Двухкоординатная машина трения

Изобретение относится к области испытания материалов, а именно к устройствам для испытания материалов и смазочных сред для сложных траекторий относительного движения взаимодействующих пар трения. Двухкоординатная машина трения содержит основание, держатель образца, двухкоординатный привод, держатель контртела, взаимодействующий с ним механизм нагружения, связанный с держателем контртела двухкомпонентный датчик силы, систему программного управления и систему автоматизированной оценки мгновенного значения главного вектора силы трения. Двухкоординатный привод выполнен в виде двух независимых подвижных кареток, перемещающихся во взаимно перпендикулярных направлениях, на одной из кареток расположен держатель плоского образца, а на другой держатель контробразца, взаимодействующий с ним механизм нагружения и связанный с держателем контртела двухкомпонентный датчик силы. Система программного управления выполнена в виде управляющего компьютера, соединенного при помощи согласующего устройства с двумя независимыми модулями управления и электродвигателями, приводящими в движение двухкоординатный привод, обеспечивая перемещение индентора, взаимодействующего с рабочей поверхностью образца, по непрерывной нелинейной двумерной траектории. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей машины трения, повышение точности и достоверности. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области испытания материалов, а именно к устройствам для испытания материалов и смазочных сред при организации сложных траекторий относительного движения взаимодействующих пар трения.

Известен прибор для определения анизотропии физико-механических свойств поверхностного слоя твердого тела (авторское свидетельство СССР №195686, кл. G 01 N 3/44, 1972), содержащий держатель образца, двухкоординатный привод перемещения держателя, индентор, взаимодействующий с ним механизм нагружения, связанный с индентором датчик силы.

Недостатком прибора аналога является узкая область применения, ограниченная случаем испытаний материалов на микротвердость царапанием, т.к. прибор в качестве индентора использует алмазную пирамиду, а также имеет механический двухкоординатный привод перемещения держателя, которым управляет испытатель, что сильно снижает точность и делает невозможным его применение для задач циклических испытаний материалов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому прибору является выбранный в качестве прототипа прибор для определения анизотропии физико-механических свойств поверхностного слоя твердого тела (авторское свидетельство СССР №665244, кл. G 01 N 3/44 // G 01 N 19/02, 1979), содержащий держатель образца, двухкоординатный привод перемещения держателя, индентор, взаимодействующий с ним механизм нагружения, связанный с индентором двухкомпонентный датчик силы.

Недостатком известного прибора-прототипа является низкая производительность, так как результатом испытания является одно направление движения индентора по поверхности испытуемого образца, при котором действие главного вектора силы трения будет соответствовать заданному соотношению составляющих его компонент, устанавливаемое исследователем. Поэтому проведение интегральной оценки по поверхности в разных направлениях требует значительного количества испытаний, что снижает эффективность использования прибора при определении физико-механических свойств материалов, в частности при определении розетки анизотропии фрикционных свойств.

К недостатку прибора-прототипа можно отнести невозможность организации управляемого движения индентора по поверхности плоского образца по сложным линейным траекториям движения (возвратно-поступательное, возвратно-поступательное со смещением на диаметр индентора, зигзагообразное и т.д., наиболее характерные для типовых трибосопряжений машин, приборов и механизмов), а в самом общем случае по нелинейным траекториям движения, что вызвано применением аналоговой системы управления двухкоординатным приводом держателя образца.

Недостатком прибора является отсутствие системы регистрации мгновенного значения главного вектора силы трения, т.к. хотя в системе применяется двухкомпонентный датчик силы трения, его выходы связаны с автоматическим аналоговым компенсатором, включенным в состав системы управления двухкоординатного привода прибора.

Задачей изобретения являются расширение функциональных возможностей и производительности устройства, а также повышение точности определения сил трения.

Поставленная задача расширения функциональных возможностей и производительности устройства решается тем, что машина трения снабжена системой программного управления, реализующей нелинейные траектории относительного движения образцов для схемы "индентор-плоскость" и выполненной в виде компьютера, соединенного посредством согласующего устройства с двумя независимыми модулями управления электродвигателями двухкоординатного привода, а сам двухкоординатный привод выполнен в виде двух независимых подвижных кареток, перемещающихся во взаимно перпендикулярных направлениях, на одной из кареток расположен держатель плоского образца, а на другой - держатель контробразца, связанный с механизмом нагружения и двухкомпонентным датчиком силы.

