CN1265186C - 超声微驱动摩擦试验系统 - Google Patents
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超声微驱动摩擦试验系统，它涉及一种超声摩擦试验系统。本发明超声微驱动摩擦试验机(40)分别由导线与电荷放大器(50)和接线端子板(60)相连接，电荷放大器(50)由导线与接线端子板(60)相连接，接线端子板(60)由导线与微型计算机(70)相连接。本发明能够完全等效模拟行波超声电机定子表面某一质点对贴有摩擦材料转子的驱动过程；能够对不同摩擦材料及摩擦配副进行瞬态微观正压力、瞬态微观摩擦驱动力的实时测量，从而能够得出不同摩擦材料及摩擦配副的瞬态微观摩擦系数；能够在不同摩擦材料及摩擦配副的情况下研究行波超声电机的固有特性如预压力、驱动电压和温度的升高对行波超声电机微观瞬态摩擦驱动性能的影响。
Description
技术领域：
本发明涉及一种超声摩擦试验系统。
背景技术：
以压电晶体的逆压电效应为基本原理并借助接触摩擦驱动来提供动力的超声电机具有传统电磁电机不具有的许多特点，已经在宇航、机器人、汽车、精密定位、医疗机械、微型机械等领域得到成功的应用。其中行波超声电机的定子表面质点做椭圆运动，表面质点的连续形成了行波，借助表面行波摩擦驱动转子运动。行波超声电机的定、转子之间的接触是相对平稳连续的，电机输出特性较稳定，相对于其他超声电机应用广泛，并且更实用于微型及精密仪器，便于精确定位。由于超声电机的发展时间较短，其相关理论还不完善，这也大大束缚了超声电机的应用和发展。目前从事超声电机研究的学者，仅在传统的摩擦磨损试验机或者再外附加超声振动的实验方法研究超声振动对摩擦驱动的影响来间接等效地研究超声摩擦驱动的相关特性。并没有进行微观瞬时、直接地对超声摩擦驱动进行研究。由于摩擦现象本身的复杂性，加之定、转子处于高频(几十千赫兹)、微幅(几微米)振动接触条件下，其摩擦驱动机理尚无定论；并且影响超声电机输出特性的因素很多，如温度、预压力、驱动电压及摩擦材料固有特性等，所以至今还没有建立精确的摩擦驱动模型。
发明内容：
本发明的目的是提供一种超声微驱动摩擦试验系统，它具有完全能够满足超声微驱动摩擦试验的基本要求，操作简单，性能稳定的特点。本发明由超声微驱动摩擦试验机40、电荷放大器50、接线端子板60、微型计算机70组成，超声微驱动摩擦试验机40分别由导线与电荷放大器50和接线端子板60相连接，电荷放大器50由导线与接线端子板60相连接，接线端子板60由导线与微型计算机70相连接。本发明具有以下优点：(1)能够完全等效模拟行波超声电机定子表面某一质点和驻波超声电机定子表面质点对贴有摩擦材料转子的驱动过程；(2)能够对不同摩擦材料及摩擦配副进行瞬态微观正压力、瞬态微观摩擦驱动力的实时测量，从而能够得出不同摩擦材料及摩擦配副的瞬态微观摩擦系数；(3)能够在不同摩擦材料及摩擦配副的情况下研究超声电机的固有特性如预压力、驱动电压和温度的升高对超声电机微观瞬态摩擦驱动性能的影响；(4)在现有硬件的基础上开发能够实现高频数据采集的软件并能够对试验系统采集而来的相应数据进行相应处理，以便进行摩擦学分析。本发明为研究超声电机微驱动的微观过程、超声电机定、转子之间摩擦驱动模型的建立、超声电机转子摩擦材料的选择提供了可行的实验条件。
附图说明：
图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明超声微驱动摩擦试验机40的整体结构示意图，图3是图2的A向视图，图4是图2的俯视图，图5是图3的B-B剖视图，图6是超声振动体10的结构示意图，图7是具体实施方式二的结构示意图，图8是具体实施方式三的结构示意图，图9是产生纵向一阶振动的压电片的极化方向垂直方向的剖视图，图10是产生弯曲二阶振动的压电片的极化方向垂直方向的剖视图，图11是产生纵向一阶振动的压电片的极化方向垂直方向的剖视图，图12是产生弯曲二阶振动的压电片的极化方向垂直方向的剖视图，图13是振动体前端点产生椭圆振动的原理图，图14是超声微摩擦试验系统微型计算机操作平台界面图。
具体实施方式：
