專利名稱：多功能摩擦磨損實驗機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金剛石、立方氮化硼等超硬工具(如鉆頭、鋸片、磨塊等)磨損檢測分析的實驗裝置。
背景技術：
60年代初，人造金剛石的應用大大推動了金剛石鉆探技術的發展，引起了勘探領域的一場革命。然而在人造金剛石制品檢測方面，還沒有對人造金剛石制品進行性能檢測的相關手段。目前，人造金剛石制品都是根據經驗進行生產，制品品質到底怎樣，往往是現場實際使用過程中通過人的觀察得到一個大致的結果，不行回去再修改配方和工藝，沒有科學的量化指標作為依據。
發明內容
本發明的目的在于提供一種可以實現工具的鉆、鋸、磨的多功能摩擦磨損實驗機，該實驗機可檢測超硬工具工作時的轉矩、鉆孔速度、鉆進壓力參數。
為了實現上述目的，本發明的技術方案是多功能摩擦磨損實驗機，其特征在于它包括第一液壓缸1、底板2、第一導軌3、立柱4、滑塊連接板5、橫梁6、扭矩傳感器7、液壓馬達8、主軸箱體9、主軸10、轉速傳感器11、工作臺13、第三液壓缸14、第三導軌15、滑板16、第二導軌17、第二液壓缸19、第一壓力傳感器20，立柱4的下端與底板2的左端部固定連接，立柱4上沿Z向設有第一導軌3，第一導軌3上設有Z向滑塊23，Z向滑塊23與滑塊連接板5固定連接，第一液壓缸1的缸頭與滑塊連接板5鉸接，第一液壓缸1的缸體的下部穿過底板2上的第一液壓缸孔21并與底板2固定連接，橫梁6的左端部與滑塊連接板5固定連接，橫梁6的右端與主軸箱體9固定連接，主軸箱體9上設有主軸通孔，液壓馬達8的輸出軸與主軸10的上端部相聯，主軸10的下端穿過主軸箱體9的主軸通孔，主軸10由軸承與主軸箱體9相聯；底板2上沿X向設有第二導軌17，第二導軌17上設有X向滑塊24，底板2的右部開有槽22，滑板16的下端面與X向滑塊24固定連接，滑板16上的鉸接頭30穿過底板2的槽22與第二液壓缸19的缸頭鉸接，第二液壓缸19的缸體與底板2鉸接；滑板16的上面沿Y向設有第三導軌15，第三導軌15上設有Y向滑塊，工作臺13的下端面與Y向滑塊固定連接，第三液壓缸的缸頭與工作臺13鉸接，第三液壓缸的缸體與滑板16鉸接；第一液壓缸1內設有第一壓力傳感器20，主軸箱體9上開有轉速傳感器孔，轉速傳感器孔與主軸箱體9上的主軸通孔相通，轉速傳感器11穿入轉速傳感器孔內，轉速傳感器孔處的主軸上設有轉速測量標識，轉速傳感器11與主軸箱體9固定連接；扭矩傳感器7由扭桿28和兩個扭矩測量壓力傳感器29構成，扭桿28的一端與液壓馬達8固定連接，扭桿28的另一端部位于兩個扭矩測量壓力傳感器29之間，兩個壓力傳感器29設在橫梁6上。
主軸箱體9的下端固定連接一進水連接板12，進水連接板12上設有主軸通孔，主軸10的下端穿過進水連接板12的主軸通孔并位于進水連接板12的下方，主軸10的下端部設有水孔25，進水連接板12內設有水環道，水環道與進水連接板12上的進水接口相通，水孔25與進水連接板12上的水環道相通。
轉速測量標識為齒形槽、孔眼、凸鍵或凹槽。
液壓馬達8穿過軸向限位板27上的液壓馬達孔，液壓馬達8上的限位塊位于軸向限位板27下(液壓馬達8可旋轉，但不能軸向移動)，軸向限位板27由定位螺栓26與主軸箱體9的上端面固定連接。
