（机械制造及其自动化专业论文）微小摩擦磨损测试系统设计与实验分析.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，微小孽擦磨损测试系统设计与试验分析 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果：对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者笠名：压i j l 萄丑1 3 1 年王月止 1 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印 件和电子版允许论文被查阅和借阔。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索+ 也可采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编学位论文。 作者签名：刃l 豇2 l2 z 年王月也日 指荆签名叠毛雄年3 月皿一 摘要 微小零部件( 如m e m s 中的微小部件) 问的摩擦介于宏观与微观之间其量级在 微牛级至毫牛级范围内。由于尺寸效应和表面效应微小零部件问的摩擦成为影响其 性能和可靠性的关键；现有的摩擦测试手段与微小零部件实际1 = 况相差根大本文设 计了微小摩擦磨损测试系统，实现对微小零部件之间的摩擦磨损测试。该系统主要功 能为：法向正压力载荷加载、法向正压力载荷测量和横向孽擦力测量。主要包括进给 系统、转动系统、测试传感系统和数据处理系统四大部分。利用c a t i a 软件对整体结 构进行三维造型建模测试传感系统与数据处理系统基于光反射法原理进行设计。为 了检测系统的性能对平行悬臂粱进行标定试验，并对其试验结果进行分析，平行悬 臂粱摩擦力分辨率为2 0 9 n 正压力分辨率为1 5 0 p n 。最后论述了微摩擦的建模思想， 并利用所设计的装置进行了微孽擦试验，结果显示摩擦副之间的孽擦系数不是恒定值 且随着正压力的变化而变化平行悬臂粱存在自振现象并有回弹现象发生： 关键词：微摩擦测试光反射法平行悬臂粱微小摩擦试验 a b s t r a c t f r i c t i o nb e t w e e nm i c r oc o m p o n e n t si sd i f i e r e n tf r o mm a c r o s c o p i cm e c h a n i c a lf r i a t i o n a n dn a r l o f r i c t i o ni t sv a l u ei sf r o mt e n sn nt oaf e wm na n di ti st h ek e ) f a e l o rt h a ta f f e c t s t h ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t ) o fm i c r oc o m p o n e n t ss u c ha sm e m s ( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a l s y s i e m l b e c a u s eo fs c a l ee f f e c ta n ds u r f a c ee f f e c t t h ef r i c t i o n i n m i c r o - m e c h a n i c a ls y s t e m si sn e i t h e rm a c r of r i c t i o nn o ri i 0 3 ) oo n eh e n c e i ti s u r g e n tt o d e s i g na na p p r o p r i a t ei n s t r u m e n tt om e a s u r et h ef r i c t i o ni na c t u a lm i c r o m e c h a n i c a ls y s t e m s an e wt e s t i n gs y s t e mw a sm a d et om e a s u r et h em i c r o ，f r i c t i o nw h i c hc o n s i s t so f f o u rb a s i c u n i t s ：t h ef e e ds x s t e mr o t a t i o n a ls y s t e m s e n s i n gs y s t e ma n dd a t ap r o c e s s i n gs y s t e mt h e t h r e e d i m e n s i o n a ls t t a l c t u r em o d e l i n gi sd e s i g n e db ) u s i n gc a t i as o f t w a r es e n s i n gs y s t e m a n