CN204374047U - 一种微摩擦测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种微摩擦测量装置，属微小力测量技术领域。通过调节升降台上的微调旋钮实现法向载荷的加载。电阻应变片粘贴在弹性元件正反两面，通过引线组成惠斯通电桥来间接测量法向载荷。两块定极板和一块动极板组成差动电容式传感器，两块定极板通过支撑杆固定于升降台上，动极板通过连接件与可拆卸式连接块相连，当伺服电机工作驱动滚珠丝杆使样品台作直线运动时，连接块受到摩擦力会有一个水平方向微小位移，极板之间的极距将会发生变化，从而电容传感器电容值发生变化，实现对摩擦力的测量。本实用新型结构简单，无需采用高精度的位移平台即可实现力的加载，提高测量的灵敏度，线性误差大大减小，对微摩擦力等微小力的测量有良好效果。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微摩擦测量装置，尤其涉及一种微型机械表面粗糙度的检测和评估的微摩擦测量装置，属于微小力测量技术领域。
背景技术
目前，在微摩擦研究中，国际上尚无统一标准的试验平台，存在着许多形式不一的微动实验设备，由于研究的对象不同从而研制和使用不同的试验装置；同时，在摩擦学领域，比较成熟的实验仪器和设备主要是适用于宏观摩擦学和纳米摩擦学的测试仪。而微动腐蚀中的摩擦，其加载的接触压力大约在O．01N到2N，介于宏观摩擦与微观摩擦之间。在微机械中由于尺寸的减少构件之间的距离常常只有微米甚至纳米级，一般微小摩擦力测量装置则是在微小面积接触和微小载荷作用下测试摩擦力的一种仪器，它的载荷是毫牛顿级，这与纳米量级来进行比较毫无疑问是相当大的，但相对于宏观载荷来说又是相当小，并且，它的相对滑动速度是宏观中的低速, 微观中的极高速。粘性阻力和表面张力等对系统的影响比与体积相关的惯性力和电磁力的影响更加显著，同时 由于微机械中所携带的动力非常有限,减少摩擦阻力变得十分必要。目前关于微动摩擦测试仪测量原理的常见类型有如下几种：力平衡法、光学反射法、压电法、应变片法。上述方法中力平衡法精度较低；光学法具有最高的精度，但是需要的投资较大；压电式测量法其缺点是仅适用于动态力的测量。
发明内容
本实用新型的目的在于针对上述问题，提供一种精度较高成本较低的可测量微型器件工作时表面间的摩擦力装置，改善表面间摩擦磨损的情况从而提高微机械的使用寿命。
本实用新型技术方案是：一种微摩擦测量装置，包括支撑板1、基座2、微调旋钮3、升降台4、样品台5、直线导轨6、滚珠丝杆 7、轴承座8、弹性联轴器9、伺服电机10、电阻应变片11、弹性元件12、圆柱块13、拆卸式连接块14、支撑杆15、万向柔性铰链16、定极板17、动极板18、连接件19、固定板20、摩擦触头21、微型钻夹头22；所述支撑板1通过螺栓连接固定在基座2上，样品台5与滚珠丝杆 7的螺母固定在一起在直线导轨6上运动，轴承座8通过螺栓固定在升降台4上，弹性联轴器9一端连接滚珠丝杆 7另一端连接伺服电机10，直线导轨6用螺钉连接固定在升降台4上，样品台5通过伺服电机10驱动滚珠丝杆7来实现其水平位移，通过升降台4上的微调旋钮3来实现法向载荷的加载和垂直方向的位移，弹性元件12和万向柔性铰链16分别用胶粘剂和十字头螺钉固定在支撑板1上，弹性元件12靠近支撑板1的位置正反两面分别粘贴有两片电阻应变片11，电阻应变片11通过引线组成惠斯通电桥，万向柔性铰链16另一端通过胶粘剂与拆卸式连接块14的一个侧面固定，拆卸式连接块14上表面和下表面分别开有圆孔用来夹紧一圆柱块13和微型钻夹头22，圆柱块13作为法向载荷施力部件，作用于弹性元件12的下表面，微型钻夹头22用于夹紧摩擦触头21，连接件19一端通过螺钉固定在拆卸式连接块14上，另一端与动极板18粘接在一起，两块定极板17粘接在支撑杆15上，两块定极板17和一块动极板18组成差动电容式传感器，支撑杆15焊接在升降台4上，动极板18的位置在两块定极板17中间，固定板20通过螺钉连接把摩擦试件23固定在样品台5上。
