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1、(10)申请公布号 CN 102809516 A (43)申请公布日 2012.12.05 CN 102809516 A *CN102809516A* (21)申请号 201210270139.9 (22)申请日 2012.07.30 G01N 3/56(2006.01) G01N 19/02(2006.01) (71)申请人 燕山大学 地址 066004 河北省秦皇岛市海港区河北大 街西段 438 号 (72)发明人 刘福才 战再吉 徐文丽 王加春 (74)专利代理机构 石家庄一诚知识产权事务所 13116 代理人 李合印 (54) 发明名称 气动变载荷摩擦磨损试验机及其试验方法 (57) 。
2、摘要 本发明公开了一种气动变载荷摩擦磨损试验 机及其试验方法。所述的试验机加载方式采用气 压加载， 其可实现小载荷的精确加载， 也可采用不 同规格的气缸实现大载荷加载方式， 使加载压力 范围更加广泛， 同时加载压力采用闭环 PID 和自 适应逆模糊控制， 有效提高了试验载荷的抗干扰 能力， 使实验数据更加准确。 本试验机的加载形式 除静态加载方式外， 另设有动态(变载荷)的加载 形式， 其可实现加载数值连续可变， 变载荷信号的 周期与峰值可自由设置， 旨在提供一种结构简单、 易于加工、 加载形式多样化、 高精度的摩擦磨损试 验机。 本发明可替代传统技术， 有效模拟地面和空 间机构活动界面运动行。
3、为。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 10 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 10 页 1/1 页 2 1. 一种气动变载荷摩擦磨损试验机， 是由机架、 托盘、 加载机构、 伺服电机、 传动机构、 样品台构成 ； 其特征在于 ： 所述的加载机构是由二维电动平移台、 气缸、 摩擦连杆和摩擦压头组成， 所述的二维电 动平移台由 x 轴向平台、 x 轴向步进电机、 y 轴向平台和 y 轴向步进电机组成， x 轴向平台安 装在y轴向平台的轨道上， 且与样品台表面相平行， x轴向步进电机安装在x轴向。
4、平台上， 且 驱动 x 轴向平台在 y 轴向平台的导轨上沿 x 轴滑动， y 轴向平台安装在机架的垂直导轨上， 且与样品台表面相垂直， y 轴向步进电机安装在 y 轴向平台上， 且驱动 y 轴向平台在在机架 的垂直导轨上沿 y 轴滑动 , 气缸固定安装在二维电动平移台的 x 轴向平台上， 气缸内的活 塞与摩擦连杆的一端连接， 摩擦连杆的另一端安装有摩擦压头， 摩擦连杆的中间部位安装 一拉压式传感器 ； 托盘安装在机架的下平台上， 样品台安装在气缸的正下方托盘上， 托盘对 样品台起支撑作用， 样品台的台面呈水平面， 样品台可以沿垂直线方向旋转， 气缸的轴线垂 直于样品台的台面， 伺服电机安装在机。
5、架的下平台上 ； 所述的传动机构是由主动轮、 同步带轮和同步带组成， 主动轮安装固定在伺服电机的 轴伸端部， 同步带轮安装固定在样品台的旋转轴下部， 同步带连接主动轮和同步带轮 ； 温度传感器安装固定在机架上 ； 横向振动传感器和纵向振动传感器安装在托盘上。 2. 根据权利要求 1 所述的一种气动变载荷摩擦磨损试验机的试验方法， 其特征在于 ： 其具体过程如下 ： a. 通过电气比例阀控制气缸内活塞两侧的气压， 进而对试验时加载在样品表面的压力 进行调节 ； b. 通过驱动机构伺服电机使样品台旋转， 样品台的旋转速度利用电机的转速进行调 节， 使样品台与试验机机架处于水平设置， 气缸和摩擦压头。
