CN110006750A - 基于光学法的球体切向刚度动态测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学法的球体切向刚度动态测量系统，包括：球体固定装置，驱动力加载装置，接触力测量装置，相对位移测量装置，视频图像采集装置和计算装置；球体固定装置用于固定球体试样；驱动力加载装置用于对球体试样施加多个方向的力；接触力测量装置用于对接触面位置的接触力进行采集；相对位移测量装置用于实时测量球体试样的接触面位置的相对位移；视频图像采集装置用于计算出球体试样的接触面积及变化情况；计算装置用于根据采集到的接触力、相对位移和接触面积及变化情况计算球体试样的动态切向刚度。该系统可以解决传统的球体切向刚度测量中无法同时对球体接触力、接触界面相对位移和真实接触状态变化进行实时测量等问题。

Description

基于光学法的球体切向刚度动态测量系统

技术领域

本发明涉及机械结合面特性测量技术领域，特别涉及一种基于光学法的球体切向刚度动态测量系统。

背景技术

接触刚度是决定密封、振动控制和动力传递等系统性能的重要因素。在摩擦学的实际应用中，刚度也一直是学者们研究的重点内容。

1882年Hertz对具有二次曲面的弹性球体在无摩擦接触时的应力分布进行分析，后来学者们对于摩擦的研究大部分是建立在该球体接触模型的基础上。在20世纪中叶，Cattaneo和Mindlin提出了法向和切向载荷下球体接触的预测模型。1955年Johnson通过实验研究证明了Mindlin的预测模型的有效性。1975年Spence推导了球形压头的界面切向力的解析解，但以上都建立在无摩擦假设的基础上。

在黏滑条件下，受到法向和切向载荷的耦合作用，球体接触区域发生变形，其动态切向刚度目前仍没有较好的方法计算。学者们主要采用有限元法和边界元法进行分析，如2003年Kogut和Etsion用FEM研究了球形和半空间之间的真实接触。但通过实验对球体切刚度进行研究文献较少，2015年，Maegawa提出了一种基于光学法的切向刚度的简易测量方法，可以用于在视接触区域内对真实接触区域的空间分布进行现场观察，但该方法只能用于静态接触的分析。通过实验，对黏滑过程中接触界面刚度的动态变化进行分析，仍是当前的研究热点和难点。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于光学法的球体切向刚度动态测量系统，该系统解决了传统的球体切向刚度测量中无法同时对球体接触力、接触界面相对位移和真实接触状态变化进行实时测量等问题。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种基于光学法的球体切向刚度动态测量系统，包括：球体固定装置，驱动力加载装置，接触力测量装置，相对位移测量装置，视频图像采集装置和计算装置；

所述球体固定装置用于固定球体试样；

所述驱动力加载装置包括：法向加载台、切向步进电机和法向步进电机；所述法向加载台通过精密交叉滚珠导轨楔形升降，用于实现垂直定位并对所述球体试样的接触面位置施加法向力；所述法向步进电机用于对所述球体试样输出微米量级的法向运动；所述切向步进电机用于对所述球体试样输出微米量级的切向运动；

所述接触力测量装置包括：三维力传感器和数据采集仪；所述三维力传感器和所述数据采集仪通过数据线连接，用于对所述球体试样的接触面位置的接触力进行动态采集；

所述相对位移测量装置包括：激光位移传感器；所述激光位移传感器用于实时测量所述球体试样的接触面位置的相对位移；

所述视频图像采集装置包括：高速相机和计算机；所述高速相机用于采集所述球体试样的接触界面的接触状态的视频图像，所述计算机用于通过图像处理技术对所述视频图像进行边缘提取和亮度分析，计算出所述球体试样的接触面积及变化情况；

所述计算装置用于根据采集到的所述球体试样的接触面位置的接触力、所述球体试样的接触面位置的相对位移和所述球体试样的接触面积及变化情况计算所述球体试样的动态切向刚度。

本发明实施例的基于光学法的球体切向刚度动态测量系统，通过在法向加载台对球体施加法向载荷后，通过步进电机控制器控制球体试样在接触界面的切向方向以不同的速度进行加载或卸载，对三个方向的接触力和界面位移进行实时测量，同时对球体接触界面的真实接触状态数据进行采集。通过视频图像提取接触区域变化和亮度变化的信息，计算出真实接触面积，进而计算出基于真实接触面积的球体切向刚度。解决了传统切向刚度测量中无法测量球体接触界面真实接触面积，无法同时对接触界面的真实接触面积、接触力以及球体相对位移进行实时测量等问题。

