2021年微小摩擦力測量儀的測力系統(tǒng)設計

1、編號 本科生畢業(yè)設計 微小摩擦力測量儀的測力系統(tǒng)設計 the force-measuring system design of micro-frictiontesting instrument 學 生 姓 名 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學 號 指 導 教 師 學 院 機電工程分院 2009年 x月 摘 要 摩擦現(xiàn)象與人類的生產(chǎn)和生活密切相關，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展而興起的微機電系統(tǒng)(micro electron mechanical system, mems)，其零部件的幾何尺寸目前一般在微米數(shù)量級，它們之間的摩擦介于微觀與宏觀摩擦之間，稱之為微小摩擦。而mems的發(fā)展，迫切需要明確微

2、小摩擦的機理，因此微小摩擦的研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文提出了一種全新的微小摩擦測試儀器，將激光三角位移測量儀與雙平行板彈簧片測力臂相配合，實現(xiàn)對微小摩擦力的測試，結(jié)合有限元分析軟件ansys對測力臂進行分析，同時具有精度高，性能可靠等優(yōu)點。本文有三部分內(nèi)容微小摩擦力測試儀的總體結(jié)構(gòu)設計。微小摩擦力測試儀的測力臂設計。對微小摩擦力測試儀的性能及測試數(shù)據(jù)進行分析。關健詞:微小摩擦力測試儀 測力臂 有限元分析 激光三角法 abstract the phenomena of friction have close relations with peoples live and production.

3、 with the development of micro electronics technology, micro electro mechanical system (mems) has been developed rapidly, whose apparatus geometry dimension at micron level, the friction of them is between microcosmic and macroscopical. that is called micro-friction. researching of mems is based on

4、understanding the principle of micro-friction. so, that is the significance for investigate micro-friction. this paper presents a new micro-friction testing apparatus, which is built by laser triangle displacement instrument and double parallel measurement arms. the system can measure micro-force fo

5、r micro-friction with analyzing by finite element analysis software ansys it has advantages of high accurately and high reliability and so on. there are three chapters in the thesis: micro-friction testings apparatus total structure design; arm structure of micro-friction testing system design; anal

6、yzing performance and data of the micro-friction testings apparatus. keywords: micro-friction testings apparatus measuring arm of force finite element analysis laser triangulation 目 錄 第一章 緒論 - 1 - 1引言 - 1 - 2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 - 2 - 3本文研究的內(nèi)容 - 3 - 第二章 微小摩擦實驗儀的總體設計 - 4 - 1微小摩擦技術(shù)的簡介 - 4 - 2微小摩擦實驗儀的總體設計 - 4 - 3測

7、力系統(tǒng)原理及其模型 - 7 - 第三章 微小摩擦測力臂的設計 - 8 - 1微小摩擦力測力臂的結(jié)構(gòu)及制作 - 8 - 2微小摩擦測力傳感器的幾個要點和難點 - 8 - 3微小摩擦測力傳感器的結(jié)構(gòu)設計 - 9 - 4測力傳感器的重復性 - 13 - 第四章 微小摩擦力測試系統(tǒng)檢測方法的實現(xiàn) - 13 - 1激光位移測量儀的簡介 - 13- 2激光位移測量儀的選擇 - 14- 3測量原理及誤差分析 - 15 - 1工作原理的理論分析 - 15- 2影響激光三角位移檢測儀測量精度的因素及誤差分析 - 18 - 結(jié) 論 - 20- 參考文獻 - 21 - 致 謝 - 22 - 第一章 緒論 1引言 摩

8、擦學研究的對象很廣泛，在機械工程中主要包括動、靜摩擦，如滑動軸承、齒輪傳動、螺紋聯(lián)接、電氣觸頭和磁帶錄音頭等；零件表面受工作介質(zhì)摩擦或碰撞、沖擊，如犁鏵和水輪機轉(zhuǎn)輪等；機械制造工藝的摩擦學問題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等；彈性體摩擦，如汽車輪胎與路面的摩擦、彈性密封的動力滲漏等；特殊工況條件下的摩擦學問題，如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等，深海作業(yè)的高壓、腐蝕、潤滑劑稀釋和防漏密封等。摩擦學涉及許多學科。為了了解磨損的發(fā)生發(fā)展機理，尋找各種磨損類型的相互轉(zhuǎn)化以及復合的錯綜關系，需要對表面的磨損全過程進行微觀研究。僅就油潤滑金屬摩擦來說，就需要研究潤滑力學、彈性和塑性接觸、潤

9、滑劑的流變性質(zhì)、表面形貌、傳熱學和熱力學、摩擦化學和金屬物理等問題，涉及物理、化學、材料、機械工程和潤滑工程等學科。英國由于較好地應用了摩擦學知識，每年可節(jié)約不下五億一千五百萬英鎊。這筆巨款是由各筆節(jié)約費用所組成的?？梢?，摩擦學的研究對國民經(jīng)濟具有重要意義。據(jù)估計，全世界大約有1/2一1/3的能源以各種形式消耗在摩擦上。而摩擦導致的磨損是機械設備失效的主要原因，大約有80%的損壞零件是由于各種形式的磨損引起的。因此，控制摩擦，減少磨損，改善潤滑性能已成為節(jié)約能源和原材料、縮短維修時間的重要措施。同時，摩擦學對于提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長機械設備的使用壽命和增強可靠性也有重要作用。由于摩擦學對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

