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一機通測：HEIDON新東科學14FW表面特性測量機的技術架構與多參數測試能力

2026-4-30　　閱讀(154)

摘要

14FW是日本HEIDON（新東科學）株式會社旗下表面特性測量機中的全能型號，在單一設備中集成了摩擦系數、劃痕硬度、表面黏度、薄膜附著力、剝離阻力等多種表面性能的測試功能，以模塊化設計實現了標準兼容與擴展。

本文從產品定位、機械結構、力值傳感系統、驅動與傳動設計、核心測試能力、標準兼容性及典型應用場景等多個維度展開系統解析。

關鍵詞：HEIDON 14FW；表面特性測量機；摩擦系數；劃痕硬度；JIS K5600

第一節引言：材料測試核心難題

在材料研發與質量管控實踐中，表面性能的評估往往需要在摩擦、劃痕、附著、剝離等多個測試維度間切換——每增加一個新的測試需求，就意味著增加一臺專用設備和相應的操作成本。

如何用更少的設備覆蓋更多的表面性能測試需求？如何在保證測試精度和標準合規性的前提下，實現不同測試功能的快速切換與整合？

HEIDON 14FW正是對這一系列問題的技術回應。它通過模塊化的附件體系與精密化力值測量系統的組合設計，在一臺設備上實現了從摩擦系數測試到劃痕硬度評估、從表面黏度測量到薄膜附著力評價的全維度覆蓋。

“表面特性測量機"這一命名本身即傳達了產品的設計理念——不是摩擦試驗機的簡單升級，而是以表面性能綜合表征為目標的全功能平臺。

HEIDON（新東科學）是深耕摩擦學與材料性能測試領域的專業制造商，其產品線覆蓋摩擦磨損試驗機、表面特性測量機、便攜式摩擦計、攪拌器等多個品類，在材料測試儀器領域長期保持著穩健的工程聲譽。

第二節產品定位與技術架構

14FW在HEIDON表面特性測量機家族中的技術定位相當明確——面向多參數、多標準、多場景的綜合型表面性能測試平臺。

2.1 產品命名中的技術密碼

FW是該型號關鍵的標識字母，代表無電刷直流伺服電機（FW Type）。無刷直流伺服電機在同體積下比有刷電機輸出更大扭矩的動態密度更高，且在整流換向時無電刷與換向器的摩擦火花，在實驗室易燃溶劑環境中是一項重要的安全增益。

2.2 型號版本的演進定位

HEIDON表面性能試驗機家族存在TYPE:14與TYPE:14FW兩個型號版本。兩者的關系是核心結構同源、功能趨同——在動力傳輸與傳感器布置架構一致的基礎上，通過細節優化實現性能提升。因此，14FW可以被理解為TYPE:14系列中面向更高精度、更廣測試需求的增強型版本。

2.3 與競品機型的差異定位

市場上常見的摩擦磨損試驗機、劃痕硬度試驗機、附著力測試儀多為專用化設計——一臺設備只服務一項指標。14FW在單一架構內完成多項測試的轉換只需更換適配器，對不同測試指標之間的交叉關聯研究提供了天然數據一致性——同一樣品在同一設備、同一傳感器體系下的摩擦系數與劃痕硬度，消除了跨設備測試中因傳感器校準差異引入的不確定性。

選用14FW還是專用機型適用于兩種不同的策略邏輯：當研發任務涵蓋多種表面性能且對樣本量、交叉驗證有較高要求時，14FW的整合能力將顯著提升實驗室的測試效率和數據密度；當測試需求高度聚焦于單一指標且測試量極大時，專用機型的簡單自動化可能具備更高的單位工時產出。

第三節機械結構：精度的物理承載

3.1 高剛性鑄鐵機身的抗振設計

14FW的機械主體采用高剛性鑄鐵材質一體成型。在摩擦力測量中，機身振動可能引發傳感器讀數的噪聲波動（即信號毛刺），降低多次測量的重復性水平。高剛性鑄鐵機身的工程意義就是通過物理質量將測試系統的抗振性能維持在高水平，使測量信號聚焦于“摩擦力"這一核心變量。

