基于LabVIEW的摩擦测试实验系统开发
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中图分类号:THI17;TP391.9 文献标志码 :A doi:10.3969/j.issn.1672-4550.2013.01.005Development of Friction Testing System Based on LabVIEW ZHOU Xian.hui ,DU Xiao.peng。,WANG Ya.tao(1.Department of Mechanical and Electrical Ensineering,Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004,China;2.Pasenger Ofice,ZhengzhouYutong Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450016,China;3.Zhengzhou XuFei Photoelectric Technology Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,China)Abstract:How to acquire signals during the friction and wear testing is the key of nlodern friction tester.Simplifed structure of an in-novation pin on disc friction test machine was put forward in this paper.A signal-testing system of friction tester was development basedon LabVIEW software.Experiment results showed that motor output torque and rotational speed.friction force and dynamie friction CO-effieient between counterparts could be acquired with the system.Test data could be real-time observed.recorded and playbacked.Withthe closed loop control on motor speed,tribology property of samples could be obtained under the condition of diferent rotational speedand load SO that the part work condition could be simulated exactly。
Key words:friction tester;virtual instrument;LabVIEW software;friciton coefficient摩擦磨损实验信号的测量是现代摩擦试验机的关键技术。它需要实时、高速采集正压力、摩擦力信号,并以摩擦系数 -时间曲线输出。虚拟仪器技术在数据采集、自动测试和测试仪器领域的广泛应用,促进和推动了测试仪器设计方法的深刻变革,软件就是仪器”已经成为测试与测量技术发展的重要标志 。
本文通过创新设计制作出销盘式摩擦测试实验机-台。采用 LabVIEW 软件开发了-套基于虚拟仪器的摩擦实验机测试系统,可实时、准确地检测出电机输出扭矩和转速、对偶件之间的摩擦力大小并计算出两对偶件之间的动摩擦系数,实现摩擦试验数据的实时动态观察、测试数据记录及历史数据的动态回放;通过对电机的调速与速度闭环控制,可测量出试件在不同恒定转速和压力下的摩擦学特性,实现对材料工况的模拟。
收稿 日期 :2012-02-08;修改日期 :2011-03-15作者简介:周先辉(1973-),女,博士,副教授。研 究方向:材料摩擦磨损 、机械设备计算机测控。
1 摩擦实验机结构及工作原理摩擦实验机结构原理如图l所示。动力系统采用直流电机立式浮动安装测量其输出扭矩,电机通电瞬间,转子有负载而定子无负载,定子带动法兰旋转,张紧连接法兰和弹性元件之间的钢丝,弹性元件因而产生形变。当弹力产生的扭矩与电动机工作扭矩平衡时,电机定子停止,转子开始正常工作,带动负载旋转。弹性元件的形变量通过应变片测得。实验机采用双销式盘销摩擦副,从而克服传统的单销式盘销摩擦副受力不均而使试样盘转轴产生侧弯,影响测试效果的缺陷。实验机采用杠杆式压力加载装置,在加载杠杆中部放置气泡,通过调平螺母调节加载杠杆水平,保证加载作用力的大小和方向。上试样转轴与加载系统之间采用平面推力球轴承连接,通过直线滚珠轴承与上试样套筒配合,完成上试样转轴绕轴线转动和沿轴线方向直线移动两个自由度。上试样转轴末端采用 U型凹槽结构,既保证了上试样转轴在摩擦力矩作用下自由转动的功能要求,同时也保证了停机更换试样时夹取方便,运动时压紧可靠的功能要求。
· 12· 实验科学与技术 2013年2月测控系统硬件包括电机转速测控、转矩及摩擦力测量三个单元。编码器通过弹性联轴器和电机连接,摩擦盘通过同步带与电机输出轴相连。直流电机采用转速闭环控制,系统由PLC(可编程逻辑控制器)、直流伺服驱动器、光电编码器组成,以实现不同载荷条件下对偶件试样恒定的相对运动转速。转速测量采用旋转编码器,电机通过弹性联轴器带动编码器输出脉冲信号,NI USB6009数据采集卡直接采集后经过 LabVIEW 程序对脉冲计数并转换成转速显示在计算机上。转矩测量系统和摩擦力测量系统均采用应变测力传感器进行实时检测,由电桥应变电路实现。电机转矩测量中使用 SA-8型动态应变仪,摩擦力测量使用 自行设计的信号调理电路(图2(b))放大滤波后接人采集卡模拟通道中。传感器输出的电压信号经过信号调理设备放大滤波后输入数据采集卡,数据采集卡将采集到的模拟信号转换为计算机可以接受的数字信号供给相应的 LabVIEW程序处理。
3 测控系统软件设计3.1 电机转速测量与控制为实现不同载荷条件下对偶件试样恒定的相对运动转速,速度控制系统由 s7-200PLC、直流伺服驱动器、光电编码器组成转速闭环 PID控制系统。试验台电机转速测量采用 ZSC40C6系列增量型旋转编码器,A、B、z三相脉 冲输 出,每转1 000个脉冲。数据采集时,旋转编码器接人采集卡采用差分测量模式。测量程序如图4(a),在获得-个采样序列中的脉冲数 m后,由式 r60 mR/(Ns)计算出电机转速 r(r/min)。式中,S为-个采样序列 中的采样点数;R为采样率 (采样数/秒);N为旋转编码器-转产生的脉冲个数。本系统采样点数设置为2 048,采样率 1 kHz,在程序前面板中通过转速曲线直观地显示转速的变化趋势。
3.2 应变测力系统的标定应变片在弹性梁受到-定载荷产生变形,使桥路产生不平衡电压输出,从而得到电桥输出电压和所加载荷的对应关系。标定时在悬臂梁的受力端加载标准砝码,通过 LabVIEW程序实时测得对应的电压值,并将标定的每-组砝码重量和电压值存入电子表格,在电机扭矩和摩擦力测量程序中采用-维数组阈值插值法得出所测力的大校应变测力自动标定程序如图3所示。
(a) 动态标定 Vi程序(b) 前面板图3 应变力动态标定 Vi程序及前面板3.3 摩擦力与摩擦系数的测量和动态显示摩擦力测量部分是摩擦实验机的关键部分,由摩擦力弹性梁测力传感器获得,通过改变吊盘上砝码的重量以实现试样问不同的加载力,由式(2)获得试样相对运动时的动摩擦系数值。测量中使用 自行设计的应变电桥放大滤波作为信号调理电路,将信号调理电路的输出端和接地端分别接人采集卡AI2、AI6两端口,采集助手配置选择 ai2通道,采样率200,待读取采样数 100。测试程序如图4(a)所示,程序中首先将采样数据除以放大电路的增益后转换为电压值,用以阈值插值-维数组”函数将电压值在标定电压数组中作分数索引,算得对应的载荷力大小,将力值乘以结构系数(L。/ )即可得到摩擦力的大校通过选择砝码质量转换为对应试样正压力,由测得的摩擦力除以当前的正压力即可得到摩擦系数 。
3.4 电机扭矩测量与显示电机扭矩用悬臂梁弹性元件进行应力测试,全桥模式,经 SA-8型动态应变仪校正与平衡 ,应变仪输出的电压信号用数据采集卡采集入计算机供
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