微摩擦测试仪机械装置设计)最终修改版

南昌航空大学科技学院学士学位论文11绪论1.1引言微机械构件表面的微摩擦不同于宏观摩擦，也不同于原子力/摩擦力显微镜探针与基片之间的微摩擦，因此，宏观或微观摩擦实验仪器对于微摩擦的研究有很大的局限。随着微机械应用日益广泛，其微摩擦学问题日渐突出．微摩擦学引发了对表面改性纳米膜(或涂层)的关注，表面微纳米膜可以大幅度降低微摩擦磨损，从而提高微机械的使用寿命，微动摩擦测试系统机械装置成为评估这些膜的必要和有效工具。本课题旨在设计一种考虑微机械工况的销盘式微摩擦测试仪与数据处理系统,采用微应变片获取摩擦力及载荷导致的变形信号，通过A/D卡采集数据，在数据处理系统中进行数据处理，从而获得微摩擦力和微载荷的数值，为微摩擦特性测试和分析提供一种手段，主要设计任务是为摩擦测试仪器机械装置的设计，我的本次毕业设计选择了微摩擦测试系统机械装置的设计的设计这个课题。1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1国内外研究现状随着我国信息科学技术的不断进步与测试水平持续提高为研制微动摩擦测试仪器提供了可行性基础。目前关于微动摩擦测试仪的常见类型有如下几种:(1)力平衡法，是用一个已知的力来平衡待测的未知力。例如，机械杠杆式测力计;文献[6]中就利用杠杆原理来实现对法向载荷的加载与测量。图1-1力平衡法测力示意图南昌航空大学科技学院学士学位论文2(2)光学反射法，是一种广泛应用于微纳米测试仪器中测量方法。图1-2光路系统原理图中科院长春光机所研制的光反射法微摩擦测试仪，由微位移进给机构、光电探测系统、数据采集处理系统组成。光电探测系统如图1-2所示，由两套激光光源、准直及聚焦透镜、硅传感器、两套CCD探测器及其机械调节系统组成。激光器1、硅传感器1及CCD1用来测量正压力，激光器2、硅传感器2及CCD2用来测量摩擦力。激光光源采用可见光半导体激光器(GaAIAsLaser，波长为670nm，功率为3mW)作为单色光源，光束经准直及聚焦透镜汇聚，入射到硅传感器上，再经硅传感器的抛光面反后照射到CCD探测器的光敏面上，得到光斑的初始位置。两硅片相互垂直安放，当两硅片受到正压力及水平摩擦力时发生偏转，反射激光也偏转相应的角度，CCD上的光斑位置也发生了相应变化。硅片的挠度反映了探针和试件间作用力大小，反映到CCD上就是光斑所在像元几何位置的变化，由此通过标定可得到正压力及摩擦力大小。实验测试结果表明，该仪器摩擦力测试满足分辨率为50微牛，量程200毫牛的技术指标，重复率约为1.3%，总精度为2.257%a(3)压电法，利用晶体的压电效应，将力转换成电荷并通过二次仪表转换成电压。1图1-3压电法测力示意图南昌航空大学科技学院学士学位论文3(4)应变片法，其原理是把检测力转变成弹性元件的应变，再利用电阻应变效应将应变转化为电阻变化，继而通过电桥进一步转换成电压信号，从而间接地测出力的大小。南昌大学机电工程学院研制的球盘式微摩擦测试仪I21I81，基于簧片和应变片，通过应变仪测量压力和摩擦力。采用二维精密平移台上下移动实现正压力的加载和测头位置的移动;测试试件粘贴在工作台上，采用电机带动工作台转动，完成摩擦副的运动;将电阻应变片贴在一个簧片上，当簧片产生变形时，相应的应变片的电阻就会发生变化，从而力所产生的应变就被转换成了电信号.这个电信号通过一定的信号处理后，被A/D卡采集下来，然后输入到计算机中进行加工处理。可以得出应变的大小，最终能够将应变还原成载荷和摩擦力的值，从而实现测试的目的，如图1-4所示。图1-4测试仪原理图该测试仪的测力部件采用了两个测力簧片，通过一个立方体连接到一起，如图1-5。A.测头；B.簧片；C.立方块；D.应变片图1-5测力部件结构由立方体来保证两簧片间相互垂直。这样的设计加工的工艺性和精度得料和尺寸可根据实际所需更换。