10、和人民生活的巨大影響，因而引起世界各國的普遍重視，并得到日益廣泛的應用。工業(yè)革命以后，機器的大量使用對其產(chǎn)生了迫切需求，使其研究和發(fā)展進入了一個新的階段。由于摩擦學現(xiàn)象發(fā)生在表面層，影響因素繁多，這就使得理論分析和實驗研究都較為困難，因而理論與實驗室的相互促進和補充是摩擦學研究的另一個特點。隨著理論研究的日益深入和實驗技術(shù)日益進步，目前摩擦學研究方法的發(fā)展趨勢正由宏觀進入微觀；由定性進入定量；由靜態(tài)進入動態(tài);以及由單一學科角度的分析進入多學科的綜合研究。隨著微電子技術(shù)滲透到機械工程的各個領域和機電一體化的發(fā)展，極大地促進了機械向微小型化方向的快速發(fā)展。20世紀80年代中后期興起的微型機電系統(tǒng)(

11、mems )，是基于廣泛的現(xiàn)代科學技術(shù)并作為整個微納米科學技術(shù)的重要組成部分的一項嶄新的科技領域，它將微型機構(gòu)、微驅(qū)動器、微電源、微傳感器和控制電路等集成于一體，具有體積小、能量低、集成度和智能化高等一系列優(yōu)點，在生物、醫(yī)學、環(huán)境控制、航空航天、數(shù)字通信、傳感技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)領域展現(xiàn)了巨大的應用發(fā)展?jié)摿?。?jīng)過超精密制造的微型機電系統(tǒng)，由于尺寸的減小，摩擦副的間隙常處于微/納米級，在運動過程中，受此尺寸效應的影響，表面粘著力、摩擦力及表面張力等相對于傳統(tǒng)機械中的體積力而言，表現(xiàn)得非常突出，成為影響mems性能、穩(wěn)定性和使用壽命的關鍵因素。在這種條件下，宏觀摩擦學的理論已不適用，必須研究以界面上分子

12、原子為分析對象的納米摩擦學特性。近年來mems納米摩擦學研究領域所獲得的研究成果，不僅促進和豐富了納米摩擦學的基礎研究內(nèi)容，而且為設計開發(fā)性能完善、運行穩(wěn)定、適應多應變環(huán)境的mems產(chǎn)品提供了重要技術(shù)依據(jù)。摩擦現(xiàn)象與人類的生產(chǎn)和生活密切相關，自80年代原子顯微鏡和摩擦力顯微鏡問世以后，發(fā)現(xiàn)在原子、分子及納米級尺度下宏觀的摩擦規(guī)律不再適用，摩擦學研究開始進入微觀與宏觀結(jié)合的新階段，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展而興起的微電子機械系統(tǒng)(mems)，其零部件的幾何尺寸目前一般在微米數(shù)量級，他們之間的摩擦介于微觀與宏觀摩擦之間，稱之為微小摩擦。對于微小摩擦現(xiàn)象是否服從宏觀摩擦定律，摩擦件的尺寸達到何種程度才

13、能進入微觀摩擦的領域，這是當前從事mems研究的人們所急需解決的問題。由于受微小結(jié)構(gòu)的條件限制，目前對其機理的研究才剛剛起步，尚不能對上述問題做出明確回答。而mems的發(fā)展，迫切需要明確微小摩擦的機理，因此微小摩擦的研究具有重要的現(xiàn)實意義。2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 20世紀80年代末期在國際上興起了納米摩擦學，它是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行為、損傷及其對策。在它的研究過程中無論是施加的載荷，還是研究對象的面積，甚至于相對滑動的速度都是納米量級的。它從微觀角度研究了摩擦的機理，旨在揭示摩擦界面的微觀結(jié)構(gòu)和特性。但是，由于納米摩擦學研究涉及到摩擦界面的微觀動態(tài)過程，在理論分析和實驗研究上都存在

14、很大困難。現(xiàn)代近表面測試技術(shù)和儀器的發(fā)展，提供了在原子、分子尺度上觀察表面現(xiàn)象及其變化的有效手段，使得納米摩擦學的實驗研究成為可能?？梢哉f，納米摩擦學是在納米表面形貌和微小動態(tài)力測量技術(shù)發(fā)展的基礎上逐步完善的。納米摩擦學實驗研究儀器主要是掃描探針顯微鏡(scanning probemicroscope, spm )，它包括掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope, stm )，原子力顯微鏡(atomic force microscope, afm)以及摩擦力顯微鏡(friction force microscope, ffm)，后者亦稱為橫向力顯微鏡(late

