（机械电子工程专业论文）微小摩擦力测试仪的研制与开发.pdf

摘要 这是一种全新的微小摩擦力测试仪器，它采用压电陶瓷作为施力 装置的执行元件，实现了自动连续地加载，避免了目前仪器中手动 加裁存在的一些弊端。实现了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技术要求。仪器采用高灵敏度应变传感 器测力的微负荷摩擦实验方法，使微负荷摩擦测试系统具有较高的 分辨率和测试精度。 本文详细论述了微小摩擦力测试仪的总体设计过程主要包括测 力传感器和转动装置的具体设计原理和方法及电机的选用和调速硬 件设计。同时，本文通过对所设计的仪器进行误差分析，而得到此 仪器满足设计要求的结论。 关键词：微小摩擦力测试仪应变传感器 压电陶瓷 a b s t r a c t i ti san o v e la p p a r a t u so fm i c r o f r i c t i o nw i t hp i e z o e l e c t r i cc e r m i c s h e r ep i e z o e l e c t r i cc e r m i c si sae x e c u t i v eb o d yo ff o r c i n gd e v i c e ，b yi t t h ef o r c ec a nb eb r o u g h tt ob e a ra u t o m a t i c a l l ya n dc o n t i n u o u s l y ，t h i s c a na v o i ds o m eb a dw a y si nt h e e x i s t i n ga p p a r a t u s t h e t e c h n i c a l d e m a n d sc a nb er e a l i z e d ，t h e s ei n c u d em i n i a t u r i z a t i o no fm e c h a n i c a i s t r u c t u r e ，a u t o m a t i cr e g u l a t i o no fl o a da n d s i m p l eo p e r a t i o n b e c a u s et h e s t r a i ns e n s o rw i t h h i g hs e n s i t i v i t y i su s e dt om e a s u r e f o r c e ，t h i s a p p a r a t u sh a sh i g hr e s o l u t i o na n dm e a s u r ep r e c i s i o n t h i sa r t i c l ei sf o c u s e do nt h ec o u r s eo f d e s i g n i n gt h ea p p a r a t u so f m i c r o 。f r i c t i o n i nt h i sa r t i c l e ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h r e ep a r t s ，t h ed e s i g n m e h o d sa n dp r i n c i p l e so f f o r c i n gs e n s o ra n dt u r n i n ge q u i p m e n t ，t h e c h o i c eo fe l e c t r o m o t o ra n dh a r d w a r eo f t i m i n gd e s i g n a tt h es a m et i m e ， t h ep a p e rg i v e sac o n c l u s i o nt h a tt h e s ed e s i g n sc a nm e e td e m a n d s b y e r r o r a n a l y s i s k e yw o r d s ：t h e a p p a r a t u s o fm i c r o f r i c t i o n s t r a i ns e n s o r p i e z o e l e e t r i ec e r m i e s 第一章绪论 1 1研制和开发微小摩擦力测试仪的背景 一，纳米科学技术的发展 从18 世纪早期摩擦学对滑动摩擦的研究到20 世纪6 0 年代中期摩擦 学作为一门独立的边缘学科开始被人们接受。在此过程中，随着研究的 深入开展，人们逐步i l - y ：1 0 ，为了有效地发展摩擦学在工业生产中的潜 力，在研究模式上的发展趋势应是由宏观进入微观、由定性进入定量、 由静态进入动态、由单一学科的分析进入多学科的综合研究。