本發明的實驗機在工作時有三個方向的運動，即三個方向上的進給，分別可以通過液壓缸的伸縮來實現；工作時將超硬工具(如鉆頭、鋸片、磨塊等)固定在主軸10的下端，試件(工作對象)夾持在工作臺13上，由主軸10帶著超硬工具對試件實施實驗；X軸、Y軸方向上的進給適用于對工作對象進行切割(即鋸)；Z軸上的進給可用來實現鉆進和磨削。
扭矩測量原理及過程1)將扭矩測量壓力傳感器放置在橫梁上與扭桿相接觸。
2)將扭桿與液壓馬達8相聯結。
3)液壓馬達8在工作狀態下，在試件反作用力作用下，液壓馬達定位螺栓26限制其軸向自由度，液壓馬達8只能繞自身軸線旋轉，驅動扭桿，緩慢加載，對扭矩測量壓力傳感器施加最大力F，測量出力臂L。
計算出力矩M＝F·L即可作為液壓馬達8最大輸出扭矩；即可實現對工具工作時的轉矩的測量。
鉆進壓力測量原理及過程鉆進壓力測量通過壓力傳感器20檢測，當工作時，第一液壓缸1作伸縮移動，壓力傳感器20檢測得到油缸缸體內油液壓力變化，油液壓力與活塞面積的乘積就得到鉆具鉆進壓力；即可實現對鉆進壓力的測量。
鉆孔速度測量原理及過程鉆孔速度測量通過轉速傳感器(電渦流轉速傳感器)11檢測，適合于測量從零轉速以上的任何一轉速，對于被測體轉軸的轉速發生裝置要求也很低，主軸10上可以開些齒形槽，也可以是一個很小的孔眼，一個小凸鍵、一個小的凹槽；轉速傳感器11實現對主軸10轉速的測量，即可實現對鉆孔速度的測量。
本發明通過設置扭矩傳感器7、轉速傳感器11、第一壓力傳感器20能夠模擬實際工況，實時檢測超硬材料工具工作時的轉矩、鉆孔速度、鉆進壓力工作參數及其磨損情況，并將數據傳輸給計算機進行分析，為揭示超硬材料制品的工作機理和失效原因提供科學的、可靠的實驗數據。本發明具有結構簡單、控制穩定可靠的特點。
本發明可廣泛應用于金剛石、立方氮化硼等超硬工具的生產、科研、教學等領域。
圖1是本發明的結構示意2是圖1的左視3是圖1的俯視4是本發明底板的結構示意5是圖4的右視6是圖4的俯視7是本發明立柱的結構示意8是圖7的右視9是圖7的俯視10是本發明滑塊連接板的結構示意11是圖10的左視12是本發明橫梁的結構示意13是圖12的俯視14是本發明主軸箱體的結構示意15是圖14的左視16是圖14的俯視17是本發明主軸的結構示意18是本發明進水連接板的結構示意19是圖18的左視20是圖18的俯視21是本發明滑板的結構示意22是圖21的左視23是圖21的俯視24是本發明工作臺的結構示意25是圖24的左視26是圖24的俯視27是本發明扭矩傳感器7的結構示意28是本發明定位螺栓26的結構示意29是本發明液壓系統的原理30是本發明計算機數據采集及控制系統框31是本發明計算機數據采集及控制系統的濾波、放大電路32是本發明計算機數據采集及控制系統的數據傳輸線路33是本發明計算機數據采集及控制系統的單片機系統電路中1-第一液壓缸，2-底板，3-第-導軌，4-立柱，5-滑塊連接板，6-橫梁，7-扭矩傳感器，8-液壓馬達，9-主軸箱體，10-主軸，11-轉速傳感器，12-進水連接板，13-工作臺，14-第三液壓缸，15-第三導軌，16-滑板，17-第二導軌，18-第二壓力傳感器，19-第二液壓缸，20-第一壓力傳感器，21-第一液壓缸孔，22-槽，23-Z向滑塊，24-X向滑塊，25-水孔，26-定位螺栓，27-軸向限位板，28-扭桿，29-扭矩測量壓力傳感器，30-鉸接頭。
具體實施例方式