dd a mp r o c e s s i n g s y s t e ma r ed e s i g n e db a s e do nt h el i g h tr e f l e c t i o nm e t h o dt h e c a l i b r a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tt ov e r i 母l i n e a r i t y r e p e a t a b i l i t 3 a n dr e c o v e do f c a n t i l e v e r f r o mt h er e s u l to fe x p e r i m e r i t st h e 他s o i u 【l o no ft h en 嘎m a i 【o a do b t a i n e dc a n r e a c h1 5 0 j | nw h i l et h er e s o l u t i o no ft h ef r i c t i o nc a l lr e a c h1 0 u na tl a s t e x p e r i m e n t sf o r m i c r o - f r i c t i o na l - ec a r r i e do u tb 、u s i n gt h et e s t i n gs 3s t e mt h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n tt e s t s h o w e dt h a tt h ee o e f f i c i e n to f m i c r o f r i c t i o ni su n s t a b l e ：i t sv a l u ei sc h a n g e dw i t ht h en o r m a l l o a dv a l u es e l l o s c i l l a t i n gp h e n o m e n o na n dr e b o u n dp h e n o m e n o na p p e a r e di nt h ep r o c e s s 0 f t h ee x p e r i m e n t s k e ) w o r d s ：m i c r o - f r i c t i o nt e s t i n gs 3 x t e m m i c r o - f r i c t i o n e x p e r i m e n t 目录 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 11 引言 12 微孽擦测试技术研究发展现状 一 l3 微摩擦磨损机理研究现状 l4 本文主要研宄内容 lj 本章小结 第二章微小摩擦磨损测试系统总体设计 21 系统技术指标 22 系统总体结构设计 23 进给系统设计 24 转动系统设计 2 ；本章小结 第三章测试传感系统与数据处理系统设计 3l 测试传感系统原理 3 2c c d 的选用 33 平行悬臂梁的结构设计 34 测试软件设计 3 j 数据处理 36 本章小结 第四章平行悬臂粱标定实验 4l 水平片弹簧的标定， 42 水平片弹簧标定结果 43 竖直片弹簧的标定 44 竖直片弹簧标定结果 45 传感系统静态性能分析 46 本章小结 第五章微小摩擦实验及其机理初步探讨 j 】引言 52 接触模型的建立 0 ，0 o 0 0加坦坛埔埔博坩船螨；号外盯盯嚣豁驰秘姻 53 微观滑动过程中模型的建立 54 摩擦实验测试 55 本章小结 总结与展望 致谢 参考文献 硕士期间发表论文 附录( 采集数据) 鸺m蛎娟盯盯乱韶 第一章绪论 1l 引言 近年来，机械产品及零部件的微小型化已经发展成为一种全球化趋势 传统机械而言微机械中的孽擦磨损问题及其机理成为科研的热点之 o “。相对于 微摩拣磨损 的存在影响微系统中构件的运动平稳性，损耗系统工作能量甚至影啊整体微机械结 构的性能和寿命。一方面微机械不能从外部连续获得较大能量，而微构件间的摩擦 阻力不仅影啊其运动平稳性，还会损耗大量能量因此在微机械设计中要尽量减小摩 擦力降低摩擦损耗甚至实现零摩擦：另一方面，在一些特殊功能的微机械系统构 件中，反而利用摩擦力作为牵引力或驱动力，此时则要求摩擦力具有稳定的数值而且 可以在线调整与实时控制”。j 。 微机械中的摩擦属于介观尺度的范围目前介观尺度普遍认可的定义是介于宏观尺 度和微观尺度之间零件尺寸范围为01 m m 一1 0 m m 几何特征尺寸范围为00 1 m m 1 m m 。 介观尺度摩攘( 也称微摩擦) 机理不同于宏观机械摩擦( 符合经典a m o m o i l s 摩擦公式) 也不同于微观原子纳米级摩擦( 有很强的尺寸效应) 。因此研究微摩擦机理对微机械的 加工装配、生产使用都有十分重要的意义也是宏观经典孽擦学与微观原子分子动力 学模拟摩擦的之间的桥梁。