所述弹性元件12采用卧式弹性元件。
本实用新型的工作过程是：
摩擦试验时，调节微调旋钮3，从而摩擦试件23与摩擦触头21之间的垂直距离发生改变，摩擦试件23向上挤压摩擦触头21，拆卸式连接块14上表面的圆柱块13会把来自摩擦触头21的垂直方向压力施加到弹性元件12自由端的下表面，弹性元件12在压力的作用下会发生弯曲变形，粘贴在上面的电阻应变片11也会随之变形。根据电阻应变效应将法向载荷对弹性元件12的应变转换成电阻应变片11的变化，最终转换成电信号的变化实现对法向载荷的测量。启动伺服电10机，样品台5开始在水平方向运动，摩擦触头21和摩擦试件23形成一对摩擦副，拆卸式连接块14受到水平方向的摩擦力，会产生水平方向的微小位移，由于两块定极板17和一块动极板18在垂直方向一起运动，它们之间的正对面积不会发生变化，从而只改变动极板18和定极板17之间的极距，通过RC振荡电路转换成电信号的变化，从而实现对摩擦力的测量。
本实用新型的有益效果是：与现有一些微摩擦力测量装置相比，此装置的有益效果在于该装置结构和原理简单，操作起来比较容易，具有比较高的测量精度，成本较低，可以用于一些微型机械表面粗糙度的评估；
此装置无需采用高精度的位移平台即可实现力的加载，采用4片电阻应变片测试电路相对简单，结构紧凑，既能实现温度补偿同样大大提高了测量的灵敏度，采用差动电容式传感器，因其带电极板间的静电引力很小，所需输入力和输入能量极小，因而可测极小的微力，这对于像微摩擦力等微小力的测量有良好的效果。
附图说明
图1是本实用新型的等轴测示意图；
图2是本实用新型的主视示意图；
图3是本实用新型的右视示意图；
图4是本实用新型的测力部分结构示意图。
图1-4中各标号：1-支撑板，2-基座，3-微调旋钮，4-升降台，5- 样品台，6-直线导轨，7-精密滚珠丝杆，8-轴承座，9-弹性联轴器，10-伺服电机，11-电阻应变片，12弹性元件，13-圆柱块，14-拆卸式连接块，15-支撑杆，16-万向柔性铰链，17-定极板，18-动极板，19-连接件，20-固定板，21-摩擦触头，22-微型钻夹头，23-摩擦试件。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。
实施例1：一种微摩擦测量装置，包括支撑板1、基座2、微调旋钮3、升降台4、样品台5、直线导轨6、滚珠丝杆7、轴承座8、弹性联轴器9、伺服电机10、电阻应变片11、弹性元件12、圆柱块13、拆卸式连接块14、支撑杆15、万向柔性铰链16、定极板17、动极板18、连接件19、固定板20、摩擦触头21、微型钻夹头22；所述支撑板1通过螺栓连接固定在基座2上，样品台5与滚珠丝杆 7的螺母固定在一起在直线导轨6上运动，直线导轨6用螺钉连接固定在升降台4上，样品台5通过伺服电机10驱动滚珠丝杆7来实现其水平位移，通过升降台4上的微调旋钮3来实现法向载荷的加载和垂直方向的位移，弹性元件12和万向柔性铰链16分别用胶粘剂和十字头螺钉固定在支撑板1上，弹性元件12靠近支撑板1的位置正反两面分别粘贴有两片电阻应变片11，电阻应变片11通过引线组成惠斯通电桥，万向柔性铰链16另一端通过胶粘剂与拆卸式连接块14的一个侧面固定，拆卸式连接块14上表面和下表面分别开有圆孔用来夹紧一圆柱块13和微型钻夹头22，圆柱块13作为法向载荷施力部件，作用于弹性元件12的下表面，微型钻夹头22用于夹紧摩擦触头21，连接件19一端通过螺钉固定在拆卸式连接块14上，另一端与动极板18粘接在一起，两块定极板17粘接在支撑杆15上，支撑杆15焊接在升降台4上，动极板18的位置在两块定极板17中间，固定板20通过螺钉连接把摩擦试件23固定在样品台5上。