1 9 9 0 年纳 米科技正式诞生，随之而来出现了微机械学，这也是现代机械科学技术 发展的必然结果。应当强调指出，微型机械不可能是传统机械简单地几 何缩小。相对于传统机械而言，微型机械的摩擦问题显得十分突出。一 方面，由于微型机械携带的动力能源很小，对于作为运动阻力的摩擦应 尽可能地降低其能耗。另一方面，微型机械往往利用摩擦力作为牵引或 驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值，而且可以适时控制和调整。 另外，最大限度地降低磨损是保证某些高科技设备功能和使用寿命的关 键而且微机械的润滑问题与传统机械的润滑也有所不同。 二古典摩擦定律存在的问题 i7 8 5 年杰出物理学家库仑对滑动摩擦、滚动摩擦作了精心实验完成 了现在所称的“古典摩擦定律”。古典摩擦定律可归纳如下： 1 ) 摩擦力的方向总是与接触表面相对运动速度的方向相反，其大小与 接触物体问的法向压力成正比，即p ux f ( 2 ) 摩擦力大小与相接触物体问的表面名义接触面积无关。 ( 3 ) 摩擦系数大小取决于材料性质，与滑动速度和载荷大小无关。 ( 4 ) 静摩擦系数大于动摩擦系数 实践证明，上述定律虽能近似地用于工程实际，但有很大的局限性 和不确切性。 在上达古典摩擦定律中，摩擦系数“对一定材料是一个常数。但买 际实验表明，各种材料在不同环境条件下的摩擦系数都是变化的。如硬 钢表面在正常大气条件下，摩擦系数值约为o 6 ，但在真空中可高达2 ； 石墨在正常大气条件下的摩擦系数约为0 i ，但在很干燥的空气中可超过 0 5 。可见，摩擦系数并不是一个常数，而是随条件而变化。对于极硬材 料如钻石，或很软材料如聚四氟乙烯等，当压力很大时，摩擦力并不与 法向载荷成正比，而是f = c f 式中c 为常数：可为指数，其值约为 2 ，1 。 定律第二条关于“摩擦力大小与名义接触面积无关”的结论，是只 适用于具有一定屈服极限的材料，如金属材料，不适用弹性材料与粘弹 性材料。对于后一类材料，摩擦力明显与名义接触面积有关。试验表明， 随着接触面积的增加，摩擦系数增大。对于很光洁的硬表面，由于接触 表面间分子引力起作用，摩擦力也将随接触面积增大而增大 “摩擦系数太小与滑动速度无关”，这对于多数材料来说，不符合实 际。实践表明，多数材料随着滑动速度增加，摩擦系数降低，且两者关 系随所受载荷大小而异 还有“静摩擦系数大于动摩擦系数”这一条，对于有些材料也不符 合实际。如粘弹性材料的静摩擦力有时就小于动摩擦力。 总之，古典摩擦定律尚不能准确、全面地反映滑动摩擦的客跟放律， 影响摩擦力大小的因素比此定律所描述的要复杂得多。 三纳米摩擦学的研究 纳米摩擦学是在原子分子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其 对象。主要研究内蓉包括纳米薄膜润滑和微观摩擦磨损机理，以及表面 和界面分子工程，即通过材料表面微观改性或分子涂层，或者建立有序 分子膜的润滑状态，以获得优异的减摩耐磨性能。 在理论研究方面，纳米摩擦学所采用的实验测试技术能够深入到原 子，分子尺度揭示摩擦过程中的微观现象，而用于理论计算的分子动力 学模拟方法可以同时考虑空间和时问尺度上的变化，将摩擦学现象作为 微观的动态过程来分析。由此可知，纳米摩擦学是在新的擘科基础上采 用新的研究方法，它比传统研究更加符合摩擦擘现象的规律，对于完善 摩擦学理论和应用具有重要作用。 四摩擦学的研究在工业中的作用 据估计，目前世界上能量约有1 3 一l 2 以各种方式最终消耗于摩 擦。因摩擦导致的损坏又是机械失效的主要原因。为修复和更换因摩擦 损坏的零部件，要花费很多资金和人力；特别是现代大型工业，因维修 或失效停机造成的损失更为惊人。如果能很好应用摩擦学的知识，则在 降低能量消耗、延长机器寿命，减少配换维修、避免失效事故等方面有 可能节约出大量费用。据国外文献报导，英国因此一年可节约5 亿多英 镑( 19 6 6 年) ；日本一年可节约27 亿美元( 19 7 4 年) ：美国仅在运输、 发电、工业生产等几个领域，依靠摩擦学技术一年即可节约1 6 0 亿美元 ( 19 7 6 年) 。其他国家也有类似的报导，其每年可节约的数字大致相当 于国民经济年总产值的1 左右。我国由于企业管理水平不高，在改善 摩擦润滑方面可能获得的经济效益的潜力比西方国家更大。我国有关组 织曾对冶金、石油、煤炭、机械、铁道等五个行业做过几年典型调查， 统计测算表明，应用现有摩擦学知识和技术，每年即可节约3 7 。8 亿元人 民币。由此推算出我国工业方面应用摩擦学知识每年可节约的潜力为17 6 亿人民币( 1 9 8 4 年) ，约占国民生产总值的1 3 7 。这说明摩擦学在节 约能源和材料中的重要性。 从另一方面看，提高机械的可靠性乖寿命已成为现代机械制造业的 首要任务。统计表明。