头，压杆上端连接砝码盘，横梁右端连接有螺杆，螺杆上螺纹连接有配重块，传感器设置在横梁下方，传感器设置在转轴左端，传感器连接块连接传感器和横梁，传感器连接块连接在传感器左端，传感器右端连接在机头体内。

进一步所述机头还包括传感器支架、滑块、横梁支架、立轴和微分头，机头体内设有滑槽，滑块设置在滑槽内，立轴连接在滑块上端，横梁支架上开设有方孔，方孔水平设置，方孔贯穿横梁支架，横梁穿过方孔，横梁和横梁支架通过转轴转动连接，横梁上开设有条形孔，横梁支架通过轴承连接在立轴上，立轴贯穿横梁支架和条形孔，传感器支架设置在滑块和传感器之间，传感器右端连接在传感器支架上，微分头固定在机头体右端，微分头水平设置，微分头贯穿机头体，微分头的旋转刻度部设置在机头体外部，旋转刻度部设置在配重块下方，微分头的检测头与滑块贴合。

进一步所述的升降机构包括筒体、活塞、主轴、涡轮、蜗杆和手轮，涡轮和蜗杆设置在筒体内，涡轮和蜗杆相互啮合，涡轮水平设置，主轴竖直设置，主轴和涡轮通过螺纹连接，活塞连接在主轴上端，活塞上部连接在连接孔内，蜗杆一端伸出筒体连接手轮。

进一步所述连接固定板通过紧固螺钉与机头连接，连接固定板上部开设有长条台阶孔，长条台阶孔竖直设置，长条台阶孔内设有台阶面，紧固螺钉穿过长条台阶孔与机头连接，紧固螺钉与台阶面贴合。

进一步控制信号依次通过工控计算机、多功能板卡、电机驱动器传递至电机，传感器采集的信号依次通过放大电路板、多功能板卡传递至工控计算机并显示，所述多功能板卡为ISA 总线的多功能模入模出接口卡，型号为：SFISA-7012。

进一步所述电机驱动器为欧姆龙品牌的：R88D-GT02H-Z，所述电机为欧姆龙品牌的：R88M-G20030H-Z，传感器为摩擦力传感器，传感器型号为：永正牌108AA-1KG。

进一步一种旋转摩擦磨损实验仪和控制系统的使用方法步骤如下：

a.检测件安装

转动手轮使机头上升，然后通过配重块对横梁进行调平，再将检测件水平固定在转动工作台上，转动手轮使机头下降，下降至接触头与检测件接触，拧紧紧固螺钉将机头固定；

b.实验仪调整

通过微分头调节确定摩擦半径，选择需要的砝码压力，将砝码安装至砝码盘内；

c.实验

通过工控计算机启动电机，同时传感器将采集到的数据信号实时显示于工控计算机，根据实验要求，到达指定时间时通过工控计算机停止电机，记录实验数据。

本发明的有益效果是：通过稳定的旋转基座提升设备的旋转稳定性，通过升降机构结合连接固定板将机头和旋转基座固定连接为一体，同时配合底座，进一步提升了设备在运转时的稳定性，避免了设备的抖动等问题，通过升降机构内的蜗轮蜗杆结构以及连接固定板的双重保障，防止机头部在工作过程中上下偏移以及抖动，使试验数据更加精准，通过机头内的机头的精密结构及传感器的位置合理设置，进一步确保了试验数据的真实可靠性，通过微分头调节摩擦半径更加精准，并能够准确显示摩擦半径的数值，同时在试验结束后也能直观的观测到摩擦半径是否发生偏移，使用方便简单，便于操作。