实施例2：一种微摩擦测量装置，包括支撑板1、基座2、微调旋钮3、升降台4、样品台5、直线导轨6、滚珠丝杆7、轴承座8、弹性联轴器9、伺服电机10、电阻应变片11、弹性元件12、圆柱块13、拆卸式连接块14、支撑杆15、万向柔性铰链16、定极板17、动极板18、连接件19、固定板20、摩擦触头21、微型钻夹头22；所述支撑板1通过螺栓连接固定在基座2上，样品台5与滚珠丝杆 7的螺母固定在一起在直线导轨6上运动，直线导轨6用螺钉连接固定在升降台4上，样品台5通过伺服电机10驱动滚珠丝杆7来实现其水平位移，通过升降台4上的微调旋钮3来实现法向载荷的加载和垂直方向的位移，弹性元件12和万向柔性铰链16分别用胶粘剂和十字头螺钉固定在支撑板1上，弹性元件12靠近支撑板1的位置正反两面分别粘贴有两片电阻应变片11，电阻应变片11通过引线组成惠斯通电桥，万向柔性铰链16另一端通过胶粘剂与拆卸式连接块14的一个侧面固定，拆卸式连接块14上表面和下表面分别开有圆孔用来夹紧一圆柱块13和微型钻夹头22，圆柱块13作为法向载荷施力部件，作用于弹性元件12的下表面，微型钻夹头22用于夹紧摩擦触头21，连接件19一端通过螺钉固定在拆卸式连接块14上，另一端与动极板18粘接在一起，两块定极板17粘接在支撑杆15上，支撑杆15焊接在升降台4上，动极板18的位置在两块定极板17中间，固定板20通过螺钉连接把摩擦试件23固定在样品台5上。
所述弹性元件12采用卧式弹性元件。
实施例3：一种微摩擦测量装置，本实用新型的结构原理如图1所示，通过调节升降台4上的微调旋钮3来实现垂直方向位移调整和正向载荷的加载。样品台5与精密滚珠丝杆7的螺母通过螺栓连接固定在一起，精密滚珠丝杆7通过弹性联轴器9和伺服电机10相连，把伺服电机10的回转运动转换为样品台在直线导轨6上的水平运动，直线导轨6用螺钉连接固定在升降台4上。测量法向载荷的传感器结构主要包括弹性元件12和两对电阻应变片11，它们与支撑板1相连组成悬臂式结构。测量水平方向的摩擦力传感器结构主要包括固定在拆卸式连接块14上的连接件19，一块动极板18和两块定极板17，万向柔性铰链16一端连接拆卸式连接块14另一端固定在支撑板1上。摩擦试件23用固定板20通过螺钉固定在样品台上。
本实用新型的测力部分如图4所示，拆卸式连接块14由两部分组成通过螺栓连接在一起，上表面与下表面分别开有与圆柱块13和微型钻夹头22的外套等直径的圆孔用来夹紧圆柱块13和微型钻夹头22。安装在拆卸式连接块14上表面圆柱块14作为弹性元件15的施力部件。安装在拆卸式连接块14下表面的微型钻夹头22通过配套钥匙与外套的配合，带动外套旋转，外套带动螺母旋转，通过螺母与夹爪外侧的螺纹配合带动夹爪在钻体内运动，达到夹爪对摩擦触头21的夹紧和放松。弹性元件12一端粘接在支撑板1上。在靠近支撑板1位置正反两面各粘贴两片电阻应变片19通过引线连接成惠斯通电桥电路。万向柔性铰链17一端与拆卸式连接块14一侧面粘接在一起，另一端通过螺钉固定在支撑板1上。连接件19通过螺钉固定在拆卸式连接块14上与动极板18粘接在一起。两块定极板17粘接在支撑杆15上，支撑杆15焊接在精密升降台4上，动极板18的位置在两块定极板17中间。三块极板通过引线连入RC震荡电路作为电路的可变电容部分。
下面给出本实用新型测力部分的工作原理。