导致机械失效的主要原因，并不是零部件的断裂， 而是运动副的摩擦学损坏。我国现在有些机械产品质量不高，主要问题 之一是许多基础件未过关，而其中很大一部分是由于摩擦学方面设计不 够完善而造成的。如许多机械因磨损过快而达不到寿命要求或精度要求： 流体系统因密封不可靠而影响使用等等。现在机械产品在国际市场上的 竞争力都是以效率高、精度保持性好、使用可靠、寿命长为基础的，这 些要求大部分与摩擦学设计有关。 1 2 研制和开发微小摩擦力测试仪的目的和意义 一目的 此课题就是要研制和开发出一种能够测量在微小接触面积和微小压 力作用下两种不同介质之间的摩擦力的装置。作为以后对不同环境下的 摩擦、磨损特性进行调查和分析的实验基础，进而掌握微小摩擦理论和 磨损规律，并达到利用摩擦、控制摩擦和降低磨损的目的。 二意义 在不同的工作条件下( 例如，不同的气体，不同的温度、不同的温 度等) ，应用所开发出的仪器进行实验，并通过其实验数据研究和分析在 微小接触面积和微小压力作用下的两种不同材料间的摩擦、磨损现象， 解决微型机械在设计和运行中所遇到的一些摩擦问题。这不仅可以为微 型机械和机构的设计提供理论基础和实验数据，而且还可以为开展微型 机械研究提供实验基础。此外，最大限度地降低磨损是保证某些高科技 设备功能和使用寿命的关键。由此看来，此测试装置所提供的数据对于 降低摩擦节约能源和控制摩擦使其稳定有着重要的意义 三主要应用前景 由于该测试系统能够提供两种不同材质的相对运动部件问的微小摩 擦力和摩擦状态方面的数据，因此这对微型机构和常规机械的设计具有 重要的参考价值。并且，在应用此测试仪进行测试时可能会发现一些用 宏观摩擦学和纳朱摩擦学都无法单独解释的现象，这也将推动摩擦学的 发展，并可成为机械材料的研究的实验器材，为其研究提供了实验基础。 1 3国内外研究的现状 2 0 世纪8 0 年代末期在国际上兴起了纳米摩擦学，它是在原子、分 子尺度上研究摩擦界面上的行为、损伤及其对策。在它的研究过程中无 论是施加的载荷，还是研究对象的面积，甚至于相对滑动的速度都是纳 米量级的。它从微观角度研究了摩擦的机理，旨在揭示摩擦界面的微观 结构和特性。但是，由于纳米摩擦学研究涉及到摩擦界面的微观动态过 程，在理论分析和实验研究上都存在很大匪难。 现代近表面测试技术和仪器的发展，提供了在原子、分子尺度上观 察表面现象及其变化的有效手段，使得纳米摩擦学的卖验研究成为可能。 4 可以说，纳米摩擦学是在纳米表面形貌和微小动态力测量技术发展的基 础上逐步完善的。 纳米摩擦学实验研究仪器主要是扫描探针显微镜( s c a g n i n gp r o b e m i cr o s c o p e 、s p m ) ，它包括扫描隧道显微镜( s c a n n i n gt u n n e l i n g m ic r o s c o p e s t m ) ，原子力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p e ，a f m ) 以 及摩擦力显微镜( f r i c ti o nf or o em i cr es c o p e ，f f m ) ，后者亦称为横向 力显微镜( 1 a t e r a lf o r c em ic r o s c o p e ，l f m ) 。此外，还有专门研制的 实验仪嚣，例如，表面力仪( s u r f a c ef o r c ea p p a r a t t l s ，s f a ) 、光干涉 纳米润滑膜测试仪、石英晶体微天平( q u a r t zc r y s t a l m i c r o b a l a n c e ，q c m ) 等等都得到广泛应用。近年来，还有一些新装置出 现，例如点接触显微镜( p o i n tc o i l t a c tm i c r o s c o p e ，p c m ) 。这些仪器将 随着试验测试技术的进一步完善，更能如实地反映实际工况。 而宏观摩擦学研究对于降低机械设备的摩擦能耗，提高抗磨损寿命 和可靠性，以及推动机械向高参数工况发展起着重要作用，它已成为现 代机械设计和制造中的重要基础学科之一。因此宏观摩擦学研究仍然是 本学科发展的主流。然而，当h a r d y 揭示出了依靠润滑油中的极性分子 与金属表面之间的物理化学作用而形成吸附膜的边界润滑状态。 t o m l i s o h 从分子运动角度分析了固体表面在滑动中的能量转换和摩擦起 因。特别是当b o w d o n 和t a b o r 建立了以粘着效应为基础的摩擦磨损理论 后，人们越来越发觉宏观研究不能深入地揭示摩擦界面的微观结构和特 性，因而它所建立的理论往往具有很犬的局限性。 并且，由于当今固体摩擦理论不够完善，致使摩擦系数数值离散性很 大，在工程设计中难以预定其准确数值；此外，机械设备的噪声大都来 源于摩擦急剧变化引起的振动；还有，精密机械中的微动机构和定位装 置的爬行现象。