另外，根据本发明上述实施例的基于光学法的球体切向刚度动态测量系统还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，还包括：

下平台、上平台和支撑杆，所述支撑杆用于连接所述下平台和所述上平台，所述上平台和所述下平台为光学平台，所述光学平台装有螺纹孔。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述球体固定装置包括：球体固定底座、球体夹头和球体试样；

所述球体试样置于所述球体固定底座的内孔中，所述球体夹头与所述球体固定底座通过螺栓固定连接，通过调整所述球头固定底座的内孔径和所述球体夹头的内孔径大小，实现任意尺寸的所述球体试样的固定。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述驱动力加载装置还包括：切向平移台和步进电机控制器；

所述切向平移台用于调整所述球体试样的接触面位置；

所述步进电机控制器用于设置驱动速度及驱动方式，实现对法向运动和切向运动的加载速度及加载方式的调整。

进一步地，在本发明的一个实施例中，通过调整所述步进电机控制器控制所述切向平移台移动，控制所述球体试样在所述视频图像采集装置中的承载盘上的运动，使所述球体试样的运动范围处于承载盘的中部区域。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述相对位移测量装置还包括：固定板、高度微调器和转接板；

所述固定板和所述转接板用于对所述球体试样的接触面位置的粗调，所述高度微调器用于对所述球体试样的接触面位置的精调。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述视频图像采集装置还包括：镜片调节架、镜片夹具、半透半反镜、通光孔、观测台、承载盘、角度调节架、激光准直器、激光耦合器和激光电源；

所述激光电源用于调节激光亮度；所述激光耦合器用于实现光斑均化；所述激光准直器用于调节光斑大小，所述角度调节架用于所述调整激光准直器的角度和高度，确定激光能够垂直射入所述球体试样的接触面位置。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述激光准直器发射出的激光通过所述半透半反镜反射，通过所述通光孔、所述观测台和承载盘照射在所述球体试样与承载盘的接触面上，接触面的图像通过承载盘、所述观测台和所述半透半反镜在所述高速相机上成像。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于光学法的球体切向刚度动态测量系统的三维结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的基于光学法的球体切向刚度动态测量系统的前视图；

图3为根据本发明一个实施例的球体固定装置的结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的驱动力加载装置的结构示意图；

图5为根据本发明一个实施例的相对位移测量装置的结构示意图；

图6为根据本发明一个实施例的相对位移测量原理图；

图7为根据本发明一个实施例的视频图像采集装置的原理示意图；

图8为根据本发明一个实施例的视频图像采集装置的结构示意图；

图9为根据本发明一个实施例的视频图像采集装置的观测台结构示意图；

图10为根据本发明一个实施例的视频图像采集装置的镜片调节装置结构示意图。

附图标记：1-下平台，2-支撑杆，3-第一固定板，4-第一高度微调器，5-上平台，6-第一转接板，7-第一激光位移传感器，8-镜片调节架，9-镜片夹具，10-半透半反镜，11-通光孔，12-观测台，13-承载盘，14-角度调节器，15-激光准直器，16-第二固定板，17-第二高度微调器，18-第二转接板，19-第二激光位移传感器，20-三维力传感器，21-球体试样，22-球体夹头，23-球体固定底座，24-切向平移台，25-切向步进电机，26-法向加载台，27-法向步进电机，28-步进电机控制器，29-数据采集仪，30-激光耦合器，31-激光电源，32-计算机，33-高速相机；110-球体固定装置，120-驱动力加载装置，130-接触力测量装置，140-相对位移测量装置，150-视频图像采集装置。

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，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于光学法的球体切向刚度动态测量系统。

图1为根据本发明一个实施例的基于光学法的球体切向刚度动态测量系统结构示意图。

如图1所示，该基于光学法的球体切向刚度动态测量系统包括：球体固定装置110、驱动力加载装置120、接触力测量装置130、相对位移测量装置140、视频图像采集装置150和计算装置160。