宏观摩擦学研究领域比较成熟的试验仪器和设备主要是摩 擦试验机所测量的摩擦力与载荷都在牛顿量级远远超过了实际微机械中的摩擦力 范围：纳米摩擦学研究领域比较成熟的试验仪器和设备主要是原子力显微镜、摩擦力 显微镜等所有的探针与基片间的孽擦界面接触面积应该在纳米量级而实际的微机 械尺寸大部分在微米或毫米量级，特征尺寸在微米量级。因此研究适用于介观尺度的 微小摩擦测试系统变得迫切需要1 8 - 1 3 1 ： 12 微摩擦测试技术研究发展现状 7 0 年代i s r a e l a c h v i l i 等研制出表面力仅( s f a ) f l “此仪器可以坝i 试出两固定样 品相对滑动时的微摩擦力但不能测定出二者之间的磨损情况。1 9 8 1 年i b m 瑞士苏 黎世试验室两位科学家c b i n n i g 和h r o h r e r 研制出扫描隧道显微镜( s t m ) ，其主要 有三部分组成：探针和控制隧道电流的自动反馈控制系统、纳米级三维位移定位系统 及信号采集和数据处理系统。s t m 不仅可应用于原子级表面的测量j 丕可用于表面原 于级的加工，但测量加工样品必须是导体，对于绝缘体不适用。 1 9 8 6 年c b i r m i g 在扫描隧道显微镜( s t m ) 的测试原理基础上提出并研制出依 靠探针尖和试样表面间的原子作用力来测试的原子力显微镜a f m ) ，a f m 与s t m 相 比优点在于a f m 能检测非导体表面的微现形貌| l5 - 1 6 1 。后来科学工作者叉研制出依靠 磁作用力的磁力显微镜( m f m l ，激光力显做镜( l f m ) 、光予扫描隧道显微镜等一系 列扫描探针测量技术或类似的扫描测试技术。 2 0 世纪8 0 年代末n e u b a u e r 等在a f m 基础l 研制出摩捧力显微镜1 f f m ) ： 此仪器可用于测量材料的微观结构及极轻载荷、纳米尺度条件下的摩擦磨损，从而得 到村料的微观表面形貌及摩擦特性。 根据测量原理的不同徽摩擦测试技术可分为采用悬臂变形测量摩擦力、数字差动 式测量摩擦力、电磁型微电机测量摩擦力、浮力原理测量摩擦力、光学检测测量摩擦 力、硅连接式测量摩擦力等。以下分类介绍国内外微摩擦测试技术当前的研究现状： ( 1 ) 采用悬臂变形测量摩擦力 悬臂变形原理如图1 1 所示通过测试悬臂的变形来间接测试正压力、摩擦力。悬 臂的变形量可以采用应变片法、位移法、光反射法、光三角法及光纤测试法等。 图1 1 悬臂变开；示意图 华南理工大学黎智恒、黄平等根据杠杆浮动加载原理在2 0 0 1 年研制出微摩擦力测试 系统，通过对测试系统主要结构件的刚度分析设计设计出垂直薄壁梁结构运用应 力应变传感的方式测试正压栽荷和摩擦力，正压载荷和摩擦力的分辨率分别达到2 m n 和05 r a n 灵敏度系数分别为2 和05 1 “i 。 2 0 0 2 年，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所研制出了一台 散小摩擦力测试 仪_ j ，剽仪器能实现微小正压力载荷的加载和测试微小摩擦力的功能，其中微小正压 力加载通过控制压安装于电陶瓷筒上的伸缩探针来实现，加载范围为i u n 1 m n 。通过 控制x 工作台运动，使探针与样品表面形成摩擦副，进而产生微小摩擦摩擦力的大小 由横向摩擦力传感器测出。2 0 0 4 年该实验室在上述基础上又研制出分辨率达4 6 u n 的 应变电阻式硅微力传感器口q 此传感器由硅膜电阻应变桥与探针组成，把力信号转换 成电压信号，灵敏度为6 5 v n 、最大输出电压为2 0 0 0 v 、重复性为1 1 。于正林、刘治 华等人在此基础上进一步设计出一种微摩擦测试仪此微孽擦测试仅关键技术 微 力传感系统结合光反射法原理与硅片光刻腐蚀技术制成的硅微力传感器来实现，此微 摩擦钡4 试仅正压力分辨率为2 0 0 u n 、量程为2 0 0 0 m n 摩擦力分辨率为5 0 u n 、2 0 0n a n ， 总体重复性为13 总精度为22 5 7 t “l 。 om o l l e n h a u e r 等2 0 0 6 年研制的微摩擦测试仅在微机电系统的基础上融合图像 处理与高分辨章传感器于一体可以实现转盘的快速定位和转换不同运动方式，模拟 多种不同的环境条件下的孽擦最突出的特点是模块化，研究人员可灵活地设计实验， 根据用户的要求可快速实现驱动模块和力传感器的转换。瘁擦头直径为01 5 r a m 弹簧 片尺寸2 0 m m 4 0 r a m 分辨率可达1 n m ，摩擦力可达2 5 m n 。正载荷在2 5 r a n 到5 0 m n 一 范围内往复运动的速度可达1 5 赫兹样品重量可达2 0 0 9 而且还可进行其他检测如划 伤检测或划伤在表面的微结构检测等。y bg e r b i g si ua h m e d 等2 0 0 8 年设计了1 种撇孽擦测试仪用光刻工艺制作的双叶弹簧结构的悬臂粱其变形位移量由光纤传 感器传输计算机、进行处理，压电陶瓷提供循环往复运动。测试范围】帅1 m n ，精度 达到纳牛量级口j 。 a c h a n t a 等2 0 0 9 年在“微型尺寸下的摩擦机制”一文中指出微观摩擦与宏观摩 擦的相似之处在于都依赖于毛细作用力、表面形貌及材料的性能。