复合材料各向异性摩擦特性测试实验装置改进设计

姚 良，渠聚鑫，姚晓光，李鸿斌

（1. 西京学院 机械工程学院，陕西 西安 710123；2. 西安索睿科技有限公司，陕西 西安 710118）

各向异性是复合材料的显著特征[1]。在冷发射导弹武器系统中，发射筒由复合材料制成，导弹向发射筒内装填和弹射出筒时，复合材料的各向异性摩擦特性会使得导弹在发射筒内的轴向运动产生沿周向的偏离，从而影响导弹装填或发射时导弹姿态控制的精度[2]。为了对这种周向偏离进行可靠的预测和控制，需要准确测量出发射筒用复合材料的各向异性摩擦特性，也就是复合材料板平面内与铺层方向成 0°、45°、90°、135°和180°方向上的摩擦因数。

基于上述研究需求，文献[1]设计了一种复合材料摩擦因数测试实验台，该实验台采用拉杆牵引承载试板做单向运动，回程不做测试；若要重新测试复合材料不同方向上的摩擦因数，需要取出板材，手动测量安装角度后再加固完成。操作过程复杂，测试时间较长，且只能满足单一速度、单一载荷条件的摩擦因数测试。

为了提高测试效率，并满足不同载荷、速度和复合材料放置角度可设置的要求，本文改进设计了一种复合材料各向异性摩擦特性测试装置。

1 设计需求

为了全面研究复合材料铺层方向、载荷大小及运动速度对摩擦因数的影响，装置的总体设计要求包含功能和性能两个层面。在功能层面上，要求装置可以设置不同推块重量、推块运动速度、复合材料放置角度的实验状态；能够准确控制推块在复合材料板上双向匀速运动，并测量推力，从而计算得到相应的摩擦因数。以复合材料与实验台面平行安装且其前端朝向电动缸为0°安装位置，复合材料板在实验台面上的放置角度可分别设置为 0°、45°、90°、135°和 180°。推块由一组砝码组成，重量可组合为20、25、30、35、40和50 kg。在性能层面上，要求对拉力的测量误差小于1 N，推块最高运动速度不小于3 m/min。

根据上述需求，测试装置设计主要包括机械本体设计、测控单元设计及主要设备选型、测控软件开发三个方面。

2 机械本体设计

测试装置主要由电控箱、电动缸、水平实验台面、滑轨组、导轨组、配重推块和力传感器等组成，如图1所示。电动缸包括伺服电机和丝杠，两者直连。滑轨组包括静滑轨和动滑轨。静滑轨与电动缸缸筒固连在实验台面上；动滑轨一侧与丝杠固连，另一侧通过力传感器与配重推块固连，工作时动滑轨由丝杠带动做水平直线运动。台面两侧的导轨起到给动滑轨运动进行导向的作用。实验台面上放置复合材料板，推块底部粘接聚四氟乙烯材料，模拟导弹支撑环与复合材料发射筒之间的摩擦环境。配重推块是一组可叠加组合的砝码，由一个20 kg基座、两个10 kg砝码和两个5 kg砝码组成，可组合出设计需求中的载荷。

图1 复合材料摩擦特性测试装置俯视图

实验台面采用普通结构钢板进行铣制，如图2所示。其中，电动缸安装位设计为可调节的安装孔位，用于安装过程中电动缸支撑位置的微小调整；线缆孔用于穿过电源线及数据线等线缆；滑动导轨安装位设计为等间距的三个位置安装位，可满足不同长度的导轨安装；复合材料板顶起孔的设计目的是在移动或者转动复合材料板时，从实验台面下方将其顶起，方便操作；复合材料板放置位是两个中心重合且 45°交叉的正方形凹槽，用于放置复合材料板，同时可以按照45°、90°、135°和 180°的方式进行调整，以满足摩擦实验的要求。

图2 摩擦特性实验台面

推块被动滑轨推动在水平实验台面上匀速运动时，根据牛顿运动定律，力传感器对推块的推力F等于推块所受摩擦力f，即F=f；设m为推块质量，支撑力N等于推块的重力G，即N=G=mg；根据库伦摩擦定理，摩擦力等于摩擦因数μ与N之积，即f=μN。综合可得

式中，F由力传感器测量得到。当力传感变送器被标定为质量单位kg时，以F′表示拉压力传感变送器测量结果。此时，式（1）可表示为

因此，μ可计算如下：

3 测控单元设计及主要设备选型

测控单元控制电动缸推动推块按照给定速度匀速运行，并同步采集拉压力传感器的实时推拉力。电动缸在运行时，丝杠不能越过上下机械限位。测控单元工作流如图3所示，力传感器和伺服电机驱动器通过USB转RS485通信接口连接至计算机，上、下限位接近开关和编码器连接至伺服驱动器上的相应接口。