同时，采用箔式应变片，在结构上，每一个测力簧片上有南昌航空大学科技学院学士学位论文4一组4个应变片，被两两分贴在簧片的正反两面，组成一个全桥回路，这样的结构既提高了电桥对微力的灵敏度，又能够进行温度补偿，因而提高了测量的精度。以保证[[9]。测头设计并制作成半球形或其他形状，与簧片豁结在一起，测头的材料和尺寸可根据实际所需更换。同时，采用箔式应变片，在结构上，每一个测力簧片上有一组4个应变片，被两两分贴在簧片的正反两面，组成一个全桥回路，这样的结构既提高了电桥对微力的灵敏度，又能够进行温度补偿，因而提高了测量的精度。该摩擦测试仪测量的加载范围在微牛到毫牛之间，正压力和摩擦力的分辨率能够分别达到20微牛和10微牛。根据国外从事微动摩擦学试验仪研究发表论文的数量统计,英、法、美、日、加这5个国家进行动摩擦学研究的总体水平最高。这里主要介绍位移法的微动摩擦学试验仪。所谓位移法，是通过位移传感器间接测量力。目前主要用以测量位移的传感器有电容式位移传感器和非接触电涡流位移传感器。图1-6电容传感器结构示意图电容传感器具有功耗低、噪声特性好、高灵敏度以及对温度和振动敏感性小等优点。与横向电容式传感器(改变电容极板正对面积)相比，纵向电容式传感器(改变电容极板间距离)具有更高的灵敏度，但是其存在较大的线性误差。梳齿差分式电容传感器，能够克服纵向电容传感器的这一缺点，在获得高灵敏度的同时保证线性关系。其结构由三部分组成，中间可移动部分和上下两边固定部分，如图4所示。固定电容器的两个梳齿分别放于中间可移动电容器梳齿的两边，可以使固定电容器的梳齿间相互隔绝。南昌航空大学科技学院学士学位论文5当传感器探针受到轴向力，单向弹簧产生弯曲变形，使得内部的可动电容极板((2)移动，朝x正方向时，极板(2)远离极板(1)且靠近极板(3)，导致电容差值在外部图1-7传感器及读出电路示意框图固定电容极板((1)、(3)上加上交流信号，形成如图1-7所示差分电路。存在于微动腐蚀中的摩擦，其加载的接触压力大约在O.O1N到2N，运动幅度在微米量级，是介于宏观摩擦与微观摩擦之间的微摩擦力。上述方法中力平衡法精度较低，不适合微摩擦测试;压电式测量法其缺点是仅适用于动态力的测量。光学法具有最高的精度，但是需要的投资较大;电阻应变片法测试电路相对简单，结构紧凑，工作稳定，其实践应用也相当成熟，虽然其分辨力无法与光学法相比，但是已能满足测试系统的精度要求;位移法通过位移传感器间接测量力也是一种合适的方法，且市场上的位移传感器分辨力最高能达到0.01微米，动态特性也好，也能满足要求。1.2.2国内外技术发展趋势微动摩擦测试仪的研究越来越受到国内研究人员的重视，并目己经取得了明显的进展，但与工程实际需要尚有很大差距，微动损伤问题在设计阶段是很难甚至无法解决的，而微动摩擦研究本身，又具有多学科性、多影响因了性和因了参量时变性的特点，故此研究工作十分困难与复杂在这种情况下，我们必须面向工程实际需要进行深入系统的微动摩擦测试仪的研究。国外关于微动摩擦测试仪的研究一般体现在继续向工矿企业传播微动摩擦学知识和研究成果，主要开展失效分析与交流，收集和研究微动损伤的例证，建立图谱,，以求准确处理微动失效故障，促进微动损伤研究的深化与发展，并探索微动损伤的早期诊断和监控等。南昌航空大学科技学院学士学位论文61.3本文的主要工作本课题旨在设计一种考虑微机械工况的销盘式微摩擦测试仪与数据处理系统,采用微应变片获取摩擦力及载荷导致的变形信号，通过A/D卡采集数据，在数据处理系统中进行数据处理，从而获得微摩擦力和微载荷的数值，为微摩擦特性测试和分析提供一种手段，主要设计任务是为微摩擦测试仪机械装置的设计。首先介绍微摩擦测试仪国内外现状，然后推出微摩擦测试仪机械装置的两套设计方案并进行比较分析确定最佳方案。在进行摩擦测试仪传动机构结构的设计计算和结构设计。最后进行小结和进一步工作的展望。2微摩擦测试仪的总体设计2.1微摩擦技术简介微摩擦力测量仪有别于纳米摩擦学的实验测试仪器。在纳米摩擦学的实验测试仪器中无论其所施加的载荷还是所研究的材料的面积甚至于相对滑动的速度都是采用纳米量级的。