蔣嶸 吳晨曦 王雪彤

［摘 要］ 摩擦因數(shù)是設(shè)備正常工作的重要參數(shù)。以三菱PLC作為控制器設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量摩擦因數(shù)的測(cè)量?jī)x，以測(cè)試摩擦因數(shù)的相關(guān)理論為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件和軟件設(shè)計(jì)，使實(shí)驗(yàn)臺(tái)最終具有測(cè)試摩擦因數(shù)的功能。通過(guò)光電傳感器與PLC控制器的連接測(cè)試物體完全通過(guò)光電傳感器的時(shí)間，通過(guò)旋轉(zhuǎn)式編碼器發(fā)出的脈沖確定實(shí)驗(yàn)臺(tái)傾斜角的變化，然后使用PLC控制器將采集到的時(shí)間數(shù)據(jù)和傾斜角數(shù)據(jù)，再將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理求出摩擦因數(shù)，最后通過(guò)觸摸屏顯示出來(lái)。該實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，能準(zhǔn)確測(cè)量摩擦因數(shù)的值；能用于科研和機(jī)電創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)。

［關(guān)鍵詞］ 摩擦因數(shù)；PLC；光電傳感器；角度傳感器；觸摸屏

［基金項(xiàng)目］ 2021年度湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目“基于虛擬仿真的機(jī)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探究”（HNJG20210835）；2021年度湖南省自然科學(xué)基金委員會(huì)資助項(xiàng)目“風(fēng)電機(jī)組滾動(dòng)軸承故障診斷關(guān)鍵技術(shù)研究”（2021JJ50112）；2020年度湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目“流形約簡(jiǎn)與核構(gòu)造結(jié)合的風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承故障診斷研究”（20A107）

［作者簡(jiǎn)介］ 蔣 嶸（1972—），女，湖南耒陽(yáng)人，學(xué)士，湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)師，主要從事機(jī)電工程和高等教育研究；吳晨曦（1971—），男，湖南新化人，博士，湖南工程學(xué)院院機(jī)械工程學(xué)院講師（通信作者），主要從事機(jī)電工程和高等教育研究；王雪彤（1998—），男，湖南衡陽(yáng)人，湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院2022級(jí)機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)研究生，研究方向機(jī)電控制。

［中圖分類(lèi)號(hào)］ G642［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］ A［文章編號(hào)］ 1674-9324（2023）20-0086-04 ［收稿日期］ 2022-08-18

引言

摩擦學(xué)是一門(mén)研究損傷機(jī)理和接觸界面力學(xué)的學(xué)科，研究控制摩擦行為、提高零件工作可靠性、預(yù)防零件磨損失效等機(jī)理。有數(shù)據(jù)表明，全世界約有50%～66%的能源失效形式為摩擦失效，機(jī)械零件中大約有4/5是由各種摩擦導(dǎo)致失效的。摩擦失效每年給我國(guó)造成約1 000億元的經(jīng)濟(jì)損失，相當(dāng)于常規(guī)研發(fā)資金的最低投資額。

摩擦實(shí)驗(yàn)的目的是研究自然界中存在的摩擦現(xiàn)象的性質(zhì)和作用機(jī)理，以正確判斷各種因素對(duì)摩擦性能的影響，確定適合使用的摩擦副組件的參數(shù)，例如兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體的磨損量、滑移率、摩擦因數(shù)的確定和摩擦溫度規(guī)律等。由于摩擦現(xiàn)象復(fù)雜多變，如何準(zhǔn)確地測(cè)量摩擦因數(shù)是非常重要的研究課題。因此，通過(guò)摩擦實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)摩擦的發(fā)生機(jī)理，使用合理的技術(shù)手段控制摩擦行為，對(duì)于節(jié)材、降耗、節(jié)能具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義［1］。實(shí)驗(yàn)儀以PLC作為控制器，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)被測(cè)物體滑行的時(shí)間和旋轉(zhuǎn)式編碼器發(fā)出的脈沖檢測(cè)斜面傾斜角的變化，由PLC控制器將采集到的時(shí)間數(shù)據(jù)和傾斜角數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理求出摩擦因數(shù)，通過(guò)觸摸屏顯示出來(lái)。

一、系統(tǒng)原理

摩擦因數(shù)分為靜摩擦因數(shù)［2］和動(dòng)摩擦因數(shù)兩種，測(cè)試方法有所不同，可以設(shè)計(jì)一個(gè)角度能夠任意調(diào)節(jié)的斜面，通過(guò)不斷調(diào)節(jié)斜面角度，觀察物體的運(yùn)動(dòng)情況，分析物體的摩擦因數(shù)［1］。

根據(jù)理論力學(xué)可知，摩擦角的正切值等于物體的靜摩擦因數(shù)fs，則物體靜摩擦因數(shù)可以表示為

（1）

其中fs為靜摩擦因數(shù)，tanφf(shuō)為摩擦角所對(duì)應(yīng)的正切值，tanθ為斜面的傾斜角度所對(duì)應(yīng)的正切值。

