CN202216790U - 一种静、动摩擦力的测量检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种静、动摩擦力的测量检测系统，包括PLC控制模块(可编程控制器PLC及伺服控制器)、检测模块(电动压力执行器)及数据采集分析模块(控制分析模块及与其连接的计算机)；可编程控制器PLC通过Profibus与伺服控制器、控制分析模块分别连接，伺服控制器与控制分析模块通过Profibus连接，电动压力执行器与伺服控制器及控制分析模块分别连接。本实用新型通过高精度的传感器与其它分析、控制模块结合，将采集到的数据经处理以曲线的形式显示，为用户解决实际生产、科学研究中数据采集等具体问题，具有测量精度高、受外界影响因素小且便于数据存档的优点。

Description

一种静、动摩擦力的测量检测系统

技术领域

本实用新型涉及力检测领域，具体地，涉及一种静、动摩擦力的测量检测系统。

背景技术

两个或多个物体接触时可能产生摩擦力，当有运动趋势，而没有实际的相对运动时，此时的摩擦力为静摩擦力；当两物体克服最大静摩擦力，产生相对运动，此时的摩擦力为滑动摩擦力。研究在不同情况下的摩擦力在实际的科研、生产中有着极其重要的意义。

现阶段，静摩擦力的测量方法为：以测量阀门的最大静摩擦力为例，在阀门上方，将砝码逐个轻放在阀门上，直至阀门开始运动，此时砝码的重量可作为使得阀门运动的最大静摩擦力。静摩擦力是指物体彼此没有产生相对运动时的摩擦力，它并不是恒定值。随着物体间的运动趋势的增加而变大，直至物体产生相对运动的瞬间达到最大值，此时的摩擦力为最大静摩擦力。采用现有技术方案，在以下两个方面会导致测量结果不准确。首先，放置砝码时必定有一定的高度，砝码在下降的过程中产生一定的速度，从而会对阀门产生一定的冲量，对测量结果有很大的影响，尤其对静摩擦力很小的阀门。其次，测得的力值是砝码重量简单的累加，测量精度低。

滑动摩擦力可以作为物体表面光洁度、弹簧弹性是否均匀的判定依据。现阶段，滑动摩擦力的测量方法为(以检测阀门灵活性为例)：某种阀门的阀门头与盖之间通过弹性元件连接，为检测阀门与阀杆的运动灵活性，在阀门头上施加推力，阀门产生位移，在阀门动作时，阀门行程与作用在阀门头上的力近似成线性关系。具体的测试方法为：测量并记录阀门完全打开压力，以其判断阀门在打开期间是否有其他阻力存在；在阀门开腔缓慢通压，用百分表压阀门关腔，测阀门动作稳定性，通过观察百分表在记录阀门运动位移过程中指针的转动平稳性来判断导杆运动的灵活性。现有技术方案是用气体对阀门施加推力，首先，气体的流量不便控制，阀门受到的力不是恒定值，反应在百分表上指针的转速也不匀速，不能确定是否是阀门的质量问题。其次，用肉眼观察指针转动是否平稳夹杂有很多人为因素，使得测量误差增大。再次，测量数据不易保存，对日后的数据溯源带来很大的不便。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种测量精度高、受外界影响因素小且便于数据存档的静、动摩擦力的测量检测系统。

实现上述目的的技术方案如下：

一种静、动摩擦力的测量检测系统，包括PLC控制模块、检测模块及数据采集分析模块；所述PLC控制模块包括可编程控制器PLC及伺服控制器，所述检测模块包括电动压力执行器，所述数据采集分析模块包括控制分析模块及与控制分析模块连接的计算机；所述可编程控制器PLC通过Profibus与伺服控制器、控制分析模块分别连接，伺服控制器与控制分析模块通过Profibus连接，电动压力执行器与伺服控制器及控制分析模块分别连接。

进一步地，所述电动压力执行器包括伺服电机、由伺服电机驱动的压头及测量伺服电机转速、方向的位移传感器，还包括感应压头受力的内置力传感器；所述位移传感器与伺服控制器连接，所述内置力传感器与控制分析模块连接。

进一步地，所述电动压力执行器的压头前端可拆卸配有工装。

进一步地，为了提高测量的精度，根据需要，所述检测模块还可包括一个测量精度更高的外置的力传感器，所述外置力传感器与控制分析模块连接，且所述外置力传感器安装、固定在压头前端。