附图说明

图1是本发明旋转摩擦磨损实验仪外形结构示意图；

图2是本发明旋转基座半剖结构示意图；

图3是本发明升降机构半剖结构示意图；

图4是图3升降机构A-A截面结构示意图；

图5是机头半剖结构示意图；

图6是机头俯视半剖结构示意图；

图7是固定板剖视结构示意图；

图8是本发明控制系统原理图；

图9是本发明放大电路板卡原理图；

图10是本发明实验数据曲线图。

图中：1.旋转摩擦磨损实验仪，101.底座，2.旋转基座，201.基座体，204.电机，205.齿轮齿带，206.传动轴，207.转动工作台，3.升降机构，301.筒体，302.活塞，303主轴，306.涡轮，307.蜗杆，308.手轮，4.机头，401.连接孔，402.接触头，403.机头体，404.压杆，405.砝码盘，406.横梁，407.传感器连接块，408.传感器，409.转轴，410.螺杆，411.配重块，412.传感器支架，413.滑块，414.横梁支架，415.立轴，416.微分头，417.滑槽，418.方孔，419.条形孔，420.旋转刻度部，421.检测头，5.固定板，501.长条台阶孔，502.台阶面，6.紧固螺钉，7.工控计算机，8.多功能板卡，9.电机驱动器，10.放大电路板。

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：一种旋转摩擦磨损实验仪的控制系统，包括工控计算机7，工控计算机7内设有多功能板卡8、电机驱动器9和放大电路板10，还包括旋转摩擦磨损实验仪1，旋转摩擦磨损实验仪1包括底座101、旋转基座2、升降机构3、机头4和连接固定板5，旋转基座2和升降机构3固定在底座101上，升降机构3连接在旋转基座2右端，机头4设置在旋转基座2和升降机构3上端，机头4下部设有连接孔401，连接孔401设置在机头4右部，升降机构3连接在连接孔401内，连接固定板5设置在旋转基座2和机头4左端，连接固定板5上部连接机头4，连接固定板5下部连接旋转基座2，旋转基座2内设有电机204，机头4内设有传感器408，电机驱动器9连接电机204，放大电路板10连接传感器408，控制信号依次通过工控计算机7、多功能板卡8、电机驱动器9传递至电机204，传感器408采集的信号依次通过放大电路板10、多功能板卡8传递至工控计算机7并显示，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，通过此控制系统与旋转摩擦磨损实验仪1两者的有效结合，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，放大电路板10的放大电路原理如图9所示，主要是可通过该放大电路实现摩擦力的调零以及放大倍数调节（最高可放大一万倍），旋转摩擦磨损实验仪1为一种稳定、可靠的机械结构，升降机构3和机头4通过连接孔401连接，实现了机头4的升降功能，方便设备的使用，以及检测件的装夹，有效提升了数据的稳定性和真实性。

进一步所述的旋转基座2包括基座体201、电机204、齿轮齿带205、传动轴206和转动工作台207，基座体201连接在底座1上，电机204竖直固定在基座体201内，传动轴206通过轴承连接在基座体201内，传动轴206与电机204平行布设，齿轮齿带205连接在传动轴206和电机204下端，转动工作台207连接在传动轴206上端，所述的机头4连接接触头402，接触头402设置和转动工作台207之间，将转动部件内置于基座体201内，降低设备噪音，因结构及功能的限定，竖直布设电机204，可省略更多的传动部件，从而减小设备体积，更为经济。