物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦因數(shù)即為動(dòng)摩擦因數(shù)；當(dāng)物體從斜面上端自由滑下通過(guò)光電門(mén)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)定物體通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間t，并存儲(chǔ)起來(lái)；即通過(guò)光電門(mén)1的時(shí)間為t1，通過(guò)光電門(mén)2的時(shí)間為t2；同時(shí)，從光電門(mén)1到光電門(mén)2的時(shí)間t3也會(huì)被系統(tǒng)記錄并存儲(chǔ)；根據(jù)物體的長(zhǎng)度s計(jì)算出通過(guò)第一個(gè)光電門(mén)時(shí)的平均速度s/t1和通過(guò)第二個(gè)光電門(mén)時(shí)的平均速度s/t2，摩擦因數(shù)測(cè)試原理圖如圖1所示。

因?yàn)闀r(shí)間t1和時(shí)間t2均很短，則可以近似地認(rèn)為在該段時(shí)間內(nèi)物體做勻加速運(yùn)動(dòng)，把t1時(shí)間內(nèi)的平均速度s/t1近似為t1/2時(shí)刻的瞬時(shí)速度v1；把t2時(shí)間內(nèi)的平均速度s/t2近似為t2 /2時(shí)刻的瞬時(shí)速度v2，而且從v1增加到v2所需時(shí)間修正為t4=（t3-t1/2+t2 /2），因?yàn)楦鶕?jù)加速度定義t4時(shí)間內(nèi)的平均加速度為

（2）

其中a為物體從斜面下滑時(shí)的加速度（m/s2），v1為物體通過(guò)光電門(mén)1時(shí)的速度（m/s），v2為物體通過(guò)光電門(mén)2時(shí)的速度（m/s），t4為物體從光電門(mén)1到光電門(mén)2經(jīng)修正過(guò)后的時(shí)間（s）。

則動(dòng)摩擦因數(shù)的表達(dá)式為

其中fd為動(dòng)摩擦因數(shù)，s為物體的長(zhǎng)度（m），t1為物體經(jīng)過(guò)光電門(mén)1所需的時(shí)間（s），t2為物體經(jīng)過(guò)光電門(mén)2所需的時(shí)間（s），g為重力加速度（m/s2），cos θ為斜面傾斜角所對(duì)應(yīng)的余弦值。

PLC通過(guò)公式（3）即可計(jì)算出摩擦因數(shù)fd，在經(jīng)過(guò)10次試驗(yàn)后，PLC再計(jì)算出摩擦因數(shù)的平均值，以減少實(shí)驗(yàn)誤差［3］。

二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于PLC來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)量摩擦因數(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，使實(shí)驗(yàn)臺(tái)能通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試和比較不同材料的摩擦因數(shù)。綜以上方案和設(shè)計(jì)理論所述，總方案擬定如下。

首先需要設(shè)計(jì)一個(gè)能調(diào)節(jié)傾斜角θ的斜面；其次選擇合適的角度傳感器與光電傳感器，使其PLC系統(tǒng)結(jié)合，分別測(cè)試出斜面傾斜角θ，物體經(jīng)過(guò)兩個(gè)光電門(mén)的時(shí)間t1、t2，和物體在兩個(gè)光電門(mén)之間運(yùn)動(dòng)的時(shí)間t3；然后由PLC將這些數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算得出摩擦因數(shù)f；最后PLC計(jì)算出摩擦因數(shù)f后，由觸摸屏上顯示結(jié)果。

三、實(shí)驗(yàn)儀組成

此控制系統(tǒng)PLC選擇FX2N-32MT模塊、2個(gè)光電傳感器、1個(gè)角度傳感器和觸摸屏等組成，如圖2所示。

光電傳感器需連接正、負(fù)極線(xiàn)和輸出信號(hào)線(xiàn)三根導(dǎo)線(xiàn)，由于該傳感器為PNP常開(kāi)型，在與PLC連接時(shí)，正極接電源，負(fù)極接在PLC的COM端，輸出信號(hào)線(xiàn)接入PLC的輸入端。旋轉(zhuǎn)式增量編碼器需要連接四根導(dǎo)線(xiàn)，分別為正、負(fù)極線(xiàn)和A、B兩相線(xiàn)，與PLC連接時(shí)，正極線(xiàn)接電源正極，負(fù)極接在PLC的COM端，因?yàn)樾D(zhuǎn)式增量編碼器發(fā)出為高頻脈沖，故在使用計(jì)數(shù)器記錄接收到的脈沖時(shí)，只能使用高速計(jì)數(shù)器記錄脈沖數(shù)。由于在調(diào)整實(shí)驗(yàn)臺(tái)傾斜角時(shí)，可能將實(shí)驗(yàn)臺(tái)傾斜角調(diào)大或者調(diào)小，故選擇的高速計(jì)數(shù)器應(yīng)為兩相A/B輸入型的高速計(jì)數(shù)器C251，旋轉(zhuǎn)式增量編碼器的A相應(yīng)該接在PLC的輸入端的X000點(diǎn)，B相接在PLC輸入端的X001點(diǎn)［2］。