其所设计的摩擦实 验装置不仅灵敏度高且可对多重数据进行检测。文中提到的晟新并在国外广泛使用 的摩擦测试仪类似于原子力显微镜悬臂粱是特殊取叶设计尺寸为2 5 m m 5 0 m m 悬臂粱在x 、z 方向上的挠度相互独立光学纤维传感器检测悬臂粱在法线方向与切 线方向的变形u 。 图i2 雄国t e t r ag m b h 微小肇拣测试披结构 1 步进电机驱动平台l x 、y 向) 2 往复运动单元3 试件4 摩捧头5 n 力臂6 光纤传感器 2 ) 基于数字差动式测量法的微孽擦测试仪 上海交通大学陶益民等研制出一种微摩擦测量仪，此微摩擦测量仪运用数字差动 式测量原理来测试微型旋转副的摩擦力，如下图所示，摩擦力的大小等于f i 与f 2 之差 求出，而f 】与f 2 的大小由应变片法测出，此钡0 试方法具有灵敏度高、重复性好等特 点 “j 。 圈13 数字差动式测量原理示意图 3 ) 基于电磁型徽电机的撇摩擦测试仪 2 0 0 0 年，上海交通大学曹长江、张琛等研发了一种微摩擦测试装置，采用间接测 量法测试。测试机构如下图所示组成摩擦副的两试件样品一个装卡于电动机外伸轴 上一个装卡于施力杆上，当两试件接触、发生相对运动、产生摩擦时，正压力测试 通过离线标定方法得出摩擦力的测试通过分析电磁微马达加载前后的输出特性变化 得到。 图i4 电磁型徽马达微摩擦测试装置原理圈 李振波曹长江肖永利等设计了一种微型电机驱动的微小摩擦测试装置，测试 原理与电磁型微电机的微摩擦测试仪原理相似，只是孽擦力的测试通过分析电磁微点 击加载前后功率的变化得到川。 4 ) 基于浮力的微摩擦测试仪 1 9 9 8 年- 哈尔滨工业大学邹继斌等于提出了微负荷摩擦测试系统，可同时在线测 试正压力载荷和对应的摩擦力。此系统采甩浮力匣理施力、加载机构与测试机构为一 个整体。正压力范围为02 x 1 0 4 - 05 x 1 0 p a ；分辨率为0 2 1 0 呻a ：其精度小于或等 于2o 摩擦力范围为2 0 x 1 0 。- 25 x 1 0 二n ，分辨率为02 x 1 0 4 n 其精度小于或等 于03 。 图15 微负荷摩掾测试系统原理圈 1 试件l ：2 试件2 ( 摩擦头) 3 施力杠杆：4 传感器：5 引线 6 平衡螺旋：7 浮子；8 水槽：9 精密螺旋：1 0 机座：1 l转盘 5 ) 基于光学检测的微孽擦测试仅 j e d 毗l k i n d e k i m 设计了一种离心摩擦实验台、其测试原理妞下：当离心试验台 做旋转运动时离心力由摩擦力提供且数值相等通过旋转速度与离心力的函数关系 可推知摩擦力的大小其中旋转速度通过光学测试测出。推导步骤为：正压力n = m 2 ， 切向力f c t n a 7 n u2 r 摩擦力f c - f f - ：州隼擦因数p - u ! r 9 1 2 ： 6 ) 基于硅连接式的微摩擦测试仪 北京航空航天大学郭占社、孟水钢等人设计了一种分离式片上做摩擦测试机构。 该测试机构的最大特点是运用微机电系统体硅工艺、键合技术及光刻技术，把加载机 构、测试装置、力传感装置及摩擦副集成在一个单一的数量级为微米的硅片上。对动、 静态微摩擦因数进行测试，测试结果显示正压力灵敏度为8 4 ”n g m 、摩榛力灵敏度为 9 1 u n g r a 静雎擦因数约为0 9 且随着正压力的增加而逐渐减小动孽擦因数随着施加 在摩擦副上的正压力载荷的变化而变化删l 。 图16 分离式片上融擘擦测试机构 1 3 微摩擦磨损机理研究现状 微摩擦磨损机理研宄内容主要包括：利用现有或自行研制的摩擦仪器探究摩擦副 的材料、摩擦接触面积、摩擦副运动方式及循环次数、环境湿度及温度、摩擦时间等 对摩擦系数、磨损现象的影响规律：微摩擦磨损模型的建立：表面效应、稠化作用、 毛细力、黏着力、p u l l o f f 力等对微摩擦力的影响：润滑及表面形貌与摩擦系数的关系： 正压力与摩擦力的关系等。 1 ) jb a r r i g a a bf e m a n d e z d i a z 等用自制的微摩擦测试仪研究c u c u 、a u 以u 、 c u a u 表面摩擦系数与环境温度的关系：建立接触角模型，接触角越大，表面吸水性 越强；提出严重度指数的概念s i = “fn a = s l k 。 。 2 ) k i r s t e ni n g o l fs c h i f l h a a n n 利用h y s i t r o nt r i b o s c o p et m 和a f m 研宄三种材料 【a f 4 5 玻璃、硅、铝) 各自与锥形金刚石针尖四种运动形式的磨损情况：四种运动形 式为：零维压痕，一维力呈线性时划痕、力恒定时往复运动、二维扫描磨损：在扫描 磨损试验中，提出了磨损模型( 如图l7 ) 由耕犁磨损到切削蘑损的分界线 q = 部瑚s n 一也旭+ ) 【一般a ，= 2 1 。) ：提出a f 4 5 玻璃由于稠化作用( d e n s i f i c a t i o n 对其磨损的影响f ”i 。 7 弋l ，气n w 。”