CN207215338U

CN207215338U - 一种基于离心运动的毫‑微牛级摩擦力测试系统

Info

Publication number: CN207215338U
Application number: CN201721130094.XU
Authority: CN
Inventors: 王立新
Original assignee: Hebei University of Science and Technology
Current assignee: Hebei University of Science and Technology
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2018-04-10
Anticipated expiration: 2027-09-05

Abstract

本实用新型公开了一种基于离心运动的毫‑微牛级摩擦力测试系统，该系统包括测试平台组件、高帧数视频成像系统和电机组件，其中测试平台组件，其主要功能是为测试材料、测试昆虫的放置提供平台，并能便于准确读取测试昆虫做离心运动被甩出测试平台时刻的半径信息；高帧数视频成像系统，用于实时监控测试平台，获取测试昆虫在测试材料表面的运动轨迹图像，通过比例换算能够获取测试昆虫做离心运动被甩出时刻的半径信息；电机组件，为测试平台的离心运动提供动力。本实用新型不仅确保获取的测试昆虫做离心运动的半径信息更加精确和稳定，还可降低测试系统机械结构的复杂程度和制造成本。

Description

一种基于离心运动的毫-微牛级摩擦力测试系统

技术领域

本实用新型涉及微力测试系统技术领域，尤其是一种离心式毫-微牛级摩擦力测试系统。

背景技术

在研究机械化滑移捕集治理农业灾害昆虫过程中，需要测试甲虫、飞蛾、蚂蚁等体型较小昆虫在材料表面的产生的摩擦力数据。目前, 公知的测力系统所采用的核心单元是测力传感器，传感器的量程、分辨率直接决定了测力系统的测量范围、测量精度。中国专利CN1760662A公开了二维小量程力传感器，能够同时测量水平方向和垂直方向上的力，具有结构简单、弹性体整体刚度高、有过载保护结构、安全性和可靠性高等优点。但由于该传感器的法向力、切向力的分辨力均是9.8 mN，比较适合测量壁虎等体型较大动物脚掌产生的力，对于甲虫、蚂蚁、飞蛾等体型较小昆虫所产生的力，该传感器在精度方面并不能满足需求。中国专利CN100412521C公开了量程为0-1.5N的三维力传感器，具有结构简单、灵敏度高等优点，能够测量蜘蛛、昆虫、壁虎爬行时产生的接触力。该三维力传感器的分辨力为1mN，对于蚂蚁等小型昆虫产生的微牛级摩擦力力，测试精度仍旧不能满足要求。

目前，针对现有的传感器微力测试系统测量精度不高的问题，市场上出现了不以测力传感器为核心部件的微力测试系统。发明人提交申请了关于一种离心式测微力系统的发明专利（申请号：201210577820.8），该专利包括机座、调速电机、转速控制及显示单元、联轴器、测试平台、可升降连杆和高帧数视频监控系统。该微力测试系统的测量精度在理论上最高可达0.01mN，能够解决现有测力传感器和测力系统的分辨力低的问题；同时具有结构简单、易操作、测试范围大、应用范围广等优点。但是上述发明专利提及的系统，由于电机和机座为一体结构，电机安装支架采用的是非对称结构，在测量时电机的振动会影响高帧数视频监控系统的采集精度，从而对昆虫的离心运动轨迹的测量产生误差，影响系统的测试准确度。

发明申请人已获授权的实用新型专利ZL201620712022.5涉及的离心式毫牛尺度微力测试系统，该测微力系统包括底座圆盘和调速电机，底座圆盘通过电机支架与调速电机连接，在调速电机的输出轴上设有与底座圆盘平行设置的测试平台，在测试平台的正上方设有视频监控器，底座圆盘的中心位置设有通孔，调速电机置于通孔内，并且在调速电机和通孔之间紧密配合。该测微力系统通过整体结构上的优化改进，可最大限度地消除电机振动对测试结果的影响，能够提高测量的可靠性和稳定性。但是上述实用新型专利提及的测微力系统，用于获取测试对象离心运动半径信息的高帧数视频监控系统在高度调节时，依靠的是连杆之间的通孔，调节的准确度低，制约测试对象离心运动半径信息的准确获取，最终影响本测微力系统测量结果的准确性。因此有必要在保持离心式微力测试原理的基础上，对系统的整体结构进一步优化，尤其是优化高帧数视频监控系统的高度调节机构，在能够简便操作的同时，可最大限度地获取高帧数视频监控系统采集图像的清晰度，最终确保测量结果的准确性。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供了一种基于离心运动的毫-微牛级摩擦力测试系统，该系统采用滚珠丝杠调整高帧数CCD摄像头与测试平台的距离，不仅确保获取的测试昆虫做离心运动的半径信息更加精确和稳定，能够准确测试昆虫在测试材料表面产生的毫-微牛级摩擦力，还可降低测试系统机械结构的复杂程度和制造成本。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种基于离心运动的毫-微牛级摩擦力测试系统，包括底座，其特征在于所述底座上设置测试平台组件和高帧数视频成像系统组件，其中测试平台组件包括一个绕中心轴旋转的圆盘形测试平台，测试平台的边缘分布有测试平台圆孔，测试平台上表面沿径向设置测试平台标尺，高帧数视频成像系统组件包括设置于测试平台正上方、且可调整高度的高帧数CCD摄像头，高帧数CCD摄像头通过高帧数CCD摄像头横向支架支撑；还包括用于记录测试平台转速的红外传感器，该红外传感器与测试平台圆孔对正，通过测试平台圆孔透光与否并记录采脉冲数。