这些都需要改善摩擦的品质来解决。 显然，宏观研究与微观研究相结合，必将促进摩擦学更加完善。并 在机械设计和巷性中对提高机构运动和加工精度有着重要的贡献。因此， 近十几年来中、美、目等国越来越关注这方面的研究，并先后有相应的 论丈发表，如上海交通大学采用微型电机同时作驱动元件和测试元件通 过分析微电动机在施加正压力前后运动特性的改变的方法，问接地计算 出微小摩擦力的大小；南京航空航天大学的范炯等人研制的多功能摩 擦实验机“】；哈尔滨工业大学的邹继斌等人研制的微负荷摩擦测试系统 ”l ：日本京都市工业实验所研制的超微小摩擦力测试仪等。这些仪器测 量出了毫牛顿级正压力下两种不同材质试件间的摩擦力。这对研究介于 宏观和微观摩擦学之间的摩擦现象，也十分具有理论意义和现实意义。 6 第二章微小摩擦力测量仪的总体设计 2 1概述 微小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a m o n t o n s ( 阿蒙顿) 摩 擦公式”，即摩擦力f 与载荷p 成正比，其比例常数为摩擦系数 在界面摩擦过程中”，有 f = c l p 2 7 3 + c 2 p + c 3 p ( 2 2 ) 式( 2 2 ) 中，c ，c ：，c ；分别为于粘着能w 、弹性常数k 、球体半径 r 等有关的函数。 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。而当外加栽荷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a m o n t o n s 公式( 2 1 ) ， 由以上可知，用此课题所开发出的测试仅测量摩擦力时，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 果将两材质问加入润滑材料，还可为机构间选择润滑荆提供参考基础。 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 总体结构设计 在微负荷摩擦测量中，正压力和摩擦力均很小，给精确测量带来较大 困难。就微负荷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”“、变形法与位移法”“。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。这里设计了一种微负荷摩 擦试验系统，其特点是采用压电陶瓷问接施加正压力，达到连续自动加 裁的要求：施力机构与测试粱合为一体，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。 一在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i a r - ； 2 运动部件的运动精度保证； 3 在测量量本身很小的情况下测量误差的分析和测试精度的保证； 4 摩擦测头小体积、易更换的实现； 5 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。 二微小摩擦力测试仪的总体结构： 图2 1 为微小摩擦力测试仪的总体结构图其中，i 为进给装置， 包括粗调、精调装置和施力装置及测力传感器四部分；i i 为转动装置， 主要包括带轮、转轴和转盘三部分；i i i 为电机部分，包括永磁式直流伺 服电动机和测速电机两部分。 1 第l 部分 在图2 1 中1 为粗调装置，它可使测头6 沿y 方向快速向转盘移动； 2 为精调装置，它可在一定范围内调节测头的x 、y 、z 方向的位置使测 头( 被测试件) 与粘在转盘上的试件临界接触。由图可见整个施力装置 为杠杆结构。其中，3 为压电陶瓷，是施力装置的执行元件。通过调节3 的驱动电压来调节压电陶瓷的伸缩量，以这到调节加在测头上的正压力 的目的。测力传感器由双联弹簧片4 和5 及贴在上面的电阻应变片组成。 2 第1 i 部分 在图2 1 中7 为转动圆盘。通过带传动将电机的转矩传给转轴带动 转动圆盘旋转。在这部分里转盘的端面窜动量对最终的测量结果有着重 要的影响。 3 第1 i i 部分 在图2 1 中9 为永磁式直流伺服电动机，8 为测速电机。通过测速电机 的输出信号来进行伺服控制。 ； ：l l ?牟、卜 ，僦 怙口刊 一、 一厂 羚 j _ i ”。蘸! 件王：苫档 | i i i“ 副 击 r 甲 r 蹦一 p 干 爿辞制8 0j1 l ，一 k i ih i b l 【 o i 。| - r 甲l | | r c ” 刊 丁 州i 一 图2 1 微小摩擦力测试仪的总体原理示意图 第三章进给装置的设计 3 1进给装置的总体结构设计 图3 1 为进给装置的总体机械结构示意图由该结构可以看出进给装 置包括加载测力系统的进给装置、施力装置和测力传感器三大部分。 