Design of Normal Force Control System for a Pin-on-Disk Tribometer including Active and Passive Suppression of Vertical Vibrations

Abstract

Original scientific paperThis paper presents the design of a computer-controlled pin-on-disk tribometer for friction characterization of various friction sliding pairs. The tribometer setup comprises two high-bandwidth servomotors for the control of the rotating disk and the normal load-related spindle drive, as well as a high-precision tri-axial piezoelectric force sensor for normal and tangential forces measurement. Since the spindle drive system is characterized by notable compliance effects, the normal force cascade control system is designed with the aim of vertical vibrations active damping. In order to compensate for the unevenness of the rotating disk surface and associated high-level perturbations in the specimen normal force, the normal force control system is extended with a feedforward compensator of the disk unevenness disturbance, and a dedicated leaf spring suspension system is designed. The effectiveness of the proposed system of vertical vibrations damping is verified experimentally.Key words: Vibration suppression, Normal force control, Pin-on-disk tribometer Projektiranje sustava regulacije vertikalne sile tribometra s uzorkom na disku uključujući aktivno i pasivno prigušenje vertikalnih vibracija. Učlanku je prikazan dizajn računalom upravljanog tribometra s uzorkom na disku za karakterizaciju različitih kliznih parova. Postav tribometra sadrži dva električna servomotora visokih dinamičkih performansi koji se koriste za regulaciju rotacijskog diska i navojnog vretena za generiranje normalne sile, te tro-osni piezoelektrični senzor za mjerenje normalne i tangencijalne sile. Kako je pogon navojnog vretena karakteriziran značajnom elastičnošću, kaskadni sustav regulacije sile je projektiran s ciljem aktivnog prigušenja vertikalnih vibracija. U svrhu kompenzacije značajnih neravnina površine rotacijskog diska i s njima povezanih velikih amplituda perturbacija normalne sile na uzorak, sustav regulacije normalne sile proširuje se unaprijednim kompenzatorom poremećaja uslijed neravnina površine diska, te za tu svrhu namijenjenim sustavom ovjesa s lisnatim oprugama. Učinkovitost predloženog sustava za prigušenje vertikalnih vibracija provjerena je eksperimentalnim putem.Ključne riječi: prigušenje vibracija, regulacija vertikalne sile, tribometar s uzorkom na disku