具体实施方式一：(参见图1-图6)本实施方式由超声微驱动摩擦试验机40、电荷放大器50、接线端子板60、微型计算机70组成，超声微驱动摩擦试验机40分别由导线与电荷放大器50和接线端子板60相连接，电荷放大器50由导线与接线端子板60相连接，接线端子板60由导线与微型计算机70相连接。超声微驱动摩擦试验机40由支座1、支脚柱2、调平螺母3、下连接板4、连接螺栓5、套筒6、驱动力输出梁7、瞬时动态正压力传感器8、样品托盘9、超声振动体10、夹持套筒11、砝码固定杆12、加载套筒13、上连接板14、摩擦材料层15、承载套16、T形传动输出轴17、轴承端盖18、垫片19、可调连接杆20、接触头21、瞬时动态驱动动力传感器22、传感器支座23、连接杆24、径向轴承25、轴套26、止推轴承27、螺母28、螺栓29组成；支脚柱2的下部固定在支座1的上端面上，支脚柱2的上部由调平螺母3固定在下连接板4的四角上，套筒6由连接螺栓5固定在下连接板4的上面，可调连接杆20和连接杆24的下端分别固定在套筒6外侧的下连接板4上，可调连接杆20和连接杆24的上端分别与上连接板14固定连接，可调连接杆20与上连接板14之间设有垫片19，夹持套筒11固定在上连接板14上，砝码固定杆12设在加载套筒13的上端，加载套筒13设在夹持套筒11内，超声振动体10的上端与加载套筒13的下端相连接，止推轴承27设在套筒6内的下侧，轴套26设在套筒6内止推轴承27的上侧，径向轴承25设在轴套26内，T形传动输出轴17的中部与径向轴承25相连接，T形传动输出轴17的下端与止推轴承27相连接，轴承端盖18设在径向轴承25的上侧并由螺栓固定在套筒6的上端，传感器支座23固定在下连接板4上面的一侧，传感器支座23上部的一侧固定有瞬时动态驱动力传感器22，瞬时动态驱动力传感器22上固定有接触头21，接触头21上固定有驱动力输出梁7，驱动力输出梁7的一端与T形传动输出轴17上的侧平面17-1固定连接，瞬时动态正压力传感器8固定在T形传动输出轴17上平面的一侧上，瞬时动态正压力传感器8的上端固定有承载套16，承载套16的上端固定有样品托盘9，样品托盘9上设有摩擦材料层15，摩擦材料层15与超声振动体10摩擦连接。瞬时动态驱动力传感器22、接触头21、驱动力输出梁7之间设有螺栓29，螺母28设在驱动力输出梁7外侧的螺栓29的端头上。用以对瞬时动态驱动力传感器22进行预紧。超声振动体10由摩擦驱动头31、前匹配块32、纵向激振压电片33、弯曲激振压电片34、法兰盘35、连接螺栓36、后匹配块37组成，摩擦驱动头31固定在前匹配块32的前端，前匹配块32与后匹配块37之间由连接螺栓36依次固定有两片弯曲激振压电片34、两片纵向激振压电片33、法兰盘35、两片纵向激振压电片33和两片弯曲激振压电片34，纵向激振压电片33的导线2与弯曲激振压电片34上的导线W与接线端子板60相连接。这是一种棒状超声振动体。对于棒状超声振动体，其高频纵弯振动均是用夹心式压电片激振，其纵向振动和弯曲振动的压电片及其极化方向分别如图9、图10所示，如图9所示的纵向激振压电片33是由两片沿厚度方向极化的圆环形压电片且极性相同的侧面粘贴在一起组成，如图所示该组压电片是极性为正的粘贴在一起，若该极性方向输入成正弦波变化(如图13)的电压，当电压极性方向和压电片极性方向相同时压电片伸长，反之则收缩。如此便激励出高频纵向振动。如图10所示弯曲激振压电片34是由两片均沿水平直径分成极化方向相反并且均沿厚度方向极化的圆环形压电片组成，该两片压电片采用极性相同的面粘贴在一起并引出同一电极的方式组成，如图所示该组压电片一边是极性都为正的而另一边是极性都为负的粘贴在一起。若在两压电片中间输入成正弦波变化(如图13)的电压，根据当电压极性方向和压电片极性方向相同时压电片伸长，反之则收缩的原理，在正弦波的正半周期内该组压电片左边伸长右边缩短，即相当于在超声振动体上加集中弯矩，超声振动体此时便做高频弯曲振动，该超声振动体的摩擦驱动头的前端点便做横向高频摆动。当该超声振动体纵向激振压电片和弯曲激振压电片34采用电压相位相差90°成正弦波变化电压(如图13)，同时驱动即分别在W、Z接上驱动电压，该超声振动体的摩擦驱动头31的前端点便做高频椭圆运动(如图13)。