：b c 图i7 磨损模型示意圈 3 ) y bg e r b i g s i - ua h m e d 等用自行研制的微摩擦测试仪研究不同表面( p i 、 i 2 、p 3 、p 4 ) 与探头的摩擦磨损情况：探讨孽擦系数“与往复循环次数h 的关系， 建立了两种类型： 2 q h 叫协。+ 啦”+ o l 比咖+ ( 1 1 j 2 q 2 心m 一+ 4 1 幽+ d o( i2 ) 建立的磨损过程模型( 如图l8 所示) ，探讨在长期磨损情况下，摩擦系数与往复 循环次数的关系t 相同载荷下摩捧系数随往复循环次数的增多而增大( 粘台作用影 响) p + a | 1 l 。 圈i8 磨损过程模型示意图 4 ) 上海大学的王建贵等在2 0 0 2 年发表丁硅微弹簧一滑块摩擦力测试结构静力学分析 一文，提出了硅微弹簧雎擦力测试机构。文中的设计思想为通过政变微滑块面积和特 征尺度的关系- 来研究微尺寸效应( 包括面积效应、间距效应) 对摩擦力产生及大小 的影响m i ； 4 本文主要研究内容 此课题来源丁f 吉林省科技发展计划项目“微小摩擦规律的理论与实验研究”。研究 介于宏观与微观之间微小摩擦磨损现象及规律设计与开发一种能够在微小接触面积 和微小压力作用条件下测试两种不同介质之间的孽擦力的系统装置。该系统可同时测 量微小正压力与摩擦力，从而通过实验分析微小摩擦力与正压力的关系。同时此系统 也具有微小磨损实验功能。可用于研究微小磨损现象。利用所开发的系统进行微小摩 擦磨损实验结合理论分析探索微小摩擦磨损的机理和规律。 本文的主要研究内容如下： 论文第二章论述微小摩擦磨损测试系统总体结构设计根据微小摩擦磨损测试系 统性能要求，提出测试系统总体设计方案。包括运动原理方案以及结构原理方案：在 总体方案的基础上完成每个分系统的设计，包括动力系统、加载系统、测试系统。 论文第三章论述测试传感系统与数据处理系统设计设计基于光反射法的测试传 感系统并对数据处理系统的蹬计进行论述：对测试传感系统中的关键部件一一悬臂 粱详细论证设计，它的结构尺寸及性能是整个测试系统的关键进行。 论文第四章论述悬臂粱的标定试验及测试传感系统的静态性能悬臂粱的标定试 验包括水平片弹簧的标定、竖直片弹簧的标定并对标定试验结果进行分析，检验悬 臂粱是否满足整个测试系统的需要。 论文第五章论述微摩擦的初步理论建模并进行初步微孽擦试验，微摩擦试验包括 实验的设置( 选取微机械中常出现摩擦蘑损现象的几种材料进行实验，观察其摩擦现 象) 、实验数据的获取、结果数据的整理：根据实验所获得的数据结合现有微小摩擦磨 损理论，研究微小摩擦磨损规律及机理。 为了方便说明本文所说的平行悬臂粱为平行型片弹簧装置，以下所说的片弹簧 即是平行悬臂粱。 1 5 本章小结 本章阐述了有关国内外微孽擦测试技术研究现状，分析了微摩擦磨损理论国内外 的研究发展现状介绍了本文的主要研究内容及论文的结构框架，其对本文的深入研 究具有指导意义。 第二章微小摩擦磨损测试系统总体设计 2 1 系统技术指标 微小摩擦磨损测试系统的基本性能指标为：精度高、重复性好、测试方便等。微 摩擦测试中需要解决的主要问题是： j ) 如何装夹微小试件样品： 2 ) 要使微小运动副之间有可控制的相对运动且运动范围较大： 3 ) 要能够在两运动副z 间施加一定的正压力载荷： 4 ) 要能准确、实时地测出数量级为微牛缴的正压力载荷； 5 ) 要能准确、实时地测出静态和动态摩擦力： 6 ) 要保证正压力与摩擦力两个方向上的力不产生耦合或者能够有效解耦以防 止耦舍现象发生： 7 ) 为确保测试精度和灵敏度要解决系统防振、防温度漂移、抗噪声等问题。 除此之外j 丕需解决的是如何减小测试过程中的误差和损耗，以提高测量的精度、 准确性。 参考国内外相关设备参数，结合本实验室与项目的具体要求考虑兼顾装置整体 性能及研制成本的原则，对微动摩擦测试系统进行技术指标的规划。设计技术指标如 下【3 4 4 “ 反复定位精度0l u r e ： 正压力测量范围：0 5 0 m n ： 摩擦力测量范围：0 一】0 r a n ； 正压力、孽擦力测量精度：5 ； 摩擦力分辨率：2 0 9 n ： 正压力分辨率：2 0 0 j t n ： 电机转速精确控制误差：l r7 r a i n ： 丰轴回转精度4 u m 、径向跳动4 p m ： 摩擦盘端面跳动5 p m ： 21 系统总体结构设计 为测试微小摩擦力及对应的微小正压力传感测试系统中的传感器要有足够的灵 敏度、较小的刚度且保证足够的稳定性：另外，为研究正压力和摩擦力的变化关系 传感测试系统要能同时测试两个正交方向的力而且尽量降低耦合度。 基于以上分析设计了基于光反射原理的微摩擦测试系统其实现的主要功能为： 法向载荷加载、法向载荷测量、横向摩擦力测量。总体结构如图2i 所示主要包括进 给系统、转动系统、测试传感系统和数据处理系统四部分；通过控制进给系统与转动 系统，实现加载与惰动摩擦产生正压力与摩擦力力信号通过片弹簧、激光器和c c d 组成的测试传感系统转换成电信号后传递到计算机。计算机有人机交互与存储数据软 件方便实时控制与数据观测。 