Это позволяет проводить исследование материалов пар трения при организации нелинейных непрерывных двумерных траекторий относительного движения, что необходимо при испытании материалов, имеющих выраженную анизотропию поверхностного слоя, также при разработке систем управляемого фрикционного взаимодействия материалов и изделий, в частности, данное устройство позволяет реализовать оценку фрикционных свойств материалов (авторское свидетельство СССР №1388769, кл. G 01 N 19/02, 1979. Способ определения анизотропии поверхностных физико-механических, преимущественно фрикционных, свойств материала). Конструкция подвижных кареток двухкоординатного привода позволяет проводить испытания материалов в присутствии рабочей среды (смазочной или абразивной), при этом держатель плоского образца размещается в емкости со средой, которая устанавливается на одной из кареток, перемещающейся в горизонтальной плоскости.

Задача повышения точности определения сил трения решается тем, что двухкоординатная машина трения снабжена системой автоматизированной оценки мгновенного значения главного вектора силы трения, состоящей из управляющего компьютера, соединенного посредством согласующего устройства с двумя независимыми аналого-цифровыми преобразователями, осуществляющими согласованную во времени оценку значений сигналов отдельных компонент главного вектора силы трения, действующих в плоскости трения во взаимно перпендикулярных направлениях и поступающих с тензометрических элементов двухкоординатного датчика силы через аналоговые усилители. По действующим мгновенным значениям отдельных компонент вектора силы трения оценивают как значение самого вектора, так и его пространственное положение в плоскости взаимодействия индентора с рабочей плоскостью образца.

Система программного управления и система автоматизированной оценки мгновенного значения главного вектора силы трения функционируют как аппаратно-программный комплекс и используют общее программное обеспечение, управляющий компьютер и согласующее устройство, что исключает рассогласование процессов управления движением испытуемых образцов и сбором информации. При этом обеспечивается высокая степень автоматизации, что повышает точность и повторяемость поддержания заданных параметров движения индентора по заданной траектории на поверхности образца при организации серийных, циклических испытаний материалов.

Отмеченные особенности двухкоординатной машины трения позволяют более полно реализовать возможности испытательной схемы "индентор-плоскость", особенно в условиях взаимодействия пар трения, имеющих выраженную анизотропию физико-механических свойств поверхностного слоя материала.

На чертеже схематически изображена двухкоординатная машина трения.

Двухкоординатная машина трения содержит держатель 1 образца 2, держатель 3 контртела 4, взаимодействующий с держателем 3 механизм нагружения 5, связанный с держателем 3 двухкомпонентный датчик силы 6, двухкоординатный привод, состоящий из основания 7 и рамы 8, кареток 9 и 10, установленных соответственно на основании 7 и раме 8 в направляющих (на чертеже не показаны). Линейные перемещения кареток 8 и 9 во взаимно перпендикулярных направлениях обеспечиваются при помощи передач винт-гайка 11 и электродвигателей 12, имеющих независимые друг от друга модули управления 13 (МУ 1 и МУ 2), подключенные через согласующее устройство 14 (СУ) к компьютеру управления 15 (ПК).

Система автоматизированной оценки мгновенного значения главного вектора силы трения состоит из двух измерительных каналов, каждый из которых содержит аналого-цифровой преобразователь 16 (АЦП), подключенный информационными выходами и входом запуска преобразования посредством согласующего устройства 14 (СУ) к компьютеру управления 15 (ПК), а аналоговым входом к одному из тензометрических элементов двухкомпонентного датчика силы 6 при помощи усилителей аналоговых сигналов 17 (У 1 и У 2).

Согласующее устройство 14 (СУ) обеспечивает необходимое количество каналов ввода-вывода для подключения внешних устройств и выполняет функции согласования уровней входных сигналов, поступающих в компьютер управления с АЦП, а также сигналов, поступающих из управляющего компьютера на АЦП (сигнал запуска преобразования) и модули управления 13 (МУ 1 и МУ 2) двухкоординатного привода машины трения.

