基于单片机控制多功能摩擦磨损试验机的研制

　　1 前 言

　　机械设备中零部件的摩擦磨损性能是由材料、工作参数、接触几何及环境条件等因素决定的，因此研究零部件的摩擦磨损性能，需要根据使用场合的情况设计试验并选择适当的试验机和评价参数[1]。球-盘式摩擦磨损试验机是一种非常有效的、可以对多种材料及其表面改性层进行滑动摩擦性能测试的实验设备。这种结构的摩擦磨损试验机体积小、机械传动结构简单、试件装夹方便[2]。传统的摩擦磨损试验机一般仅仅检测摩擦系数随时间的变化规律。但有时表面层的状态已经变化，而摩擦系数变化不大。为了全面反映动态的摩擦磨损的状态，摩擦副等效电阻抗的检测也不乏是动态摩擦性能一个很好的信息表达。如摩擦过程中发生的氧化会改变摩擦副等效阻抗。又如研究表明，在表面改性中注入层、功能膜、硬质膜等诸多改性层的电阻值随改性层厚度而变化[3-5]。因此对摩擦副摩擦过程中等效电阻的实时检测也将从另一个层面上动态反映摩擦磨损过程。

　　本实验室成功研制了一种基于单片机控制同时又兼备对偶摩擦副电特性检测功能的球-盘式摩擦磨损试验机。设计以价格非常便宜的 51 系列单片机为核心，利用 A/D、Max232 等外设代替原有的数据采集卡，采用多通道通信，可对摩擦磨损过程中的多路信息进行实时检测和控制。

　　2 试验机组成及原理

　　2.1 试验机的组成

　　试验机主要由以下几个部分组成：机械装置、直流电机、直流电源、控制电路、摩擦力测试电路、摩擦副等效电阻检测电路、数据采集及控制系统、计算机等。数据采集及控制系统主要由计算机、单片机、A/D模块完成。试验机系统框图如图 1 所示。

　　2.2 试验机工作原理

　　单片机驱动芯片 L298N 输出频率及占空比连续可调的方波信号作用到直流电机两端，从而实现电机以连续可调的速度进行旋转。利用光电码盘反馈电机转速信息，同时利用单片机实现速度闭环控制。直流电机带动摩擦转盘进行转动，摩擦载荷通过砝码从上端施加，钢球作为上试件装在特制的夹头中固定不动，下试件随同转盘一起匀速或变速旋转，这样便实现了钢球与试件间的滑动摩擦。摩擦力通过压力传感器检测并最终传输给计算机进行数据处理及绘制摩擦系数曲线。

　　为了获得摩擦磨损过程中摩擦副的等效电阻信息，设计了动态电阻监测系统，如图2 所示。将一直流方波电压 U 施加在摩擦副等效电阻和嵌位电阻 R1和R2组成的电阻系统两端，已知R1和R2的阻值。在摩擦过程中测试摩擦副系统的实时分压 U1即可得到待测试样在整个摩擦磨损过程中摩擦接触区的电阻特性变化曲线。当摩擦接触区的阻值 R< 2的目的是使等效电阻分压信号升高、使计算机采集到的数据更为有效。