摘 要

摩擦磨损实验机是研究材料摩擦、磨损与润滑性能的重要工具之一，也是推动摩擦学不断发展的有利手段。本文在对摩擦磨损实验机的工作原理和主要特点进行综合分析的基础上，为了实现实验机各功能部件模块化生产，以及实现实验加载力较高精度的加载的问题，针对摩擦磨损实验机加载系统设计了加载装置的主体结构、电机控制驱动电路、控制和显示加载系统状态的软件系统。加载装置的主体结构采用滚珠丝杠与浮动弹簧组合的加载结构，以保证加载系统的跟随性并且为了方便地控制加载力使用步进电机作为加载电机给加载装置提供扭矩。采用增量式PID控制方法对加载系统精度进行控制，将加载精度控制在5%以内，并能够满足摩擦磨损实验的一般要求。此外，软件系统使用LabVIEW来构建上下位机通信和人机交互系统，达到较好的效果。

关键词：摩擦磨损实验机；加载系统；步进电机；增量式PID控制；LabVIEW

Abstract

The friction and wear experiment machine is one of the important tools to study the friction and wear and lubrication properties of materials ,and also a favorable means to promote the continuous development of tribology. Based on the work principle and main characteristics of friction and wear testing machine on the basis of comprehensive analysis, the design process to solve the friction and wear testing machine will consume a large amount of manpower and inconvenience to realize modular production and is not easy for the linearization of power load, load on friction and wear testing machine system design the main body of the loading device structure loading force f driving circuit control and display the state of the system software system.The main structure of the loading device adopts the loading structure composed of ball screw and floating spring to ensure the followability of the loading system, and in order to control the loading force conveniently, the stepping motor is used as the loading motor to provide torque to the loading device.The incremental PID control method is adopted to control the accuracy of the loading system, and the loading accuracy is controlled within 5%, which can meet the general requirements of the friction and wear experiment. In addition, the software system uses LabVIEW to construct the upper and lower computer communication and man-machine interaction system, achieving nice results.

Key Words：friction wear testing machine；loading system；stepping motor；lncremental PID contro；LabVIEW

目录

第1章 绪论 1

1.1摩擦实验机加载系统国内外研究现状 2

1.1.1国内研究现状 2

1.1.2国外研究现状 2

1.2设计内容和目标 3

1.2.1设计内容 3

1.2.2设计目标 3

第2章 数控加载系统设计方案论证 4

2.1加载装置结构设计方案 4

2.2加载电机的驱动与控制方案 5

2.3单片机与上位机软件选择方案 6

2.4控制算法的设计方案 7

第3章 加载装置结构设计 8

3.1加载装置总体结构设计 8

3.2加载装置零件设计参数计算 8

3.2.1加载电机和滚珠丝杠参数计算及型号选择 8

3.2.2联轴器参数计算及型号选择 12

3.2.3弹簧参数的设计计算 13

第4章 系统硬件设计 16

4.1单片机最小系统模块 16

4.2步进电机驱动模块 17

4.3编码器控制模块 18

4.4加载力传感器测量模块 18

第5章 加载系统控制软件设计 22

5.1下位机软件程序设计 22

5.1.1 驱动步进电机的脉冲信号控制设计 23

5.1.2 数据采集控制设计 23

5.1.3 串口通信控制设计 24

5.1.4 加载系统精度PID控制设计 26

5.2上位机软件程序设计 28

5.3软件部分整体调试 32

第6章 系统标定及误差分析 34

6.1系统标定方法及过程 34

6.2系统误差分析 37

第7章 结论 38

参考文献 39

附录A：元器件清单 40

附录B：上位机程序框图 41

附录C：下位机程序 42

致谢 48

第1章 绪论

摩擦磨损实验机是研究材料摩擦、磨损与润滑性能的重要工具之一，也是推动摩擦学不断发展的有利手段。自摩擦学诞生以来，摩擦磨损实验机就不断地推陈出新，高速发展，近些年来随着工业水平的高速发展，材料需要工作的环境更加苛刻和复杂，且材料的种类也更加多样化，故而人们设计出许多的特种摩擦实验机。但是如果每次设计新型的摩擦磨损实验机，对其中的每个功能模块均需要重新进行设计，这将会消耗大量的人力和物力，所以本文从设计的重用性、经济性及标准化的方面考虑，通过分析不同种类的摩擦磨损实验机的机械结构、控制系统和测量方法，分离出其中可重用的相关原理和结构，从而减少摩擦磨损实验研究的资源消耗。对于摩擦磨损实验机的加载系统，目前常采用增减砝码来实现不同的加载力，在加载范围要求较大的情况下，实现加载力微小变化的摩擦实验具有一定的困难。因此，本次毕业设计从将整个摩擦磨损实验机设计功能模块化的目的出发，希望设计出一种通用的、能够实现自动微小加载控制的摩擦实验机数控加载系统和附加辅助系统。

众所周知，在现代社会生活中，摩擦现象无处不在，无论是人行走在路面上对路面的摩擦，还是机械设备运行过程中，各个相对运动的元件之间都存在相互间的摩擦现象，而由摩擦所引起一系列与摩擦、磨损、润滑、材料与能源等相关的摩擦学问题，对社会、经济的发展产生了巨大的影响。有数据显示，人类的资源大约1/3是消耗于摩擦，约有70%的设备损坏是由于各种形式的磨损而引起的^[1]。因此为了降低能耗水平，解决发展中遇到的资源、能源和环境保护等问题，摩擦学的研究是必不可少的。而作为研究摩擦学的重要工具——摩擦磨损实验机的研制和发展，在摩擦学的技术推广和应用方面是至关重要的。