进一步地，所述外置力传感器为压电式传感器。

进一步地，所述外置力传感器前端可拆卸配有工装。

进一步地，所述工装根据不同被测工件选择材料、设计外观。在测量静摩擦力时选用均质弹性体橡胶或海绵等弹性体，在测量动摩擦力时选用刚性件。

进一步地，所述位移传感器为绝对电机编码器。

进一步地，所述数据采集分析模块还包括与控制分析模块连接的打印机。

进一步地，还包括用于支撑所述检测模块的支撑装置。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)提高测量精度

在阀门静、动摩擦力的现有测量方案中，没有采用高精度的测量仪器或测试方法，以至于测量精度低，本实用新型选用外置力传感器、含有位移传感器的电动压力执行器等，提高精度。

(2)减少各种影响测量结果的因素

在静摩擦力测量的现有解决方案中，放置砝码可对阀门有一定的冲量，本实用新型在电动压力执行器的压头前端或外置的力传感器的前端安装一段弹性体工装，通过该弹性体工装的设置，可以减少电动压力执行器对被测工件的冲击，使得结果尽可能接近实际数据。

在动摩擦力测量的现有解决方案中，使用高压气做为推动阀门的动力来源不够稳定，本实用新型采用由伺服控制器控制的电动压力执行器解决了此问题。

(3)数据存档

通过与控制分析模块连接可显示、保存测量结果的计算机及可打印测量结果的打印机，使得测量结果的存储得以实现，对日后产品质量溯源有非常重要的现实意义。

(4)本实用新型的技术方案可实现对静、动摩擦力的准确测量，测量结果可生成力-位移、力-时间曲线，在曲线上可设计评判窗口，从而可自动判别质量是否合格，测量数据可存档保存。

此外，本实用新型在其他领域(除阀门力检测，还包括弹簧力检测等)有很好的应用，如设计人员也利用本实用新型做设计研究，为改进设计提供分析数据。与自动生产线配合实现大规模生产，可减少废品率、提高生产力、降低成本。

现已在上述几个领域中有应用，是产品质量的重要、可靠保证。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的系统原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型的静、动摩擦力的测量检测系统，包括PLC控制模块(可编程控制器PLC及伺服控制器)、检测模块(电动压力执行器)及数据采集分析模块(控制分析模块及与其分别连接的计算机、打印机)；其中，可编程控制器PLC通过Profibus与伺服控制器、控制分析模块分别连接，伺服控制器与控制分析模块通过Profibus连接，电动压力执行器与伺服控制器及控制分析模块分别连接。

电动压力执行器包括伺服电机、由伺服电机驱动的压头及测量伺服电机转速、方向的位移传感器，还包括感应压头受力的内置力传感器；所述位移传感器与伺服控制器连接，所述内置力传感器与控制分析模块连接。电动压力执行器采用了伺服电机来驱动压头运动，压头的运动速度可控制在0.6-300mm/s的范围内，压头的行程为200mm。为了减小压头对被测工件的冲击、保护工件，一般检测速度控制在15mm/s以下。位移传感器采用绝对电机编码器，压装开始时，无需回到起始位置，中断后无需参考点，压装完成后无需回到零点。位移传感器通过测量电机的转速、方向来确定压头移动的位移，并通过伺服控制器将位移信号传输给控制分析模块。位移重复精度可以达到0.01mm。

在测量时，电动压力执行器的压头前端还可拆卸配有一合适工装。该工装根据不同被测工件选择材料、设计外观。在测量静摩擦力时选用均质弹性体橡胶或海绵；在测量动摩擦力时选用刚性件。

由于电动压力执行器中的内置力传感器测量精度不高，为了进一步提高测量精度，如图1所示，检测模块中还可包括一个高精度的外置力传感器，该外置力传感器与控制分析模块连接。且该外置力传感器安装、固定在压头前端。

该外置力传感器选用的是压电式传感器，压电式传感器的基本组成为石英片，石英晶体具有高强度，高固有频率，适合动态力的测量；石英晶体具有极宽的量程以及极好的线性，一个传感器可以做三种不同量程的应用，而且用大量程的传感器测量小量程的力时精度不变；石英晶体具有超常的使用寿命和稳定性，使用20年后的标定和出厂时的标定几乎毫无差异；极其紧凑的结构。