具体实施方式二：(参见图7)本实施方式中超声振动体10与具体实施方式一的不同点在于，超声振动体10由摩擦驱动头31、前匹配块32、纵向激振压电片33、弯曲激振压电片34、法兰盘35、连接螺栓36、后匹配块37组成，前匹配块32和后匹配块37之间由连接螺栓36依次固定有两片纵向激振压电片33，法兰盘35、两片纵向激振压电片33，在摩擦驱动头31的两侧固定有弯曲激振压电片34。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。这是一种棒板组合超声振动体。对于棒板组合超声振动体，其纵向超声振动也是用夹心式压电片激振，其纵向激振压电片33及其极化方向如图11，可知棒板组合超声振动体纵向激振压电片33组成及其极化方向和棒状超声振动体纵向激振压电片33组成及其极化方向是相同的，且二者的激振原理也是相同的。棒板组合超声振动体的弯曲超声振动是由金属板粘贴压电片(如图7中的34)来激励的。弯曲激振压电片34及其极化方向如图12，该压电片沿厚度方向极化，该超声振动体的弯曲激振压电片34与金属板的粘贴方式如图7，且一片是正极性的一面与金属板相粘贴，另一片是负极性的一面与金属板相粘贴，而两片外漏的正、负极性的由导线联结在一起形成电源输入极W。若两片弯曲激振压电片34同时输入成正弦波变化电压(如图13)，在电压的正半周期内，正极性为输入极的弯曲激振压电片34伸长，金属板向该侧弯曲，而负极性为输入极的弯曲激振压电片34则缩短，金属板背离该侧弯曲，在电压的负半周期内，情况恰恰相反。超声振动体此时便做高频弯曲振动，该超声振动体的摩擦驱动头的前端点便做横向高频摆动。当该超声振动体纵向激振压电片33和弯曲激振压电片34采用电压相位相差90°成正弦波变化电压(如图13)同时驱动即分别在图7中的W、Z接上相位相差90°的驱动电压，该超声振动体的摩擦驱动头31的前端点便做高频椭圆运动(如图13)。
具体实施方式三：(参见图8)本实施方式中超声振动体10与具体实施方式一的不同点在于，超声振动体10由双体结构构成，每个单体由摩擦驱动头31、前匹配块32、八个纵向激振压电片33、法兰盘35、连接螺栓36、后匹配块37组成，法兰盘35与前匹配块32和后匹配块37之间分别固定有四片纵向激振压电片33，两个法兰盘35固定对接，两个摩擦驱动头31呈90°连接固定在一起，其对角外面呈圆形。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。这是一种双纵复合超声振动体。对于双纵复合超声振动体(如图8)，其纵向超声振动和上述两种超声振动的一样，也是用夹心式压电片激振，其纵向激振压电片33及其极化方向如图11，可知双纵复合超声振动体纵向激振压电片33组成及其极化方向和前两种超声振动体纵向激振压电片33组成及其极化方向是相同的，且二者的激振原理(如图13)也是相同的。
超声微驱动摩擦试验系统信号传输路线为：瞬时动态力传感器传出信号经电荷放大器，再经接线端子板传入高频数据采集卡，而数据采集卡插入微型计算机的ISA接口插槽，这样系统数据便传入微型计算机以备处理。该系统是以DMA方式传输信号和采集数据，能够实现高频数据采集的要求，从而能够满足对超声微驱动摩擦试验系统的瞬时高频采集要求。超声微驱动摩擦试验操作平台界面(如图14)，该界面是基于Visual C++并借助高频数据采集卡的动态连接库(DLL)而开发的，通过该界面能够对试验系统的状态变量如设备号、采集起始通道号、终止通道号、采集数目、采集频率进行预定义，也可以对采集来的数据进行处理(如绘图等)，并可保存以便今后处理。
Claims (4)