进一步所述机头4还包括机头体403、压杆404、砝码盘405、横梁406、传感器连接块407、传感器408、转轴409、螺杆410和配重块411，横梁406设置在机头体403内，转轴409设有两个，转轴409对称连接在横梁406两边，横梁406和机头体403通过转轴409转动连接，横梁406左端连接有压杆404，压杆404下端连接接触头402，压杆404上端连接砝码盘405，横梁406右端连接有螺杆410，螺杆410上螺纹连接有配重块411，传感器408设置在横梁406下方，传感器408设置在转轴409左端，传感器连接块407连接传感器408和横梁406，传感器连接块407连接在传感器408左端，传感器408右端连接在机头体403内，横梁406通过转轴409连接在机头体403内，横梁406与转轴409形成类似天平的结构，机头体403即为天平的支架，在右端增加螺杆410和配重块411，用于将横梁406调平，此时让左端接触头402与其下方的检测件接触，则检测件上受到的力即为0，在接触头402上端的压杆404上连接砝码盘405，在砝码盘405内放置砝码，此时检测件上受到的力即为砝码的重力，在设备运转时，由于砝码的重力作用，接触头402相对于检测件表面形成一个向下的压力，检测件通过转动工作台207进行旋转，此时接触头402与检测件之间即形成了一个以接触点为轨迹的摩擦圆周，此时的摩擦圆周的半径即为摩擦半径，摩擦圆周的切向方向所受的力即为摩擦力，在摩擦力的作用下使得横梁406受到一个大小相等、反向相反的反作用力，此时在横梁406与机头体403之间连接传感器408，传感器408即可测得一个摩擦力的信号，传感器408在安装好后，根据传感器408与横梁406连接处与接触头402之间的距离关系，对传感器408的参数进行调整，即可保证传感器408所检测到的力即为接触头402与检测件之间的摩擦力，所述的机头体403、压杆404、横梁406、转轴409和接触头402与检测件之间形成了一套完、稳定的摩擦副，保证了实验时的设备稳定性，同时确保数据稳定可靠。

进一步所述机头4还包括传感器支架412、滑块413、横梁支架414、立轴415和微分头416，机头体403内设有滑槽417，滑块413设置在滑槽417内，立轴415连接在滑块413上端，横梁支架414上开设有方孔418，方孔418水平设置，方孔418贯穿横梁支架414，横梁406穿过方孔418，横梁406和横梁支架414通过转轴409转动连接，横梁406上开设有条形孔419，横梁支架414通过轴承连接在立轴415上，立轴415贯穿横梁支架414和条形孔419，传感器支架412设置在滑块413和传感器408之间，传感器408右端连接在传感器支架412上，微分头416固定在机头体403右端，微分头416水平设置，微分头416贯穿机头体403，微分头416的旋转刻度部420设置在机头体403外部，旋转刻度部420设置在配重块411下方，微分头416的检测头421与滑块413贴合，通过上述的特殊结构设计，使得整套摩擦副可左右移动，从而调节接触头402和检测件的相对位置，即为改变摩擦半径，在相同的技术条件下对不同摩擦半径下的检测件进行试验，即可形成有效的实验数据对比，增加微分头416，通过调节微分头416即可准确的反映出摩擦半径改变的数值，同时试验结束后也可用于观察摩擦半径是否发生偏移，使用方便、简单有效，通过传感器支架412将传感器408连接在横梁406和横梁支架412之间，既不影响传感器408的测量，同时将传感器408与摩擦副连接为同一整体，即可在调节摩擦半径的时候保证传感器408一同运动，传感器408相对接触头402的相对位置关系不发生改变，不需要对传感器408的参数进行调节，进一步保证了实验数据的可靠性，使得进行实验数据的对比更加真实有效。

进一步所述的升降机构3包括筒体301、活塞302、主轴303、涡轮306、蜗杆307和手轮308，涡轮306和蜗杆307设置在筒体301内，涡轮306和蜗杆307相互啮合，涡轮306水平设置，主轴303竖直设置，主轴303和涡轮306通过螺纹连接，活塞302连接在主轴303上端，活塞302上部连接在连接孔401内，蜗杆307一端伸出筒体301连接手轮308，通过转动手轮308，带动蜗杆307转动，蜗杆307带动涡轮306转动，涡轮306带动主轴303上下运动，主轴303带动活塞302上下运动，即使得机头4上下运动，选用蜗杆307和涡轮306进行传动，利用蜗轮蜗杆的自锁原理，可满足机头4在上下位置的调节上稳定可靠，同时能保证设备在运行过程中，机头4不会因为设备的运行而发生上下位置的偏移，升降机构3的其余机械结构的设计保证了整套传动机构的运行稳定。