图3 1 进给装置的总体结构示意图 3 2 加载测力系统的进给装置设计 一结构概述 此进给装置为手动进给共分两级，分别为粗调，细调。粗调是用来调 节加栽测力系统沿y 轴方向快速向转盘靠近的。当粗调达到预期目的后， 将进行精调工作。该装置在x 、y 、z 三轴都可进行精调，调节测头与转 盘上的测量试件临界接触。x 、y 轴方向的精调主要是为了使测头在运动 i o 时所受的向心力的作用线始终通过转盘的圆心。z 轴方向的精调主要是 使测头与转盘上的被测试件临界接触，z 轴方向的调节量是通过转盘上 的c c d 摄像头的视频信号来确定的。 二具体结构 该进给装置选用s u r u g as e i k i 公司的产品。 粗调部分选用其大范围运动工作台b 15 - 150 型，其具体外观见下图 3 2 。 图3 2b 15 - 1 50 外观图 b 15 - 150 的具体零件图见图3 3 ： ， 、j 舴i 辩n l n 一 揩 牝i i 。刮6 唪晕逢帮 _ ! - 一o _ j ，弹i 埋j b 5 1 5 0 图3 3b 15 15 0 零件图 相应的指标为： 工作台尺寸：80 8 0 3 0 m m 运动范围：13 8 m m 承载能力：7 8 4 n 重量：9 0 k g 2 精调部分选用其x y z 一轴高精度工作台b 7 0 8 0 型 b 7 0 80 型工作台的调节分为粗调和精调两部分。用于粗调的微米调节 部分每格10 p r n ，用于精调的微米调节部分每格0 5c t m 相应的指标为： 工作台尺寸：8 0 8 0 x 1 6 0 m m 运动范围：粗调：6 5 m m精调：0 3 m m 直线精度：2 o n 负载能力：2 9 4 n 重量：2 3 4 k g b 70 8 0 型的具体外观图见图3 4 ： 图3 4 b t 0 8 0 外观图 b 70 - 80 的具体零件图见图3 5 1 i ” l 擐l t d o 芝三一* 。“ ： 。一5 ； *一镯 j j o 一x gq l _ 弧 。：匿三j 薹霹渤 8 7 0 崞0 图3 5b 7 0 - 8 0 零件图 3 3 施力装置的设计 一施力装置的概述 目前，也有很多人研制与该测量仪的测量范围相近的仪器并且也有相 应的论文发表。但他们在加载时都采用的手动加栽，这种加载方式存在 一定的弊端，即 - 3 要改变所加载荷的大小时必须使测头离开转盘再进行 调节加载力的大小。为了避免这种情况，并达到在测试中连续加载的目 的，这里我们选用层式压电陶瓷作为施加载荷的执行元件。通过调节压 电陶瓷的驱动电压的大小来改变压电陶瓷执行元件的伸缩量，再通过杠 杆达到对摩擦测头施加载荷和改变载荷大小的目的。结构图见下图3 6 ： 设支点前端( 测头端，包括测头，弹簧片、固定弹簧片乖测头的物 块及电阻应变片) 的重量为m ，压电陶瓷端所加的力为f ，测头处受力为 p ，其受力结构简图见下图3 7 ： 由图可有计算式p ，。一m ? o = f ，2 ( 3 1 ) 因此可得测头处所受的正压力为：p = 曼华 ( 3 2 ) 图3 6 施力装置结构图 f ， 广 ： 二执行元件一压电陶瓷 1 压电陶瓷的相关介绍 层式压电陶瓷执行元件通 生微小位移，从而实现加载微，j 主要技术指标 g 区动电压( v 。) ：0 3 0 0 v 最大位移：1 0 0 册 电压一位移特性曲线见图3 8 最佳测量范围的选定 图3 7 受力简图 l 的。 - 位移( e n ) 动 彳ii 皇 由压电陶瓷的电压一位移特性 图3 8 电压一位移特性曲线 1 4 曲线可以看出，在升压过程中曲线的线性范围比较宽( 位移范围为 2 0 a m 10 0 ，m ) ，因此可通过升高压电陶瓷的驱动电压的方法来实现加 载的目的。由特性曲线可得出最佳测量范围所对应的压电陶瓷的驱动电 压为i 4o v 3 0 0 v 。由曲线图可得线性范围内驱动电压变化量u 和压电 陶瓷伸缩量x 之间的关系： j = 0 5x u( 3 3 ) 2 压电陶瓷的驱动电路( d c d c 变换电路) 图3 9 为压电陶瓷的驱动电路( d c d c 变换电路) 。 v n r 图3 9压电陶瓷的驱动电路 主要技术指标要求： 1 ) 输出电压：8 0 v 3 5 0 v 2 ) 控制电压：8 v 3 5 v 考虑到对d c d c 变换电路输出电压的要求，压电陶瓷的驱动电路由 脉宽调制器组成电路( p w m 电路) l m 3 5 2 4 、升压变压器以及二倍压整流 电路组成。 图3 9 中r 6 、c 4 是上电软启动电路，避免上电冲击产生高压损坏压 电陶瓷a r 9 起电压负反馈的作用，使加在压电陶瓷上的驱动电压稳定。 v 。是d c d c 变换电路电压控制输入端，c 。、c ，、d 和d ：组成二 倍压电路。在电路图中脉宽调制器l m 3 5 2 4 所输出的方波频率是不变的， 只靠改变它的输八电压v 。