z【一一 一一一一 m ，一x 考l 图2 i 系统总体结构图 图22 为系统的三维模型示意图，1 ) 片弹簧、激光器和c c d 固连与三维精密位移 平台上t 通过控$ 0 三维精密位移平台z 轴的移动，实现正压力的加载：2 ) 电机通过带 传动带动摩擦盘的旋转运动，摩攘盘与片弹簧上的摩拣头接触通过控制电机转速， 摩擦盘与摩擦头产生相对移动，形成摩擦副：3 ) 弹簧片水平方向上的变形量是由摩擦 盘与摩擦头之间摩擦力作用产生的弹簧片竖直方向上的变形量是由施加于摩擦头上 的正压力产生的弹簧片的变形量通过激光器和c c d 进行测试( 详见第三章) 。图13 为测试系统实物图。 图2 2 系统三维模型示意圈 图2 3 系统实物图 2 3 进给系统设计 进给系统的作用是1 ) 完成对片弹簧施加载荷即使片弹簧在竖直方向发生弯曲变 形( z 方向) ：2 ) 改变摩擦头在摩擦盘上的径向位移( x 方向) ：3 ) 调整摩擦头与摩擦盘 直径位置( y 方向) 。进给系统主要是通过控制三维精密位移平台来实现的。 23 1 三维精密位移平台 三维精密位移平台采用北京集科仪器有限公司生产的o i t s 0 0 2 系列，外形如图2 4 所示。0 1 t s 0 0 2 型精密位移台是整体式三维位移台三个位移台装配使用可以调节x 、 y 和z 三个方向的进给。标配步进电机实现位移自动调整目动控制。采用进口精 密滚珠螺杆传动t 线性滑块导轨具有行程长、承载高、刚性好、抗振动性强的特点。 技术指标如1 f 1 3 9 】： 调整轴数：x 、y 、z 三轴： 行程：3 0 m m ： 螺杆导程：lr n l n ： 分辨率：o0 0 0 6 2 5 m m ： 虽大速度：1 25 m m s ： 重复定位精度： 00 0 5 r a m ： 运行直线度：o0 1 m m ： 晟大中心负载：1 5 k g ： 自重：i2 5 k g ： 1 ) 0 1 t s 0 0 2 的z 轴 z 轴主要完成对微小孽撩测试系统施加正压载荷。调整z 轴的进给量进而实现调 整摩擦头与摩擦盘之间的垂直距离。当摩擦头与旋转的摩擦盘接触时，继续调整z 轴 的进给量- 水平片弹簧测靛生形变，从而产生正压载荷施加于哮擦盘上产生摩擦。 2 ) 0 1 t s 0 0 2 的x 轴 x 轴主要是完成水平方向的进治量，诵节x 轴可以改变摩擦头在摩擦盘的径向方 向上的位置。通过调节x 轴改变摩擦副问的相对滑移速度，研宄不同速度下摩擦特性， 摩擦速度为：v = r 式中：、为摩捧副闻的相对滑移速度：m 为转盘的转速：r 为摩擦 半径( 摩擦头距摩擦盘中心的距离) 。 3 ) 0 1 t s 0 0 2 的y 轴 主要起对正的作用，使摩擦头的中心与摩擦盘的直径重台。另外当摩擦头与静止的 摩擦盘接触并有一定的正压载荷施加与摩擦头上时，调节y 轴进而控制摩擦头在摩 擦盘上运动可以完成刻划试验。 l aj ( b ) 圈2 4 0 l t s 0 0 2 型精密位移台 l a ) 一维单向位移台实物图( b ) 继精密位移台装配图 23 2 进给系统控制 进给系统采用m a c h 3 c n c 控制软件作为上位机控制平台m a c h 3 软件是一个控制 数控机床的软件输入g 代码就可以通过并口、串口或u s b 口控制数控机床运动， 支持国际标准g 代码，最高控制精度为00 0 0 1 m m 。 一“_ 一 目2 5m a c h 3 c n c 软件控制界面 下位机采用单片机其作为控制器来控制驱动芯片d r v 8 8 1 1 ，d r v 8 8 1 1 是美国德 州仪器生产的步进电机专用驱动芯片t 其脉冲频率最大为5 0 0 k h z 并有全步、半步、 珥步、1 墙步共4 种驱动模式可以很方便的驱动三维平台独立运动和联动 人机交互转科单片机+驰动器+步逛电机 图2 6 步进电动机控制框图 2 4 转动系统设计 转动系统是整个测试系统核心部分之一，主要由动力源、主轴、轴承和机架四个 子部分组成。转动装置设计的精度的高低直接影响到最终钡幔结果的精度。转动装置 设计的精度又取决于主轴的设计尺寸结构、主轴材料的选择、轴承的选用、轴承的安 装方式、传动链的传递方式等多种因素决定的：因此在这部分设计中应当使转盘端面 的轴向跳动量和径向跳动量尽量的小，选择电机通过带传动带动摩擦盘方式实现摩擦 盘匀速旋转运动动力传递框图如下： 电机+主动轮 一 皮带+ 从动轮 一 主轴摩擦盘 图27 动力传递框图 241 电机的选用与调速 电动机要求转速不随负载等外界扰动而变化，并能始终精确地保持在所需要的数值 上，因此本设计采用了闭环反馈控制。这样即使电机受到了干扰，也会通过反馈系统， 很快地使电机趋于稳定。根据设计要求，摩擦盘的转速为1 0 3 0 转，分摩擦头到摩擦 盘圆心的距离为2 0 _ 4 5 m m 。并且考虑到整体结构的紧凑性和传动效率的要求围此本 系统选用永磁式直流伺服电动机1 4 0 】。图2 8 为直流电动机的控制框图。 直流电动机磁敏电阻测速传感+a 仍转换，单片机 一鸷蓑 t t 一擎 反馈电路 l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - j 图2 , 8 直流电动机基本控制框图 综合各方面的考虑在满足测试要求的前提下。