如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14、圖l5、圖16、圖17、圖18、圖19、圖20、圖21、圖22、圖23、圖24、圖25、圖26、圖27、圖28、圖29所示，多功能摩擦磨損實驗機，它包括第一液壓缸1、底板2、第一導軌3、立柱4、滑塊連接板5、橫梁6、扭矩傳感器7、液壓馬達8、主軸箱體9、主軸10、轉速傳感器11、進水連接板12、工作臺13、第三液壓缸14、第三導軌15、滑板16、第二導軌17、第二壓力傳感器18、第二液壓缸19、第一壓力傳感器20，立柱4的下端與底板2的左端部固定連接(通過螺栓)，立柱4上沿Z向設有第一導軌3，第一導軌3上設有Z向滑塊23(Z向滑塊23內設有滑槽并卡在第一導軌3上，Z向滑塊23可沿第一導軌3滑動)，Z向滑塊23與滑塊連接板5固定連接(通過螺栓)，第一液壓缸1的缸頭與滑塊連接板5鉸接，第一液壓缸1的缸體的下部穿過底板2上的第一液壓缸孔21并與底板2固定連接，橫梁6的左端部與滑塊連接板5固定連接(通過螺栓)，橫梁6的右端與主軸箱體9固定連接(通過螺栓)，主軸箱體9、進水連接板12分別設有主軸通孔，進水連接板12位于主軸箱體9的下端并與主軸箱體9固定連接(通過螺栓)，液壓馬達8穿過軸向限位板27上的液壓馬達孔，液壓馬達8上的限位塊位于軸向限位板27下(液壓馬達8可旋轉，但不能軸向移動)，軸向限位板27由定位螺栓26與主軸箱體9的上端面固定連接，液壓馬達8的輸出軸與主軸10的上端部相聯，主軸10的下端穿過主軸箱體9的主軸通孔、進水連接板12的主軸通孔位于進水連接板12的下方，主軸10由軸承與主軸箱體9相聯；主軸10的下端部設有水孔25，進水連接板12內設有水環道，水環道與進水連接板12上的進水接口相通，水孔25與進水連接板12上的水環道相通；底板2上沿X向設有第二導軌17，第二導軌17上設有X向滑塊24(X向滑塊24內設有滑槽并卡在第二導軌17上，X向滑塊24可沿第二導軌17滑動)，底板2的右部開有槽22，滑板16的下端面與X向滑塊24固定連接(通過螺栓)，滑板16上的鉸接頭30穿過底板2的槽22與第二液壓缸19的缸頭鉸接，第二液壓缸19的缸體與底板2鉸接；滑板16的上面沿Y向設有第三導軌15，第三導軌15上設有Y向滑塊(Y向滑塊內設有滑槽并卡在第三導軌15上，Y向滑塊可沿第三導軌15滑動)，工作臺13的下端面與Y向滑塊固定連接(通過螺栓)，第三液壓缸的缸頭與工作臺13鉸接，第三液壓缸的缸體與滑板16鉸接；第一液壓缸1、第二液壓缸19、第三液壓缸14內分別設有第一壓力傳感器20、第二壓力傳感器18、第三壓力傳感器；主軸箱體9上開有轉速傳感器孔，轉速傳感器孔與主軸箱體9上的主軸通孔相通，轉速傳感器11穿入轉速傳感器孔內，轉速傳感器孔處的主軸上設有轉速測量標識(如齒形槽、孔眼、凸鍵或凹槽)，轉速傳感器11與主軸箱體9固定連接；扭矩傳感器7由扭桿28和兩個扭矩測量壓力傳感器29構成，扭桿28的一端與液壓馬達8固定連接，扭桿28的另一端部位于扭矩測量兩個壓力傳感器29之間，兩個壓力傳感器29設在橫梁6上。
第一壓力傳感器20、第二壓力傳感器18、第三壓力傳感器、轉速傳感器11、扭矩傳感器7(兩個壓力傳感器29)分別與計算機數據采集及控制系統相連。液壓系統如圖29所示。
選用GM5-6型液壓馬達作為主軸的驅動設備；三個液壓缸選用DG-J40C-E1E，采用三個液壓缸實現三個方向的運動，具有控制穩定可靠的特點；導軌與滑塊構成軌副，選用漢陽機床廠HJG-D25規格滾動直線導軌副。