使用GX works2對(duì)PLC程序進(jìn)行編寫(xiě)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)程序設(shè)計(jì)的主要目的是將各傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、計(jì)算最終得出物體的摩擦因素，其中所涉及的主要指令有：MOV傳送指令、浮點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換指令、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算指令。軟元件主要有定時(shí)器和計(jì)數(shù)器［3］。具體程序設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)述如下：物體通過(guò)光電門(mén)的時(shí)間由定時(shí)器測(cè)出，高速計(jì)數(shù)器記錄編碼器發(fā)出脈沖，將定時(shí)器記錄的時(shí)間和高速計(jì)數(shù)器記錄的脈沖數(shù)用MOV傳送指令傳送到指定的寄存器里。這些數(shù)據(jù)在統(tǒng)一單位后不一定是整數(shù)，為了保證最后計(jì)算結(jié)果的精確性，需要將這些數(shù)據(jù)先轉(zhuǎn)化為浮點(diǎn)數(shù)，然后依照公式（3）使用浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算指令進(jìn)行計(jì)算得出摩擦因數(shù)，再將計(jì)算出來(lái)的摩擦因數(shù)累加，計(jì)算出摩擦因數(shù)的平均值，測(cè)試十次后實(shí)驗(yàn)停止。

四、監(jiān)控界面設(shè)計(jì)與調(diào)試

此實(shí)驗(yàn)儀控制系統(tǒng)與用戶(hù)之間的交互平臺(tái)為電阻式觸摸屏，觸摸屏界面為自動(dòng)界面，主要包含圖框制作、文本顯示、開(kāi)關(guān)設(shè)定、圖形顯示、數(shù)值顯示與輸入、畫(huà)面切換。

調(diào)試的步驟如下：運(yùn)行PLC，用角度傳感器測(cè)量斜面傾斜角θ，被測(cè)物體從斜面滑下，通過(guò)光電傳感器得到時(shí)長(zhǎng)，觀察PLC中計(jì)數(shù)器和定時(shí)器的數(shù)據(jù)，如圖3所示。

從圖中可以看出，計(jì)數(shù)器C0的數(shù)據(jù)為80，即對(duì)應(yīng)的斜面傾斜角為40°；T250數(shù)據(jù)為18，T251的數(shù)據(jù)為10，T252的數(shù)據(jù)為50，則表示t1、t2、t3分別為1.8 s、1.0 s和5.0 s。按下界面中計(jì)算摩擦因數(shù)按鈕，計(jì)算出摩擦因數(shù)，在觸摸屏中顯示后再按下摩擦因數(shù)累加按鈕，系統(tǒng)將摩擦因數(shù)累加，自動(dòng)求出平均值然后顯示出來(lái)。將實(shí)驗(yàn)再重復(fù)9次，觀察折線(xiàn)圖表的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖4所示［4］。對(duì)圖中折線(xiàn)表的觀察可以發(fā)現(xiàn)，摩擦因素值的波動(dòng)很小，幾乎為一條直線(xiàn)，可以看出實(shí)驗(yàn)臺(tái)的誤差并不大［5］。

結(jié)語(yǔ)

此設(shè)計(jì)采用光電傳感器與PLC結(jié)合的方式測(cè)量物體完全通過(guò)光電傳感器所需要的時(shí)間，使用旋轉(zhuǎn)式編碼器發(fā)出的脈沖確定斜面的傾角，最后使用PLC來(lái)處理采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算出摩擦因數(shù)，利用工控觸摸屏完成人機(jī)交互功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。在此基礎(chǔ)上，可開(kāi)發(fā)出更多、更強(qiáng)的功能，比如利用電機(jī)來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)角度；把平臺(tái)與其他力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀組合起來(lái)，共用一個(gè)PLC控制器，使實(shí)驗(yàn)儀功能更豐富。

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Research on Simulation Teaching Design of Friction Factor Experiment Instrument

JIANG Rong， WU Chen-xi， WANG Xue-tong

（School of Mechanical Engineering， Hunan Institute of Engineering， Xiangtan， Hunan 411104， China）

Abstract： Friction factor is an important parameter for normal operation of equipment. In this paper， Mitsubishi PLC is used as the controller to design a measuring instrument for measuring friction coefficient. The mechanical structure， hardware and software of the test-bed are designed based on the theory of testing friction coefficient， so that the test-bed has the function of testing friction coefficient. The time when the object completely passes through the photoelectric sensor is tested through the connection between the photoelectric sensor and the PLC controller， and the change of the tilt angle of the experimental platform is determined through the pulse sent by the rotary encoder. Then the PLC controller is used to calculate the collected time data and tilt angle data， and then the collected data is processed to calculate the friction factor， and finally displayed through the touch screen. The experimental instrument has simple structure and stable performance. It can accurately measure the value of friction coefficient and can be used in scientific research and electromechanical innovation experiment practice teaching.

Key words： friction factor; PLC; photoelectric sensor; angle sensor; touch screen