CN107228757B - 基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统，包括：移动副试样，移动副试样包括：上固定试样；下固定试样；L形挡板；滑块试样；法向加载装置，法向加载装置包括：步进电机；滑块；剪叉式结构；切向驱动装置，切向驱动装置包括：电动缸；电动缸支架；连接部件；接触力测试装置，接触力测试装置包括：第一力传感器；第二力传感器；数据采集仪；驱动执行端；上压块；下压块；接触状态测试装置，接触状态测试装置包括：一字线激光器；激光器支架；投影屏幕；相机；相机支架。本发明解决了传统测试系统功能单一、操作复杂、无法同时对移动副粘滑摩擦运动过程中接触界面间的真实接触状态和接触力进行实时测量等问题。

Description

基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统

技术领域

本发明涉及移动副干摩擦测试技术领域，特别涉及一种基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统。

背景技术

粘滑(Stick-slip)摩擦现象广泛存在于机械工程、汽车工程、航空航天和地震等领域，它是一种在低速驱动下接触界面间滑动和静止交替出现的摩擦现象。对于精密设备而言，界面间的粘滑摩擦现象会引起噪声、能量损失和界面磨损，从而导致系统运动精度的下降。

随着“中国制造2025”战略和规划的实施，我国制造业对高精密装备提出了更高的要求，迫切需要解决高端装备研制中的摩擦精细建模等问题。已有的相关技术中，对移动副干摩擦及粘滑摩擦现象的研究，主要是从摩擦力和磨损量的角度开展的，但是这种研究方式无法直观地给出移动副在粘滑摩擦运动过程中接触界面间真实接触状态的变化情况。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统，该基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统能够解决传统测试系统功能单一、操作复杂、无法同时对移动副粘滑摩擦运动过程中接触界面间的真实接触状态和接触力进行实时测量等问题。

为实现上述目的，所述基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统包括：移动副试样、法向加载装置、切向驱动装置、接触力测试装置、接触状态测试装置。

所述移动副试样包括上固定试样、下固定试样、L形挡板、滑块试样。

所述法向加载装置包括：步进电机、滑块、剪叉式结构。进一步地，法向加载装置的上基座通过螺栓与支撑面固定连接。步进电机的输出端为丝杠，步进电机与法向加载装置的上基座通过螺栓连接。滑块内部有螺纹并与丝杠配合，滑块的上端平面与法向加载装置的上基座表面形成定位，滑块可在步进电机工作时实现直线运动。滑块在直线运动过程中会带动剪叉式结构，从而实现法向加载装置沿法向的加载运动。

所述切向驱动装置包括：电动缸、电动缸支架、连接部件。进一步地，所述切向驱动装置的具体连接为：电动缸支架通过螺栓与基座固定连接。电动缸可以输出微米量级的直线运动，电动缸与电动缸支架通过螺栓固定连接。连接部件与电动缸通过螺栓连接。

所述接触力测试装置包括：第一力传感器、第二力传感器、数据采集仪、驱动执行端、上压块、下压块。进一步地，所述接触力测试装置的具体连接为：第一力传感器通过螺栓与切向驱动装置相连接。第二力传感器通过螺栓与法向加载装置相连接。数据采集仪放置在基座上，实现接触力的动态测量。第一力传感器与连接部件通过螺栓固定连接，驱动执行端与第一力传感器通过螺栓连接。法向加载装置的活动面与上压块之间通过螺栓连接，上压块与第二力传感器之间通过螺栓连接，第二传感器与下压块之间通过螺栓连接。

所述接触状态测试装置包括：一字线激光器、激光器支架、投影屏幕、相机、相机支架。进一步地，所述接触状态测试装置的具体连接方式为：一字线激光器放置在激光器支架上，激光器支架通过螺栓与基座固定连接。投影屏幕所处平面与试样的侧面平行，且与激光器分别布置于试样的两侧，投影屏幕通过双面胶固定于实验室墙面上。相机放置在相机支架上，相机支架通过螺栓与基座固定连接，用于采集投影屏幕上的接触图样。

根据本发明的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统，通过法向加载装置和切向驱动装置为滑块试样的接触界面提供切向速度和法向载荷，并对滑块试样接触界面的真实接触状态和接触力进行动态测量，解决了传统测试系统功能单一、操作复杂、无法同时对移动副粘滑摩擦运动过程中接触界面间的真实接触状态和接触力进行实时测量等问题。

本发明的有益效果是：

(1)结构简单、成本低；

(2)在移动副粘滑摩擦运动过程中，可以实现对滑块试样接触界面的真实接触状态进行实时观测，同时可以对接触界面处的接触力进行动态采集；

(3)选择高细分电机驱动器，可以在较大跨度内调节移动副间的相对运动速度，进而可以研究不同的运动速度对粘滑摩擦特性的影响；

(4)通过调节光源与滑块试样、滑块试样与投影屏幕之间的距离，可以实现投影图样尺寸的调节，为研究工作提供方便。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统接触力测试装置的结构示意图；