其中，计算装置(图中未画出)用于根据采集到的球体试样的接触面位置的接触力、球体试样的接触面位置的相对位移和球体试样的接触面积及变化情况计算球体试样的动态切向刚度。

需要说明的是，计算装置可以为计算机，也可以其它的计算软件，通过根据接触力测量装置130、相对位移测量装置140和视频图像采集装置150采集到的数据信息计算得出球体试样的动态切向刚度。

如图2所示，该系统还包括：下平台1、上平台5和支撑杆2，支撑杆2用于连接下平台1和上平台5，上平台5和下平台1可以为光学平台，光学平台装有螺纹孔，其中，螺纹孔的尺寸可以为6mm。

具体地，如图3所示，球体固定装置110用于固定球体试样，其中，球体固定装置110包括：球体试样21、球体夹头22和球体固定底座23。球头固定底座23和球体夹头22均采用304不锈钢材质。球体试样21置于球体固定底座23的内孔中，球体夹头22与球体固定底座23通过螺栓固定连接，通过调整球头固定底座23的内孔径和球体夹头22的内孔径大小，可以实现任意尺寸的球体的固定。

进一步地，如图2所示，驱动力加载装置还包括：切向平移台24和步进电机控制器28；

切向平移台24用于调整球体试样21的接触面位置；

步进电机控制器28用于设置驱动速度及驱动方式，实现对法向运动和切向运动的加载速度及加载方式的调整。

如图4所示，驱动力加载装置120包括切向平移台24、步进电机25、法向加载台26、步进电机27、步进电机控制器28。法向加载台26通过螺栓与下平台1固定连接；法向步进电机27与法向加载台26通过螺栓固定连接，可以输出微米量级的法向运动，法向加载台26通过精密交叉滚珠导轨楔形升降，可以实现垂直定位；切向平移台24通过螺栓与法向加载台26固定连接，切向步进电机25可以输出微米量级的切向运动。法向步进电机27和切向步进电机25通过数据线与步进单机控制器28连接，控制步进电机的运动速度及运动方式，控制驱动力大小及加载方式。

具体地，通过调整步进电机控制器28控制切向平移台24移动，控制球体试样21在视频图像采集装置中的承载盘上的运动，使球体试样21的运动范围处于承载盘的中部区域。

可以理解的是，球体在切向方向进行加载或卸载过程中，可以实现对球体试样接触界面真实接触状态变化的实时观测，同时可以对接触界面处的三个方向上的接触力和球体接触界面相对位移进行动态采集。通过步进电机控制器调节法向加载或切向加载的速度和大小，研究法向加载或切向加载速度及大小对切向刚度的影响。

结合图2所示，接触力测量装置130包括三维力传感器20、数据采集仪29，还有计算机32。三维力传感器20与切向平移台24通过螺栓固定连接，球体固定底座23与三维力传感器20通过螺栓固定连接，三维力传感器20与数据采集仪29通过数据线连接，实现对接触力信号的采集，实现对法向力和切向力的实时采集。计算机32与数据采集仪通29过数据线连接，实现对接触力信号的采集和储存。其中，数据采集仪29可以为DASP数据采集仪。

进一步地，在本发明的一个实施例中，如图2所示，相对位移测量装置还包括：固定板、高度微调器和转接板；

固定板和转接板用于对球体试样的接触面位置的粗调，高度微调器用于对球体试样的接触面位置的精调。

具体地，结合图5和图6所示，相对位移测量装置140包括两套位移测量装置，接触面位移测量装置和球体位移测量装置。接触面位移测量装置包括第一固定板3、第一高度微调器4、第一转接板6、第一激光位移传感器7；球体位移测量装置包括第二固定板16、第二高度微调器17、第二转接板18、第二激光位移传感器19。两套位移测量装置连接方法相同，以接触面位移测量装置为例，第一激光位移传感器7与第一转接板6通过螺栓连接，第一高度微调器4与第一转接板6通过螺栓连接，第一固定板3与第一高度微调器4通过螺栓连接，第一固定板3与上平台5通过螺栓固定连接。其中，第一高度微调器4可以使一维平移台或二维平移台。通过调节第一固定板4和第一转接板6的相对位置可实现对测量位置的粗调，通过第一高度微调器4可实现对测量位置的精调。转接板和固定板材质相同，可以是铝、铁、不锈钢等材质。