选用安川电机有限公司生产的 s g m a h - 0 1 a d a 2 1 型电机技术规格如下： 激励方式：永磁型： 额定输出：0 1 k w ： 额定扭矩：0 3 1 8 n m ； 额定电流：09 1 a ； 额定转速：3 0 0 0 r m i n ； 扭矩常数：03 7 8 n m a ； 旋转惯性动量：00 3 6 4 1 0 。k g m 二： 额定功率：2 78 k w ； 额定角加速度：8 7 4 0 0 r a d s ! ： 242 电机的测逮原理 速度检测时间l 由两部分组成，r = t o + a t ，其中l 为设定的恒定不变的时间：r 为从瓦时间结束时刻开始到此后出现的第一个测速脉冲为止的这一段时间。若设在l 时间段内取得的测速脉冲数为卅，在r 时间段内取得的时基脉冲计数取为卅，则转速 n = 6 0 e 2 z r 角位移0 = 2 z h 胪其中p 为增量式光电编码器转动一周输出的期4 速 脉冲数：叉有r = m ：( ，( 为时基频率则可推知： = 6 0 f , m , 尸眠i 刊。 1 co c o ， 圈2 , 9 光电编码嚣洲速原理示意图 1 光电编码器2 转盘3 转轴 畦 图21 0 电机厦其测速调速控制箱实物圈 243 转动系统其他部分设计 根据机械原理与机械设计等知识基础，其他传动系统机械设计如下一3 1 。 主轴的设计：主轴设计的原则为刚性大、动静态变形小、振动小、搞了损耗低 及对低速、中速、高速运行的适应性好。根据以上原则结台本转动系统的特点，设计 丰轴技术指标如表2 1 主轴外形如图2 1 1 。 ! ) 系统总体尺寸及电机性能，皮带选用o 型带传动比为2 ：1 中心距1 4 5 m m 。 大小带轮直径分别为6 0 m m 、3 0 r a m 。 3 ) 支撑采用一对圆锥滚子轴承“面对面”安装( 轴承型号为n s k 公司生产的 h r 3 2 0 尼s x j ) ，下恻轴承：一端壁肩定位、内圈一端轴端定位另一端螺母垫圈定位 上端轴承：内圈一端轴肩定位、另一端螺母垫圈预紧，外一端采用壁肩定位。 4 ) 摩捧盘( 转盘) 工作直径范围2 0 9 0 r a m 厚度8 m r a 。 表2 - l 王轴设计技术参数 图2 1 1 主轴结构图 5 ) 电机支撑采用法兰盘，法兰盘在一块开有长为t - 1 5 m m 的型槽钢板上移动，而 支撑主轴套的支架采用四个立柱立柱采用螺钉螺母紧固在支撑底板上；整个装置放 在一块4 0 0 r a m 6 0 0 r a m 的钢板上。 25 探针的选用 圈2 1 2 转动系统部件 电机支撑架 ( b ) 主轴轴套 探针t 在此系统巾也称探头或摩擦头探针以机械装卡或胶粘焊接等方式装配于悬 臂梁上，与样品基面一起构成摩擦副。探针的材料根据试验设置时摩擦副的材料来确 定，对于不同的材料采用不同的加工方式( 如微精密加工、电化学腐蚀等) 可制作成 四棱锥型、三棱锥锥型、球型等。此测试系统用到的探针主要是由上海承盛电予科技 醑 商一 有限公司生产的定制探针技术指标如下 表2 + 2 针技术参数 、 图2 i3 常用探针模型 ( a j 四棱锥型( b ) 三棱锥型( c ) 球型 26 本章小结 本章介绍了微小摩擦磨损测试系统的设计思想及其工作原理并确定了系统的技 术指标。整个系统主要包括进给系统、转动系统、测试传感系统和数据处理系统四部 分。进给部分采用三个精密位移平台组装实现进给系统的控制采用控制数控车床 m a c h 3 c n c 控制软件进行控制，可咀实现三维平台独立运动和联动：转动系统采用直 流电机、带传动、主轴、孽擦旋转盘等组合的方式实现；测试传感系统和数据处理系 统将在下章进行详细介绍：最后介绍了探针的选用情况。 第三章测试传感系统与数据处理系统设计 3 1 测试传感系统原理 采用双平行片弹簧机构作为微力传感器，由于受力后片弹簧的变形量微小为精 确测试此微小变形量采用光反射法测量片弹簧中部的弯曲角度。利用激光发射器发 射激光到摩擦片弹簧上经片弹簧反射后，由c c d 接收c c d 把光信号转换成电信 号电信号被输送到计算机进行处理：当摩擦头受到切向摩擦力载荷作用时，摩擦片 弹簧发生弯曲形成微小转角使入射角和反射角发生改变从而使片弹簧反射的光 斑也相应地在c c db 。生一定的位移量，即c c d 接收的信号发生改变，通过分析c c d 接收信号变化的像素值来确定v - 弹簧位移量的变化值，从而得出受力变化值与像素 差值之间的关系来进行测试。 p a r a l l e l p l a l c 。s p r i n g 微力传感芝一 黼 _ 孓摹? 、。 。7 撤m g f a l 测试传感装置由片弹簧、 射的激光束入射到片弹簧上 b l 图3i 删试传感原理示意图 ：维模型示意圈( b 1 二维光路分析图 激光器与c c d 三部分共同组成( 图31 所示) 。激光器发 经片弹簧反射的光束被c c d 光敏面接收光斑在c c d 上的成像如图32 所示曲线波峰所在的位置即为光斑中心在c c d 上的位置。