进一步所述连接固定板5通过紧固螺钉6与机头4连接，连接固定板5上部开设有长条台阶孔501，长条台阶孔501竖直设置，长条台阶孔501内设有台阶面502，紧固螺钉6穿过长条台阶孔501与机头4连接，紧固螺钉6与台阶面502贴合，设置连接固定板5的目的是为了将机头4的左端与旋转基座2连接固定为一体，使得实现过程中设备整体稳定可靠，但是在检测件安装和拆卸时，需要将机头4进行升降操作，因此在连接固定板5上增设了长条台阶孔501和紧固螺钉6，调节机头4的高度时，先松开紧固螺钉6，当机头4位置调节稳定后，即将紧固螺钉6拧紧即可。

进一步所述电机驱动器901为欧姆龙品牌的：R88D-GT02H-Z，所述电机204为欧姆龙品牌的：R88M-G20030H-Z，传感器408为摩擦力传感器，传感器型号为：永正牌108AA-1KG，采用此型号的伺服电机和驱动器，是为了保证配套问题，可使本发明运转更加稳定。

进一步一种旋转摩擦磨损实验仪和控制系统的使用方法步骤如下：

a.检测件安装

转动手轮308使机头4上升，然后通过配重块411对横梁406进行调平，再将检测件水平固定在转动工作台207上，转动手轮308使机头下降，下降至接触头402与检测件接触，拧紧紧固螺钉6将机头4固定；

b.实验仪调整

通过微分头416调节确定摩擦半径，选择需要的砝码压力，将砝码安装至砝码盘405内；

c.实验

通过工控计算机7启动电机204，同时传感器408将采集到的数据信号实时显示于工控计算机7，根据实验要求，到达指定时间时通过工控计算机7停止电机204，记录实验数据。

如图10所示，当载荷（即砝码的压力）为200g，实验时间为60min，摩擦半径为3mm时，检测到的摩擦力约为0.5731N，最大摩擦系数为0.5433，平均摩擦系数为0.5023。

Claims (9)

1.一种旋转摩擦磨损实验仪的控制系统，包括工控计算机（7），工控计算机（7）内设有多功能板卡（8）、电机驱动器（9）和放大电路板（10），其特征在于：还包括旋转摩擦磨损实验仪（1），旋转摩擦磨损实验仪（1）包括底座（101）、旋转基座（2）、升降机构（3）、机头（4）和连接固定板（5），旋转基座（2）和升降机构（3）固定在底座（101）上，升降机构（3）连接在旋转基座（2）右端，机头（4）设置在旋转基座（2）和升降机构（3）上端，机头（4）下部设有连接孔（401），连接孔（401）设置在机头（4）右部，升降机构（3）连接在连接孔（401）内，连接固定板（5）设置在旋转基座（2）和机头（4）左端，连接固定板（5）上部连接机头（4），连接固定板（5）下部连接旋转基座（2），旋转基座（2）内设有电机（204），机头（4）内设有传感器（408），电机驱动器（9）连接电机（204），放大电路板（10）连接传感器（408）。

2.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦磨损实验仪，其特征在于：所述所述的旋转基座（2）包括基座体（201）、电机（204）、齿轮齿带（205）、传动轴（206）和转动工作台（207），基座体（201）连接在底座（1）上，电机（204）竖直固定在基座体（201）内，传动轴（206）通过轴承连接在基座体（201）内，传动轴（206）与电机（204）平行布设，齿轮齿带（205）连接在传动轴（206）和电机（204）下端，转动工作台（207）连接在传动轴（206）上端，所述的机头（4）连接接触头（402），接触头（402）设置和转动工作台（207）之间。

3.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦磨损实验仪，其特征在于：所述机头（4）还包括机头体（403）、压杆（404）、砝码盘（405）、横梁（406）、传感器连接块（407）、传感器（408）、转轴（409）、螺杆（410）和配重块（411），横梁（406）设置在机头体（403）内，转轴（409）设有两个，转轴（409）对称连接在横梁（406）两边，横梁（406）和机头体（403）通过转轴（409）转动连接，横梁（406）左端连接有压杆（404），压杆（404）下端连接接触头（402），压杆（404）上端连接砝码盘（405），横梁（406）右端连接有螺杆（410），螺杆（410）上螺纹连接有配重块（411），传感器（408）设置在横梁（406）下方，传感器（408）设置在转轴（409）左端，传感器连接块（407）连接传感器（408）和横梁（406），传感器连接块（407）连接在传感器（408）左端，传感器（408）右端连接在机头体（403）内。