15、ral force microscope, lfm)。此外，還有專門研制的實驗儀器，例如，表面力儀(surface force apparatus, sfa )、光干涉納米潤滑膜測試儀、石英晶體微天平(quartz crystal microbalance,qcm)等等都得到廣泛應用。近年來，還有一些新裝置出現(xiàn)，例如點接觸顯微鏡(point contact microscope, pcm)。這些儀器將隨著試驗測試技術(shù)的進一步完善，更能如實地反映實際工況。而宏觀摩擦學研究對于降低機械設備的摩擦能耗，提高抗磨損壽命和可靠性，以及推動機械向高參數(shù)工況發(fā)展起著重要作用，它已成為現(xiàn)代機械設計和制造中的重

16、要基礎學科之一，因此宏觀摩擦學研究仍然是本學科發(fā)展的主流。然而，當hardy揭示出了依靠潤滑油中的極性分子與金屬表面之間的物理化學作用而形成吸附膜的邊界潤滑狀態(tài)。tom lison從分子運動角度分析了固體表面在滑動中的能量轉(zhuǎn)換和摩擦起因。特別是當bowdon和tabo建立了以粘著效應為基礎的摩擦磨損理論后，人們越來越發(fā)覺宏觀研究不能深入地揭示摩擦界面的微觀結(jié)構(gòu)和特性，因而它所建立的理論往往具有很大的局限性。并且，由于當今固體摩擦理論不夠完善，致使摩擦系數(shù)數(shù)值離散性很大，在工程設計中難以預定其準確數(shù)值；此外，機械設備的噪聲大都來源于摩擦急劇變化引起的振動；還有，精密機械中的微動機構(gòu)和定位裝置的爬

17、行現(xiàn)象。這些都需要改善摩擦的品質(zhì)來解決。顯然，宏觀研究與微觀研究相結(jié)合，必將促進摩擦學更加完善。并在機械設計和制造中對提高機構(gòu)運動和加工精度有著重要的貢獻。因此，近十幾年來中、美、日等國越來越關注這方面的研究，并先后有相應的論文發(fā)表，如上海交通大學采用微型電機同時作驅(qū)動元件和測試元件通過分析微電動機在施加正壓力前后運動特性的改變的方法，間接地計算出微小摩擦力的大??；南京航空航天大學的范炯等人研制的多功能摩擦實驗機；哈爾濱工業(yè)大學的鄒繼斌等人研制的微負荷摩擦測試系統(tǒng)；日本京都市工業(yè)實驗所研制的超微小摩擦力測試儀等。這些儀器測量出了毫牛頓數(shù)量級下兩種不同材質(zhì)試件間的摩擦力。這對研究介于宏觀和微觀摩

18、擦學之間的摩擦現(xiàn)象，也十分具有理論意義和現(xiàn)實意義。3本文研究的內(nèi)容 摩擦直接關系到系統(tǒng)的可靠性、耐久性和能量的利用率，摩擦的研究對微機電系統(tǒng)、微納米加工技術(shù)的不斷運用將產(chǎn)生深遠的影響。然而，關于摩擦的研究、分析采用的是實驗研究的方法，目前沒有合適的測試設備對微小摩擦進行測量。本課題主要的研究內(nèi)容就是研制出微小摩擦力測試儀。用來分析在微小接觸面積和微小接觸載荷(毫牛頓數(shù)量級)作用下摩擦副間的摩擦現(xiàn)象。并通過實驗得到在不同介質(zhì)環(huán)境中的摩擦狀況和摩擦特性參數(shù)，為微機構(gòu)的設計以及理解微機構(gòu)運動特性提供依據(jù)。第二章 微小摩擦實驗儀的總體設計 1微小摩擦技術(shù)的簡介 微小摩擦力實驗儀有別于納米摩擦學的實驗測

19、試儀器。在納米摩擦學的實驗測試儀器中無論其所施加的載荷還是所研究的材料的面積甚至于相對滑動的速度都是采用納米量級的。它們研究的是原子、分子尺度上摩擦界面的微觀結(jié)構(gòu)和特性。而這里所要開發(fā)的微小摩擦力實驗儀則是在微小面積接觸和微小載荷作用下測試摩擦力的一種儀器，它介于微米和毫米數(shù)量級之間，這與納米量級來進行比較毫無疑問是相當大的，但相對于宏觀載荷來說又是相當小。并且，它的相對滑動速度就微觀而言是相當高的。在機械領域中這種條件下的摩擦是經(jīng)?？梢钥匆姷模谙到y(tǒng)分析中我們到底使用宏觀的摩擦學理論還使用微觀的理論呢這就需要我們對這種條件下的摩擦來進行分析，并通過對該儀器的實驗來找到與之相適合的理論。由滑

20、動摩擦的宏觀研究得出，固體摩擦遵循amoritons(阿蒙頓)摩擦公式，即摩擦力f與載荷p成正比，其比例常數(shù)為摩擦系數(shù) (1) 在界面摩擦過程中，有 (2) 式(2)中，c1 c2 c3,分別為與粘著能w、彈性常數(shù)k、球體半徑r等有關的函數(shù)。由式(2)分析可知，在組成界面摩擦力的各項因素中，通常第三項所占比例較小，可以忽略不計。當表面粘著強度較大時，第一項是界面摩擦力的主要組成部分，此時可以近似地采用式中的第一項。而當外加載荷p相對較大時，界面摩擦力將以第二項為主，接近于描述常規(guī)摩擦的amontons公式(1)。2微小摩擦實驗儀的總體設計 在微小摩擦測量中，正壓力和摩擦力均很小，給精確測量帶來