6、垂直于样品台 ； c. 测量加载压力、 摩擦力、 摩擦表面温度以及振动制造过程， 通过加载压力、 摩擦力、 摩擦表面温度以及振动试验参数的检测与采集， 加载压力利用拉压式传感器测量， 摩擦力 试验参数通过电机的输出转矩根据下面公式计算得到， 式中 F摩擦力 (N)、 Tf加载时电机输出转矩 (N*m)、 Tl空载时电机输出转矩 (N*m)、 R摩擦轨迹半径 (m) ； 摩擦表面温度利用非接触式红外测温仪进行测量 ； 振动试验参数分为横向振动与纵 向振动， 测量在最大转速且空载情况下的横向振动和纵向振动， 如果两个方向的振动数值 都很小， 则试验机在振动方面满足试验机的设计要求， 同时可测量试验。
7、过程中的振动情况。 各试验参数信号通过数据采集卡送入上位机进行参数的实时控制与显示 ； d. 采用气动加载方式， 相比于砝码加载、 电磁加载、 液压加载等加载方式， 对于小载荷 的精确加载易于实现和易于控制， 对于大载荷， 通过选用不同的气缸来实现 ； 加载形式除一 般试验机具有的恒压加载外， 增加了数值连续可变的变载荷加载形式 ： 正弦波、 方波、 锯齿 波、 三角波、 随机波， 其变载荷的频率与峰值可根据要求自由设置 ； e. 加载控制方式， 通过对加载压力设有闭环 PID 和模糊自适应逆控制环节， 进一步增 强载荷信号的抗干扰性、 提高试验数据的精度， 使其实验数据更加准确可靠 ； f.。
8、 试验参数通过数据采集卡传送给上位机进行实时显示与控制， 通过测试输出数据的 频率由上位机调整实现， 满足了加载压力的无级调整与加载形式的多样化需求。 权 利 要 求 书 CN 102809516 A 2 1/4 页 3 气动变载荷摩擦磨损试验机及其试验方法 技术领域 0001 本发明涉及一种气动变载荷摩擦磨损试验机及其试验方法。 0002 背景技术。 0003 现有的摩擦磨损试验机的加载形式主要采用静态方式， 而且加载压力较大， 这只 能模拟地面机构活动界面的运动行为， 而对于空间微重力条件下机构活动界面 （相对位置 保持高度的随机性） 运动行为的关注则较少， 使其应用具有一定的局限性， 因。
9、此当前的试验 机在测试范围、 测试形式等方面不能满足当前的科研需要。 发明内容 0004 本发明的目的在于克服现有技术中的不足， 提供一种气动变载荷摩擦磨损试验 机， 能模拟地面和空间机构活动界面的运动行为， 并可实现重力和微重力环境下多种活动 界面间的损耗模拟试验。 0005 为实现上述目的， 本发明是通过以下技术方案实现的 ： 一种气动变载荷摩擦磨损 试验机， 是由机架、 托盘、 加载机构、 伺服电机、 传动机构、 样品台构成 ； 0006 所述的加载机构是由二维电动平移台、 气缸、 摩擦连杆和摩擦压头组成， 所述的二 维电动平移台由 x 轴向平台、 x 轴向步进电机、 y 轴向平台和 y。
10、 轴向步进电机组成， x 轴向平 台安装在 y 轴向平台的轨道上， 且与样品台表面相平行， x 轴向步进电机安装在 x 轴向平台 上， 且驱动 x 轴向平台在 y 轴向平台的导轨上沿 x 轴滑动， y 轴向平台安装在机架的垂直导 轨上， 且与样品台表面相垂直， y 轴向步进电机安装在 y 轴向平台上， 且驱动 y 轴向平台在 在机架的垂直导轨上沿 y 轴滑动 , 气缸固定安装在二维电动平移台的 x 轴向平台上， 气缸 内的活塞与摩擦连杆的一端连接， 摩擦连杆的另一端安装有摩擦压头， 摩擦连杆的中间部 位安装一拉压式传感器 ； 托盘安装在机架的下平台上， 样品台安装在气缸的正下方托盘上， 托盘对。
11、样品台起支撑作用， 样品台的台面呈水平面， 样品台可以沿垂直线方向旋转， 气缸的 轴线垂直于样品台的台面， 伺服电机安装在机架的下平台上 ； 0007 所述的传动机构是由主动轮、 同步带轮和同步带组成， 主动轮安装固定在伺服电 机的轴伸端部， 同步带轮安装固定在样品台的旋转轴下部， 同步带连接主动轮和同步带 轮 ； 0008 温度传感器安装固定在机架上 ； 0009 横向振动传感器和纵向振动传感器安装在托盘上。 0010 本发明的目的还在于提供一种气动变载荷摩擦磨损试验机的试验方法， 其技术方 案如下 ： 0011 一种气动变载荷摩擦试验机及其试验方法， 具体过程如下 ： 0012 a. 通过。
