微觀摩擦磨損性能測試裝置製造方法
2023-05-25 00:11:06
微觀摩擦磨損性能測試裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種微觀摩擦磨損性能測試裝置，其特點在於其測量裝置包括布置在一同高度上的雷射器、反射稜鏡、平面反射鏡、位置探測器和雷射位移傳感器，且雷射器和平面反射器相對於反射稜鏡呈90度角設置，位置探測器與平面反射器位於同一軸線上，雷射位移傳感器設於反射稜鏡的下方；所述彈性敏感元件嵌裝於載物臺上，下試件安裝於彈性敏感元件上；反射稜鏡安裝於彈性敏感元件下部用於輸出彈性敏感元件的形變信息。該裝置能夠滿足高速條件下，微小器件摩擦學性能的研究。正壓力與摩擦力的測量均採用非接觸方式，保證加載與摩擦力測量的精度，更通過光路對試件偏轉角度進行放大，提高解析度。另外，本發明結構簡單，可靠性高，功能擴展性強。
【專利說明】微觀摩擦磨損性能測試裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及微機電系統(MEMS)摩擦磨損、潤滑【技術領域】，尤其涉及一種用於測試微觀尺寸上相對滑移表面在各種潤滑方式(包括材料表面微觀改性、固體薄膜潤滑、分子超薄膜潤滑、氣相潤滑、液體潤滑等)下的摩擦學性能的微觀摩擦磨損性能測試裝置。
【背景技術】
[0002]現代近表面測試技術和儀器的發展，提供了在原子、分子尺度上觀察表面現象及其變化的有效手段，使得微觀摩擦學的實驗研究成為可能。與宏觀摩擦儀器不同的是微觀測試儀器需要滿足:直接或者間接測量正壓力和摩擦力的大小；能對正壓力和摩擦力進行標定；力的測量達到納牛級精度，範圍從納牛到毫牛。隨著微觀摩擦的不斷深入一些成熟的微觀儀器(SFA、STM、AFM)已不能滿足研究的需要，並且MEMS器件實際的摩擦形式也對傳統的微摩擦儀器提出了挑戰，因此最近幾十年，很多研究者根據自身學科的需要設計並製作了不同的微摩擦測試儀器。但這些摩擦磨損實驗機都是不同的研究者根據自己學科特徵所設計的，因此不能適用於一般的應用場合。無論哪種摩擦方式都針對低速條件下的MEMS器件摩擦性能進行研究。隨著人們對微觀世界越來越深入的研究，高速MEMS器件必將是未來發展的主要方向，顯然低速的摩擦試驗機已不能夠完全滿足研究需要，因此有必要對高速運動中的MEMS器件設計相應的實驗平臺，並對其摩擦性能進行研究。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是針對上述微觀摩擦測試儀器的技術現狀，提供一種微觀摩擦磨損性能測試裝置，能夠測量相對高速運動的微小表面間摩擦係數，以實現不同潤滑方式下，相對高速運動的微觀表面間面與面摩擦的摩擦學性能測試。
[0004]為實現上述目的，本發明所採用的技術方案是:一種微觀摩擦磨損性能測試裝置，包括底板、上試件、下試件、立柱、夾具、載物臺、一維移動平臺、二維移動平臺和高速直流電機；所述立柱安裝於底板上，一維移動平臺由夾具活動連接於立柱上，且能夠相對於立柱上下移動；二維移動平臺固連於底板上，載物臺安裝於二維移動平臺上；高速直流電機由夾具支承，對應載物臺的中心設置，上試件安裝於高速直流電機的電機軸輸出端；還包括能夠測量試件在高速相對運動狀態下的微觀摩擦磨損性能的測量裝置；所述測量裝置包括布置在一同高度上的雷射器、反射稜鏡、平面反射鏡、位置探測器和雷射位移傳感器，且雷射器和平面反射器相對於反射稜鏡呈90度角設置，位置探測器與平面反射器位於同一軸線上，雷射位移傳感器設於反射稜鏡的下方；所述雷射器用於向反射稜鏡發射光束，並由反射稜鏡反射給平面反射器，最終由位置探測器接收；所述彈性敏感元件嵌裝於載物臺上，下試件安裝於彈性敏感元件上，彈性敏感元件用於感應試件高速運動狀態下的形變；反射稜鏡安裝於彈性敏感元件下部用於輸出彈性敏感元件的形變信息。