21、較大困難。就微小正壓力施力系統(tǒng)的設計而言，該系統(tǒng)必須具有很高的細分能力，其次，微負荷的測量本身需要采取一些特殊的技術(shù)措施，目前主要采用的有擺錘法、變形法與位移法。其中，擺錘法以擺角的變化測量摩擦力。但不適用于摩擦與磨損實驗；變形法與位移法通常以讀數(shù)顯微鏡測量摩擦力，但讀數(shù)又不方便。本文設計了一種微負荷摩擦試驗系統(tǒng)，不但適用于摩擦系數(shù)的測量，而且可用來進行摩擦與磨損實驗。一、設計中需要解決的技術(shù)難點和關鍵技術(shù)微小接觸載荷的加載方法以及加載精度的保證；摩擦力加載模塊的機械結(jié)構(gòu)小型化、載荷連續(xù)可調(diào)和操作簡單的實現(xiàn)；運動部件的運動精度保證；摩擦頭體積小、易更換的實現(xiàn)；測量誤差的分析和測試精度的保證；二

22、、裝置的組成及測量原理 微小摩擦力實驗儀主要包括摩擦力加載系統(tǒng)、摩擦力測試系統(tǒng)、運動控制以及顯示系統(tǒng)。微小摩擦測試儀的測量原理如圖1所示。圖1 系統(tǒng)原理框圖 微小摩擦實驗儀的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。圖2 微小摩擦力測試儀結(jié)構(gòu)原理圖 各部分元器件的作用電機為轉(zhuǎn)盤提供動能 水平調(diào)整裝置調(diào)整測力臂水平位置 垂直調(diào)整裝置調(diào)整測力臂垂直位置 4測力臂能將摩擦力產(chǎn)生的形變準確反映出來的雙平行板懸臂梁 激光位移測量儀準確測量摩擦力產(chǎn)生形變的裝置 摩擦頭和摩擦盤接觸產(chǎn)生摩擦力的部件 摩擦盤和摩擦頭接觸產(chǎn)生摩擦的轉(zhuǎn)盤 磁阻測速傳感器準確測量轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速 (1)微小摩擦測力系統(tǒng) 該測力系統(tǒng)包括正壓力和摩擦力測量兩部分。測

23、力系統(tǒng)由壓力加載裝置、測力臂、激光位移測量儀、顯示儀表等組成。測力臂由兩組平行板彈簧組成前端水平安裝的平行板彈簧配合壓力加載裝置用來提供正壓力，叫正壓力平行板彈簧；后端豎直安裝的平行板彈簧能夠準確反映摩擦力在水平方向上的形變，叫摩擦力平行板彈簧。如圖3所示。圖3測力臂原理結(jié)構(gòu)圖 通過調(diào)整垂直進給裝置的進給量，使正壓力平行板彈簧發(fā)生形變，進而產(chǎn)生正壓力施加在摩擦頭上，使摩擦頭與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤接觸，發(fā)生摩擦通過測頭將摩擦力傳給摩擦力平行板彈簧，使其發(fā)生形變，由激光位移測量儀測得其形變量的大小，進而得到摩擦力。(2)位置調(diào)整系統(tǒng) 位置調(diào)整系統(tǒng)由水平進給和垂直進給組成。進給系統(tǒng)采用了北京光學儀器廠的精密位

24、移臺，型號為pts103m和tms202。它們的進給精度為5um，最小讀數(shù)為l0um.它可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)測頭的x, y, z方向的位置，改變摩擦頭在轉(zhuǎn)盤上的位置。這樣可以調(diào)節(jié)被測件觸點的回轉(zhuǎn)半徑，進而改變被測試件間的相對運動速度.今后，x, y, z實現(xiàn)自動控制，可以實現(xiàn)納米級微小切削。(3)轉(zhuǎn)動系統(tǒng) 轉(zhuǎn)動系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)動裝置、電機驅(qū)動系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動裝置由轉(zhuǎn)盤，主軸等組成。驅(qū)動系統(tǒng)是電機轉(zhuǎn)動，通過皮帶傳動驅(qū)動轉(zhuǎn)軸，使轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，通過測速系統(tǒng)測得轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)被測試件觸點的回轉(zhuǎn)半徑，就可以改變被測試件間的相對運動速度。3測力系統(tǒng)原理及其模型 經(jīng)典公式 f=k1n （3） f=k2s （