来改变方波的峰值，然后电压通过升压变压器 将输出电压提高5 倍，再通过2 倍压整流放大将交流输出变为直流输出， 最后滤去整流后的脉动电流得到一个较平稳的电压信号驱动压电陶瓷使 它产生伸缩。 3 4测力传感器的设计 一概述 由于悬臂梁有较高的灵敏度，它可以产生较大的位移，并且它所产 生的压缩应变和拉伸应变是严格一致的。因此，该测试中的测力传感器 的弹性敏感元件选用等截面的悬臂粱式弹性元件。 为了保证测力传感器在测力时自由端的位移方向始终保持与原始状 态下的弹性元件垂直，因此，将悬臂梁式的弹性元件设计为双联弹簧片。 作为敏感元件的双联弹簧片将输入到它上面的正压力和摩擦力转换 成应变。再由贴在弹簧片上的应变片将应变转换成电阻的变化，最后以 电压信号的形式输出。其中弹簧片和贴在上面的应变片组合成了电阻应 变式测力传感器。 二应变片的选取 1 类型的选择 通过分析各种类型应变片的用途，可得知箔式应变片适用于该测力传 感器。箔式应变片应用的特点：尺寸小，品种多，静态，动态特性及热 散性好。 2 阻值的选择 应变片的标称阻值的选定要依据测量电路或仪器。如配用电阻应变 仪，常选用1 2 0 q ；为了提高灵敏度，常用较高的供桥电压和较小的工 作电流，则选用3 5 0 t l ，5 0 0 q 或i o o o 蚴阻值由上所述，依据该仪器 的具体情况选用测力应变片的阻值为3 5 0 q 即可。 型号的选择及其相关技术指标 1 6 型号：b e350 4 从 灵敏系数：s 。= 2 0 最小应芰：s 。2 0 5 1 0 “5 最大厦变：。2 0 0 2 分辨率：0 1 u 粘结利：酚醛一缩醛树脂( x 6 0 2 ) 使用温度范围：一3 0 。+ 8 0 。 基底尺寸( 长宽) ：8 2 4 6 三弹簧片材料和尺寸的选定 1 弹簧片材料的选择及热处理 材料：q b e 2 5 铍青铜 经查表”知铍青铜相关的一些参数 弹性模量：e = i 1 3x1 0 “p a 密度：p = 8 2 3 x 1 0 3 k g m 3 淬火：t 8 0 。1 0 。 再经回火：285 。5 。 材料抗拉强度：= 1 2 5 1 0 9 p a 安全系数：查表m 1 ，知n = 2 5 则材料的许用弯曲应力：【吒】- 垒= 掣= 5 o l 0 9 j p d nz ) 应变片承受最大应力盯。= e 一= 1 1 3 x 1 0 “x o 0 2 = 2 2 6 x 1 0 9 p a 考虑应变片的安全，弹簧片在最大作用力的作用下所产生的最大应力 o - 。一m i n o - 吼 ) = 仃，= 2 2 6 x 1 0 9 p a 盯。= ee = 1 1 3 x 1 0 “x 0 5 x 1 0 “= 5 6 5 x 1 0 4 p a 要满足测力时即有信号输出又保证应变片的安全，则 弹簧片的应力5 ，65 l0 4 p a j 2 2 6 x109 p a 测力传感器为双联等截面梁式测力传感器。实质上，它是由一段固 定的两片平行弹簧组成的的悬臂梁，力作用在自由端，在距固定端较近， 距载荷为l 处的两个梁的上下表面，顺着l 的方向分别粘贴上电阻应变 片r ，r ，和r ，r 。，此时，r ，r ：若受拉，则r ，r 。受压，两者发生极性相反 的等量应变。其中l 。为应变片中心到自由端的距离。此时，将它们组成 差动电桥，则电桥的灵敏度为单臂工作时的4 倍。粘贴应变片处的应力 为盯：坠其中国：墨，m 。：f 。l 。，又因为测力敏感元件采 用双弹簧片，则每片弹簧片在粘贴应变片处的应力“”盯：盯m “么 所以盯：_ 3 f l o b h 2 所以有s s s 川4 肋 e 时的轴向负荷系数 查表，有 圪= f + o 7 6 t ：6 8 0 4 - t - 0 7 6 1 0 3 。1 3 ：8 5 。1 8 2 5 n y = 1 1 2 c o = 7 0 8 x 1 0 3 n 有；= 0 0 0 1 3 ( 8 5 1 8 0 8 1 0 ，) ”3 = 则有鼻= 只一0 1x f = 1 0 3 1 3 0 1 6 8 0 4 = 1 0 3 8 1 0 4 n 此种情况下成对安装的角接触轴承的摩擦力矩 m | | = 0 0 0 0 3 1 0 3 8 1 0 4 3 6 = 1 1 2 1 n _ ，? m b ) 此种情况下深淘球轴承的摩擦力矩 微f , - o 0 0 0 9 ( r 查表“有皖= f = 2 4 8 6 4 n c 。