传感器都提供直接安装的结构面，这种安装保证了测量精度和重复性；压电传感器宽大的量程，给不同测量范围的应用提供最为理想的工具，如高预载载荷、小的过程力的测量等；产品的高刚度和高固有频率，使其特别适用于高频率循环的过程测量。

在测量时，外置力传感器的前端还可拆卸配有一合适工装。该工装根据不同被测工件选择材料、设计外观。在测量静摩擦力时选用均质弹性体橡胶或海绵；在测量动摩擦力时选用刚性件。

控制分析模块为单通道，位移传感器模块和力传感器模块集成在一个通道中。测试过程中，力传感器和位移传感器分别将采集到的信号传输给控制分析模块，它的采样率能够达到5KHZ，模拟输入分辨率为12Bit，测量范围自动定标。控制分析模块将数据拟合成力-位移曲线或力-时间曲线，并显示出来。在曲线上可以设定8个评判窗口，每个评判窗口都有32种评判模型供用户选择，如果曲线没有按要求经过，此次测量即可认为是不合格，测量结果以CSV或标准格式如Q-DAS或I.-P.M记录，控制分析模块内存为256M，大约可储存100组曲线图，超出内存容量数据会溢出，只保留最新的数据。通过现场总线或相应控制输入的网络连接起来，用显示屏或有网络浏览器的PC来设置和调试检测系统，系统支持自定义评估方式，在TraceControl软件上可完成设备设置。

本实用新型的测量检测系统的工作过程是：

1、可编程控制器PLC通过Profibus与伺服控制器、控制分析模块建立连接。

2、在控制分析模块上设定电动压力执行器的运动方式，模式参数等，这些数据通过Profibus传送给伺服控制器。

3、伺服控制器接收到模式参数后控制电动压力执行器中的电机转速，实现测试过程。

4、在测试过程中，力信号会将采集到的数据传送给控制分析模块，绝对电机编码器将位移信号反馈给伺服控制器，通过Profibus传送给控制分析模块。

5、控制分析模块将接收到的力信号、位移信号进行处理，得出曲线，显示在屏幕上。

本实用新型的静、动摩擦力的测量检测系统，在整体布局上还包括用于支撑上述检测模块的支撑装置，保证整个系统的刚性和稳定性。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种静、动摩擦力的测量检测系统，其特征在于，包括PLC控制模块、检测模块及数据采集分析模块；

所述PLC控制模块包括可编程控制器PLC及伺服控制器，所述检测模块包括电动压力执行器，所述数据采集分析模块包括控制分析模块及与控制分析模块连接的计算机；

所述可编程控制器PLC通过Profibus与伺服控制器、控制分析模块分别连接，伺服控制器与控制分析模块通过Profibus连接，电动压力执行器与伺服控制器及控制分析模块分别连接。

2.根据权利要求1所述的测量检测系统，其特征在于，所述电动压力执行器包括伺服电机、由伺服电机驱动的压头及测量伺服电机转速、方向的位移传感器，还包括感应压头受力的内置力传感器；所述位移传感器与伺服控制器连接，所述内置力传感器与控制分析模块连接。

3.根据权利要求2所述的测量检测系统，其特征在在于，所述电动压力执行器的压头前端可拆卸配有工装。

4.根据权利要求2所述的测量检测系统，其特征在于，所述检测模块还包括一个外置的力传感器，所述外置力传感器与控制分析模块连接，且所述外置力传感器安装、固定在压头前端。

5.根据权利要求4所述的测量检测系统，其特征在于，所述外置力传感器为压电式传感器。

6.根据权利要求5所述的测量检测系统，其特征在于，所述外置力传感器前端可拆卸配有工装。

7.根据权利要求3或6所述的测量检测系统，其特征在于，所述工装在测量静摩擦力时为弹性体，在测量动摩擦力时为刚性件。

8.根据权利要求2-6任一项所述的测量检测系统，其特征在于，所述位移传感器为绝对电机编码器。

9.根据权利要求8所述的测量检测系统，其特征在于，所述数据采集分析模块还包括与控制分析模块连接的打印机。

10.根据权利要求9所述的测量检测系统，其特征在于，还包括用于支撑所述检测模块的支撑装置。

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