25、4） (k1為摩擦系數(shù) n為正壓力k2為彈性系數(shù) s為彈片的變形量) 測試方法設計模型，如圖4 圖4 測試方法設計模型 如上圖所示，當摩擦頭和摩擦盤接觸后，摩擦盤轉(zhuǎn)動，就會在二者之間產(chǎn)生一個摩擦力，這個摩擦力作用在測力臂上將會產(chǎn)生一個形變，使測力臂的摩擦頭一側(cè)發(fā)生偏移，通過激光位移測量儀的的測量可以得出這個位移量s,通過公式4可以得出摩擦力f,然后利用經(jīng)典力學定律，在勻速條件下，摩擦力f和摩擦力近似相等，得到摩擦力、，最后在對摩擦力、進行誤差分析。第三章 微小摩擦測力臂的設計及有限元分析 1微小摩擦力測力臂的結(jié)構(gòu)及制作 1微小摩擦測力傳感器的幾個要點和難點 微小摩擦測力傳感器的性能要求是靈敏度

26、高、精度高、重復性好、測試安裝方便等。因此在傳感器的設計過程中要解決以下關鍵問題: 如何在兩運動副之間施加適當?shù)恼龎毫Γ撜龎毫饶苁惯\動副之間產(chǎn)生足夠大的摩擦力，又不影響傳感器的靈敏度。如何方便的更換摩擦頭。如何在施加正壓力時，能準確、實時地測量出正壓力(毫牛級)和摩擦力。保證正壓力和摩擦力不藕合。為保證測量精度和靈敏度，要解決系統(tǒng)防振、防止溫漂、抗干擾等問題。2微小摩擦測力傳感器的結(jié)構(gòu)設計 一、微小摩擦測力傳感器結(jié)構(gòu)的確定 圖1 微小摩擦測力傳感器 通過上一小節(jié)的討論，微小摩擦測力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用了平行板彈簧結(jié)構(gòu)。平行板彈簧結(jié)構(gòu)原是彈性支承中的一種形式，在支承結(jié)構(gòu)中具有獨特的特

27、點，它可以產(chǎn)生平行位移。本研究正是利用這種特性，使得摩擦頭在被施力的狀態(tài)下，保持和摩擦盤的接觸狀態(tài)不變。同時，板彈簧具有無摩擦、無磨損，能適應真空、高低溫、高壓和輻射等惡劣工作環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡單，成本低等特點。在精密測試儀器領域得到愈來愈廣泛的應用，近年來在航空航天和海洋的精密測量儀器中有重要的開發(fā)。當然，由于受它的變形特性的限制:只局限于小量程、微位移的場合能獲得理想的精度。平行板彈簧結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個單片板彈簧ab和cd平行固定，相距為s。兩單片板彈簧的一端a和c固定在固定板上，另一端b和d固定在活動板上。兩單片板彈簧的長度1、寬度b、厚度h和截面形狀是相同的。作用在活動板上的外力為p，活動

28、板所產(chǎn)生的位移量為f。圖2平行板彈簧結(jié)構(gòu)形式 如圖2所示的結(jié)構(gòu)形式，外力p作用在離固定板為1距離的活動板上。根據(jù)彈性材料的特性，力與變形的關系可推算出如下的公式。(1) 式中f活動板的位移量；p施加在活動板上的外力；e材料的彈性模量；i板彈簧的工作長度；i慣性矩，矩形界面時為i=bh3/12；b板彈簧的寬度；h板彈簧的厚度；根據(jù)實際試驗結(jié)果表明，在平行板彈簧的活動板上作用如圖3所示的外力py，外力py的影響是使板彈簧結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向傾抖的趨勢(即扭轉(zhuǎn))，因為板彈簧結(jié)構(gòu)在這個方向上的剛度相對來講是比較大的，所以，此種扭轉(zhuǎn)是微小的。我們可以把這種影響忽略，從而認為橫向穩(wěn)定性比較高。圖3平行板彈簧受力分

29、析圖 由于微小摩擦測力傳感器的測力范圍在毫牛級別，同時平行板彈簧的橫向穩(wěn)定性比較高，因此，采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。前后兩組平行板彈簧不會產(chǎn)生太大的干涉，完全可以保證摩擦力和正壓力不產(chǎn)生藕合。設計平行板彈簧結(jié)構(gòu)的幾點注意事項: 隨著1的減小，導向精度可提高。當活動板重量很小和橫向作用力py微小 的條件下，尺寸s和板彈簧的剛度對活動板運動的軌跡特性影響不大。板彈簧的厚度h一般應小于0.05l?；顒影搴凸潭ò逯g的范圍內(nèi)，s的尺寸差不應超過0.030.01mm。板彈簧固定范圍內(nèi)的表面粗糙度ra 0.160.32m。板彈簧固定表面的平行性不大于0.010.02mm(在100mm長度內(nèi))。為了提高應變傳感

30、器的分辮能力有必要適當?shù)販p小彈簧的剛度。二、微小摩擦測力傳感器的結(jié)構(gòu)設計 微小摩擦測力傳感器運用應變計測量作用在板彈簧的力，主要就是測量如圖3中所示的位移f。圖3中，在活動端作用外力p時，活動端產(chǎn)生位移f的數(shù)值可由公式(1)近似求得?？梢钥闯鲈诎鍙椈傻膶挾萣相同的條件下，作用相同的外力p，要提高傳感器的分辮能力，需要把板彈黃的工作長度1加長，把板彈簧的厚度h減小.同時，還要考慮到材料的載荷強度。彈簧片材料的選擇及熱處理 鈹青銅是一種析出硬化性合金。鈹青銅是機械性能、物理性能、化學性能及抗腐蝕性能良好結(jié)合的唯一有色合金，經(jīng)固溶和熱效熱處理后，具有特殊鋼相當?shù)母邚姸葮O限、彈性極限、屈服極限和疲勞極

