基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統的製作方法
2023-11-01 19:08:47
本發明涉及移動副幹摩擦測試技術領域，特別涉及一種基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統。
背景技術：
粘滑(stick-slip)摩擦現象廣泛存在於機械工程、汽車工程、航空航天和地震等領域，它是一種在低速驅動下接觸界面間滑動和靜止交替出現的摩擦現象。對於精密設備而言，界面間的粘滑摩擦現象會引起噪聲、能量損失和界面磨損，從而導致系統運動精度的下降。
隨著「中國製造2025」戰略和規劃的實施，我國製造業對高精密裝備提出了更高的要求，迫切需要解決高端裝備研製中的摩擦精細建模等問題。已有的相關技術中，對移動副幹摩擦及粘滑摩擦現象的研究，主要是從摩擦力和磨損量的角度開展的，但是這種研究方式無法直觀地給出移動副在粘滑摩擦運動過程中接觸界面間真實接觸狀態的變化情況。
技術實現要素：
本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明提出一種基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統，該基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統能夠解決傳統測試系統功能單一、操作複雜、無法同時對移動副粘滑摩擦運動過程中接觸界面間的真實接觸狀態和接觸力進行實時測量等問題。
為實現上述目的，所述基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統包括：移動副試樣、法向加載裝置、切向驅動裝置、接觸力測試裝置、接觸狀態測試裝置。
所述移動副試樣包括上固定試樣、下固定試樣、l形擋板、滑塊試樣。
所述法向加載裝置包括：步進電機、滑塊、剪叉式結構。進一步地，法向加載裝置的上基座通過螺栓與支撐面固定連接。步進電機的輸出端為絲槓，步進電機與法向加載裝置的上基座通過螺栓連接。滑塊內部有螺紋並與絲槓配合，滑塊的上端平面與法向加載裝置的上基座表面形成定位，滑塊可在步進電機工作時實現直線運動。滑塊在直線運動過程中會帶動剪叉式結構，從而實現法向加載裝置沿法向的加載運動。
所述切向驅動裝置包括：電動缸、電動缸支架、連接部件。進一步地，所述切向驅動裝置的具體連接為：電動缸支架通過螺栓與基座固定連接。電動缸可以輸出微米量級的直線運動，電動缸與電動缸支架通過螺栓固定連接。連接部件與電動缸通過螺栓連接。
所述接觸力測試裝置包括：第一力傳感器、第二力傳感器、數據採集儀、驅動執行端、上壓塊、下壓塊。進一步地，所述接觸力測試裝置的具體連接為：第一力傳感器通過螺栓與切向驅動裝置相連接。第二力傳感器通過螺栓與法向加載裝置相連接。數據採集儀放置在基座上，實現接觸力的動態測量。第一力傳感器與連接部件通過螺栓固定連接，驅動執行端與第一力傳感器通過螺栓連接。法向加載裝置的活動面與上壓塊之間通過螺栓連接，上壓塊與第二力傳感器之間通過螺栓連接，第二傳感器與下壓塊之間通過螺栓連接。
所述接觸狀態測試裝置包括：一字線雷射器、雷射器支架、投影屏幕、相機、相機支架。進一步地，所述接觸狀態測試裝置的具體連接方式為：一字線雷射器放置在雷射器支架上，雷射器支架通過螺栓與基座固定連接。投影屏幕所處平面與試樣的側面平行，且與雷射器分別布置於試樣的兩側，投影屏幕通過雙面膠固定於實驗室牆面上。相機放置在相機支架上，相機支架通過螺栓與基座固定連接，用於採集投影屏幕上的接觸圖樣。
根據本發明的基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統，通過法向加載裝置和切向驅動裝置為滑塊試樣的接觸界面提供切向速度和法向載荷，並對滑塊試樣接觸界面的真實接觸狀態和接觸力進行動態測量，解決了傳統測試系統功能單一、操作複雜、無法同時對移動副粘滑摩擦運動過程中接觸界面間的真實接觸狀態和接觸力進行實時測量等問題。
本發明的有益效果是：
(1)結構簡單、成本低；
(2)在移動副粘滑摩擦運動過程中，可以實現對滑塊試樣接觸界面的真實接觸狀態進行實時觀測，同時可以對接觸界面處的接觸力進行動態採集；
(3)選擇高細分電機驅動器，可以在較大跨度內調節移動副間的相對運動速度，進而可以研究不同的運動速度對粘滑摩擦特性的影響；