液壓馬達8、主軸箱體9、進水連接板12的作用是通過液壓馬達的旋轉來帶動主軸和金剛石工具轉動，傳遞扭矩，同時通過進水連接板12供水來降低金剛石工具工作時的溫度并將切割下來的碎削沖走。
數據采集與傳輸計算機數據采集及控制系統由下位機和上位機兩部分組成，下位機、上位機兩部分均可采用公知技術，下面對下位機、上位機兩部分簡述如下如圖30所示，上位機部分是計算機，用Visual Basic開發的接收數據程序，采用串口與下位機的單片機系統(即多功能數據采集卡)進行通訊，使用RS-232C協議。可實現手動控制單片機的運行，設置單片機采集數據長度、濾波長度、采樣間隔等參數，并且可以通過設置時間或采集數據長度來自動控制單片機的運行。
如圖30、圖31、圖32、圖33所示，下位機部分包括可檢測轉速、鉆進壓力、轉矩等通道數據的硬件電路，以及對其進行相應數據處理、轉存并傳輸數據到上位機的單片機系統(即多功能數據采集卡，如圖33所示)。單片機部分采用帶4KROM的AT89C51，數據存儲器使用32K的62256，并采用了GAL器件譯碼和進行基本的運算。如圖32所示，傳輸部分用MAX232進行協議轉換。如圖31所示，信號調理電路的放大電路采用LM324芯片進行放大，用ADC0809進行A/D轉換。
如圖30所示，圖30中AD0-轉速傳感器(PN1)輸入，正脈沖信號，TTL電平；AD1-扭矩傳感器(P0)輸入，電壓信號幅值0～5V；AD2-第一壓力傳感器20[鉆進油缸壓力傳感器](P1)輸入，電壓信號幅值0～5V；AD3-第二壓力傳感器18、第三壓力傳感器[工作臺油缸傳感器](P2)輸入，電壓信號幅值0～5V；DA0-接液壓系統比例溢流閥控制器，控制電壓幅值0～10.0V；DA1-接液壓系統比例換向閥控制器，控制電壓幅值±15V；D00-油泵電機工作控制端，“1”運行，“0”停機；D01-鉆進油缸動作控制端，“1”鉆進，“0”停止；D02-鉆進油缸動作控制端，“1”提升鉆頭，“0”停止。
D03-工作臺給進油缸動作控制端，“1”向左移動，“0”停止。
D04-工作臺給進油缸動作控制端，“1”向由移動，“0”停止。
1、鉆進壓力檢測方案由于超硬工具(如鉆頭)處于工作狀態，會有不停震動的干擾，無法直接對鉆頭檢測。但工作臺上橫梁所受的應力、油缸的油壓與鉆頭的鉆進壓力都有相應的線性關系，鉆頭壓力變大則橫梁所受的應力亦變大，相應油缸對其的驅動力也會變大，所以可以通過對橫梁所受應力和液壓缸油壓的測量，間接地得出鉆進壓力。
檢測橫梁所受的應力，使用時可在第一液壓缸1的高壓端端口接第一壓力傳感器20(應變式壓力傳感器)，傳感器將信號送至濾波、放大電路，再經AD轉換后送至8031，進而送至計算機。
2、轉速檢測方案檢測轉速的方法有很多，其中常用方法有a)使用光電編碼器檢測轉速；b)使用測速發電機檢測轉速；c)使用接近開關檢測轉速；d)通過檢測電機電流檢測轉速；根據執行機構結構特點，考慮成本、對機械部分的布局影響小等因素，最終選用方案3(使用接近開關檢測轉速)。
3、轉矩檢測方案1)、扭矩測量原理及過程(1)將壓力傳感器放置在橫梁上與扭桿相接觸。
(2)將扭桿與液壓馬達8相聯結。
(3)液壓馬達8在工作狀態下，在試件反作用力作用下，液壓馬達定位螺栓26限制其軸向自由度，液壓馬達8只能繞自身軸線旋轉，驅動扭桿，緩慢加載，對壓力傳感器施加最大力F，測量出力臂L。