电动缸和拉压力传感器是本测量装置的主要设备。根据推块质量、复合材料摩擦因数和测量精度要求，拉压力传感器选择西安新敏电子公司的数字量输出型拉压力传感器 MS-1，配套变送器为RS485接口的BSQ-1-485，测量数据以IEEE 754浮点数标准[3]表示，采用Modbus RTU协议进行数据传输。该传感器的量程为0～30 kg，整体精度为0.9 N。

图3 测控单元工作流关系图

丝杠与伺服电机直连，所试验复合材料的摩擦因数小于0.1，根据推块最大载荷重量为50 kg，可计算出丝杠端所需扭矩，再根据机械效率，可反算出电机扭矩需求。另外，根据推块的最高速度可换算出电机的最高转速需求。推块直线速度最高为 3 m/min，即50 mm/s。根据承载需求，初步选定丝杠直径为20 mm、导程为5 mm的滚珠丝杠副作为电动缸的传动机构，机械效率取为0.8。记Ph为丝杠导程，单位为mm；V为电动缸直线速度，单位为mm/s；n丝杠为丝杠转速，单位为r/min；n电机为电机转速，单位为r/min；T电机为电机扭矩，T丝杠为丝杠扭矩，单位均为N∙m；则电机转速和扭矩需求计算如下：

根据上述计算结果，选择上海冀望 SEA802-786型电动缸，该电动缸有效行程 800 mm，额定速度167 mm/s。其中的电机为台达 ECMA-C10602SS，额定转速为 3 000 r/min，配套伺服电机驱动器型号为ASD-A2-0221-L。

4 测控软件开发

软件功能包括对电动缸的定速控制和拉压力传感器的实时数据采集，均使用VB6程序开发。上位机控制电动缸及采集力传感器数据均采用串口通信，通信协议采用Modbus RTU协议，力传感器的推力值采用IEEE 754浮点数标准编码。因此，测控软件主要包括定长信息帧的串口收发、Modbus消息帧CRC校验、IEEE 754浮点数解码和采集数据的实时显示。其中，Modbus消息帧CRC校验和IEEE 754浮点数解码是软件设计的核心。

4.1 Modbus消息帧CRC校验

RTU模式Modbus消息帧的典型格式如表1所示。

表1 RTU模式Modbus消息帧格式

上位机是主设备，力传感器和伺服电机驱动器是从设备。主设备与从设备通信时，将从设备地址放入消息帧中的地址域以选通从设备，从设备回应时将自己的地址放入回应消息帧的地址域中，以便主设备识别和区分从设备。为了减小数据传输错误，标准的Modbus串行网络采用帧检测方式对消息帧进行错误检测，它们都是在消息发送前由消息源设备产生的，Modbus协议[4]中 RTU模式的 CRC-16生成多项式为A001，CRC域是两个字节，即16 b的二进制值，它由传输设备计算后加入到消息中，接收设备重新计算收到消息的 CRC，并与收到的 CRC域中的值比较，如果两值不同则有误，不予执行，要求源设备重新发送消息。基于VB6的CRC校验函数代码如图4所示。

图4 CRC校验函数代码

4.2 IEEE 754浮点数解码

拉压力传感器采用IEEE 754标准的32 b浮点数格式对采集的拉压力数据进行编码，上位机接收到拉压力传感器反馈的实时推力后，需要进行反向解码才能得到实际的推拉力。IEEE 754标准的32 b浮点数格式如图5所示。

其中，数符S为1 b二进制数，0代表正，1代表负；阶码为8 b二进制数，以2为底，阶码=阶码真值+127；尾数为23 b二进制数，采用隐含尾数最高位为1的表示方法，因此，实际尾数为24 b，尾数真值=尾数+223。综上，这种格式的非0浮点数真值可表示为

图5 IEEE 754标准32 b浮点数格式

将接收的浮点数格式的四个字节转换为实际的数字的VB程序代码如图6所示。

图6 CRC校验函数代码

5 运行情况

装置实物如图7所示，相应的测控软件界面如图8所示。

图7 复合材料摩擦特性测试装置实物图

图8 测控软件界面

对照实验测试表明，推块速度为10 mm/s时，使用原复合材料摩擦特性测试实验台完成0°、45°、90°、135°和180°五种安装角下的摩擦因数测量需要30 min，而使用本改进装置则只需10 min。此外，本实验装置增加了原装置不具备的推块运行速度连续可调、推块质量在一定范围内可快速设定的功能，为复合材料各向异性特性研究提供了较好的实验平台。

6 结语

本文针对现有复合材料各向异性摩擦特性测试实验装置测试效率低的问题，对实验台机械本体进行了优化改造，并搭建了自动化的测控系统，用以模拟复合材料在不同安装方向、载荷和速度下的摩擦环境，为复合材料导弹发射筒在导弹装填及导弹出筒过程中的力学特性模拟提供了有力支撑。