在上述结构中，测试平台组件的核心部件为测试平台，采用质轻、刚性好的铝合金材质，加工成圆柱形，用于放置测试昆虫、测试材料。测试平台外侧，等间距设置的测试平台圆孔，并配合安装测试平台转速测试红外传感器，通过测试平台圆孔的透光与否，测试平台转速测试传感器产生脉冲并采集记录，通过单位时间采集的脉冲数可分析计算出测试平台的转速信息。测试平台上，以圆心为起点设定以毫米为最小单位的测试平台标尺，便于精确获取测试昆虫在测试平台上做离心运动的半径信息。

对上述方案作进一步优选，所述测试平台正下方中心处设置主轴，主轴中部通过测试平台上支撑板和测试平台下支撑板支撑，主轴下端通过联轴器与电机组件连接。

对上述方案作进一步优选，所述电机组件包括电机以及固定电机的电机支架，电机支架两端通过电机固定立板固定支撑于底座上。

对上述方案作进一步优选，所述测试平台上支撑板和测试平台下支撑板固定于测试平台固定立板上，测试平台固定立板下端固定支撑于电机支架上。

对上述方案作进一步优选，所述红外传感器包括转速测试传感器红外信号发射端和转速测试传感器红外信号接收端，其中转速测试传感器红外信号发射端固定于高帧数CCD摄像头横向支架上，转速测试传感器红外信号接收端固定于电机支架上，转速测试传感器红外信号发射端发射的红外线穿过测试平台圆孔至转速测试传感器红外信号接收端。

对上述方案作进一步优选，所述高帧数CCD摄像头横向支架两端设有滚珠丝杠滑块，滚珠丝杠滑块与竖直放置的滚珠丝杠丝杆螺纹配合，滚珠丝杠丝杆分别通过滚珠丝杠顶部轴承和滚珠丝杠底部轴承与滚珠丝杠支板连接，滚珠丝杠支板的下端固定于底座上，在滚珠丝杠丝杆上方设置驱动其转动的滚珠丝杠手轮。

依据物理学知识，由离心力计算公式，即，其中，m表示做离心运动物体的质量，kg；r表示物体做离心运动的半径，m；n表示物体做离心运动的转速，r/min。因此，通过获取质量m、离心运动半径r、离心运动转速n等3个参数，可获取做离心运动的测试昆虫被甩出的时刻所承受的离心力，即为测试物体在材料表面产生的最大摩擦力（静摩擦力）。测试昆虫的质量m可通过高精度天平测出，其余2个参数需要借助于本系统来获取。基于以上考虑，本系统的首要部件是测试平台组件，其主要功能是为测试材料、测试昆虫的放置提供平台，并能便于准确读取测试昆虫做离心运动被甩出测试平台时刻的半径信息；高帧数视频成像系统，是本系统的另一重要部件，用于实时监控测试平台，获取测试昆虫在测试材料表面的运动轨迹图像，通过比例换算能够获取测试昆虫做离心运动被甩出时刻的半径信息；电机组件，为测试平台的离心运动提供动力；底座为测试平台组件、高帧数视频成像系统组件、电机组件提供固定安装的载体。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：与现有离心式微力测试系统相比，本实用新型涉及的一种基于离心运动的毫-微牛级摩擦力测试系统，采用滚珠丝杠丝杆调整高帧数CCD摄像头与测试平台的距离，具有显著的稳定性和精确度；此外，滚珠丝杠滑块在丝杆上的移动通过手轮控制实现，不仅确保获取的测试昆虫做离心运动的半径信息更加精确和稳定，还可降低测试系统机械结构的复杂程度和制造成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是图1中的测试平台结构俯视图；