：4 4 5 1 0 3 n 刖有 = 0 0 0 0 9 ( 2 4 - 8 4 5 0 ) ”5 = o 0 0 0 0 5 1 8 鼻= 只= 2 4 8 6 4 n 此种情况下深沟球轴承的摩擦力矩 m i2 = o 0 0 0 0 5 1 8 x 2 4 8 6 4 3 1 = o 0 3 9 9 n m m 综上可得 肘l = m l i + m i2 = 1 1 2 1 + 0 0 3 9 9 = i 1 6 0 9 n ，埘m 所以有滚动轴承的摩擦力矩为一 4 9 m = 彳1 + m o = 2 5 1 6 1 2 + 1 1 6 0 9 = 2 6 3 2 2 n m m 2 测头产生的摩擦力矩 取摩擦系数为口= 0 3 别测头产生的最大摩擦力矩 = , u x p x 5 0 = o 3 x o 6 x 5 0 = 7 5 m m 3 转轴平稳转动时所需的转矩 一= m + m 测：2 6 3 2 2 + 9 = 3 5 3 2 2 n 7 强= o 1 n ，” 二启动时的负载转矩 1 系统转动惯量的计算 转动惯量可按下面的公式计算。 对于截正圆锥j = 。一；, r x h 。壁上m 。 1 0r r 对于正圆柱 j = p x 7 ，4 h 2 a 精益的特动陨耍j ，z i = 7 3 3 1 0 3 x t r x 7 。i 1 ( 丁1 0 0 ) 4 1 0 “= 5 0 3 7 3 5 1 0 - 6 m s 2 厶以3 3 x 1 0 3 x z x 。圭( 争圳“，。9 n “ j t = j z l + i ，z 2 一j 2 3 = 5 0 3 7 3 5 1 0 “+ 1 7 4 9 x 1 0 - 6 0 6 0 5 x 1 0 “ = 5 0 4 8 6 7 1 0 “n m s 2 b 轴的转动惯量，： ，z = 7 8 9 1 0 3 刀i x 古4 ( 1 6 4 x 1 0 + 1 4 4x 3 + 1 8 4x 1 3 + 2 0 4x8 + 1 8 4 3 + 2 5 4x 2 6 + 2 8 4 7 4 + 2 0 4 3 0 + 1 4 4 2 1 ) 1 0 一1 5 + 7 8 9 1 0 3 兰塑 1 0 5 0 。上。! ! 二堕。1 0 - 。s 2 4 1 8 1 6 5 0 8 5 3 nm s 2 c 带轮的转动惯重j ， 屯以，h 1 0 3 x z x 圭( 争4 川枷“观，一s 2 j l2 丑3 3 x 1 0 3 x ，r x ；c 争4m ”= 2 3 0 2 n - m s 2 j 3 ：73 3 1 0 3x x = 1x ( 芸) 4 2 1 x 1 0 “：o 5 8 1 n m s 2 zz j 3 = j “+ j 2 - j l 】= 6 2 9 9 7 x 1 0 - 6 + 2 _ 3 0 2 l 酽+ o 5 8 1 x 1 0 - 6 = 6 5 8 8 x 1 0 - 6 n t m s 2 d 转动装置的总的转动惯量 ，s = ，i + j 2 + = 5 0 4 8 6 7 x 1 0 “+ 5 0 8 5 3 x 1 0 6 + 6 5 8 8 x 1 0 “ = 6 2 1 6 1 0 。6 n m j 2 e 将转动装置的总转动潢量折算到电动机轴上 小争= 警柏粥s z “ 2 启动时电动机的负载转矩计算 取启动时间t = 3 s ，即在电机启动3 秒后转轴开始平稳转动。 则最大角加速度： 占= 等= 2 x 百n 万x 2 9 7 0 = 1 0 3 6 7 3 r a d s 2 带轮的传动效率：，7 = k 。k l = 1 0 x 0 8 7 = 0 8 7 作用在伺服电机轴上的总负载转矩t 可按下式计算 7 = ( ，。，+ 厶) s + 尘_ ” 5 ( 6 5 , 6 x 1 06 + 6 0 9 3 5 2 x 1 0 - 6 ) x 1 0 3 6 7 3 + 黜 01 0 9 n o 5 i7b h u s h a nbh a n d b o o ko fm i c r o n a n o t r i b o l o g y b o c ar a t o n c r cp r e s s 1 9 9 5 1 6 8 1 8b h u s h a nbh a n d b o o ko fm i c r o n a n o t r i b o l o g y b o c ap m t o n c r cp r e s s 1 9 9 5 4 5 3 1 9 徐灏机械设计手册( 第二版) 第1 卷机械工业出版社2 0 0 0 ：5 - 5 5 8 4 2 0 上海交通大学、清华大学、上海机械学院合编精密机械与仪器零件部件设计上海交通夫 6 亍。