計算出力矩M＝F·L即可作為液壓馬達8最大輸出扭矩；即可實現對工具工作時的轉矩的測量。
2)、在工作臺側面設計一個壓板，壓力傳感器放置在壓板邊上，當鉆頭回轉切削巖樣時，由于切向力的作用使工作臺上的壓板作用在壓力傳感器的端部，通過測量該作用力的大小便可計算出切削扭矩的大小。
4、傳感器的選擇扭矩測量壓力傳感器29選用由中國航天科技集團公司第701研究所生產的AK-4型應變式壓力傳感器，測量范圍應在0~20MP之間，分辨率應達到0.1MP以上，工作溫度為室溫環境(-20℃~40℃)之間，應有一定的過載能力，可靠性要較好。
第一壓力傳感器20選用由上海自動化儀表股份有限公司華東電子儀器廠生產的BHR-8M型帶密封，測量范圍應在0~100kg，需另配前置放大。
轉速檢測采用長春三峰傳感技術有限公司接近開關LJM38T-18J/K。
5、數據傳輸由于本計算機數據采集及控制系統需實時采集數據，單片機的數據存儲器只暫存少量的數據，待采集一定的數量后需將其傳輸給計算機，以進行下一步處理。故應設計數據傳輸電路。
在計算機數據采集及控制系統中，數據通訊主要采用異步串行通訊方式。異步串行通訊接口有三類·RS-232C(RS-232A，RS232B)·RS-449，RS-422，RS-423和RS-485·20mA電流環三種通訊標準在通訊速度、通訊距離和抗干擾能力上各有不同的表現。通常的標準串行接口的電氣特性都有滿足可靠傳輸時的最大通訊速度和傳送距離指標。但通訊速度和通訊距離這兩個指標之間具有相關性，適當地降低通訊速度，可以提高通訊距離，反之亦然。采用RS-232C標準進行單向數據傳輸時，最大數據傳輸速率為20K bit/s，最大傳送距離為15m。改用RS-422標準時，最大傳輸速率可達10M bit/s，最大傳送距離為300m，適當降低數據傳輸速率，傳送距離可達到1200m。
選擇哪種通訊標準，因使用的場合不同而各異。由于本計算機數據采集及控制系統只在室內實驗，所需的傳輸距離較短，故可選擇RS-232C接口標準。
6、系統的軟件設計計算機數據采集及控制系統的軟件設計分為下位機和上位機兩部分，下位機是針對單片機，用MCS-51指令編寫的匯編程序，主要實現接收上位機的指令、控制ADC0809的啟停、接收并處理光電通道傳來的信號、數字濾波、轉存數據和發送數據等功能；上位機是基于PC機用Visual Basic編寫的面向對象的接收數據程序，主要實現選擇通訊端口、實時顯示當前狀態、控制單片機的啟停，設置單片機要采集的通道數、每幀數據長度、單片機對模擬通道的數字濾波長度、采樣間隔長度等參數，并可設置采集一定數據長度或一定時間后單片機自動停止等功能。
權利要求
1.多功能摩擦磨損實驗機，其特征在于它包括第一液壓缸(1)、底板(2)、第一導軌(3)、立柱(4)、滑塊連接板(5)、橫梁(6)、扭矩傳感器(7)、液壓馬達(8)、主軸箱體(9)、主軸(10)、轉速傳感器(11)、工作臺(13)、第三液壓缸(14)、第三導軌(15)、滑板(16)、第二導軌(17)、第二液壓缸(19)、第一壓力傳感器(20)，立柱(4)的下端與底板(2)的左端部固定連接，立柱(4)上沿Z向設有第一導軌(3)，第一導軌(3)上設有Z向滑塊(23)，Z向滑塊(23)與滑塊連接板(5)固定連接，第一液壓缸(1)的缸頭與滑塊連接板(5)鉸接，第一液壓缸(1)的缸體的下部穿過底板(2)上的