Интенсивное развитие приборостроения в космонавтике, ракетной технике и в ряде других областей выдвигают задачу обеспечения надёжной работы подвижных узлов исполнительных механизмов приборов в экстремальных условиях (вакуум, высокая температура, интенсивное излучение, высокие контактные нагрузки и т.д.).
Проблема повышения надёжности исполнительных механизмов приборов в таких условиях тесно связана с вопросами триботехники, с исследованиями контактного взаимодействия взаимно перемещающихся твёрдых тел, в результате которого в зоне контакта возникают силы трения. Современная трибология располагает рядом фундаментальных теоретических и экспериментальных закономерностей, которые, безусловно, могут позволить в ближайшие годы успешно решать задачи в области сухого трения [1]. На сегодняшний день особое внимание уделяется таким разделам и направлениям трибологии и триботехники, как:
- разработка научных основ и практических рекомендаций, необходимых для создания износостойких антифрикционных материалов, новых технологий упрочнения и нанесения покрытий;
- создание и оптимальное использование универсальных и целевых установок машин трения при исследованиях по трибологии и в практических задачах триботехники для оценки и выбора оптимальных материалов в конкретных служебных условиях.
В последние годы ведущими производителями научно-исследовательского оборудования были разработаны высокоточные приборы, предназначенные для количественного измерения и комплексной интерпретации физико-механических и трибологических свойств наноструктурированных поверхностей объемных материалов и покрытий на микро- и наноуровне. Эти методы широко используются за рубежом, что усиливает конкурентные преимущества иностранных разработчиков при изготовлении наноматериалов, в том числе тонкопленочных.
Ключевым вопросом коммерциализации функциональных наноструктурированных покрытий и поверхностей изделий наноиндустрии является создание нормативно-методического и стандартизационного обеспечения единства измерений физико-механических и трибологических свойств [2].
Для лабораторных трибологических исследований специализированных образцов с нанесенным нанопокрытием нами разработан информационно-измерительный программно-аппаратный комплекс. Блок схема прибора изображена на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема комплекса
Комплекс питается от сети переменного тока с номинальным напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Блок питания преобразует напряжение сети в постоянные стабилизированные напряжения +12 и +5 В, необходимые для работы электродвигателя и остальных элементов. В комплексе применен типовой импульсный блок питания.
Схема электрическая принципиальная информационно-измерительного комплекса представлена на рис. 2. Значение силы трения скольжения или покоя измеряется непосредственно датчиком усилия, который представляет собой сбалансированный в отсутствии усилия тензомост. Внешнее усилие, действующее на датчик, разбалансирует тензомост, в результате чего в одной из диагоналей моста возникает напряжение, пропорциональное приложенному усилию. В другую диагональ моста непрерывно подается постоянное напряжение. Для измерения выходного напряжения датчика усилия в приборе применен 24-х разрядный дельта-сигма АЦП фирмы Analog Devices типа AD7714 (DD1). АЦП снабжен дифференциальным входом, что позволяет подавить синфазную помеху, и входом опорного напряжения. Подача части напряжения питания датчика на вход опорного напряжения АЦП (делитель R3, R4) устраняет погрешности измерения, вызванные нестабильностью напряжения питания датчика усилия. Управление и обмен данными между АЦП и контроллером ведется через интерфейс SPI. Двигатель создает тестовое усилие в режиме измерения силы трения покоя и обеспечивает движение образца в режиме измерения силы трения скольжения.
Управляющий сигнал для двигателя с контроллера идет в виде ШИМ сигнала. Этот сигнал пропускается через активный RC фильтр низкой частоты второго порядка (топология Саллена-Кея), который подавляет несущую ШИМ, оставляя только постоянную составляющую сигнала. Частотозадающие элементы фильтра R5, R8, C10, C12, активный элемент - операционный усилитель DA1.1. Сигнал после фильтра усиливается усилителем постоянного тока на элементах DA1.2, VT1, VT2. С выхода усилителя сигнал подается на двигатель.
Ток, проходящий через двигатель, проходит также и через резистор R13, создавая на нем падение напряжения. Напряжение с резистора R13 усиливается усилителем постоянного тока на операционном усилителе DA2.1. Усиленный сигнал фильтруется фильтром низкой частоты на DA2.2, R9, R10, C14, C15. После фильтра сигнал подается на встроенный в контроллер АЦП. Датчик тока двигателя позволяет контролировать исправность электрической цепи двигателя и его обмоток, а также распознать заклинивание редуктора или образца.
Датчик угловой скорости необходим для определения угловой скорости двигателя и линейной скорости образца, а также для стабилизации последней.
Датчик угловой скорости двигателя представляет собой диск с прорезями, закрепленный на оси двигателя, и щелевой оптрон. На выходе оптрона присутствует импульсный сигнал, частота которого пропорциональна угловой скорости вращения двигателя. Для передачи данных между прибором и ПК используется интерфейс RS-232. Для согласования уровней сигнала интерфейса RS-232 и логическими уровнями контроллера применена микросхема фирмы Maxim типа MAX232(DD3). В качестве контроллера в приборе применен микроконтроллер фирмы Atmel типа ATMega128-16AU (DD2). Контроллер содержит процессор, оперативную память, FLASH память для хранения программы и EEPROM память для хранения настроек прибора. После включения контроллер производит самотест, тест периферии, АЦП, датчика усилия, тест электрических цепей двигателя, тест фотодатчика. Отчет о результатах тестирования сохраняется в энергонезависимую память контроллера. После прохождения тестирования запускается основная программа. По команде с ПК, начинается измерение силы трения. На первом этапе производится измерение силы трения покоя, для этого через двигатель пропускается линейно возрастающий ток. При этом непрерывно производится измерение силы трения.
Рис. 2. Схема электрическая принципиальная информационно-измерительного комплекса
Когда датчик угловой скорости обнаруживает начало движения образца, начинается второй этап, на котором производится измерение силы трения скольжения. Для этого ток через двигатель увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута заданная скорость вращения. После этого запускается алгоритм фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), в процессе которого происходит синхронизация фазы сигнала фотодатчика и внутреннего образцового генератора, в результате чего частоты этих сигналов становятся точно равными. Это обеспечивает строго равномерное движения образца и исключает погрешности измерения, связанные с ускорением или наличием вязкого трения. Результаты измерения выводятся на ПК в виде графиков. Выводится усредненное значение силы трения скольжения, среднеквадратическое отклонение, коэффициент трения, сила трения покоя.
Работа выполнена в рамках Программы фундаментальных исследований МОН РК. Грант 1034 ФИ.
Рецензенты:
Фешин Б.Н., д.т.н., профессор, декан электромеханического факультета Карагандинского государственного технического университета, Караганда;
Брейдо И.В., д.т.н., профессор, зав. кафедрой автоматизации производственных процессов Карагандинского государственного технического университета, Караганда.
Работа поступила в редакцию 14.06.2011.