復合材料各向異性摩擦特性測試實驗裝置改進設計

姚 良，渠聚鑫，姚曉光，李鴻斌

（1. 西京學院 機械工程學院，陜西 西安 710123；2. 西安索?？萍加邢薰?，陜西 西安 710118）

各向異性是復合材料的顯著特征[1]。在冷發射導彈武器系統中，發射筒由復合材料制成，導彈向發射筒內裝填和彈射出筒時，復合材料的各向異性摩擦特性會使得導彈在發射筒內的軸向運動產生沿周向的偏離，從而影響導彈裝填或發射時導彈姿態控制的精度[2]。為了對這種周向偏離進行可靠的預測和控制，需要準確測量出發射筒用復合材料的各向異性摩擦特性，也就是復合材料板平面內與鋪層方向成 0°、45°、90°、135°和180°方向上的摩擦因數。

基于上述研究需求，文獻[1]設計了一種復合材料摩擦因數測試實驗臺，該實驗臺采用拉桿牽引承載試板做單向運動，回程不做測試；若要重新測試復合材料不同方向上的摩擦因數，需要取出板材，手動測量安裝角度后再加固完成。操作過程復雜，測試時間較長，且只能滿足單一速度、單一載荷條件的摩擦因數測試。

為了提高測試效率，并滿足不同載荷、速度和復合材料放置角度可設置的要求，本文改進設計了一種復合材料各向異性摩擦特性測試裝置。

1 設計需求

為了全面研究復合材料鋪層方向、載荷大小及運動速度對摩擦因數的影響，裝置的總體設計要求包含功能和性能兩個層面。在功能層面上，要求裝置可以設置不同推塊重量、推塊運動速度、復合材料放置角度的實驗狀態；能夠準確控制推塊在復合材料板上雙向勻速運動，并測量推力，從而計算得到相應的摩擦因數。以復合材料與實驗臺面平行安裝且其前端朝向電動缸為0°安裝位置，復合材料板在實驗臺面上的放置角度可分別設置為 0°、45°、90°、135°和 180°。推塊由一組砝碼組成，重量可組合為20、25、30、35、40和50 kg。在性能層面上，要求對拉力的測量誤差小于1 N，推塊最高運動速度不小于3 m/min。

根據上述需求，測試裝置設計主要包括機械本體設計、測控單元設計及主要設備選型、測控軟件開發三個方面。

2 機械本體設計

測試裝置主要由電控箱、電動缸、水平實驗臺面、滑軌組、導軌組、配重推塊和力傳感器等組成，如圖1所示。電動缸包括伺服電機和絲杠，兩者直連?；壗M包括靜滑軌和動滑軌。靜滑軌與電動缸缸筒固連在實驗臺面上；動滑軌一側與絲杠固連，另一側通過力傳感器與配重推塊固連，工作時動滑軌由絲杠帶動做水平直線運動。臺面兩側的導軌起到給動滑軌運動進行導向的作用。實驗臺面上放置復合材料板，推塊底部粘接聚四氟乙烯材料，模擬導彈支撐環與復合材料發射筒之間的摩擦環境。配重推塊是一組可疊加組合的砝碼，由一個20 kg基座、兩個10 kg砝碼和兩個5 kg砝碼組成，可組合出設計需求中的載荷。

圖1 復合材料摩擦特性測試裝置俯視圖

實驗臺面采用普通結構鋼板進行銑制，如圖2所示。其中，電動缸安裝位設計為可調節的安裝孔位，用于安裝過程中電動缸支撐位置的微小調整；線纜孔用于穿過電源線及數據線等線纜；滑動導軌安裝位設計為等間距的三個位置安裝位，可滿足不同長度的導軌安裝；復合材料板頂起孔的設計目的是在移動或者轉動復合材料板時，從實驗臺面下方將其頂起，方便操作；復合材料板放置位是兩個中心重合且 45°交叉的正方形凹槽，用于放置復合材料板，同時可以按照45°、90°、135°和 180°的方式進行調整，以滿足摩擦實驗的要求。

圖2 摩擦特性實驗臺面

推塊被動滑軌推動在水平實驗臺面上勻速運動時，根據牛頓運動定律，力傳感器對推塊的推力F等于推塊所受摩擦力f，即F=f；設m為推塊質量，支撐力N等于推塊的重力G，即N=G=mg；根據庫倫摩擦定理，摩擦力等于摩擦因數μ與N之積，即f=μN。綜合可得

式中，F由力傳感器測量得到。當力傳感變送器被標定為質量單位kg時，以F′表示拉壓力傳感變送器測量結果。此時，式（1）可表示為

因此，μ可計算如下：

3 測控單元設計及主要設備選型

測控單元控制電動缸推動推塊按照給定速度勻速運行，并同步采集拉壓力傳感器的實時推拉力。電動缸在運行時，絲杠不能越過上下機械限位。測控單元工作流如圖3所示，力傳感器和伺服電機驅動器通過USB轉RS485通信接口連接至計算機，上、下限位接近開關和編碼器連接至伺服驅動器上的相應接口。

