微摩擦测试仪机械装置设计毕业设计论文

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1、1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

2、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39(2)光学反射法，是一

3、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

4、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39(4)应变片法，其原理是把检测力转变成

5、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

6、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39一组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[[

7、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，

8、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