一种在线动态视觉磨痕分析实验装置及方法与流程

本公开属于摩擦界面磨痕分析领域，具体涉及一种在线动态视觉磨痕分析实验装置及方法。

背景技术：

机械设备中，运动部件的磨损是制约其寿命和运行成本的关键因素，运动部件在发生磨损后会留有磨痕。磨痕携带有大量关于磨损的信息，通过对磨痕进行分析可以得到关于运动部件磨损的情况及其失效的原因。常见的磨痕分析都是在运动部件失效以后对磨痕进行离线分析，无法在部件运动的过程中在线监控磨痕的发展及磨损状况。因此，有必要对运动部件的磨损进行在线监控和分析。现有的在线分析方法大都是通过对磨粒的监测来间接反映接触界面的磨损状况，如在线铁谱法，同位素法、荧光标记法等，但这些方法都无法精确反映接触界面的磨损状况，而且测量范围有限；同时，这些方法所测量结果都存在一定的滞后性。因此，有必要对磨痕进行在线图像采集和分析。现有在线磨痕采集是通过将图像采集装置固定在运动部件上进行图像采集，这样会改变摩擦副的实际接触条件，所测结果与实际情况会有一定程度的偏差。同时，运动部件的振动也会对图像采集装置产生一定的影响，使得结果不准确。为了更好的监控和分析摩擦副在实际运行过程中磨痕的发展与变化，有必要设计一种新型的实验装置来对磨痕进行监控和分析。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本公开的目的在于提供一种在线动态视觉磨痕分析实验装置及方法，能够在不改变摩擦副实际运行状况的条件下，实现对摩擦系数和磨痕的在线采集和分析。