(4)通過調節光源與滑塊試樣、滑塊試樣與投影屏幕之間的距離，可以實現投影圖樣尺寸的調節，為研究工作提供方便。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1是根據本發明一個實施例的基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統的結構示意圖；
圖2是根據本發明一個實施例的基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統接觸力測試裝置的結構示意圖；
圖3是根據本發明一個實施例的基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統法向加載裝置的結構示意圖；
圖4是根據本發明一個實施例的基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統接觸狀態測試裝置的結構示意圖；
圖5是根據本發明一個實施例的基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統切向驅動裝置的結構示意圖。
附圖編號：
1-基座，2-支撐杆，3-支撐面，4-l形擋板，5-上固定試樣，6-滑塊試樣，7-下固定試樣，8-驅動執行端，9-第一力傳感器，10-連接部件，11-電動缸，12-電動缸支架，13-數據採集儀，14-計算機，15-電機驅動器，16-上壓塊，17-第二力傳感器，18-下壓塊，19-法向加載裝置的上基座，20-第一鉸鏈軸，21-第二鉸鏈軸，22-第三鉸鏈軸，23-第四鉸鏈軸，24-第五鉸鏈軸，25-步進電機，26-滑塊，27-第一連杆，28-第二連杆，29-第三連杆，30-第四連杆，31-法向加載裝置的活動面，32-一字線雷射器，33-相機，34-投影屏幕，110-移動副試樣，120-法向加載裝置，130-切向驅動裝置，140-接觸力測試裝置，150-接觸狀態測試裝置。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
以下結合附圖描述根據本發明實施例的基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統。
圖1是根據本發明一個實施例的基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統的結構示意圖。
如圖1所示，根據本發明一個實施例的基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統，包括：移動副試樣110、法向加載裝置120、切向驅動裝置130、接觸力測試裝置140和接觸狀態測試裝置150五大部分。
在介紹這五部分之前，首先說明，基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統可以具有基座，其中，基座1可以為光學平臺，光學平臺上均布著6mm螺紋孔。
結合圖2所示，移動副試樣110包括上固定試樣5、下固定試樣7、l形擋板4、滑塊試樣6。其中，滑塊試樣6位於上固定式樣5和下固定式樣7之間且相互接觸，且上固定式樣5、下固定式樣7和滑塊試樣6質地相同。其中，質地相同是指製作的材料相同、表面參數相同、寬度與上固定式樣5和下固定式樣7相同，其材料可以為透明材料。關於移動副試樣固定連接關係為，下固定式樣7放置於基座1上，實現下固定式樣7的完整定位，上固定試樣5的上表面與下壓塊18固結。滑塊試樣6為實驗滑塊，可以為任意形狀的試驗品。
結合圖2所示，基座1與四根支撐杆2利用螺栓相連接，支撐面3置於支撐杆2上方並與支撐杆2利用螺栓連接固定。
其中，上固定式樣5和下固定式樣7的一端利用l形擋板4定位，l形擋板4利用螺栓與基座1連接固定。結合圖3所示，法向加載裝置120包括：步進電機25、滑塊26、剪叉式結構。法向加載裝置包括有法向加載裝置的上基座19和法向加載裝置的活動面31。剪叉式結構由第一個鉸鏈軸20，第二個鉸鏈軸21，第三鉸鏈軸22，第四鉸鏈軸23，第五鉸鏈軸24，第一個連杆27，第二個連杆28，第三個連杆29，第四個連杆30及法向加載裝置的活動面31組成。
在一些實施例中，法向加載裝置的上基座19通過螺栓與支撐面3固定連接。步進電機25的輸出端為絲槓。步進電機25與法向加載裝置的上基座19通過螺栓連接。滑塊26內部有螺紋並與絲槓配合，滑塊26的上端平面與法向加載裝置的上基座19表面形成定位，滑塊26在步進電機25工作時實現直線運動，並且滑塊26與第四個鉸鏈軸23過盈配合在直線運動過程中會帶動剪叉式結構，以實現法向加載裝置沿法向方向的加載運動。