31、限，同時又具有高的導電率、熱導率、高硬度和耐磨性能。因此廣泛應用于電子電器、通訊儀器、航空航天石油化工，冶金礦山，汽車等制造領域。因此使用鈹銅作為彈簧片是最理想的材料。如表格3。高鈹銅的性能指標化學成分 be co ni si cu 8-25 0.35-0.65 0.25-0.75 0.2-0.35 余量 物理性能 密度g/cm3(20) 溶化溫度 （） 拉伸彈性模量 （gpa） 熱導率w/（mk） (20) 線膨脹系數(shù) um/( mk) (20-30) 3 880-980 130 105 10 機械性能 抗拉強度 mpa 屈服強度 (0.2%)mpa 延伸率% 硬度 電導率 1acs% 12

32、50 1045 1 36-43hrc 18 材料:qbe5鈹青銅 經(jīng)查表知 鈹青銅相關的一些參數(shù) 彈性模量:e=13/1011pa 密度: =3 x 103kg/m3 淬火:t80o 10o 再經(jīng)回火:285o 5o 材料杭拉強度:=15x109pa 安全系數(shù):由查表得，知n=5 （1）材料的許用彎曲應力: =0x109 pa （2） 應變片承受最大應力=e *=13 x 1011 x 0.02=26 x 109 pa （3） 考慮應變片的安全，彈簧片在最大作用力的作用下所產(chǎn)生的最大應力=min,=26 x 109 pa =e=1 .13x1011x0.5x10-6=65x104pa 要滿足測

33、力時即有形變又保證應變片的安全，則彈簧片的應力 65 x 104pa26 x 109pa （2）剛度的選定 強度計算（4） 矩形截面（5） 彈簧的剛度（6） 綜合考慮了安裝，前后兩個平行板彈簧片間的耦合問題，由公式（4）和公式（5）確定了一組平行板彈簧。尺寸規(guī)格為 板彈簧的寬度b=0mm 板彈簧的厚度h=0.5mm 板彈簧的工作長度l=50mm 板彈簧的剛度有公式（6）得到k=113mn/mm 3測力傳感器的重復性 重復性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次變動時所得特性曲線的不一致程度。重復性好，傳感器誤差小，通常用隨機誤差來描述數(shù)據(jù)離散程度，因此，用標準偏差s:表示重復性，s用下式計算

34、 (7) 式中 一輸出測量值; -測量值的平均值; n一測量次數(shù). 重復性用下式計算 (8) s前的系數(shù)取2時，誤差服從正態(tài)分布，置信概率為95%；取3時，置信概率為97%。該測力傳感器的重復性約為5%。小結(jié) 可見，微小摩擦測力傳感器的性能直接影響到摩擦力測試儀的總體性能。本章通過對測力傳感器的要點和難點的分析，在結(jié)構(gòu)上采用了平行板彈簧結(jié)構(gòu)。利用平行板彈黃的平行位移的特點，使得摩擦頭在施力狀態(tài)下，保持和摩擦盤的接觸狀態(tài)不變。第四章 微小摩擦力測試系統(tǒng)檢測方法的實現(xiàn) 1激光位移測量儀的簡介 激光三角位移測量儀是光三角式傳感器的原理為基礎的。光三角式傳感器是基于光束入射被測物體后產(chǎn)生反射，入射光與

35、反射光構(gòu)成三角形，根據(jù)反射光束的位置變化便可以確定被測物體端面位置，被測工件的尺寸及其公差，被測物體與光源之間的距離等參數(shù)，所以它得到了廣泛的應用。它能夠檢測反射光束位置的光電敏感器件主要有ccd（charge coupled device）,光電二極管陣列，大光敏面的光位置傳感器（position sensing detector,psd）等。前兩種屬于非連續(xù)光電檢測，因此需要外部驅(qū)動電路和掃描電路配合使用才可以達到測量的目的。psd其輸出的信號為模擬信號只要求有模擬信號處理電路就可以了，不需要其他電路的支持。在測量的精度上光電二極管陣列明顯的劣于其他兩種，因此，在精密測試中很少應用。ccd

36、和psd各有其優(yōu)缺點，所以在實際測試中要根據(jù)不同的要求作出選擇，這里只是簡要介紹下光三角式傳感器的原理，實際中的光電傳感器的選擇及其理由，將在以后章節(jié)中做出詳細的討論。光三角式傳感器是屬于非接觸式傳感器，它不受被測物體空間結(jié)構(gòu)的限制，使用靈活，同時它本身結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定可靠，抗電磁干擾性強。已成功地將光三角傳感技術(shù)應用于控制系統(tǒng)中運動物體的距離檢測與定位控制，并取得了令人滿意的效果。在實際的測試系統(tǒng)中，許多光電傳感器的應用都是基于光三角式傳感器技術(shù)的原理的。許多一維和多維的測量傳感器都是建立在三角法的基礎之上的。在反射式開關傳感器中，應用三角法原來消除如陽光輻射，室內(nèi)照明等環(huán)境因素的影響，并