图3是图1中的测滚珠丝杠及其附属部件结构示意图；

图中，1、测试平台组件；1-1、测试平台；1-2、主轴；1-3、固定螺钉；1-4、主轴固定上轴承； 1-5、主轴固定下轴承；1-6、测试平台上支撑板； 1-7、测试平台下支撑板；1-8、测试平台固定立板；1-9、上固定螺钉；1-10、下固定螺钉；1-11、联轴器；1-12、测试平台圆孔；1-13、转速测试传感器红外信号发射端；1-14、转速测试传感器红外信号接收端；1-15、测试平台标尺；2、高帧数视频成像系统组件；2-1、高帧数CCD摄像头；2-2、高帧数CCD摄像头横向支架；2-3、横向支架固定螺钉；2-4、滚珠丝杠滑块；2-5、滚珠丝杠丝杆；2-6、滚珠丝杠顶部轴承；2-7、滚珠丝杠底部轴承；2-8、顶部轴承固定螺钉；2-9、底部轴承固定螺钉；2-10、滚珠丝杠支板；2-11、滚珠丝杠手轮；2-12、L型连接构件；2-13、L型连接构件上固定螺栓；2-14、L型连接构件下固定螺栓；2-15、滚珠丝杠支板定位槽；3、电机组件；3-1、电机；3-2、电机输出轴；3-3、电机固定螺栓；3-4、电机支架；3-5、电机支架固定螺栓；3-6、电机固定立板；3-7、立板固定构件；3-8、上固定螺栓；3-9、下固定螺栓；3-10、立板固定螺栓；4、底座。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本实用新型的范围。

本实用新型具体涉及的一种基于离心运动的毫-微牛级摩擦力测试系统，其主要结构及功能如下所述。如图1和图2所示，测试平台组件的核心部件是测试平台1-1，将为测试昆虫、测试材料的放置提供载体，其采用质轻、刚性好的铝合金材质，加工成半径为120-150毫米、厚度3-4毫米的圆盘形，测试平台1-1中心底部加工成高度约为30毫米的凸台，并在凸台中心加工出直径为20毫米的盲孔。测试平台1-1与主轴1-2的固定连接通过固定螺钉1-3实现；为实现主轴1-3的稳定转动，设置主轴固定上轴承1-4、主轴固定下轴承1-5用以固定主轴1-3，主轴固定上轴承1-4和主轴固定下轴承1-5分别固定在测试平台上支撑板1-6和测试平台下支撑板1-7上，然后通过上固定螺钉1-9和下固定螺钉1-10与测试平台固定立板1-8固定连接。主轴1-3通过联轴器1-11与电机3-1的输出轴3-2连接，实现电机输出动力的传输。测试平台1-1外侧设置100个直径为1mm、圆心距为2mm的测试平台圆孔1-12；设置由转速测试传感器红外信号发射端1-13和转速测试传感器红外信号接收端1-14构成的测试平台转速测试传感器，通过测试平台圆孔的透光与否，测试平台转速测试传感器产生脉冲并采集记录，通过单位时间采集的脉冲数可分析计算出测试平台的转速信息。转速信息的精度主要取决于测试平台圆孔1-12的数量，在该测试系统中，测试平台圆孔1-12的数量为100，因此转速信息的采集精度提高到0.01 r/min。为精确获取测试昆虫在测试平台1-1上做离心运动时的半径信息，以测试平台1-1的圆心为起点设置以毫米为最小单位的测试平台标尺1-15，标尺的长度设置为60毫米。