进一步地，如图2所示，视频图像采集装置还包括：镜片调节架8、镜片夹具9、半透半反镜10、通光孔11、观测台12、承载盘13、角度调节架14、激光准直器15、激光耦合器30和激光电源31；

激光电源31用于调节激光亮度；激光耦合器30用于实现光斑均化；激光准直器15用于调节光斑大小，角度调节架14用于调整激光准直器15的角度和高度，确定激光能够垂直射入球体试样的接触面位置。

具体地，结合图7所示，本发明利用光的反射原理，当激光准直器15发射出的光线通过半透半反镜反射后，光线通过通光孔11、观测台12和承载盘13照射在球体试样21与承载盘13的接触界面上，接触区域的图像通过承载盘13、观测台12、半透半反镜10在高速相机33上成像。该系统可用于测量球体真实接触面积，通过调整球体夹具尺寸和样式，可实现对多种试样真实界面积的测量。

结合图8、图9和图10所示，视频图像采集装置150包括镜片调节架8、镜片夹具9、半透半反镜10、通光孔11、观测台12、承载盘13、角度调节架14、激光器准直器15、激光耦合器30、激光电源31、计算机32、高速相机33、计算机32。

其中，承载盘13通过强力胶黏在观测台12，观测台12通过螺栓与上平台5固定连接；半透半反镜10通过螺栓与镜片夹具9固定连接；镜片夹具9通过螺栓与镜片调节架8固定连接；激光器准直器15与角度调节架14通过螺栓固定连接，角度调节架14与上平台5通过螺栓固定连接。激光准直器15与激光耦合器30通过光纤连接，激光耦合器30与激光电源31通过电源线连接，通过激光电源31调节激光亮度，利用激光耦合器30实现光斑均化，通过激光准直器15调节光斑大小。高速相机33通过三脚架固定，放置在通光孔11上方；高速相机33通过数据线与计算机32连接，由计算机控制视频图像采集。观测台材质采用304不锈钢，中间为通孔，可以观察接触情况。其中，承载盘13材质根据球体材料的不同可以采用蓝宝石玻璃、亚克力等透明材质。高速相机33在对动态特性频率要求不高时可以采用单反相机。观测台12材质为304不锈钢。镜片调节架8材质为铝、不锈钢等。

该系统通过驱动力加载装置对球体在切向方向进行加载或卸载，同时对球体接触界面的真实接触面变化、接触力和球体相对位移等进行动态测量，解决了传统测试系统功能单一、无法对切向刚度测试过程中接触界面真实接触状态变化、接触力和界面相对位移进行同步测量等问题。基于同时测量接触面积变化、接触力和相对位移的功能，可用于研究球体黏滑现象的动力学特性。

下面通过一个示例，介绍本系统的工作过程如下：

首先，通过镜片调节架8调整半透半反镜10的角度，使半透半反镜10与上平台5夹角为45°。打开激光器电源31，调节激光功率，通过角度调节架14调整激光准直器15的角度和高度，确定激光能够垂直射入接触界面。高速相机33透过半透半反镜10采集接触界面的接触图像。通过调整高速相机33的位置和焦距，取得最佳的成像效果。

调整步进电机控制器28控制切向平移台24移动，调整球体21与承载盘13的接触位置。确保实验过程中球体的运动范围处于承载盘的中部区域。通过高度微调器4和17，将激光位移传感器7和19激光束的位置分别调整至待测位置(测量点1和测量点2)，如图6所示。

将数据采集仪29与三维力传感器20通过数据线连接，对球体接触界面处接触力进行动态采集。将步进电机25和27与步进电机控制器28相连，通过对步进电机控制器28设置驱动速度及驱动方式，实现对法向载荷和切向载荷加载速度和加载方式的调整。

完成以上准备工作后，即可开展实验。接通电源，打开激光器电源31，通过法向加载台26以设定速度对接触界面施加一定的法向力，待压力达到设定值后通过切向平移台24以设定速度和方式运动，进而实现球体试样21在承载盘13上的运动。通过三维力传感器20及数据采集仪器24，实现对实验过程中界面接触力的动态测量。通过激光位移传感器7和19对接触界面的位移进行实时测量，两个测量点位移之和(考虑位移方向)即为接触界面相对位移。利用高速相机33对接触界面的接触状态的视频图像进行采集，通过图像处理技术对图形进行边缘提取和亮度分析，计算出真实接触面积及变化情况。将采集得到的切向力接触力、接触界面相对位移和图像处理得到的接触面积进行分析，进而计算出基于真实接触面积的球体动态切向刚度。