37、用來調(diào)節(jié)和獲取一個固定的和明確的開關距離。在一維傳感器中，采用三角法進行距離測量，通過偏轉(zhuǎn)鏡和專門的評價軟件可以擴展為對空間幾何數(shù)據(jù)的采集、測量和處理。2激光位移測量儀的選擇 隨著激光光學，精密機械，電子學，光電傳感器技術(shù)，ccd成像技術(shù)和計算機技術(shù)等多門學科迅速發(fā)展，激光三角位移測試技術(shù)也得到了廣泛的發(fā)展，人們根據(jù)不同的需求加工制造出出了各種各樣的激光三角位移測力儀，不僅僅是在精度和速度上得到了顯著的提高，通過一些特殊的技術(shù)，還可以是激光三角位移測試高溫和低溫的條件，這很明顯的擴展了它的應用。通過對國內(nèi)外的激光三角位移測量儀的調(diào)研，就目前的要求來講，市場上的激光位移測試能很好的滿足對微小力產(chǎn)

38、生的微小位移量做出精確的檢測。我們找到了一種比較適合的激光三角位移測量儀來搭建系統(tǒng)，使其能很好的滿足現(xiàn)階段的要求，有又要具備一定的可發(fā)展性。因此，綜合了當前的試驗要求和為將來的進一步考慮，決定采用zlds100高精度低價位激光位移傳感器。下面列出了其具體參數(shù)。從中我們不難發(fā)現(xiàn)，其測試的精度可以滿足實驗要求，處理的速度基本滿足實時測量對高速的要求。如圖1 圖1 zlds100高精度低價位激光三角漫反射位移傳感器特點防護等級高，工作溫度范圍寬，有同步功能，可用于差動測厚、測長等，特別適用工業(yè)環(huán)境高精度使用。應用領域zlds100成功應用于ikp5手持式激光火車輪輪緣輪廓測量儀，也可用于非接觸測量位

39、移、三維尺寸、厚度、表面輪廓、物體形變、振動、液位、分揀。擴展功能及主要性能參數(shù)(1)有兩個以上激光掃描同步功能（確保工業(yè)在線高精度差動測量）；(2)有輸入信號觸發(fā)保持功能（能在線連續(xù)對零件測長，測高等）；(3)小量程0.5/2/5/10/15/25/50/100/250/500mm；(4)線性度0.1%；分辨率0.01% (5)頻率響應2khz 可選5或8hz (6)輸出串行口rs232 或rs485；可選420ma或010v；(7)報警輸出 npn 100ma 40v (8)防護等級ip67 (9)供電5v或12v或24v (10)工作溫度-10oc+60oc (11)尺寸65x50x20

40、 (12)重量100g 本系統(tǒng)主要是通過檢測懸臂梁的微小位移量來測量微小摩擦力的。位移檢測是采用激光三角位移檢測技術(shù)來實現(xiàn)的，其原理綜合了激光光學，精密機械，電子學，光電傳感技術(shù)，ccd成像技術(shù)和計算機技術(shù)等多門學科，它具有測量精度高，速度快，抗干擾能力強，非接觸測量等多種優(yōu)點?？梢詫冶哿旱乃叫巫兞孔龀鰧崟r在線的檢測，通過計算機對檢驗結(jié)果實現(xiàn)在線分析。而且自帶數(shù)據(jù)串口可以在計算機上進行顯示，同時支持程序擴展。3測量原理及誤差分析 1工作原理的理論分析 單點激光三角法測量儀器主要由激光光源、透鏡和光敏傳感器組成。系統(tǒng)的測量原理圖如圖2所示。圖2直射式三角法原理圖 由高斯公式 （1） 可得 l

41、0最大位移時的物距 l0l物距時的象距 f透鏡l的焦距 激光光源照射到物體上某一點，該目標點的圖像通過透鏡匯聚到傳感器上形成像點。當激光照射的物體移動時，像點也在傳感器上移動，在基線長度已知，光源和傳感器及透鏡的相對位置確定的前提下，通過測量傳感器上像點的位置就能準確確定被測物體與儀器之間的距離。激光三角法測量儀器中最重要的組成部分是傳感器，有2種傳感器可用于此處，一種是位置感應探測器（position sensitive detector,psd）和電荷耦合器件（charge coupled device,ccd）。psd常用于小范圍的距離測量，提供模擬信號輸出適合通斷測試使用；ccd傳感器