В конкретном устройстве использовали следующие компоненты: управляющий компьютер класса Pentium; согласующее устройство выполнено в виде интерфейсной платы, устанавливаемой на системной шине компьютера управления, построенной на двух микросхемах портов ввода-вывода КР580ВВ55А, каждая из которых имеет 24 канала программного ввода вывода; для регистрации отдельных компонент главного вектора силы трения применили тензометрические датчики FSG 15N1 фирмы Honeywell, усилитель аналогового сигнала RL-4DA200 фирмы RealLab и АЦП типа Ф7077/1; в системе управления применили двигатели AEG SO26/48 и модули управления M106 немецкой фирмы Kemo electronic.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом испытания машина трения находится в исходном состоянии.

Каретки 9 и 10 находятся в крайнем правом (или левом) положении, при котором обеспечивается удобство постановки испытуемых образцов в соответствующие держатели 1 и 3, нагрузка при этом не прикладывается и образцы не находятся в контакте.

Процедура испытания начинается с автоматической установки держателя 1 образца 2 и держателя 3 контртела 4 в исходной точке начала испытания, которая задается в соответствии с программой испытания и может находиться в любом месте на рабочей поверхности образца 2.

Далее оператор приводит образцы в контакт и осуществляет их нагружение при помощи механизма нагружения 5.

Дальнейшая работа машины трения обеспечивается в автоматическом режиме программой управления, функционирующей на компьютере 15 (ПК), которая поддерживает заданные оператором параметры движения контртела 4 по поверхности плоского образца 2 (траекторию, скорость, количество циклов), путем передачи управляющих сигналов через согласующее устройство 14 (СУ) на модули управления 13 (МУ 1 и МУ 2), которые в свою очередь управляют электродвигателями 12 двухкоординатного привода, приводящими в движение каретки 9 и 10 посредством передач винт-гайка 11.

Параллельно с процессом управления двухкоординатным приводом машины трения компьютером управления 15 (ПК) регистрируются компоненты главного вектора силы трения, поступающие с информационных выходов независимых аналого-цифровых преобразователей 16 (АЦП 1 и АЦП 2), каждый из которых преобразует аналоговый сигнал, получаемый с одного из тензометрических элементов, двухкомпонентного датчика 6 и усиливаемый усилителями 17 (У 1 и У 2).

После окончания программы испытания машина трения останавливается, с образцов снимается нагрузка и они выводятся из контакта, а каретки 9 и 10 переводятся в исходное состояние.

1. Двухкоординатная машина трения, содержащая основание, держатель образца, двухкоординатный привод, держатель контробразца, связанный с механизмом нагружения и двухкомпонентным датчиком силы, отличающаяся тем, что она снабжена системой программного управления, выполненной в виде управляющего компьютера, соединенного при помощи согласующего устройства с двумя независимыми модулями управления и электродвигателями, и системой автоматизированной оценки мгновенного значения главного вектора силы трения, выполненной в виде управляющего компьютера, соединенного посредством согласующего устройства с двумя независимыми аналого-цифровыми преобразователями, соединенными посредством аналоговых усилителей с тензометрическими элементами двухкомпонентного датчика силы, причем двухкоординатный привод выполнен в виде двух независимых подвижных кареток, установленных на основании и перемещающихся во взаимно перпендикулярных направлениях, на одной расположен держатель плоского образца, а на другой - держатель контробразца, связанный с механизмом нагружения и двухкомпонентным датчиком силы.

2. Двухкоординатная машина трения по п.1, отличающаяся тем, что система программного управления выполнена в виде управляющего компьютера, соединенного при помощи согласующего устройства с двумя независимыми модулями управления и электродвигателями, приводящими в движение каретки двухкоординатного привода, обеспечивая перемещение индентора по непрерывной нелинейной двумерной траектории.

3. Двухкоординатная машина трения по п.1, отличающаяся тем, что система автоматизированной оценки мгновенного значения главного вектора силы трения выполнена в виде управляющего компьютера, соединенного посредством согласующего устройства с двумя независимыми аналого-цифровыми преобразователями, соединенными посредством аналоговых усилителей с тензометрическими элементами двухкомпонентного датчика силы, обеспечивая согласованное во времени измерение отдельных компонент главного вектора силы трения, действующих в плоскости трения во взаимно перпендикулярных направлениях, по которым производится оценка мгновенного значения вектора силы трения и его пространственное положение.

4. Двухкоординатная машина трения по п.1, отличающаяся тем, что система программного управления и система автоматизированной оценки мгновенного значения главного вектора силы трения работают в составе аппаратно-программного комплекса, использующего единый управляющий компьютер и согласующее устройство.