吳虎城

（江蘇建筑職業(yè)技術學院機電工程學院，江蘇徐州221116）

摩擦試驗機主要用于模擬各種摩擦工況，以便于發(fā)現(xiàn)實際應用中機器存在的摩擦磨損問題。而摩擦運動形式的實現(xiàn)，摩擦副的運動控制以及數(shù)據(jù)采集是摩擦試驗機的關鍵技術，計算機控制技術的發(fā)展有力的促進摩擦試驗技術和智能化摩擦試驗機的發(fā)展[1]。本文采用現(xiàn)代設計方法學手段對試驗機進行模塊化設計，研制出一種能夠產生微小載荷尺度和振幅尺度的摩擦試驗機，為摩擦學試驗研究提供了一個很好的測試平臺。

圖1 四種摩擦運動模塊的工作原理

設計的多功能摩擦試驗機，采用模塊化設計思想來實現(xiàn)四種摩擦試驗功能，根據(jù)試驗需求，選擇裝配相應的運動模塊，調節(jié)振幅的大小來模擬工程材料摩擦工況，以達到評價不同摩擦行為下的材料摩擦性能的目的。

試驗機的摩擦運動形式共有四種，分別為大振幅滑動、小振幅滑動、大角度扭動以及小角度扭動；大振幅滑動的振幅是±8 mm，小振幅滑動的振幅是±320μm，大角度扭動的振幅為±2°，小角度扭動的振幅為±0.05°；正壓力載荷為0~5 N.

四種摩擦運動模塊工作原理如圖1所示，以大振幅滑動為例，其工作原理為：步進電機帶動偏心體轉動，偏心機構可在偏心體里面滑動，會產生一個可變偏心距離e，并隨著偏心體做圓周轉動。滑塊通過連桿與偏心機構連接，則偏心體轉動一周，滑塊也跟著滑動一個周期，其滑動振幅也為e.

1 摩擦運動模塊設計

2 測控系統(tǒng)設計

多功能摩擦試驗機的測控系統(tǒng)主要實現(xiàn)兩大任務：一是通過運動控制卡來驅動步進電機，從而完成試驗前的定位和試驗過程中的加載；二是通過數(shù)據(jù)采集卡采集被測的正壓力、摩擦力信號，并將采集到的數(shù)據(jù)輸入到計算機進行數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)測試控制功能。

試驗機工作時，首先由計算機發(fā)出控制命令給運動控制卡，運動控制卡完成與運動相關的控制動作，如發(fā)脈沖/方向信號、檢測限位/原點信號；當試驗機運行之后，傳感器感應到被測的信號后經濾波、放大，數(shù)據(jù)采集卡將所采的的信號進行采樣保持及A/D轉換后，傳送到計算機，進行必要的數(shù)據(jù)顯示和處理后，完成測試工作，測控系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)工作原理

試驗機的運動控制共用到三個步進電機，其中作為下試樣驅動源的步進電機選擇85BYGH450A型步進電機，它帶動固定下試樣的滑塊做往復滑動；選擇兩個42BYG250A型步進電機作為二維滑臺移動的動力源，實現(xiàn)上試樣的定位和加載的功能。其中85BYGH450A型步進電機由M880驅動器驅動，42BYG250A型步進電機由M420驅動器驅動。選用DMC1000運動控制卡與PC機構成主從式的控制結構，PC機主要進行管理人機交互界面、實時監(jiān)控控制系統(tǒng)等方面的工作；控制卡則完成運動控制的脈沖和方向信號的輸出、原點和限位信號的檢測等。因為摩擦試驗中需要感應正壓力和摩擦力兩路信號，故選擇二維力傳感器以實現(xiàn)正壓力、摩擦力的同步測量。選用的PCI-1710L數(shù)據(jù)采集卡可用于各類模擬信號的采集、處理[2]。

3 摩擦試驗

在摩擦試驗過程中，試驗人員需要發(fā)出控制命令或從現(xiàn)場獲取實時數(shù)據(jù)，這就要求計算機能夠實現(xiàn)對硬件I/O端口的控制與訪問。由于VB不具備直接對I/O端口進行訪問的能力，一般需要通過調用動態(tài)鏈接庫（DLL）的方法來實現(xiàn)I/O的訪問和控制，實現(xiàn)VB下的運動控制與實時數(shù)據(jù)采集與處理[3-5]。通過調用dmc1000.dll函數(shù)庫可以方便的對X、Y、Z三軸電機進行精確、高速控制。

圖3為多功能摩擦試驗機正在進行摩擦試驗，圖4運動控制系統(tǒng)的應用界面，試驗時通過它設置摩擦運動相關參數(shù)。

圖4運動控制系統(tǒng)界面

圖5 為實時的摩擦系數(shù)曲線，可以觀察到顯示效果較為理想。

圖5 摩擦系數(shù)的動態(tài)顯示

4 結束語

本文研制的多功能摩擦試驗機可以完成大振幅滑動、小振幅滑動、大角度扭動和小角度扭動四種摩擦運動形式，可實現(xiàn)正壓力、摩擦力數(shù)據(jù)的實時采集，摩擦系數(shù)的動態(tài)顯示等功能，該試驗機可針對多種摩擦運動行為進行摩擦性能的有效評價。

[1]王黎欽，劉明霞，古 樂.計算機在摩擦學試驗測試技術中的應用[J].哈爾濱工程技術大學學報，2000，21（2）:81-84.

[2]吳虎城，黃孝龍.基于PCI總線運動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].煤礦機械，2010，31（8）:223-225.

[3]黃風山，錢惠芬，方憶湘，等.在VB中用動態(tài)鏈接庫技術實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)的采集[J].河北科技大學學報，2002，23（3）:68-71.

[4]李文杰，于有生.VB環(huán)境下基于DLL的PCL-818L數(shù)據(jù)采集卡在焊接控制系統(tǒng)中的應用[J].兵器材料科學與工程，2004，27（2）:50-53.

[5]劉繼承，宋萬廣，劉春俠.VB環(huán)境下基于PCI總線的實時數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)[J].自動化技術與應用，2005，24（9）:39-41.