底部配備可調式水平支腳，能將工作臺水平度控制在±0.01mm/m以內——該指標有助于減輕測試頭在移動過程中因重力方向偏差引發的附加橫向力對測量結果的干擾。

3.2 精密研磨工作臺

測試平臺（工作臺）尺寸為240mm×120mm，采用精密研磨工藝加工，表面粗糙度Ra≤0.02μm——在微觀級別接近鏡面。這一設計的核心價值在于：待測樣品放置時，平臺自身表面特征的起伏不會通過樣品形變被傳感器誤判為摩擦力或劃痕阻力的異常信號（即接觸誤差）。

該工作臺可根據樣品尺寸進行微調，適配直徑5?100mm、厚度0.1?50mm的各類樣品，覆蓋從薄膜到中等厚度板材全類型。

第四節驅動與傳動系統

4.1 交流伺服電機+齒輪齒條傳動

14FW采用交流伺服電機作為動力源，配合齒輪齒條傳動方式實現移動工作臺的直線驅動。伺服電機的轉速閉環控制可確保在不同負載條件下維持移動速度穩定，精確復現標準中規定的測試條件。

移動速度范圍為5mm/min至6000mm/min——從極低速的摩擦、剝離測試到高速磨損試驗均有覆蓋，對低摩擦薄膜的靜滑動切換觀測等精細測試尤其適用。

移動距離1mm至100mm無級可調，可根據樣品尺寸與測試要求靈活配置。

4.2 兩種移動模式

模式	特點	適用場景
單一模式	完成設定距離后自動停止	一次劃痕測試、單程摩擦試驗
重復模式	設定距離往復運動，最大99999999次	疲勞磨損測試、涂層耐久性評估

在重復模式下，可通過摩擦阻力的增減實時跟蹤表面狀態變化，精確判定涂層剝離發生的臨界往復次數。

第五節力值檢測與傳感器技術

5.1 雙支點摩擦阻力傳導結構

14FW的力值檢測路徑由縱臂與橫臂組成的獨特機械結構構成。

水平臂一端設有零平衡器，用于抵消適配器自重，使初始狀態下垂直負荷歸零。另一端裝有適配器保持部和承重托盤——最多可放置1000g砝碼以添加垂直負荷。

該結構的工程邏輯是——零平衡器隔離了適配器自重對測試結果的影響，使測量只反映外部加荷產生的力。不同功能適配器（如刮針、平壓頭、輥筒等）自重不一的現象不會干擾測量基準，實現了不同模塊間的即插即用。

傳感器檢測到的摩擦力經動態應變放大器放大后，可輸出至外部記錄裝置。

5.2 測量范圍與靈敏度分檔

參數	詳情
測量范圍	0-100gf 或 0-2000gf 兩檔可切換
非線性輸出	0~±5V（±0.05% FS以內）
靈敏度切換	0/100/50/25/10% FS逐級可選
SN比	60dB（最大靈敏度）

用戶根據待測材料的摩擦力級靈活選擇測量檔位與靈敏度——強摩擦力選擇高量程、高靈敏度；弱摩擦力選擇低量程、啟用最高放大倍數將信號動態范圍調節到合適分析區間。

5.3 低通濾波器與電磁兼容設計

配備四檔低通濾波器（1Hz、10Hz、100Hz、PASS直通）。低通濾波器用于在測量信號存在高頻背景噪聲時做平滑處理——發動機電刷噪聲、外部電磁干擾信號經濾波后去除，使輸出曲線更清晰平滑。

此外，內置高頻雜音防止電路，確保設備在密集儀器環境中自動抵抗電磁干擾不出現誤動作。

第六節觸摸屏操作與數據記錄

6.1 易用觸摸屏與信號輸出

操作與顯示部分采用觸摸屏。觸摸屏內置了頻繁使用的參數組（移動速度、往復次數等），操作者數步即可完成試驗條件設定并開始測試。數據導出支持兩個路徑：用戶可通過0~±5V模擬電壓輸出外接記錄儀描繪實時測試曲線（對變載過程的摩擦力爬升行為分析尤其適用）；或接入選配TriboSoft摩擦磨損解析軟件進行數據存儲與分析。

