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1、南昌航空大学科技学院学士学位论文II1 绪论1.1 引言微机械构构件表面面的微摩摩擦不同同于宏观观摩擦，也也不同于于原子力力/ 摩擦擦力显微微镜探针针与基片片之间的的微摩擦擦，因此此，宏观观或微观观摩擦实实验仪器器对于微微摩擦的的研究有有很大的的局限。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。本课题旨旨在设计计一种考考虑微机机械工况况的销盘盘式微摩摩擦测试试仪与数数据处理理系统,采用微微应变片片获取摩摩擦力及及载荷导导致的变
2、变形信号号，通过过A/ D 卡卡采集数数据，在在数据处处理系统统中进行行数据处处理，从从而获得得微摩擦擦力和微微载荷的的数值，为为微摩擦擦特性测测试和分分析提供供一种手手段，主主要设计计任务是是为摩擦擦测试仪仪器机械械装置的的设计，我我的本次次毕业设设计选择择了微摩摩擦测试试系统机机械装置置的设计计的设计计这个课课题。1.2 国内外研研究现状状及发展展趋势1.2.1 国内外研研究现状状随着我国国信息科科学技术术的不断断进步与与测试水水平持续续提高为为研制微微动摩擦测测试仪器器提供了了可行性性基础。目目前关于于微动摩摩擦测试试仪的常常见类型型有如下下几种:(1)力力平衡法法，是用用一个已已知的力
3、力来平衡衡待测的的未知力力。例如如，机械械杠杆式式测力计;文献献6中就利利用杠杆杆原理来来实现对对法向载载荷的加加载与测测量。图1-11力平衡衡法测力力示意图图(2)光光学反射射法，是是一种广广泛应用用于微纳纳米测试试仪器中中测量方方法。图1-22光路系系统原理理图中科院长长春光机机所研制制的光反反射法微微摩擦测测试仪，由微位位移进给给机构、光光电探测测系统、数数据采集集处理系系统组成成。光电电探测系系统如图图1-22所示，由由两套激激光光源源、准直直及聚焦焦透镜、硅硅传感器器、两套套CCDD探测器器及其机机械调节节系统组组成。激激光器11、硅传传感器11及CCDD1用来来测量正正压力，激激光
4、器22、硅传传感器22及CCDD2用来来测量摩摩擦力。激激光光源源采用可可见光半半导体激激光器(GaAAIAss Laaserr，波长长为6770nmm，功率率为3mmW)作作为单色色光源，光光束经准准直及聚聚焦透镜镜汇聚，入入射到硅硅传感器器上，再再经硅传传感器的的抛光面面反后照照射到CCCD探探测器的的光敏面面上，得得到光斑斑的初始始位置。两两硅片相相互垂直直安放，当当两硅片片受到正正压力及及水平摩摩擦力时时发生偏偏转，反反射激光光也偏转转相应的的角度，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
5、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)压压电法，利利用晶体体的压电电效应，将将力转换换成电荷荷并通过过二次仪仪表转换换成电压压。1图1-33 压电电法测力力示意图图(4)应应变片法法，其原原理是把把检测力力转变成成弹性元元件的应应变，再再利用电电阻应变变效应将将应变转转化为电电阻变化化，继而而通过电电桥进一一步转换换成电压压信号，从从而间接接地测出出力的大大小。南昌大学学机电工工程学院院研制的的球盘式式微摩擦擦测试仪仪I211I811，基于于簧片和和应变片片，通过过应变仪仪测量压压