根据本发明实施例提出的基于光学法的球体切向刚度动态测量系统，通过在法向加载台对球体施加法向载荷后，通过步进电机控制器控制球体试样在接触界面的切向方向以不同的速度进行加载或卸载，对三个方向的接触力和界面位移进行实时测量，同时对球体接触界面的真实接触状态数据进行采集。通过视频图像提取接触区域变化和亮度变化的信息，计算出真实接触面积，进而计算出基于真实接触面积的球体切向刚度。解决了传统切向刚度测量中无法测量球体接触界面真实接触面积，无法同时对接触界面的真实接触面积、接触力以及球体相对位移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 (8)

1.一种基于光学法的球体切向刚度动态测量系统，其特征在于，包括：

球体固定装置，驱动力加载装置，接触力测量装置，相对位移测量装置，视频图像采集装置和计算装置；

所述球体固定装置用于固定球体试样；

所述驱动力加载装置包括：法向加载台、切向步进电机和法向步进电机；

所述法向加载台通过精密交叉滚珠导轨楔形升降，用于实现垂直定位并对所述球体试样的接触面位置施加法向力；

所述法向步进电机用于对所述球体试样输出微米量级的法向运动；

所述切向步进电机用于对所述球体试样输出微米量级的切向运动；

所述接触力测量装置包括：三维力传感器和数据采集仪；所述三维力传感器和所述数据采集仪通过数据线连接，用于对所述球体试样的接触面位置的接触力进行动态采集；

所述相对位移测量装置包括：激光位移传感器；所述激光位移传感器用于实时测量所述球体试样的接触面位置的相对位移；

所述视频图像采集装置包括：高速相机和计算机；所述高速相机用于采集所述球体试样的接触界面的接触状态的视频图像，所述计算机用于通过图像处理技术对所述视频图像进行边缘提取和亮度分析，计算出所述球体试样的接触面积及变化情况；

所述计算装置用于根据采集到的所述球体试样的接触面位置的接触力、所述球体试样的接触面位置的相对位移和所述球体试样的接触面积及变化情况计算所述球体试样的动态切向刚度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

下平台、上平台和支撑杆，所述支撑杆用于连接所述下平台和所述上平台，所述上平台和所述下平台为光学平台，所述光学平台装有螺纹孔。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述球体固定装置包括：球体固定底座、球体夹头和球体试样；

所述球体试样置于所述球体固定底座的内孔中，所述球体夹头与所述球体固定底座通过螺栓固定连接，通过调整所述球头固定底座的内孔径和所述球体夹头的内孔径大小，实现任意尺寸的所述球体试样的固定。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述驱动力加载装置还包括：切向平移台和步进电机控制器；

所述切向平移台用于调整所述球体试样的接触面位置；

所述步进电机控制器用于设置驱动速度及驱动方式，实现对法向运动和切向运动的加载速度及加载方式的调整。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，

通过调整所述步进电机控制器控制所述切向平移台移动，控制所述球体试样在所述视频图像采集装置中的承载盘上的运动，使所述球体试样的运动范围处于所述承载盘的中部区域。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述相对位移测量装置还包括：固定板、高度微调器和转接板；

所述固定板和所述转接板用于对所述球体试样的接触面位置的粗调，所述高度微调器用于对所述球体试样的接触面位置的精调。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述视频图像采集装置还包括：镜片调节架、镜片夹具、半透半反镜、通光孔、观测台、所述承载盘、角度调节架、激光准直器、激光耦合器和激光电源；

所述激光电源用于调节激光亮度；所述激光耦合器用于实现光斑均化；所述激光准直器用于调节光斑大小，所述角度调节架用于所述调整激光准直器的角度和高度，确定激光能够垂直射入所述球体试样的接触面位置。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，

所述激光准直器发射出的激光通过所述半透半反镜反射，通过所述通光孔、所述观测台和所述承载盘照射在所述球体试样与承载盘的接触面上，接触面的图像通过承载盘、所述观测台和所述半透半反镜在所述高速相机上成像。