4.根据权利要求3所述的一种旋转摩擦磨损实验仪，其特征在于：所述机头（4）还包括传感器支架（412）、滑块（413）、横梁支架（414）、立轴（415）和微分头（416），机头体（403）内设有滑槽（417），滑块（413）设置在滑槽（417）内，立轴（415）连接在滑块（413）上端，横梁支架（414）上开设有方孔（418），方孔（418）水平设置，方孔（418）贯穿横梁支架（414），横梁（406）穿过方孔（418），横梁（406）和横梁支架（414）通过转轴（409）转动连接，横梁（406）上开设有条形孔（419），横梁支架（414）通过轴承连接在立轴（415）上，立轴（415）贯穿横梁支架（414）和条形孔（419），传感器支架（412）设置在滑块（413）和传感器（408）之间，传感器（408）右端连接在传感器支架（412）上，微分头（416）固定在机头体（403）右端，微分头（416）水平设置，微分头（416）贯穿机头体（403），微分头（416）的旋转刻度部（420）设置在机头体（403）外部，旋转刻度部（420）设置在配重块（411）下方，微分头（416）的检测头（421）与滑块（413）贴合。

5.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦磨损实验仪，其特征在于：所述的升降机构（3）包括筒体（301）、活塞（302）、主轴（303）、涡轮（306）、蜗杆（307）和手轮（308），涡轮（306）和蜗杆（307）设置在筒体（301）内，涡轮（306）和蜗杆（307）相互啮合，涡轮（306）水平设置，主轴（303）竖直设置，主轴（303）和涡轮（306）通过螺纹连接，活塞（302）连接在主轴（303）上端，活塞（302）上部连接在连接孔（401）内，蜗杆（307）一端伸出筒体（301）连接手轮（308）。

6.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦磨损实验仪，其特征在于：所述连接固定板（5）通过紧固螺钉（6）与机头（4）连接，连接固定板（5）上部开设有长条台阶孔（501），长条台阶孔（501）竖直设置，长条台阶孔（501）内设有台阶面（502），紧固螺钉（6）穿过长条台阶孔（501）与机头（4）连接，紧固螺钉（6）与台阶面（502）贴合。

7.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦磨损实验仪的控制系统，其特征在于：控制信号依次通过工控计算机（7）、多功能板卡（8）、电机驱动器（9）传递至电机（204），传感器（408）采集的信号依次通过放大电路板（10）、多功能板卡（8）传递至工控计算机（7）并显示，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1所述的一种旋转摩擦磨损实验仪的控制系统，其特征在于：所述电机驱动器（901）为欧姆龙品牌的：R88D-GT02H-Z，所述电机（204）为欧姆龙品牌的：R88M-G20030H-Z，传感器（408）为摩擦力传感器，传感器型号为：永正牌108AA-1KG。

9.根据权利要求1所述的一种旋转摩擦磨损实验仪和控制系统的使用方法，其特征在于方法步骤如下：

a.检测件安装

转动手轮（308）使机头（4）上升，然后通过配重块（411）对横梁（406）进行调平，再将检测件水平固定在转动工作台（207）上，转动手轮（308）使机头下降，下降至接触头（402）与检测件接触，拧紧紧固螺钉（6）将机头（4）固定；

b.实验仪调整

通过微分头（416）调节确定摩擦半径，选择需要的砝码压力，将砝码安装至砝码盘（405）内；

c.实验

通过工控计算机（7）启动电机（204），同时传感器（408）将采集到的数据信号实时显示于工控计算机（7），根据实验要求，到达指定时间时通过工控计算机（7）停止电机（204），记录实验数据。