样品台5置于升降台4上同它一起在垂直方向运动，通过调节微调旋钮3使摩擦试件23与正上方的摩擦触头21相接触，继续调节微调旋钮3使摩擦试件23挤压摩擦触头21，圆柱块13就会对弹性元件12有一个向上的正载荷，弹性元件12就会发生弹性形变，粘贴在它之上的4片电阻应变片11也会发生变形，从而电阻值发生改变，力所产生的应变转换成了电信号，这个信号通过应变仪的处理后，被A/D卡所采集下来，然后输入到计算机中进行加工处理，可以得出应变的大小，最终通过标定还原成载荷的值。控制伺服电机10，使样品台5在直线导轨6上做直线运动。摩擦试件23和摩擦触头21之间发生相对运动产生水平方向的摩擦力，拆卸式连接块14受到反向的摩擦力发生水平方向的微小位移。与之相连的动极板18与定极板17之间的极距发生变化从而引起电容值的变化。动极板18和两块定极板17作为RC振荡电路的一部分，这样震荡电路的震荡频率就会改变。利用高速计数器解调频率信号计算出信号变化的频率值, 由于频率与RC震荡电路的时间常数呈反比关系, 如式所示f= 式中 f 为测得的信号变化频率值；R 为振荡电路电阻值； C为压力传感器的电容值；K为时间比例系数。信号频率f可求出，R为已知条件，比例系数K可以通过反复实验确定，这样就能够求出压力传感器当前的电容值，就可以通过标定计算出动极板18当前的所受力的大小，从而求出摩擦力的大小。由于万向柔性铰链16能同时在垂直方向和水平方向发生弯曲变形这样可以消除摩擦力和法向载荷之间的耦合。
上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (2)
1.一种微摩擦测量装置，其特征在于：包括支撑板（1）、基座（2）、微调旋钮（3）、升降台（4）、样品台（5）、直线导轨（6）、滚珠丝杆（7）、轴承座（8）、弹性联轴器（9）、伺服电机（10）、电阻应变片（11）、弹性元件（12）、圆柱块（13）、拆卸式连接块（14）、支撑杆（15）、万向柔性铰链（16）、定极板（17）、动极板（18）、连接件（19）、固定板（20）、摩擦触头（21）、微型钻夹头（22）；所述支撑板（1）通过螺栓连接固定在基座（2）上，样品台（5）与滚珠丝杆 （7）的螺母固定在一起在直线导轨（6）上运动，直线导轨（6）用螺钉连接固定在升降台（4）上，样品台（5）通过伺服电机（10）驱动滚珠丝杆（7）来实现其水平位移，通过升降台（4）上的微调旋钮（3）来实现法向载荷的加载和垂直方向的位移，弹性元件（12）和万向柔性铰链（16）分别用胶粘剂和十字头螺钉固定在支撑板（1）上，弹性元件（12）靠近支撑板（1）的位置正反两面分别粘贴有两片电阻应变片（11），电阻应变片（11）通过引线组成惠斯通电桥，万向柔性铰链（16）另一端通过胶粘剂与拆卸式连接块（14）的一个侧面固定，拆卸式连接块（14）上表面和下表面分别开有圆孔用来夹紧一圆柱块（13）和微型钻夹头（22），圆柱块（13）作为法向载荷施力部件，作用于弹性元件（12）的下表面，微型钻夹头（22）用于夹紧摩擦触头（21），连接件（19）一端通过螺钉固定在拆卸式连接块（14）上，另一端与动极板（18）粘接在一起，两块定极板（17）粘接在支撑杆（15）上，支撑杆（15）焊接在升降台（4）上，动极板（18）的位置在两块定极板（17）中间，固定板（20）通过螺钉连接把摩擦试件（23）固定在样品台（5）上。
2. 根据权利要求1所述的微摩擦测量装置，其特征在于：所述弹性元件（12）采用卧式弹性元件。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20150603 Termination date: 20161229 |
|
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