本公开的目的是通过以下技术方案予以实现的：

一种在线动态视觉磨痕分析实验装置，包括：基座，设置于所述基座上的一维水平电动位移台、可升降电动位移台和第二三维电动位移台；其中，

所述一维水平电动位移台上设置有基体夹具，用于夹持摩擦基体；

所述可升降电动位移台上设置有加载机构，

所述加载机构上设置有夹具，用于夹持摩擦球；

所述第二三维电动位移台上设置有卡具，

所述卡具上设置有支架，用于调节环形光源的位置和高度，

所述卡具上还设置有图像采集模块，所述图像采集模块位于所述环形光源中间圆孔的正上方，用于捕捉所述摩擦基体上的待测样品与所述摩擦球在摩擦过程中产生的磨痕。

优选的，所述一维水平电动位移台包括：

左右支架，所述左右支架固定在所述基座上；

左右导轨，所述左右导轨固定在所述左右支架上；

位移台，所述位移台沿所述左右导轨滑动；

第二步进电机，所述第二步进电机通过第二丝杆与所述位移台相连，通过第二丝杆带动所述位移台作往复运动；

中间支架，所述中间支架用于固定所述第二步进电机。

优选的，所述可升降电动位移台包括：

底座，

第一步进电机，设置于所述底座的顶端；

升降滑块，通过支撑轴与所述底座相连，并通过第一丝杆沿支撑轴上下滑动；

联轴器，用于连接所述第一步进电机和所述第一丝杆。

优选的，所述第一步进电机通过带动所述第一丝杆使所述升降滑块沿所述支撑轴滑动。

优选的，所述加载机构包括：

悬臂梁，所述悬臂梁包括带有内螺纹孔的后连接块、前连接块及用于连接所述后连接块和所述前连接块的中间片梁；

保护套，所述保护套覆盖于所述中间片梁上；

压力传感器，所述压力传感器固定于所述后连接块的前端底部，用于测量所述摩擦球与置于所述摩擦基体上的待测样品之间的载荷；

应变片，所述应变片紧贴于所述中间片梁的两侧，用于采集所述摩擦球所受摩擦力信号。

优选的，所述应变片与所述中间片梁的变形量相同。

优选的，所述支架包括第一金属杆、第二金属杆、第三金属杆和连接板，所述第一金属杆与所述第二金属杆、第三金属杆及所述连接板依次通过转动副连接。

本公开还提供一种在线动态视觉磨痕分析实验方法，包括如下步骤：

s100：驱动可升降电动位移台使摩擦球与置于摩擦基体上的待测样品接触产生载荷，当载荷达到预设值，启动一维水平电动位移台带动摩擦基体进行往复运动；

s200：采集摩擦球所受摩擦力信号并上传至上位机；

s300：调整图像采集模块至环形光源中心圆孔正上方对摩擦球摩擦产生的磨痕进行图像采集；

s400：恢复可升降电动位移台与一维水平电动位移台至初始位置，更换待测样品和摩擦球，重复执行步骤s100-s300。

优选的，步骤s100中，所述载荷的大小通过压力传感器测得。

优选的，步骤s200中，所述摩擦力信号通过应变片采集。

与现有技术相比，本公开带来的有益效果为：

1、通过将图像采集模块集成到摩擦磨损试验机上，不会对运动部件产生影响，能够确保测试结果与实际情况一致；

2、实时动态的对摩擦过程中产生的磨痕进行记录和分析，能够精确反映接触界面的磨损状况。

附图说明

图1是一种在线动态视觉磨痕分析实验装置的结构示意图；

图2是一维水平电动位移台的结构示意图；

图3是可升降电动位移台结构示意图；

图4是加载机构结构示意图；

图5是环形光源与其支架的结构示意图；

图6是一种在线动态视觉磨痕分析实验的方法流程图。

图中标记说明如下：

1、基座；2、第二三维电动位移台；3、卡具；4、图像采集模块；5、支架；501、第一金属杆；502、第二金属杆；503、第三金属杆；504、连接板；6、环形光源；7、可升降电动位移台；701、第一步进电机；702、联轴器；703、底座；704、支撑轴；705、升降滑块；706、第一丝杆；8、加载机构；801、保护套；802、悬臂梁；802-1后连接块；802-2中间金属片梁；802-3前连接块；803、压力传感器；804、应变片；9、摩擦球夹具；10、摩擦基体；11、一维水平电动位移台；1101、左右导轨；1102、左右支架；1103、第二步进电机；1104、中间支架；1105、第二丝杆；1106、位移台；12、基体夹具；1201、固定夹具；1202、活动夹具；13、摩擦球。

具体实施方式

下面参照附图1至图6和实施例对本公开的技术方案进行详细说明。

参见图1，一种在线动态视觉磨痕分析实验装置，包括：基座1，设置于所述基座1上的一维水平电动位移台11、可升降电动位移台7和第二三维电动位移台2；其中，

所述一维水平电动位移台11上设置有基体夹具12，用于夹持摩擦基体10；

所述可升降电动位移台7上设置有加载机构8，

所述加载机构8上设置有夹具9，用于夹持摩擦球13；

所述第二三维电动位移台2上设置有卡具3，

所述卡具3上设置有支架5，用于调节环形光源6的位置和高度，

所述卡具3上还设置有图像采集模块4，所述图像采集模块4位于所述环形光源6中间圆孔的正上方，用于捕捉所述摩擦基体10上的待测样品与所述摩擦球13在摩擦过程中产生的磨痕。

上述实施例通过驱动可升降电动位移台7使由夹具9夹持的摩擦球13与设置于摩擦基体10上的待测样品缓慢接触产生载荷，当载荷达到预设值时，启动一维水平运动位移台11带动摩擦基体10进行往复运动，从而实现摩擦球13与待测样品之间的滑动摩擦。

在摩擦球13与摩擦基体10相对运动时，通过应变片804采集记录摩擦球13所受到的摩擦力信号并上传至上位机。同时，调整图像采集模块4至环形光源6中心圆孔正上方，实时地对摩擦球13摩擦产生的磨痕进行图像采集，然后通过上位机对磨痕宽度进行分析。

上述实施例将图像采集模块4集成到摩擦磨损试验机上，图像采集模块4不会对运动部件产生影响，能够克服现有技术中由于将图像采集装置固定在运动部件上而改变摩擦副的实际接触条件导致测量结果与实际情况产生偏差的缺点。进一步的，上述实施例不仅可以实现对摩擦过程中磨痕的实时记录和分析，而且可以实现对摩擦系数的实时记录和监控。利用上述实施例所述技术方案所采集到的磨痕图像以及所测得的摩擦系数能够最大限度的反应摩擦过程中的实际情况，从而能够为准确分析运动部件的磨痕及磨损提供有效、可靠的数据。

另一个实施例中，如图2所示，所述一维水平电动位移台11包括：

左右支架1102，所述左右支架1102固定在所述基座1上；

左右导轨1101，所述左右导轨1101固定在所述左右支架1102上；

位移台1106，所述位移台1106沿所述左右导轨1101滑动；

第二步进电机1103，所述第二步进电机1103通过第二丝杆1105与所述位移台1106相连，通过第二丝杆1105带动所述位移台1106作往复运动；

中间支架1104，所述中间支架1104用于固定所述第二步进电机1103。

该实施例中，第二步进电机1103通过第二丝杆1105能够带动位移台1106作往复运动，进而带动摩擦基体10作往复运动。

另一个实施例中，如图3所示，所述可升降电动位移台7包括：

底座703，

第一步进电机701，设置于所述底座703的顶端；

升降滑块705，通过支撑轴704与所述底座703相连，并通过第一丝杆706沿支撑轴704上下滑动；

联轴器702，用于连接所述第一步进电机701和所述第一丝杆706。

另一个实施例中，所述第一步进电机701通过带动所述第一丝杆706使所述升降滑块705沿所述支撑轴704滑动。

该实施例中，第一步进电机701带动第一丝杆706转动，使得与第一丝杆706配合的升降滑块705沿支撑轴704上下滑动，从而实现摩擦球13与待测样品之间载荷的加载。