图3是根据本发明一个实施例的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统法向加载装置的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统接触状态测试装置的结构示意图；

图5是根据本发明一个实施例的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统切向驱动装置的结构示意图。

附图编号：

1-基座，2-支撑杆，3-支撑面，4-L形挡板，5-上固定试样，6-滑块试样，7-下固定试样，8-驱动执行端，9-第一力传感器，10-连接部件，11-电动缸，12-电动缸支架，13-数据采集仪，14-计算机，15-电机驱动器，16-上压块，17-第二力传感器，18-下压块，19-法向加载装置的上基座，20-第一铰链轴，21-第二铰链轴，22-第三铰链轴，23-第四铰链轴，24-第五铰链轴，25-步进电机，26-滑块，27-第一连杆，28-第二连杆，29-第三连杆，30-第四连杆，31-法向加载装置的活动面，32-一字线激光器，33-相机，34-投影屏幕，110-移动副试样，120-法向加载装置，130-切向驱动装置，140-接触力测试装置，150-接触状态测试装置。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

以下结合附图描述根据本发明实施例的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统。

图1是根据本发明一个实施例的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统的结构示意图。

如图1所示，根据本发明一个实施例的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统，包括：移动副试样110、法向加载装置120、切向驱动装置130、接触力测试装置140和接触状态测试装置150五大部分。

在介绍这五部分之前，首先说明，基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统可以具有基座，其中，基座1可以为光学平台，光学平台上均布着6mm螺纹孔。

结合图2所示，移动副试样110包括上固定试样5、下固定试样7、L形挡板4、滑块试样6。其中，滑块试样6位于上固定式样5和下固定式样7之间且相互接触，且上固定式样5、下固定式样7和滑块试样6质地相同。其中，质地相同是指制作的材料相同、表面参数相同、宽度与上固定式样5和下固定式样7相同，其材料可以为透明材料。关于移动副试样固定连接关系为，下固定式样7放置于基座1上，实现下固定式样7的完整定位，上固定试样5的上表面与下压块18固结。滑块试样6为实验滑块，可以为任意形状的试验品。

结合图2所示，基座1与四根支撑杆2利用螺栓相连接，支撑面3置于支撑杆2上方并与支撑杆2利用螺栓连接固定。

其中，上固定式样5和下固定式样7的一端利用L形挡板4定位，L形挡板4利用螺栓与基座1连接固定。结合图3所示，法向加载装置120包括：步进电机25、滑块26、剪叉式结构。法向加载装置包括有法向加载装置的上基座19和法向加载装置的活动面31。剪叉式结构由第一个铰链轴20，第二个铰链轴21，第三铰链轴22，第四铰链轴23，第五铰链轴24，第一个连杆27，第二个连杆28，第三个连杆29，第四个连杆30及法向加载装置的活动面31组成。

在一些实施例中，法向加载装置的上基座19通过螺栓与支撑面3固定连接。步进电机25的输出端为丝杠。步进电机25与法向加载装置的上基座19通过螺栓连接。滑块26内部有螺纹并与丝杠配合，滑块26的上端平面与法向加载装置的上基座19表面形成定位，滑块26在步进电机25工作时实现直线运动，并且滑块26与第四个铰链轴23过盈配合在直线运动过程中会带动剪叉式结构，以实现法向加载装置沿法向方向的加载运动。

结合图2和图5所示，切向驱动装置130包括：电动缸11、电动缸支架12、连接部件10。

在一些实施例中，结合图2和图5所示，切向驱动装置130的具体连接为：电动缸支架12通过螺栓与基座1固定连接。电动缸11可以输出微米量级的直线运动，电动缸11与电动缸支架12通过螺栓固定连接。连接部件10与电动缸11通过螺栓连接。其中，电动缸11可以包含步进电机、高减速比减速器及可实现切向运动的蜗轮蜗杆机构。

结合图2所示，接触力测试装置140包括：第一力传感器9、第二力传感器17、数据采集仪13、驱动执行端8、上压块16、下压块18。

在一些实施例中，再结合图2和图5所示，接触力测试装置140的具体连接为：第一力传感器9通过螺栓与切向驱动装置相连接。第二力传感器17通过螺栓与法向加载装置相连接。数据采集仪13放置在基座1上，与第一力传感器9和第二力传感器17相配合，实现接触力的动态测量。第一力传感器9与连接部件10通过螺栓固定连接，驱动执行端8与第一力传感器9通过螺栓连接。法向加载装置的活动面31与上压块16之间通过螺栓连接，上压块16与第二力传感器17之间通过螺栓连接，第二力传感器17与下压块18之间通过螺栓连接。其中，数据采集仪13可以为DASP数据采集仪。计算机14放置在数据采集仪13上方，以便用户能实时看到接触力的动态测量，为研究工作提供方便。