42、具有良好的幾何穩(wěn)定性，產(chǎn)生的視頻信號適于提供數(shù)字輸出。ccd具有幾何尺寸穩(wěn)定的優(yōu)點，它和光源、透鏡的幾何關系決定了被測目標點與儀器間的最小距離（a點）和最大距離（c點）。但當目標點等間隔移動時其像點在ccd上并不是等間隔的變化，因此這種測量時非線性的。以直射式為例，其測量光路如圖1所示，激光器1發(fā)出的光線，經(jīng)會聚透鏡2聚焦好垂直入射到被測物體表面3上，物體移動或表面變化，導致入射光點沿入射光軸移動。接收透鏡4接收來自入射光點的散射光，并將其成像在光點位置探測器5（ccd）的敏感面上。但是由于傳感器激光光束與被測面垂直，只有一個準確調(diào)焦的位置，其余位置的像都處于不同程度的離焦狀態(tài)。離焦將引起像點

43、的彌散，從而降低了系統(tǒng)的測量精度。為了提高精度，和，必須滿足schcimpflug條件，像平面、物平面、透鏡平面相交于一條直線，即（式中為橫向放大率）。此時一定景深范圍內(nèi)的被測點都能正焦的成像在探測器上，從而保證了精度。若光點在成像面上的位移為,利用相似三角形各邊之間的比例關系，按下式可求出被測面的位移 （2） 式中，a為激光束光軸和接收透鏡光軸的交點到接收透鏡前面的距離；b為接收透鏡后主面到成像面中心點的距離；為激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角；為探測器與接收透鏡光軸之間的夾角。圖3直射式三角法測量圖 1激光器 2會聚透鏡 3被測表面 4接受透鏡 5光點位置探測器 檢測系統(tǒng)的工作原理，半導

44、體激光器發(fā)出的激光經(jīng)過光學系統(tǒng)聚焦后，在懸臂梁的一個表面上形成一個尺寸足夠小的光點（光點直徑大約為0.5mm）我們把目標面上的光點稱之為物點，物點發(fā)出的漫反射光經(jīng)過光學系統(tǒng)后，在ccd上形成一個相應的像點。當懸臂梁沿水平方向上，產(chǎn)生一個微小的位移后，形成在ccd上的像點位置也會隨之產(chǎn)生變化，這樣就可以通過ccd上像點的位置變化得到懸臂梁的水平位移量。2影響激光三角位移檢測儀測量精度的因素及誤差分析 影響激光三角測量精度的因素有很多種，這里只是簡單的討論主要的幾種。它們包括組成測量系統(tǒng)的光學部件本身的誤差表面粗糙度的影響, 被測表面微結(jié)構(gòu)的影響等。(1)組成測量系統(tǒng)的光學部件本身的誤差 主要來源

45、于球差、慧差、象散、場曲和畸變等，它們會使實際成像點偏離理想成像點，這些誤差主要靠制造工藝來消除或減少。除光學部件以外，影響測量精度的因素還有測量環(huán)境，激光器光斑形狀，ccd傳感器和處理電路以及被測面表面特性等。(2)表面粗糙度的影響 激光三角測量的一個前提條件是被測物體表面應對入射光具有一定的散射能力，這樣被測物體表面反射的光才能被激光三角測試儀所接受。物體表面由于具有不同的粗糙程度會具有不同的光散射能力，因此會影響測量的精度。不同的粗糙度的情況可以看出，隨著粗糙程度的增加，外腿表面散射光的強度及方向會有所改變，由此會影響激光三角位移監(jiān)測儀的接受信號的強弱，進而影響測量的精度。(3)被測表面

46、微結(jié)構(gòu)的影響 被測物體表面不同的微結(jié)構(gòu)也會影響到光的散射模式。被測物體表面具有橫向微條紋結(jié)構(gòu)的情況，兩者的光散射模式具有明顯的不一樣。另外，在光散射的模式下不可避免的會出現(xiàn)局部反射的情況（即“雙包絡”現(xiàn)象的出現(xiàn)），這些均會影響測量的結(jié)果。由于在測量中不可避免存在誤差，因此在實際的實驗中，要對實驗結(jié)果進行誤差分析。用隨機誤差來描述數(shù)據(jù)離散程度，因此，用標準偏差s:表示重復性，s用下式計算 (3) 式中 一輸出測量值; -測量值的平均值; n一測量次數(shù). 重復性用下式計算 (4) s前的系數(shù)取2時，誤差服從正態(tài)分布，置信概率為95%；取3時，置信概率為97%。結(jié) 論 此微小摩擦力測試儀是在查閱了大量的文獻資料的基礎上，通過對目前已經(jīng)研制出的一些結(jié)構(gòu)進行分析比較，而設計出來的。在微小摩擦測力傳感器的設計上采用了平行板彈簧結(jié)構(gòu)，把施力與測力通過一個測力臂來完成。在主體結(jié)構(gòu)上，采用半封閉式結(jié)構(gòu)，使裝置簡潔化。在位置調(diào)整系統(tǒng)中，目前采用了手動調(diào)整方式，但不能做到很好的連續(xù)進給。今后在課題的深入開發(fā)過程中，可以采用伺服電機控制的自動連續(xù)進給方式。這樣一來，x、y、z實現(xiàn)自動控制，可以實現(xiàn)納米級微小切削。該測試儀不僅適用于摩擦系數(shù)的