另一个实施例中，如图4所示，所述加载机构8包括：

悬臂梁802，所述悬臂梁802包括带有内螺纹孔的后连接块802-1、前连接块802-3及用于连接所述后连接块802-1和所述前连接块802-3的中间片梁802-2；

保护套801，所述保护套801覆盖于所述中间片梁802-2上；

压力传感器803，所述压力传感器803固定于所述后连接块802-1的前端底部，用于测量所述摩擦球13与置于所述摩擦基体10上的待测样品之间的载荷；

应变片804，所述应变片804紧贴于所述中间片梁802-2的两侧，用于采集所述摩擦球13所受摩擦力信号。

该实施例中，应变片804与中间片梁802-2的变形量相同，由于应变片804的压阻效应，当应变片804发生形变时，其电阻也会变化，在电压不变的情况下，记录应变片804输出的电流信号a，可获得应变片804的变形量，即中间片梁802-2的变形量。需要说明的是：由于应变片输出的电流信号a与所受到的力成正比，因此利用公式f＝0.0176*a，计算应变片以及中间片梁802-2所受到的横向力，即可获得摩擦球13在摩擦过程中所受到的摩擦力f。

进一步需要说明的是，通过压力传感器803测量可得摩擦球13与摩擦基体10之间的载荷n，将摩擦力f与载荷n代入公式即可获得摩擦球13在摩擦过程中的摩擦系数μ。对摩擦过程中摩擦系数的记录和监控，将所得摩擦系数和采集到的磨痕图片相结合即可实现对整个摩擦过程的监控和分析。

另一个实施例中，参见图5，所述支架5包括第一金属杆501、第二金属杆502、第三金属杆503和连接板504，所述第一金属杆501与所述第二金属杆502、第三金属杆503及所述连接板504依次通过转动副连接。

该实施例中，可通过手动调节支架5使环形光源6的中心圆孔位于图像采集模块4的正下方，环形光源6的光线便能够照射到摩擦产生的磨痕上，利于图像采集模块4的采集。

另一个实施例中，如图6所示，本公开还提供了一种在线动态视觉磨痕分析实验的方法，包括如下步骤：

s100：驱动可升降电动位移台7带动加载机构8使摩擦球13与置于摩擦基体10上的待测样品接触产生载荷，当载荷达到预设值，启动一维水平电动位移台11带动摩擦基体10进行往复运动；

该步骤中，利用步进电机701驱动可升降电动位移台7，从而带动加载机构8向下运动，并使位于加载机构8下端的摩擦球13与置于摩擦基体10上的待测样品接触产生载荷，通过压力传感器803对载荷进行测量并通过上位机显示，当载荷达到预设值时，启动一维水平电动位移台11带动摩擦基体10进行往复运动并与摩擦球13发生相对运动，摩擦副之间有摩擦力产生。

s200：采集摩擦球13所受摩擦力信号并上传至上位机；

该步骤中，在摩擦球13与摩擦基体10的摩擦过程中，采集摩擦球13所受摩擦力信号并上传至上位机。

s300：调整图像采集模块4至环形光源中心6圆孔正上方对摩擦球13与摩擦基体10之间摩擦产生的磨痕进行实时图像采集；

该实施例中，图像采集模块4所采集的图像上传至上位机，通过上位机对磨痕宽度进行分析。

s400：恢复可升降电动位移台7与一维水平电动位移台11至初始位置，更换待测样品和摩擦球13，重复执行步骤s100-s300。

该步骤中，待磨痕图像采集完毕后，恢复可升降电动位移台7与一维水平电动位移台11至初始位置，可将摩擦球13和待测样品之间的载荷卸掉，更换待测样品和摩擦球13，并重复执行步骤s100-s300。

另一个实施例中，所述载荷的大小通过压力传感器803测得。

该实施例中，通过压力传感器803感受载荷信号，并按照一定的规律将载荷信号转换为电信号。

另一个实施例中，所述摩擦力信号通过应变片804采集。

该实施例中，所述应变片804能够将被测件上的应变变化转换成为电信号，通常将应变片804通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，应变片804也一起产生形变，使应变片804的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。

以上仅是本公开的部分实施例，并不用于限制本公开的发明构思，本领域的技术人员可以在不脱离本公开发明构思的原则下进行一定替换和变形，但均应该落入本公开的保护范围。