[0005]所述彈性敏感元件包括正方形薄片主體，以及設於薄片主體上的橫向敏感元件和縱向敏感元件；所述縱向敏感元件包括設於薄片主體四周且與薄片主體各邊平行的長方形孔，能夠在試件高速運動時所產生的正壓力的作用下發生周向形變的扭臂梁II，以及位於四條長方形孔中間的彈性板；扭臂梁II位於長方形孔中，且沿長方形孔的長度設置，為一端相連另一端開口的長槽形，其一端為自由端，另一端為連接端，連接端的一邊與薄片主體連接，另一邊與彈性板連接；所述橫向敏感元件包括設於彈性板中心的圓形孔，以及能夠在試件高速運動時所產生的摩擦扭矩的作用下發生周向形變的扭臂梁I，扭臂梁I與圓形孔同軸設置；所述扭臂梁I為圓形，其邊緣周向間隔設置連筋以及扇形延伸邊，所述連筋與彈性板連接，扇形延伸邊與彈性板對應設有限位槽和限位擋片。
[0006]所述平面反射鏡和位置探測器均設有支架，各支架與底板固定，並能能夠調節平面反射鏡和位置探測器的水平角度。
[0007]所述雷射器與立柱活動連接。
[0008]所述二維移動平臺為手動雙軸平移臺。
[0009]所述載物臺的中心設有能夠嵌裝彈性敏感元件的嵌裝槽。
[0010]所述高速直流電機設有能夠對其轉速進行調節控制的電子調速器。
[0011]本發明設有計算機系統，雷射位移傳感器、電子調速器和位置探測器均與計算機系統相連。
[0012]本發明的有益效果是:本發明提供了一種微觀摩擦磨損性能測試裝置，通過一維移動平臺與二維移動平臺使上、下試件精確對準並施加一定正壓力，採用高速直流電機使上、下試件間做高速相對運動，滿足高速條件下，微小器件摩擦學性能的研究。正壓力與摩擦力的測量均採用非接觸方式，保證加載與摩擦力測量的精度，更通過光路對試件偏轉角度進行放大，提高解析度。另外，本發明結構簡單，可靠性高，功能擴展性強。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明。
[0014]圖1是微觀摩擦磨損性能測試裝置的整體結構示意圖。
[0015]圖2是測量裝置的結構示意圖。
[0016]圖中，1.底板，2.手動雙軸平移臺，3.載物臺，4.上試件，5.下試件，6.彈性敏感元件，6a.橫向彈性敏感元件,6b.縱向彈性敏感元件,7.立柱,8.夾具,9.一維移動平臺，10.高速直流電機，11.雷射器，12.雷射位移傳感器，13.平面反射鏡，14.位置探測器，15.支架，16.反射稜鏡。
【具體實施方式】
[0017]如圖1、2所示，該微觀摩擦磨損性能測試裝置的上試件4和下試件5(選用直徑為2mm的單晶矽圓柱和單晶矽片)組成一對摩擦副，上試件4安裝在高速直流電機10的輸出軸上，下試件5設於彈性敏感元件6的中心，反射稜鏡16安裝在彈性敏感元件6的下部，當高速直流電機工作時，使上、下試件4、5之間產生摩擦，並對下試件5產生壓力(為了獲取不同的實驗數據，可以通過電子調速器調節電機的轉速，同時還可以通過調節電機對下試件5的壓力)；此時彈性敏感元件6的橫向敏感元件6a和縱向敏感元件6b均會發生形變，並使其下方的反射稜鏡16產生水平方向的偏轉以及豎直方向上的位移，反射稜鏡16底面的高度變化被其下方的雷射位移傳感器12檢測到，從而可以獲取試件5所承受的正向壓力的數據；由雷射器11發出的光束照到反射稜鏡16上時，由於反射稜鏡16的水平偏轉，最終由平面反射鏡13反射到位置探測器14上光束也會發生相應的位移，從而可以通過光束位置信息獲取試件間的摩擦力的大小。
[0018]由此可以看出，微觀摩擦磨損性能測試裝置對載荷和摩擦力的測量是通過測量彈性敏感元件6的形變位移並轉換得到，測試前需要對彈性敏感元件6的剛度進行標定。