6.2 粘滑振動觀測與數據處理

在低速滑動摩擦實驗中，測得的摩擦力曲線常呈現大幅震蕩——這在摩擦學中被稱為 “粘滑振動" （Stick-Slip Phenomenon）。通過外接數據記錄儀，14FW能夠清晰捕捉這些特征波形。選配TriboSoft后，可完成平均動摩擦系數運算、摩擦力-時間/位移曲線繪制等分析工作，該軟件也避免了人工讀取平均摩擦力時因取樣位置不同引入的操作者誤差。在靜摩擦與動摩擦的準確測定中，該軟件的價值不可替代。

6.3 環境適應性擴展

標配使用環境為0～50℃、85%RH以內不結露。選配熱板后可在加熱環境中進行試驗；配合Y軸方向移動臺擴展多點測試能力；還可選配油浴、冷卻裝置或環境箱，實現高溫、低溫及液體環境下的摩擦磨損試驗。

第七節多功能測試能力詳解

14FW的核心優勢是多功能整合——通過更換不同適配器，同一臺主機覆蓋全面的表面性能測試。

7.1 靜摩擦系數與動摩擦系數測量

利用面壓、線壓、點壓三種接觸形式，可依據ASTM D1894等標準測定靜摩擦系數與動摩擦系數。工作原理為：將試樣固定于移動工作臺，摩擦頭以特定負荷壓緊并滑動。傳感器采集阻力數據計算μ=Ff/Fn。由于可選擇面壓（接觸表面）、線壓（線接觸件）、點壓（點接觸件）三種接觸形式及樣品組合，14FW可模擬從面膜摩擦到手接觸角等真實場景。

7.2 表面刮痕硬度測量（JIS K5600）

向圓錐形刮針施加指定垂直負荷，通過刮痕幅度來表征刮痕硬度。還可進行鉛筆刮痕強度測試，以不同硬度鉛筆芯在樣品表面滑動——正好劃過而未傷及涂層的鉛筆編碼即表示涂層的抗刮擦等級。

7.3 表面黏度測量

安裝由軸承支撐的不銹鋼輥筒，根據輥筒在樣品表面的滾動阻力將表面黏度數值化。在油墨干燥度評價、曲面膠粘劑的時間進程觀測等場景中，輥筒法比標準摩擦頭更直觀表征表面觸變行為。

7.4 磨損過程的實時監測

在重復模式下，實時追蹤摩擦阻力變化曲線——曲線從平穩到波動轉折的區間即代表表面狀態發生變化或涂層開始出現剝離的臨界點（臨界往復次數）。這一特征在評估表面涂層耐久性時是重要的失效指標。

7.5 薄膜粘著力測量

逐步增加刮針的垂直載荷，記錄劃痕阻力的連續變化曲線。薄膜粘著力以臨界載荷量化——劃痕阻力出現劇烈變化或薄膜開始大面積剝離的載荷點即為涂層失效閾值。

7.6 剝離阻力測量（JIS P8139）

依據JIS P8139標準，進行180°剝離及T型剝離強度試驗，測定粘著帶、紙板貼合層等的剝離阻力。對包裝材料供應商而言，該功能是表征紙箱封口、標簽附著可靠性的實用性工具。

核心提醒：部分功能（刮痕、剝離等）可能需要單獨的測量夾具或選配組件才能實現，標準狀態下主機默認測量功能為直線往復摩擦測試。

第八節標準兼容性與合規認證

14FW在標準兼容性方面覆蓋多項JIS與ASTM指標。

標準編號	測試內容	說明
JIS K7125	塑料薄膜與片材摩擦系數試驗方法	建立標準化摩擦性能數據庫
JIS K5600	涂料刮痕硬度測試方法	圓錐形刮針法測定涂層硬度
JIS P8139	剝離強度試驗方法	180°及T型剝離
JIS L0849 I型	摩擦牢度試驗	織物印制墨水附著力評價
JIS K7317:2022	塑料功能薄膜劃痕硬度測定方法	2022年新版，更新薄膜表征
ASTM D1894	塑料薄膜與片材靜動摩擦系數測試	國際通用摩擦系數標準
JBMS-88	紙張摩擦力評估紙粉量方法	造紙行業紙塵污染表征