当片弹 簧受载荷f 发生偏转d 时，入射到c c d 上的光斑所形成的像元位置也发生相应的移 动d ，：反之若已知d f 根据受载荷变形与几何关系便可计算出载荷，通过标定 可得到正压力及对应的摩擦力大小。 尝竺竺 0 t 旷j一一一一 一，一 i i “i b , ： 】 口 ：二： _2o=_!l-一 o 、i 面i 再矿面鬲而i i 面面五丽赢i 面而磊而面赢 囤3 2 光斑在c c d 上的成像曲线图 由图3i ( a ) 光路分析计算如下： 设： a h = k 越= k = i 一 目 h = 镕= l r 6 = 8 一a 则有： l r s = kt g a = 幽留口 l s = ( w + b ) t g ( p + 占) = ( a h + h ) t g ( a + 2 j ) l r = l r s + 1 s t = a h t g a + ( + a h ) t g ( a + 2 d 1 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 33 ) ( 34 ) 35 ) ( 36j ( 37 ) ，= a h t g a + ( + 幽) 姆( 口+ 2 d ) h t g a = h i g ( a + 2 d 1 一t g a l + m t g a + t g ( a + 2 8 ) 由上式可知当其他参数一定时d 与d 是一对应的，当测出c c d 上两光斑问 的距离d ，后可计算出硅片受力后的偏转角d 进而通过标定可计算出实际所受力 大小。 32 c c d 的选用 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 目口电荷耦合器件是一种能实现光电转换的图像传感 器。它能通过光电转换，将非电量的光学图像变换成电信号电信号的大小变化规律 随光强信息的强弱而变化，结合程序软件及人机交互界面这样就起到数据曲线显示、 图像传感的作用f + j 。根据整体系统分辨率及精度要求本文中选用由上海光照科技 有限公司生产的3 6 4 8 像素的线阵c c d ，该c c d 的主要特性如下： 1 ) 有效像元个数：3 6 4 8 像素： 2 ) 像素尺寸：8 p m 2 0 0 t m ( 像元间距8 岍j ： 3 ) 电源：十25 v 直流供电： 4 ) 高灵敏度：3 0 0 v ( i xs ) ； 5 ) 时钟频率：l o o k h z ( 最小) 】m h z ( 最大) ： 6 ) 最高电源电压v d d ：+ 4 v ： 7 j 正常工作温度范围：一1 0 毫+ 6 0 ： 为了更好地实现c c d 对反射光的采集、割除彖光、环境光对c c d 整体性能的影 响，根据c c d 分辨率、光谱影响范围及响应灵敏度等参数，选取了北京集科仪器有限 公司生产的型号为0 7 a s 0 1l 秧缝装置进行滤光。狭缝技术指标如下： 1 ) 狭缝单项开启细牙螺杆调整不定量： 2 ) 狭缝调整宽度：o m m ： 3 ) 自重：0 3 k g ：本装置中线阵c c d 与狭缝组装实物图如图33 所示。 3 3 平行悬臂梁结构设计 为了解决普通悬臂粱灵敏度与稳定性的矛盾本系统悬臂粱采用平行型片弹簧结 构1 4 7 h 5 。平行型片弹簧的组成及受力示意图如图34 所示，两个单片弹簧a b 和c d 平行固定连接两弹簧片一侧端部a 与c 固定在固定板上，另一侧端部b 与d 固定在 活动板上。在外载荷p 作用下平衡方程如下 y 轴方向： ，+ ，= p ( 39 ) x 轴方向： 民一凡= 0 ( 3 1 0 ) c 点力矩平衡： f 。d 2 十瓦a j 2 一m ；一m c = 0 e3 1 1 ) 又： m ，l = m m ( 3 1 2 ) 2 屹 ( 圳 得： 圪：矗：f 一昙( 4 ) 2 a f 、= 瓦= f = 卧m c = m ：马 3 】6 式中：、f 分别为弹簧片a b 、c d 端部截面剪力：凡、f ，分别为弹簧片a b 、 c d 轴向力：村+ 、m 分别为弹簧片a b 、c d 端部截面弯矩：p 为外载荷：口为两单片 弹簧间距；为片弹簧的工作长度： 单悬臂片弹簧端部在力、力矩盯的作用下转角、挠度分别为： = 箬 r3 l7 钆= 一百m 矗= 等 ， m ，w 一面 变形协调关系有： e = e h + e ” f = f f 。+ f | 将式( 3 1 7 ) ( 3 1 8 ) 带入式( 3 2 1 ) 式( 3 1 9 ) ( 32 0 ) 带入式( 32 2 ) 得 ( 3 1 9 ) f32 0 3 二l 3 ：1 32 3 ) 32 4 j 式中：，为活动板的位移量即平行型片弹簧的挠度；日为活动板的转角，即平行型 片弹簧的端部转角：e 为片弹簧材料的弹性模量：b 为片弹簧的总宽度；e 为片弹簧 的挖空宽度：h 为片弹簧的厚度。 图3 4 平行型片弹簧的组成及受力示意图 由式( 3 2 3 ) 、( 3 2 4 ) 可得出以下结论：】) 在理想状态下平行型片弹簧的上下 片弹簧受力后产生的弹性变形完全相同，活动板只有平动没有转动：2 ) 只需改