[0019]在本發明的工作過程中,可以通過Creo Simulate軟體對縱向彈性敏感元件6進行強度仿真分析；利用HY-441數字轉速表標定高速直流電機10轉速與PWM信號脈衝寬度的關係曲線；選用的雷射位移傳感器12為日本基恩士 LK-G30高速、高精度CCD雷射位移傳感器12 ;使用美國TH0RLABS公司的Η)Ρ90Α位置探測器。以上這些技術和設備都是現有的，本發明中將不再進行贅述。
【權利要求】
1.本發明涉及一種微觀摩擦磨損性能測試裝置，包括底板、上試件、下試件、立柱、夾具、載物臺、一維移動平臺、二維移動平臺和高速直流電機；所述立柱安裝於底板上，一維移動平臺由夾具活動連接於立柱上，且能夠相對於立柱上下移動；二維移動平臺固連於底板上，載物臺安裝於二維移動平臺上；高速直流電機由夾具支承，對應載物臺的中心設置，上試件安裝於高速直流電機的電機軸輸出端；其特徵是，還包括能夠測量試件在高速相對運動狀態下的微觀摩擦磨損性能的測量裝置；所述測量裝置包括布置在一同高度上的雷射器、反射稜鏡、平面反射鏡、位置探測器和雷射位移傳感器，且雷射器和平面反射器相對於反射稜鏡呈90度角設置，位置探測器與平面反射器位於同一軸線上，雷射位移傳感器設於反射稜鏡的下方；所述雷射器用於向反射稜鏡發射光束，並由反射稜鏡反射給平面反射器，最終由位置探測器接收；所述彈性敏感元件嵌裝於載物臺上，下試件安裝於彈性敏感元件上，彈性敏感元件用於感應試件高速運動狀態下的形變；反射稜鏡安裝於彈性敏感元件下部用於輸出彈性敏感元件的形變信息。
2.根據權利要求1所述的一種微觀摩擦磨損性能測試裝置，其特徵是，所述彈性敏感元件包括正方形薄片主體，以及設於薄片主體上的橫向敏感元件和縱向敏感元件；所述縱向敏感元件包括設於薄片主體四周且與薄片主體各邊平行的長方形孔，能夠在試件高速運動時所產生的正壓力的作用下發生周向形變的扭臂梁II，以及位於四條長方形孔中間的彈性板；扭臂梁II位於長方形孔中，且沿長方形孔的長度設置，為一端相連另一端開口的長槽形，其一端為自由端，另一端為連接端，連接端的一邊與薄片主體連接，另一邊與彈性板連接；所述橫向敏感元件包括設於彈性板中心的圓形孔，以及能夠在試件高速運動時所產生的摩擦扭矩的作用下發生周向形變的扭臂梁I，扭臂梁I與圓形孔同軸設置；所述扭臂梁I為圓形，其邊緣周向間隔設置連筋以及扇形延伸邊，所述連筋與彈性板連接，扇形延伸邊與彈性板對應設有限位槽和限位擋片。
3.根據權利要求1所述的一種微觀摩擦磨損性能測試裝置，其特徵是，所述平面反射鏡和位置探測器均設有支架，各支架與底板固定，並能能夠調節平面反射鏡和位置探測器的水平角度。
4.根據權利要求1所述的一種微觀摩擦磨損性能測試裝置，其特徵是，所述雷射器與立柱活動連接。
5.根據權利要求1、2、3或4所述的一種微觀摩擦磨損性能測試裝置，其特徵是，所述二維移動平臺為手動雙軸平移臺。
6.根據權利要求1所述的一種微觀摩擦磨損性能測試裝置，其特徵是，所述載物臺的中心設有能夠嵌裝彈性敏感元件的嵌裝槽。
7.根據權利要求1所述的一種微觀摩擦磨損性能測試裝置，其特徵是，所述高速直流電機設有能夠對其轉速進行調節控制的電子調速器。
8.根據權利要求1所述的一種微觀摩擦磨損性能測試裝置，其特徵是，還設有計算機系統，雷射位移傳感器、電子調速器和位置探測器均與計算機系統相連。
【文檔編號】G01N3/56GK104297089SQ201410544681
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月15日 優先權日:2014年10月15日
【發明者】劉同岡, 吳健, 郭巖, 劉帥, 尹浩, 趙志強 申請人:中國礦業大學