1、超声微驱动摩擦试验系统，它由超声微驱动摩擦试验机(40)、电荷放大器(50)、接线端子板(60)、微型计算机(70)组成，其特征在于超声微驱动摩擦试验机(40)分别由导线与电荷放大器(50)和接线端子板(60)相连接，电荷放大器(50)由导线与接线端子板(60)相连接，接线端子板(60)由导线与微型计算机(70)相连接，超声微驱动摩擦试验机(40)由支座(1)、支脚柱(2)、调平螺母(3)、下连接板(4)、连接螺栓(5)、套筒(6)、驱动力输出梁(7)、瞬时动态正压力传感器(8)、样品托盘(9)、超声振动体(10)、夹持套筒(11)、砝码固定杆(12)、加载套筒(13)、上连接板(14)、摩擦材料层(15)、承载套(16)、T形传动输出轴(17)、轴承端盖(18)、垫片(19)、可调连接杆(20)、接触头(21)、瞬时动态驱动动力传感器(22)、传感器支座(23)、连接杆(24)、径向轴承(25)、轴套(26)、止推轴承(27)、螺母(28)、螺栓(29)组成；支脚柱(2)的下部固定在支座(1)的上端面上，支脚柱(2)的上部由调平螺母(3)固定在下连接板(4)的四角上，套筒(6)由连接螺栓(5)固定在下连接板(4)的上面，可调连接杆(20)和连接杆(24)的下端分别固定在套筒(6)外侧的下连接板(4)上，可调连接杆(20)和连接杆(24)的上端分别与上连接板(14)固定连接，可调连接杆(20)与上连接板(14)之间设有垫片(19)，夹持套筒(11)固定在上连接板(14)上，砝码固定杆(12)设在加载套筒(13)的上端，加载套筒(13)设在夹持套筒(11)内，超声振动体(10)与加载套筒(13)的下端相连接，止推轴承(27)设在套筒(6)内的下侧，轴套(26)设在套筒(6)内止推轴承(27)的上侧，径向轴承(25)设在轴套(26)内，T形传动输出轴(17)的中部与径向轴承(25)相连接，T形传动输出轴(17)的下端与止推轴承(27)相连接，轴承端盖(18)设在径向轴承(25)的上侧并由螺栓固定在套筒(6)的上端，传感器支座(23)固定在下连接板(4)上面的一侧，传感器支座(23)上部的一侧固定有瞬时动态驱动力传感器(22)，瞬时动态驱动力传感器(22)上固定有接触头(21)，接触头(21)上固定有驱动力输出梁(7)，驱动力输出梁(7)的一端与T形传动输出轴(17)上的侧平面(17-1)固定连接，瞬时动态正压力传感器(8)固定在T形传动输出轴(17)上平面的一侧上，瞬时动态正压力传感器(8)的上端固定有承载套(16)，承载套(16)的上端固定有样品托盘(9)，样品托盘(9)上设有摩擦材料层(15)，摩擦材料层(15)与超声振动体(10)摩擦连接，瞬时动态驱动力传感器(22)、接触头(21)、驱动力输出梁(7)之间设有螺栓(29)，螺母(28)设在驱动力输出梁(7)外侧的螺栓(29)的端头上。
2、根据权利要求1所述的超声微驱动摩擦试验系统，其特征在于超声振动体(10)由摩擦驱动头(31)、前匹配块(32)、纵向激振压电片(33)、弯曲激振压电片(34)、法兰盘(35)、连接螺栓(36)、后匹配块(37)组成，摩擦驱动头(31)固定在前匹配块(32)的前端，前匹配块(32)与后匹配块(37)之间由连接螺栓(36)依次固定有两片弯曲激振压电片(34)、两片纵向激振压电片(33)、法兰盘(35)、两片纵向激振压电片(33)和两片弯曲激振压电片(34)，纵向激振压电片(33)的导线(2)与弯曲激振压电片(34)上的导线W与接线端子板(60)相连接。
3、根据权利要求1所述的超声微驱动摩擦试验系统，其特征在于超声振动体(10)由摩擦驱动头(31)、前匹配块(32)、纵向激振压电片(33)、弯曲激振压电片(34)、法兰盘(35)、连接螺栓(36)、后匹配块(37)组成，前匹配块(32)和后匹配块(37)之间由连接螺栓(36)依次固定有两片纵向激振压电片(33)，法兰盘(35)、两片纵向激振压电片(33)，在摩擦驱动头(31)的两侧固定有弯曲激振压电片(34)。
4、根据权利要求1所述的超声微驱动摩擦试验系统，其特征在于超声振动体(10)由双体结构构成，每个单体由摩擦驱动头(31)、前匹配块(32)、八个纵向激振压电片(33)、法兰盘(35)、连接螺栓(36)、后匹配块(37)组成，法兰盘(35)与前匹配块(32)和后匹配块(37)之间分别固定有四片纵向激振压电片(33)，两个法兰盘(35)固定对接，两个摩擦驱动头(31)呈90°连接固定在一起，其对角外面呈圆形。
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