12、电气比例阀控制气缸内活塞两侧的气压， 进而对试验时加载在样品表面的 压力进行调节 ； 0013 b. 通过驱动机构伺服电机使样品台旋转， 样品台的旋转速度利用电机的转速进行 调节， 使样品台与试验机机架处于水平设置， 气缸和摩擦压头垂直于样品台 ； 说 明 书 CN 102809516 A 3 2/4 页 4 0014 c. 测量加载压力、 摩擦力、 摩擦表面温度以及振动制造过程， 通过加载压力、 摩擦 力、 摩擦表面温度以及振动试验参数的检测与采集， 加载压力利用拉压式传感器测量， 摩 擦力试验参数通过电机的输出转矩根据下面公式计算得到， 式中 F摩擦力 (N)、 Tf加载时电机输出转矩 (。
13、N*m)、 Tl空载时电机输出转矩 (N*m)、 R摩擦轨迹 半径 (m) ； 摩擦表面温度利用非接触式红外测温仪进行测量 ； 振动试验参数分为横向振动 与纵向振动， 测量在最大转速且空载情况下的横向振动和纵向振动， 如果两个方向的振动 数值都很小， 则试验机在振动方面满足试验机的设计要求， 同时可测量试验过程中的振动 情况。各试验参数信号通过数据采集卡送入上位机进行参数的实时控制与显示 ； 0015 d. 采用气动加载方式， 相比于砝码加载、 电磁加载、 液压加载等加载方式， 对于小 载荷的精确加载易于实现和易于控制， 对于大载荷， 通过选用不同的气缸来实现 ； 加载形式 除一般试验机具有的。
14、恒压加载外， 增加了数值连续可变的变载荷加载形式 ： 正弦波、 方波、 锯齿波、 三角波、 随机波， 其变载荷的频率与峰值可根据要求自由设置 ； 0016 e. 加载控制方式， 通过对加载压力设有 PID 和模糊自适应逆控制环节， 进一步增 强载荷信号的抗干扰性、 提高试验数据的精度， 使其实验数据更加准确可靠 ； 0017 f. 试验参数通过数据采集卡传送给上位机进行实时显示与控制， 通过测试输出数 据的频率由上位机调整实现， 满足了加载压力的无级调整与加载形式的多样化需求。 附图说明 0018 图 1 为本发明的气动变载荷摩擦磨损试验机主视图 ； 0019 图 2 为本发明的气动变载荷摩擦。
15、磨损试验机左视图 ； 0020 图 3 为图 1 中加载机构放大主视图 ； 0021 图 4 为图 1 中传动机构放大左视图 ； 0022 图 5 为气动加载 PID 闭环控制原理图 ； 0023 图 6 为气动加载 PID 闭环控制流程图 ； 0024 图 7 为气动加载模糊自适应逆控制原理图 ； 0025 图 8 为气动加载模糊自适应逆控制流程图 ； 0026 图 9 为气动加载形式设置流程图 ； 0027 图 10 为本发明实施例的静态试验载荷数据显示图 ； 0028 图 11 为本发明实施例的动态试验载荷 ( 三角波 ) 数据显示图 ； 0029 图 12 为本发明实施例的动态试验载荷。
16、 ( 正弦波 ) 数据显示图 ； 0030 图 13 为本发明实施例的动态试验载荷 ( 锯齿波 ) 数据显示图 ； 0031 图 14 为本发明实施例的动态试验载荷 ( 方波 ) 数据显示图 ； 0032 图 15 为本发明实施例的动态试验载荷 ( 随机波 ) 数据显示图。 具体实施方式 0033 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述 ： 0034 如图 1、 2 所示， 一种气动变载荷摩擦磨损试验机， 是由机架 1、 托盘 2、 加载机构 A、 伺服电机 18、 传动机构 B、 样品台 3 构成 ； 说 明 书 CN 102809516 A 4 3/4 页 5 0035 如图 。
17、3 所示， 所述的加载机构 A 是由二维电动平移台、 气缸 10、 摩擦连杆 4 和摩擦 压头 13 组成， 所述的二维电动平移台由 x 轴向平台 11、 x 轴向步进电机 12、 y 轴向平台 7 和 y 轴向步进电机 8 组成， x 轴向平台 11 安装在 y 轴向平台 7 的轨道上， 且与样品台 3 表面 相平行， x 轴向步进电机 12 安装在 x 轴向平台 11 上， 且驱动 x 轴向平台 11 在 y 轴向平台 7 的导轨上沿 x 轴滑动， y 轴向平台 7 安装在机架 1 的垂直导轨上， 且与样品台 3 表面相垂 直， y 轴向步进电机 8 安装在 y 轴向平台 7 上， 且驱动。