6、力和摩摩擦力。采采用二维维精密平平移台上上下移动动实现正正压力的的加载和和测头位位置的移移动;测试试试件粘贴贴在工作作台上，采采用电机机带动工工作台转转动，完完成摩擦擦副的运运动;将电阻阻应变片片贴在一一个簧片片上，当当簧片产产生变形形时，相相应的应应变片的的电阻就就会发生生变化，从从而力所所产生的的应变就就被转换换成了电电信号.这个电电信号通通过一定定的信号号处理后后，被AA/D卡卡采集下下来，然然后输入入到计算算机中进进行加工工处理。可可以得出出应变的的大小，最最终能够够将应变变还原成成载荷和和摩擦力力的值，从从而实现现测试的的目的，如如图1-4所示示。图1-44 测试试仪原理理图该测试仪
7、仪的测力力部件采采用了两两个测力力簧片，通通过一个个立方体体连接到到一起，如如图1-5。A.测头头；B.簧片片； C.立方块块； D.应变片片图 1-5测力力部件结结构由立方体体来保证证两簧片片间相互互垂直。这这样的设设计加工工的工艺艺性和精精度得料料和尺寸寸可根据据实际所所需更换换。同时时，采用用箔式应应变片，在在结构上上，每一一个测力力簧片上上有一组4个个应变片片，被两两两分贴贴在簧片片的正反反两面，组组成一个个全桥回回路，这这样的结结构既提提高了电电桥对微微力的灵灵敏度，又又能够进进行温度度补偿，因因而提高高了测量量的精度度。以保保证9。测测头设计计并制作作成半球球形或其其他形状状，与簧
8、簧片豁结结在一起起，测头头的材料料和尺寸寸可根据据实际所所需更换换。同时时，采用用箔式应应变片，在在结构上上，每一一个测力力簧片上上有一组组4个应变变片，被被两两分分贴在簧簧片的正正反两面面，组成成一个全全桥回路路，这样样的结构构既提高高了电桥桥对微力力的灵敏敏度，又又能够进进行温度度补偿，因因而提高高了测量量的精度度。该摩擦测测试仪测测量的加加载范围围在微牛牛到毫牛牛之间，正正压力和和摩擦力力的分辨辨率能够分别别达到220微牛牛和100微牛。根据国外外从事微微动摩擦擦学试验验仪研究究发表论论文的数数量统计计,英、法法、美、日日、加这这5个国家家进行动动摩擦学学研究的的总体水水平最高高。这里里
9、主要介介绍位移移法的微微动摩擦擦学试验验仪。所所谓位移移法，是是通过位位移传感感器间接接测量力力。目前前主要用用以测量量位移的的传感器器有电容容式位移移传感器器和非接接触电涡涡流位移移传感器器。图 1-6 电电容传感感器结构构示意图图电容传感感器具有有功耗低低、噪声声特性好好、高灵灵敏度以以及对温温度和振振动敏感感性小等等优点。与与横向电电容式传传感器(改变电电容极板板正对面面积)相比，纵纵向电容容式传感感器(改变电电容极板板间距离离)具有更更高的灵灵敏度，但但是其存存在较大大的线性性误差。梳梳齿差分分式电容容传感器器，能够够克服纵纵向电容容传感器器的这一一缺点，在在获得高高灵敏度度的同时时保
10、证线线性关系系。其结结构由三三部分组组成，中中间可移移动部分分和上下下两边固固定部分分，如图图4所示。固固定电容容器的两两个梳齿齿分别放放于中间间可移动动电容器器梳齿的的两边，可可以使固固定电容容器的梳梳齿间相相互隔绝绝。当传感器器探针受受到轴向向力，单单向弹簧簧产生弯弯曲变形形，使得得内部的的可动电电容极板板(22)移动动，朝xx正方向向时，极极板(22)远离离极板(1)且且靠近极极板(33)，导导致电容容差值在在外部图图 1-7传感感器及读读出电路路示意框框图固定电容容极板(1)、(3)上加上上交流信信号，形形成如图图1-77所示差差分电路路。存在于微微动腐蚀蚀中的摩摩擦，其其加载的的接触
11、压压力大约约在O.O1NN到2N，运运动幅度度在微米米量级，是是介于宏宏观摩擦擦与微观观摩擦之之间的微微摩擦力力。上述述方法中中力平衡衡法精度度较低，不不适合微微摩擦测测试;压电式式测量法法其缺点点是仅适适用于动动态力的的测量。光光学法具具有最高高的精度度，但是是需要的的投资较较大;电阻应应变片法法测试电电路相对对简单，结结构紧凑凑，工作作稳定，其其实践应应用也相相当成熟熟，虽然然其分辨辨力无法法与光学学法相比比，但是是已能满满足测试试系统的的精度要要求;位移法法通过位位移传感感器间接接测量力力也是一一种合适适的方法法，且市市场上的的位移传传感器分分辨力最最高能达达到0.01微微米，动动态特性