結合圖2和圖5所示，切向驅動裝置130包括：電動缸11、電動缸支架12、連接部件10。
在一些實施例中，結合圖2和圖5所示，切向驅動裝置130的具體連接為：電動缸支架12通過螺栓與基座1固定連接。電動缸11可以輸出微米量級的直線運動，電動缸11與電動缸支架12通過螺栓固定連接。連接部件10與電動缸11通過螺栓連接。其中，電動缸11可以包含步進電機、高減速比減速器及可實現切向運動的蝸輪蝸杆機構。
結合圖2所示，接觸力測試裝置140包括：第一力傳感器9、第二力傳感器17、數據採集儀13、驅動執行端8、上壓塊16、下壓塊18。
在一些實施例中，再結合圖2和圖5所示，接觸力測試裝置140的具體連接為：第一力傳感器9通過螺栓與切向驅動裝置相連接。第二力傳感器17通過螺栓與法向加載裝置相連接。數據採集儀13放置在基座1上，與第一力傳感器9和第二力傳感器17相配合，實現接觸力的動態測量。第一力傳感器9與連接部件10通過螺栓固定連接，驅動執行端8與第一力傳感器9通過螺栓連接。法向加載裝置的活動面31與上壓塊16之間通過螺栓連接，上壓塊16與第二力傳感器17之間通過螺栓連接，第二力傳感器17與下壓塊18之間通過螺栓連接。其中，數據採集儀13可以為dasp數據採集儀。計算機14放置在數據採集儀13上方，以便用戶能實時看到接觸力的動態測量，為研究工作提供方便。
結合圖4所示，接觸狀態測試裝置150包括：一字線雷射器32、投影屏幕34、相機33。
接觸狀態測試裝置150的具體連接方式為：一字線雷射器32放置在雷射器支架上，雷射器支架通過螺栓與基座1固定連接。投影屏幕34所處平面與滑塊試樣6的側面平行，且與雷射器32分別布置於滑塊試樣6的兩側，投影屏幕34通過雙面膠固定於實驗室牆面上。相機33放置在相機支架上，相機支架通過螺栓與基座1固定連接，用於採集投影屏幕上的接觸圖樣。這樣可調節光源與滑塊試樣、滑塊試樣與投影屏幕34之間的距離，可以實現投影圖樣尺寸的調節，為研究工作提供方便。
結合圖1和2所示，還包括：電機驅動器15，電機驅動器15設置與支撐面3上，電機驅動器15與步進電機25和電動缸11相連，用於控制步進電機25和電動缸11的轉速。
作為一個示例，本系統的工作過程如下；
首選通過調整雷射器支架而調節一字線雷射器32的角度及滑塊試樣6之間的距離，以保證片狀雷射在接觸界面處的入射角大於透明材料對空氣的全反射角。接觸界面處的透射光線投影到投影屏幕34上，呈現出移動副粘滑摩擦運動過程中接觸界面真實接觸狀態圖樣，調整相機33與投影屏幕34之間的相對位置，以取得最佳的成像效果。
調整滑動試樣6與上固定試樣5和下固定試樣7之間的位置，使得實驗過程中滑動試樣6的運動範圍處於固定試樣中部區域，儘量避免在法向加載的過程中存在偏載現象。
將第一力傳感器9、第二力傳感器17與數據採集儀13相連，以實現在實驗過程中對試樣接觸界面處接觸力的動態測量。將步進電機25及電動缸11的步進電機與電機驅動器15相連接，通過對電機驅動器15的設置可以實現法向載荷的加載，並得到恆定的切向驅動速度。
完成以上準備工作後，即可開展實驗。接通電源，首先利用法向加載裝置120對接觸界面處施加一定的法向力，而後打開一字線雷射器32，調節光路，直至在投影屏幕34上出現完整且清晰的接觸圖樣。接下來設置電動缸11的驅動速度並利用電動缸11實現滑動試樣6的粘滑運動。通過第一力傳感器9、第二力傳感器17及數據採集儀13，實現實驗過程中界面接觸力的動態採集。利用相機33的錄像功能對投影屏幕34上的投影圖樣進行錄像，實現在粘滑運動中接觸界面真實接觸狀態的動態觀測。
根據本發明的基於光測法的移動副粘滑摩擦特性動態測試系統，通過法向加載裝置和切向驅動裝置為滑塊試樣的接觸界面提供切向速度和法向載荷，並對滑塊試樣接觸界面的真實接觸狀態和接觸力進行動態測量，解決了傳統測試系統功能單一、操作複雜、無法同時對移動副粘滑摩擦運動過程中接觸界面間的真實接觸狀態和接觸力進行實時測量等問題。
此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括至少一個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係，除非另有明確的限定。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特徵進行結合和組合。
儘管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。