18、 y 轴向平台 7 在机架 1 的垂直导轨上 沿 y 轴滑动 ; 0036 气缸 10 固定安装在二维电动平移台的 x 轴向平台 11 上， 气缸 10 内的活塞与摩擦 连杆 4 的一端连接， 摩擦连杆 4 的另一端安装有摩擦压头 13， 气缸 10 上具有上下两个通气 孔 9、 6， 上下两个通气孔 9 和 6 通过送气管道与气压调节系统和气泵相连， 气压调节系统将 气泵输入的气体进行过滤与调节通过通气管送入气缸 10， 气缸 10 内的进气量通过电气比 例阀控制 ； 0037 摩擦连杆 4 的中间部位安装一拉压式传感器 5, 由该拉压式传感器 5 采集到的压 力信号通过采集卡传送到计算机控。
19、制系统， 控制电气比例阀调整气缸10上的通气口9、 6的 通气量， 进而可以无级调整摩擦压头 13 的加载载荷， 保证加载载荷的精度与调整范围 ； 0038 托盘 2 安装在机架 1 的下平台上， 样品台 3 安装在气缸 10 的正下方托盘 2 上， 托 盘 2 对样品台 3 起支撑作用， 样品台 3 的台面呈水平面， 样品台 3 可以沿垂直线方向旋转， 气缸 10 的轴线垂直于样品台 3 的台面， 伺服电机 18 安装在机架 1 的下平台上 ； 0039 如图 4 所示， 所述的传动机构 B 是由主动轮 20、 同步带轮 22 和同步带 19 组成， 主 动轮20安装固定在伺服电机18的轴伸。
20、端部， 同步带轮22安装固定在样品台3的旋转轴21 下部， 同步带 19 连接主动轮 20 和同步带轮 22 ； 伺服电机 18 驱动主动轮 20 沿竖直方向旋 转， 通过同步带 19 带动同步带轮 22， 从而带动样品台 3 在水平方向做旋转运动 ； 0040 非接触温度传感器14安装固定在机架1上， 通过其测量的温度信号更接近摩擦表 面的温度， 温度信号通过采集卡送入计算机控制系统实时显示温度的变化情况， 可分析各 种实验条件对摩擦表面温度的影响 ； 0041 编码器 17 装在伺服电机 18 的输出轴伸上， 通过编码器 17 可以反馈伺服电机 18 的转速与转矩电信号， 利用转矩信号可间。
21、接测量摩擦力， 这相比于利用力传感器测量摩擦 力的方法更为简便， 一定程度上降低了试验机的结构复杂度与成本， 同时， 测量的摩擦力与 加载压力均为实时信号， 这在在一定程度上消除了波动对测量的影响， 使得摩擦系数的测 量精度更加准确 ； 0042 振动传感器 15 和 16 粘贴在托盘 2 的横向与纵向位置上， 实时检测试验机实验过 程中的振动情况， 这对于研究样品的材料特性提供有效的实验数据。 0043 根据动态载荷的波形特性与定时器的延时功能， 利用软件将正弦波、 方波、 三角 波、 锯齿波、 随机波的动态形式应用于加载形式当中， 试验机除静态加载形式外还设有动态 加载形式， 动态加载形式。
22、的周期和峰值可自由设置， 这使得试验机的加载形式更加多样化， 其加载形式设置流程图如图 9 所示 ； 静态试验载荷的数据显示如图 10 所示， 其各种波形的 动态试验载荷的数据显示如图 11-15 所示， 图 11 为动态试验载荷 ( 三角波 ) 数据显示图， 图 12 为动态试验载荷 ( 正弦波 ) 数据显示图， 图 13 为动态试验载荷 ( 锯齿波 ) 数据显示 图， 图 14 为动态试验载荷 ( 方波 ) 数据显示图， 图 15 为动态试验载荷 ( 随机波 ) 数据显示 说 明 书 CN 102809516 A 5 4/4 页 6 图。将 PID 和模糊自适应逆控制方式应用于试验机气动加。