结合图4所示，接触状态测试装置150包括：一字线激光器32、投影屏幕34、相机33。

接触状态测试装置150的具体连接方式为：一字线激光器32放置在激光器支架上，激光器支架通过螺栓与基座1固定连接。投影屏幕34所处平面与滑块试样6的侧面平行，且与激光器32分别布置于滑块试样6的两侧，投影屏幕34通过双面胶固定于实验室墙面上。相机33放置在相机支架上，相机支架通过螺栓与基座1固定连接，用于采集投影屏幕上的接触图样。这样可调节光源与滑块试样、滑块试样与投影屏幕34之间的距离，可以实现投影图样尺寸的调节，为研究工作提供方便。

结合图1和2所示，还包括：电机驱动器15，电机驱动器15设置与支撑面3上，电机驱动器15与步进电机25和电动缸11相连，用于控制步进电机25和电动缸11的转速。

作为一个示例，本系统的工作过程如下；

首选通过调整激光器支架而调节一字线激光器32的角度及滑块试样6之间的距离，以保证片状激光在接触界面处的入射角大于透明材料对空气的全反射角。接触界面处的透射光线投影到投影屏幕34上，呈现出移动副粘滑摩擦运动过程中接触界面真实接触状态图样，调整相机33与投影屏幕34之间的相对位置，以取得最佳的成像效果。

调整滑动试样6与上固定试样5和下固定试样7之间的位置，使得实验过程中滑动试样6的运动范围处于固定试样中部区域，尽量避免在法向加载的过程中存在偏载现象。

将第一力传感器9、第二力传感器17与数据采集仪13相连，以实现在实验过程中对试样接触界面处接触力的动态测量。将步进电机25及电动缸11的步进电机与电机驱动器15相连接，通过对电机驱动器15的设置可以实现法向载荷的加载，并得到恒定的切向驱动速度。

完成以上准备工作后，即可开展实验。接通电源，首先利用法向加载装置120对接触界面处施加一定的法向力，而后打开一字线激光器32，调节光路，直至在投影屏幕34上出现完整且清晰的接触图样。接下来设置电动缸11的驱动速度并利用电动缸11实现滑动试样6的粘滑运动。通过第一力传感器9、第二力传感器17及数据采集仪13，实现实验过程中界面接触力的动态采集。利用相机33的录像功能对投影屏幕34上的投影图样进行录像，实现在粘滑运动中接触界面真实接触状态的动态观测。

根据本发明的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统，通过法向加载装置和切向驱动装置为滑块试样的接触界面提供切向速度和法向载荷，并对滑块试样接触界面的真实接触状态和接触力进行动态测量，解决了传统测试系统功能单一、操作复杂、无法同时对移动副粘滑摩擦运动过程中接触界面间的真实接触状态和接触力进行实时测量等问题。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统，其特征在于，包括：

移动副试样，所述移动副试样包括上固定试样、下固定试样、L形挡板、滑块试样；

法向加载装置，所述法向加载装置包括：步进电机、滑块、剪叉式结构，其中，法向加载装置的上基座通过螺栓与支撑面固定连接，步进电机的输出端为丝杠，步进电机与法向加载装置的上基座通过螺栓连接，滑块内部有螺纹并与丝杠配合，滑块的上端平面与法向加载装置的上基座表面形成定位，滑块在步进电机工作时实现直线运动，并且滑块在直线运动过程中会带动剪叉式结构，以实现法向加载装置沿法向方向的加载运动；

切向驱动装置，所述切向驱动装置包括：电动缸、电动缸支架、连接部件；

接触力测试装置，所述接触力测试装置包括：第一力传感器、第二力传感器、数据采集仪、驱动执行端、上压块、下压块；

接触状态测试装置，接触状态测试装置包括：一字线激光器、激光器支架、投影屏幕、相机、相机支架。

2.根据权利要求1所述的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统，其特征在于，所述切向驱动装置的具体连接为：

电动缸支架通过螺栓与基座固定连接；

电动缸可以输出微米量级的直线运动，电动缸与电动缸支架通过螺栓固定连接；

连接部件与电动缸通过螺栓连接。

3.根据权利要求1所述的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统，其特征在于，所述接触力测试装置的具体连接为：

第一力传感器通过螺栓与切向驱动装置相连接；

第二力传感器通过螺栓与法向加载装置相连接；

数据采集仪放置在基座上，实现接触力的动态测量；

第一力传感器与连接部件通过螺栓固定连接，驱动执行端与第一力传感器通过螺栓连接；

法向加载装置的活动面与上压块之间通过螺栓连接，上压块与第二力传感器之间通过螺栓连接，第二力传感器与下压块之间通过螺栓连接。

4.根据权利要求3所述的基于光测法的移动副粘滑摩擦特性动态测试系统，其特征在于，所述接触状态测试装置的具体连接方式为：

一字线激光器放置在激光器支架上，激光器支架通过螺栓与基座固定连接；

投影屏幕所处平面与滑块试样的侧面平行，且与激光器分别布置于滑块试样的两侧，投影屏幕通过双面胶固定于实验室墙面上；

相机放置在相机支架上，相机支架通过螺栓与基座固定连接，用于采集投影屏幕上的接触图样。