電動缸和拉壓力傳感器是本測量裝置的主要設備。根據推塊質量、復合材料摩擦因數和測量精度要求，拉壓力傳感器選擇西安新敏電子公司的數字量輸出型拉壓力傳感器 MS-1，配套變送器為RS485接口的BSQ-1-485，測量數據以IEEE 754浮點數標準[3]表示，采用Modbus RTU協議進行數據傳輸。該傳感器的量程為0～30 kg，整體精度為0.9 N。

圖3 測控單元工作流關系圖

絲杠與伺服電機直連，所試驗復合材料的摩擦因數小于0.1，根據推塊最大載荷重量為50 kg，可計算出絲杠端所需扭矩，再根據機械效率，可反算出電機扭矩需求。另外，根據推塊的最高速度可換算出電機的最高轉速需求。推塊直線速度最高為 3 m/min，即50 mm/s。根據承載需求，初步選定絲杠直徑為20 mm、導程為5 mm的滾珠絲杠副作為電動缸的傳動機構，機械效率取為0.8。記Ph為絲杠導程，單位為mm；V為電動缸直線速度，單位為mm/s；n絲杠為絲杠轉速，單位為r/min；n電機為電機轉速，單位為r/min；T電機為電機扭矩，T絲杠為絲杠扭矩，單位均為N?m；則電機轉速和扭矩需求計算如下：

根據上述計算結果，選擇上海冀望 SEA802-786型電動缸，該電動缸有效行程 800 mm，額定速度167 mm/s。其中的電機為臺達 ECMA-C10602SS，額定轉速為 3 000 r/min，配套伺服電機驅動器型號為ASD-A2-0221-L。

4 測控軟件開發

軟件功能包括對電動缸的定速控制和拉壓力傳感器的實時數據采集，均使用VB6程序開發。上位機控制電動缸及采集力傳感器數據均采用串口通信，通信協議采用Modbus RTU協議，力傳感器的推力值采用IEEE 754浮點數標準編碼。因此，測控軟件主要包括定長信息幀的串口收發、Modbus消息幀CRC校驗、IEEE 754浮點數解碼和采集數據的實時顯示。其中，Modbus消息幀CRC校驗和IEEE 754浮點數解碼是軟件設計的核心。

4.1 Modbus消息幀CRC校驗

RTU模式Modbus消息幀的典型格式如表1所示。

表1 RTU模式Modbus消息幀格式

上位機是主設備，力傳感器和伺服電機驅動器是從設備。主設備與從設備通信時，將從設備地址放入消息幀中的地址域以選通從設備，從設備回應時將自己的地址放入回應消息幀的地址域中，以便主設備識別和區分從設備。為了減小數據傳輸錯誤，標準的Modbus串行網絡采用幀檢測方式對消息幀進行錯誤檢測，它們都是在消息發送前由消息源設備產生的，Modbus協議[4]中 RTU模式的 CRC-16生成多項式為A001，CRC域是兩個字節，即16 b的二進制值，它由傳輸設備計算后加入到消息中，接收設備重新計算收到消息的 CRC，并與收到的 CRC域中的值比較，如果兩值不同則有誤，不予執行，要求源設備重新發送消息?；赩B6的CRC校驗函數代碼如圖4所示。

圖4 CRC校驗函數代碼

4.2 IEEE 754浮點數解碼

拉壓力傳感器采用IEEE 754標準的32 b浮點數格式對采集的拉壓力數據進行編碼，上位機接收到拉壓力傳感器反饋的實時推力后，需要進行反向解碼才能得到實際的推拉力。IEEE 754標準的32 b浮點數格式如圖5所示。

其中，數符S為1 b二進制數，0代表正，1代表負；階碼為8 b二進制數，以2為底，階碼=階碼真值+127；尾數為23 b二進制數，采用隱含尾數最高位為1的表示方法，因此，實際尾數為24 b，尾數真值=尾數+223。綜上，這種格式的非0浮點數真值可表示為

圖5 IEEE 754標準32 b浮點數格式

將接收的浮點數格式的四個字節轉換為實際的數字的VB程序代碼如圖6所示。

圖6 CRC校驗函數代碼

5 運行情況

裝置實物如圖7所示，相應的測控軟件界面如圖8所示。

圖7 復合材料摩擦特性測試裝置實物圖

圖8 測控軟件界面

對照實驗測試表明，推塊速度為10 mm/s時，使用原復合材料摩擦特性測試實驗臺完成0°、45°、90°、135°和180°五種安裝角下的摩擦因數測量需要30 min，而使用本改進裝置則只需10 min。此外，本實驗裝置增加了原裝置不具備的推塊運行速度連續可調、推塊質量在一定范圍內可快速設定的功能，為復合材料各向異性特性研究提供了較好的實驗平臺。

6 結語

本文針對現有復合材料各向異性摩擦特性測試實驗裝置測試效率低的問題，對實驗臺機械本體進行了優化改造，并搭建了自動化的測控系統，用以模擬復合材料在不同安裝方向、載荷和速度下的摩擦環境，為復合材料導彈發射筒在導彈裝填及導彈出筒過程中的力學特性模擬提供了有力支撐。