23、载中， PID 闭环控制如图 5、 6 所 示， 图 5 为气动加载 PID 闭环控制原理图， 图 6 为气动加载 PID 闭环控制流程图。将给定信 号 r(t) 换算成电流信号控制电气比例阀， 气缸输出压力经拉压式传感器检测得到压力信 号 y(t) 作为反馈信号与给定压力进行比较得到的偏差 e(t) 作为 PID 控制器的输入， 通过 控制器的输出 u(t) 调节压力的大小。模糊自适应逆控制如图 7、 8 所示， 图 7 为气动加载模 糊自适应逆控制原理图， 图 8 为气动加载模糊自适应逆控制流程图。首先采集 2000 组实验 数据对气动加载系统进行离线逆建模， 得到初始模糊逆模型， 然后将。
24、该初始逆模型作为控 制器， 参考输入r(k+1)经过模糊逆模型控制器产生输出信号u(k)， u(k)换算成电流信号控 制电气比例阀， 气缸输出压力经拉压式传感器检测得到压力信号 y(k+1)， y(k+1) 回馈给模 糊逆模型， 得到控制量估计值 uf(k)， u(k) 与 uf(k) 比较得到偏差 e(k)， 通过 LMS 滤波算法 在线修正模糊逆模型参数， 将其复制作为新的系统控制器。可根据具体要求选择 PID 或模 糊自适应逆控制的气动加载方式， 闭环控制在一定程度上提高了试验载荷的精度。 0044 由于采用上述技术方案， 本发明提供的气动变载荷摩擦磨损试验机， 与现有技术 相比， 具有。
25、这样的有益效果 ： 0045 1、 本发明由拉压式传感器采集到的数据信号传入计算机控制系统， 作为压力反馈 信号， 利用 PID 或模糊自适应逆算法实现加载压力的稳定性、 快速性和准确性 ； 0046 2、 本发明摩擦力参数的测量采用伺服电机转矩反馈信号间接测量， 这相比于利用 力传感器测量摩擦力的方法更为简便， 一定程度上降低了试验机的结构复杂度与成本 ； 0047 3、 本发明试验参数信号为实时监测， 在一定程度上消除了波动对测量结果的影 响， 使试验机的测量精度更加精确 ； 0048 4、 本发明试验载荷既可以实现小载荷的精确加载， 也可利用不同规格的气缸实现 大载荷的加载方式， 使加载。
26、压力范围更加广泛， 并可无级调整压力 ； 0049 5、 本发明除一般恒压加载形式外增加了数值连续可变的变载荷加载形式， 其周 期、 频率可自由设置， 易于模拟空间环境的随机性， 满足更多的科研需求 ； 0050 6、 本发明除测量压力与摩擦力参数外， 还对摩擦表面的温度和实验过程中的振动 信号进行实时检测， 这对于研究摩擦实验过程中， 材料的摩擦表面温度和振动变化特性提 供了有效的实验数据。 0051 7、 本发明结构简单， 使用方便， 参数测量方法简便。 0052 根据上述制造、 检验过程可知， 本发明的方法基于气动变载荷摩擦磨损的原理， 可 测量加载压力、 摩擦力、 摩擦表面温度以及振动。
27、， 其制作和检验过程具有稳定、 快速和精确 高特征。 说 明 书 CN 102809516 A 6 1/10 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102809516 A 7 2/10 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102809516 A 8 3/10 页 9 图 5 说 明 书 附 图 CN 102809516 A 9 4/10 页 10 图 6 说 明 书 附 图 CN 102809516 A 10 5/10 页 11 图 7 说 明 书 附 图 CN 102809516 A 11 6/10 页 12 图 8 说 明 书 附 图 CN 102809516 A 12 7/10 页 13 图 9 说 明 书 附 图 CN 102809516 A 13 8/10 页 14 图 10 图 11 说 明 书 附 图 CN 102809516 A 14 9/10 页 15 图 12 图 13 说 明 书 附 图 CN 102809516 A 15 10/10 页 16 图 14 图 15 说 明 书 附 图 CN 102809516 A 16 。