12、性也好，也也能满足足要求。1.2.2 国内外技技术发展展趋势微动摩擦擦测试仪仪的研究究越来越越受到国国内研究究人员的的重视，并并目己经经取得了了明显的的进展，但但与工程程实际需需要尚有有很大差差距，微微动损伤伤问题在在设计阶阶段是很很难甚至至无法解解决的，而而微动摩摩擦研究究本身，又又具有多多学科性性、多影影响因了了性和因因了参量量时变性性的特点点，故此此研究工工作十分分困难与与复杂在在这种情情况下，我我们必须须面向工工程实际际需要进进行深入入系统的的微动摩摩擦测试试仪的研研究。国外关于于微动摩摩擦测试试仪的研研究一般般体现在在继续向向工矿企业传传播微动动摩擦学学知识和和研究成成果，主主要开展
13、展失效分分析与交交流，收收集和研研究微动动损伤的的例证，建建立图谱谱,，以求求准确处处理微动动失效故故障，促促进微动动损伤研研究的深深化与发发展，并并探索微微动损伤的早早期诊断断和监控控等。1.3 本文的主主要工作作本课题旨旨在设计计一种考考虑微机机械工况况的销盘盘式微摩摩擦测试试仪与数数据处理理系统,采用微微应变片片获取摩摩擦力及及载荷导导致的变变形信号号，通过过A/ D 卡卡采集数数据，在在数据处处理系统统中进行行数据处处理，从从而获得得微摩擦擦力和微微载荷的的数值，为为微摩擦擦特性测测试和分分析提供供一种手手段，主主要设计计任务是是为微摩摩擦测试试仪机械械装置的的设计。首首先介绍绍微摩擦
14、擦测试仪仪国内外外现状，然然后推出出微摩擦擦测试仪仪机械装装置的两两套设计计方案并并进行比比较分析析确定最最佳方案案。在进进行摩擦擦测试仪仪传动机机构结构构的设计计计算和和结构设设计。最最后进行行小结和和进一步步工作的的展望。2 微摩擦测测试仪的的总体设设计2.1 微摩擦技技术简介介微摩擦力力测量仪仪有别于于纳米摩摩擦学的的实验测测试仪器器。在纳纳米摩擦擦学的实实验测试试仪器中中无论其其所施加加的载荷荷还是所所研究的的材料的的面积甚甚至于相相对滑动动的速度度都是采采用纳米米量级的的。它们们研究的的是原子子、分子子尺度上上摩擦界界面的微微观结构构和特性性。而这这里要开开发的微微小摩擦擦力测量量仪
15、则是是在微小小面积接接触和微微小载荷荷作用下下测试摩摩擦力的的一种仪仪器。它它的载荷荷是毫牛牛顿级，这这与纳米米量级来来进行比比较毫无无疑问是是相当大大的，但但相对于于宏观载载荷来说说又是相相当小。并并且，它它的相对对滑动速速度是宏宏观中的的低速、微微观中的的极高速速。在机机械领域域中这种种条件下下的摩擦擦是经常常可以看看见的，但但在系统统分析中中我们到到底使用用宏观的的摩擦学学理论还还使用微微观的理理论呢?这就需需要我们们对这种种条件下下的摩擦擦来进行行分类，并并通过对对该仪器器的实验验来找到到与之相相适合的的理论。由滑动摩摩擦的宏宏观研究究得出，固固体摩擦擦遵循 Amoontoons (阿蒙蒙顿)摩擦公公式115，即即摩擦力力F与载荷荷P成正比比，其比比例常数数为摩擦擦系数=(2.11)在界面摩摩擦过程程中115，有= C1P22/3+C2P+CC3P4/33 (22.2)式(2，2)中，C1，C2，C3分别为为于粘着着能w、弹性性常数KK、球体体半径r等有关关的函数数。由式(22.2)分析可可知，在在组成界界面摩擦擦力的各各项因素素中，统统称第三三项所占占比例较较小，可可以忽略略不计。当当表面粘粘着强度度较大时时，第一一项是界界面摩擦擦力的主主要成分分，此时时可以近近似地采采用式中中的一项项.而当外外加载荷荷P相对较较大时，界界面摩擦擦力将