f i 版朴1 9 9 1 ：2 7 0 2 8 6 2 i 徐粥- 机 成吐汁r 埘( 第一版) 螭3 卷帆械t 业川扳利：2 0 0 ( 2 64 0 2 6 5 2 2 z + p 成f r 传感器的刖论j 碰训矩础及其肫用国防丁业m 版礼1 9 9 9 ：7 8 1 3 0 2 、 张如 、沈脱林、半驯弟麻变电测与传感器清华大学 f 版礼1 9 9 98 1 7 2 4 中濂实用轴乐手册辽宁科学技术出舨社2 0 0 1 ：4 4 9 - - 8 5 0 2 5 眸实褊、李庆祥精密仪器改计清华大学出版社1 9 9 1 ：i 2 0 1 5 0 2 6 东北人学机械零件设计手册编写组机械零件设计于册( 第三黼) 卜冶会丁业版 h1 9 8 65 3 9 5 5 8 2 7 邱宜m 、机械设计( 第四版)高等教育出版社1 9 9 7 ：i 7 6 1 9 7 3 0 9 - - 3 3 3 2 8 成火先机械设计手册( 第四版) 第3 卷化学工业出版社2 0 0 2 ：1 3 3 1 3i 0 成人先机械设计手册( 第四版) 第2 卷化学工业盘版社2 ) 0 2 ：6 0 6 4 1 3 0 江耕华、胡来容、陈启松机械传动设计手册( 下册) 煤炭工业出版社1 9 8 38 4 8 7 1 0 0 1 0 l 3 l 杨黎州机电一体化墁计手册国防工业出版社1 9 9 7 ：5 8 4 7 2 9 3 2 万长森滚动轴承的分柝方法机械工业出版社1 9 8 7 ：2 5 1 2 8 0 3 3 郑堤、唐可洪机电一体化设计基础，机械工业出版社。1 9 9 7 ：1 3 4 2 1 1 附录1 ：轴径的校核 1 转矩： 小带轮转矩：正：9 5 5 1 0 6 旦：9 5 5 l o n3 0 x 1 0 _ 型_ s ：9 5 5 珂 j u u u 大带轮转矩：疋2 i = 9 5 5 0 8 7 1 0 1 = 8 2 2 6 n m ” 带传动的效率：叩= k 。- k = 0 8 7 1 0 = 0 , 8 7 2 许用应力( 轴材料选用4 5 号钢，调质处理) 由表查的 2 9 1 ，抗拉强度盯日= 6 5 0 m p a 、屈服点盯。：3 6 0 m p ，许用 应力值：用插值法查表【2 8 】1 6 3 得b 。】_ 6 0 m p 。、b 。】= 1 0 2 5 m p a 。应 力校正系数：口= b 。】b 。】= 6 0 1 0 2 5z 0 5 9 3 、当量穹矩 截面i - i m 旷扛丽：正面百面网m t = 1 3 5 4 1 6 l n m m 截面卜l ：m i = x 5 9 5 9 82 + ( 0 5 9 x 8 2 2 6 ) 2 ：5 9 7 9 5 2 9 n m m 截面2 2 ： m d 2 = x 2 5 2 + ( 0 5 9 x8 2 2 6 ) 2 一= 5 4 5 9 4 珊研 截面i l l - i i i ：m a n l = 牺丽孬i 两面：8 4 7 6 5 n 棚 截面i v i v ：帆。= 缸百面磊面万：5 4 5 9 4 肌脚 截面v v ：鸠v = x 3 0 + ( 0 5 9 x8 2 2 6 ) 2 = 5 4 5 9 4 n 肺州 4 、校核抽轻 截一r ：吐= 隔 = 1 3 5 4 1 喘1 v n ：2 8 2 0 n m l 锄m m l o 1 6 0 一 ”7 1 ” 截面1 一l ：d ： j ，阢l 。】 截面2 - 2 ：d ，= d v = d ：1 1 5 9 7 9 5 ：4 6 3 0 n m 2 帆7 06 0一v1 一 ” 甄观- m m 附录2 ：用安全系数法校核轴的强度 】判断危险截面。 初步分析i 、i i 、1 i i 、i v 、v 截面有较大的应力和应力集中。由表所 列的公式可求得疲劳极限。 对称循环疲劳极限：a = 0 4 4 0 - b = 0 4 4 x 6 5 0 = 2 8 6 m p a r 1 2 0 3 0 c t 8 = 0 3 0 6 5 0 = 1 9 5 m p a 脉动循环疲劳极限：盯= 1 7o r = 1 7 2 8 6 = 4 8 6m p a 7 0 2 1 6 r i = 1 6 1 9 5 = 3 1 2 m p a 等效系数：= 2 c r l b - - o o b ) 杉o 。= 。1 8 ：雌= ( 2 r - i - v = 。2 5 疲劳强度的最小许用安全系数： s - - s 、s ：s ，由表1 查的 s l = 1 3 ，s 2 = 1 1 ，马= 1 5 ， 则得到p 】_ 1 3 x 1 1 1 5 = 2 1 4 5 2 截面i 一1 的校核 1 ) 截面i i 的应力( d = 1 4 r a m ) 抗弯截面系数z o 1 d 如”，抗扭截面系数吼z 0 2 d ”。 弯曲应力幅仃“= o m a x t = ，一2 6 4 2 “o 么3 l o 。= 0 - 4 6 0 7 m p d 弯曲平均应力盯。，= 0 ( 对称) 扭转切应力r ，2 。，2 名毛= 8 2 2 6 1 0 2 。1 4 ，l0 _ 9 = o ，1 5 0 m p a 扭转切应力和平均切应力r 。，= r ，= = o 0 7 5 m p a 2 ) 应力集中系数 6 5 表面质量系数卢= 0 9 2 ( 由附录5 “”得) 。尺寸系数由附录6 得 。= 0 9 1 ，s ，= o8 9 ，过渡圆角的有效应力集中系数( 过渡圆角半径 r = 0 3 ) ，形= o = 00 2 1 1 2 3 截面i i i i 的校核 1 ) 截面i i i i 的应力(