第一液壓缸孔(21)并與底板(2)固定連接，橫梁(6)的左端部與滑塊連接板(5)固定連接，橫梁(6)的右端與主軸箱體(9)固定連接，主軸箱體(9)上設有主軸通孔，液壓馬達(8)的輸出軸與主軸(10)的上端部相聯，主軸(10)的下端穿過主軸箱體(9)的主軸通孔，主軸(10)由軸承與主軸箱體(9)相聯；底板(2)上沿X向設有第二導軌(17)，第二導軌(17)上設有X向滑塊(24)，底板(2)的右部開有槽(22)，滑板(16)的下端面與X向滑塊(24)固定連接，滑板(16)上的鉸接頭(30)穿過底板(2)的槽(22)與第二液壓缸(19)的缸頭鉸接，第二液壓缸(19)的缸體與底板(2)鉸接；滑板(16)的上面沿Y向設有第三導軌(15)，第三導軌(15)上設有Y向滑塊，工作臺(13)的下端面與Y向滑塊固定連接，第三液壓缸的缸頭與工作臺(13)鉸接，第三液壓缸的缸體與滑板(16)鉸接；第一液壓缸(1)內設有第一壓力傳感器(20)，主軸箱體(9)上開有轉速傳感器孔，轉速傳感器孔與主軸箱體(9)上的主軸通孔相通，轉速傳感器(11)穿入轉速傳感器孔內，轉速傳感器孔處的主軸上設有轉速測量標識，轉速傳感器(11)與主軸箱體(9)固定連接；扭矩傳感器(7)由扭桿(28)和兩個扭矩測量壓力傳感器(29)構成，扭桿(28)的一端與液壓馬達(8)固定連接，扭桿(28)的另一端部位于兩個壓力傳感器(29)之間，兩個扭矩測量壓力傳感器(29)設在橫梁(6)上。
2.根據權利要求1所述的多功能摩擦磨損實驗機，其特征在于主軸箱體(9)的下端固定連接一進水連接板(12)，進水連接板(12)上設有主軸通孔，主軸(10)的下端穿過進水連接板(12)的主軸通孔并位于進水連接板(12)的下方，主軸(10)的下端部設有水孔(25)，進水連接板(12)內設有水環道，水環道與進水連接板(12)上的進水接口相通，水孔(25)與進水連接板(12)上的水環道相通。
3.根據權利要求1所述的多功能摩擦磨損實驗機，其特征在于轉速測量標識為齒形槽、孔眼、凸鍵或凹槽。
4.根據權利要求1所述的多功能摩擦磨損實驗機，其特征在于液壓馬達(8)穿過軸向限位板(27)上的液壓馬達孔，液壓馬達(8)上的限位塊位于軸向限位板(27)下，軸向限位板(27)由定位螺栓(26)與主軸箱體(9)的上端面固定連接。
全文摘要
本發明涉及一種超硬工具磨損檢測分析的實驗裝置。多功能摩擦磨損實驗機，其特征在于它包括第一液壓缸(1)、底板(2)、第一導軌(3)、立柱(4)、滑塊連接板(5)、橫梁(6)、扭矩傳感器(7)、液壓馬達(8)、主軸箱體(9)、主軸(10)、轉速傳感器(11)、工作臺(13)、第三液壓缸(14)、第三導軌(15)、滑板(16)、第二導軌(17)、第二液壓缸(19)、第一壓力傳感器(20)，第一液壓缸(1)內設有第一壓力傳感器(20)，轉速傳感器孔處的主軸上設有轉速測量標識，轉速傳感器(11)與主軸箱體(9)固定連接；扭矩傳感器(7)由扭桿(28)和兩個扭矩測量壓力傳感器(29)構成。本發明可以實現工具的鉆、鋸、磨三種功能，可檢測超硬工具工作時的轉矩、鉆孔速度、鉆進壓力參數。
文檔編號G01M99/00GK101021466SQ200710051619
公開日2007年8月22日 申請日期2007年3月5日 優先權日2007年3月5日
發明者李波, 吳來杰, 李鵬翔, 楊展 申請人:中國地質大學(武漢)