它们研究的是原子、分子尺度上摩擦界面的微观结构和特性。而这里要开发的微小摩擦力测量仪则是在微小面积接触和微小载荷作用下测试摩擦力的一种仪器。它的载荷是毫牛顿级，这与纳米量级来进行比较毫无疑问是相当大的，但相对于宏观载荷来说又是相当小。并且，它的相对滑动速度是宏观中的低速、微观中的极高速。在机械领域中这种条件下的摩擦是经常可以看见的，但在系统分析中我们到底使用宏观的摩擦学理论还使用微观的理论呢?这就需要我们对这种条件下的摩擦来进行分类，并通过对该仪器的实验来找到与之相适合的理论。由滑动摩擦的宏观研究得出，固体摩擦遵循Amontons(阿蒙顿)摩擦公式[15]，即摩擦力F与载荷P成正比，其比例常数μ为摩擦系数Ϝ=𝜇Ρ(2.1)在界面摩擦过程中[15]，有Ϝ=C1P2/3+C2P+C3P4/3(2.2)式(2，2)中，C1，C2，C3分别为于粘着能w、弹性常数K、球体半径r等有关的函数。南昌航空大学科技学院学士学位论文7由式(2.2)分析可知，在组成界面摩擦力的各项因素中，统称第三项所占比例较小，可以忽略不计。当表面粘着强度较大时，第一项是界面摩擦力的主要成分，此时可以近似地采用式中的一项.而当外加载荷P相对较大时，界面摩擦力将以第二项为主，接近于描述常规摩擦的Amontons公式(2.1)。由以上可知，用此课题所开发出的测试仪测量摩擦力时，由于外加载荷P相对较大，因此在计算公式上与常规摩擦应用的公式相近.但在机理上，是否相似，还有待于进一步研究。这样在研究中我们只需研究摩擦系数在不同条件下的变化，从而在实际应用中为设计和制造选择最优的工作条件创造实验依据。因为在实验中相对滑动的线速度是较低的，那么就会出现摩擦性能不稳的情况，通过实验找到可使摩擦稳定的方法也就可以控制摩擦.如果将两材质间加入润滑材料，还可为机构间选择润滑剂提供参考基础。同时，在起制动时，通过对其静摩擦力的研究，为降低静摩擦减少起制动能耗提供依据。2.2测试仪的总体设计在微小摩擦测量中，正压力和摩擦力均很小，给精确测量带来较大困难。就微小正压力施力系统的设计而言，该系统必须具有很高的细分能力，其次，微负荷的测量本身需要采取一些特殊的技术措施，目前主要采用的有摆锤法[18][19]、变形法与位移法[16]～[23]。其中，摆锤法以摆角的变化测量摩擦力。但不适用于摩擦与磨损试验;变形法与位移法通常以读数显微镜测量摩擦力，但读数又不方便.本文设计了一种微负荷摩擦试验系统，施力机构与测试系统合为一体，可同时测量正压力和摩擦力。不但适用于摩擦系数的测量，而且可用来进行摩擦与磨损试验。一设计中需要解决的技术难点和关键技术:1.微小接触载荷的加载方法以及加载精度的保证.;2.摩擦力加载模块的机械结构小型化、载荷连续可调和操作简单的实现;3.运动部件的运动精度保证;4.摩擦测头小体积、易更换的实现;5.测量误差的分析和测试精度的保证;二装置的组成及测量原理微小摩擦测试仪的测量原理如图2.1所示。南昌航空大学科技学院学士学位论文8进给调整装置正压力加载系统微测力臂磨测力臂应变传感器擦测力系统（正压力、摩擦力）控制电路测显示仪表数字示波器摩擦盘试转动装置主轴仪传动系统磁敏电阻传感器电机驱动系统电机闭环控制系统图2.1系统原理框图微小摩擦测试仪的结构原理如图2.2a所示。在此处键入公式。图2.2a系统结构原理图南昌航空大学科技学院学士学位论文9微小摩擦测试仪的整体照片图如图2.2b所示图2.2b测试仪整体图(1)微小摩擦测力系统该测力系统包括正压力和摩擦力测量两部分。测力系统由应变传感器、测力臂、控制电路、显示仪表等组成。应变传感器与测力臂构成力传感器。测力臂由两组平行板弹簧组成:前端水平安装的平行板弹簧用来测量正压力，叫正压力平行板弹簧;后端竖直安装的平行板弹簧用来测量摩擦力，叫摩擦力平行板弹簧。如图2.3所示.通过调整垂直进给装置的进给量，使正压力平行板弹簧发生形变.进而产生正压力施加在摩擦头上，使摩擦头与旋转的转盘接触，发生摩擦.通过测头将摩擦力传给摩擦力平行板弹