如图1和图3所示，高帧数视频成像系统组件2是获取测试昆虫在测试平台（测试材料）表面做离心运动被甩出时刻的半径信息的关键，对于半径信息获取的准确程度将会直接影响本实用新型的测试精度。高帧数CCD摄像头2-1是高帧数视频成像系统组件的核心部件，采用工业级CCD摄像头，每秒采集图像360幅，可清晰获取测试昆虫在测试平台1-1（测试材料）表面运动轨迹的图像，进而精确获取离心运动的半径信息。高帧数CCD摄像头2-1安装在高帧数CCD摄像头横向支架2-2上，高帧数CCD摄像头横向支架2-2经横向支架固定螺钉2-3固定安装在滚珠丝杠滑块2-4上，滚珠丝杠滑块2-4在滚珠丝杠丝杆2-5上的滑动可确保高帧数CCD摄像头2-1与测试平台1-1之间距离的准确调整。滚珠丝杠丝杠2-5的顶端、低端分别固定在滚珠丝杠顶部轴承2-6和滚珠丝杠底部轴承2-7上，滚珠丝杠顶部轴承2-6和滚珠丝杠底部轴承2-7则分别通过顶部轴承固定螺钉2-8、底部轴承固定螺钉2-9固定连接到滚珠丝杠支板2-10上。设置手轮2-11为滚珠丝杠丝杆2-5的转动提供动力，从而实现滚珠丝杠滑块2-4的竖直平动。滚珠丝杠支板2-10通过L型连接构件2-12、L型连接构件上固定螺栓2-13和L型连接构件下固定螺栓2-14固定安装到底座4上；为实现滚珠丝杠支板2-10的精确安装，设置滚珠丝杠支板定位槽2-15。

如图1所示，电机组件3的功能是为测试平台1-1的离心运动提供动力。电机3-1是电机组件的关键部件，电机输出轴3-2通过联轴器1-11与主轴1-2连接，实现动力的传输。电机3-1通过电机固定螺栓3-3固定安装在电机支架3-4上，电机支架3-4通过电机支架固定螺栓3-5固定安装在电机固定立板3-6上，电机固定立板3-6通过立板固定构件3-7、上固定螺栓3-8、下固定螺栓3-9、立板固定螺栓3-10实现与底座4的固定连接。电机组件设置电机电源接口、电机转速控制系统接口，用以简便实现电机3-1的启停和电机转速（测试平台转速）的初步调整控制。

本实用新型中设置底座4为测试平台组件1、滚珠丝杠丝杆及其附属部件、电机组件3的载体，底座为合金钢材质，可降低整个测试系统的重心，以提高测试系统运行的稳定性。

采用上述的方案，对体型较小的昆虫进行表面摩擦力的测试方法：测试昆虫的质量信息m可在测试开始前采用高精度称重天平称量获取，测试材料固定在测试平台上，昆虫放置于测试材料上。同时启动电机和高帧数CCD摄像头，调节电机转速控制单元，使测试平台的转速缓慢增加，直至测试昆虫脱离测试材料表面。此刻，安装于测试平台外围等间距圆孔上下两侧的转速测试传感器，通过测试平台圆孔的透光与否，产生脉冲信息并采集记录，从而分析计算出测试平台的转速信息n；通过高帧数CCD摄像头采集的测试平台图像获取半径信息r。结合预先称重获取的测试昆虫质量信息m，利用离心力公式可获取测试昆虫在该测试材料表面产生的最大摩擦力（静摩擦力）。

摩擦力测试实例：测试开始前，采用精度为0.01 mg的电子称重天平，称得测试对象甲虫的体重为28.78 mg。以800目的砂纸作为测试材料，把砂纸固定在测试平台1-1上，把甲虫放在砂纸上，同时启动高帧数CCD摄像头2-1和电机3-1，缓慢提高电机转速，直至甲虫达到临界脱离砂纸状态，通过转速传感器分析获取记录此时电机转速为n=387.95 r/min；调出高帧数CCD摄像头2-1采集的测试平台1-1图像，计算获取甲虫临界脱离砂纸时刻距测试平台圆心的距离为r=113.36 mm；把所获取的信息带入离心力公式，计算得甲虫在测试材料表面的最大摩擦力（静摩擦力）为F=5.38mN。

Claims

1.一种基于离心运动的毫-微牛级摩擦力测试系统，包括底座（4），其特征在于所述底座（4）上设置测试平台组件（1）和高帧数视频成像系统组件（2），其中测试平台组件（1）包括一个绕中心轴旋转的圆盘形测试平台（1-1），测试平台（1-1）的边缘分布有测试平台圆孔（1-12），测试平台（1-1）上表面沿径向设置测试平台标尺（1-15），高帧数视频成像系统组件（2）包括设置于测试平台（1-1）正上方、且可调整高度的高帧数CCD摄像头（2-1），高帧数CCD摄像头（2-1）通过高帧数CCD摄像头横向支架（2-2）支撑；还包括用于记录测试平台（1-1）转速的红外传感器，该红外传感器与测试平台圆孔（1-12）对正，通过测试平台圆孔（1-12）透光与否并记录采脉冲数。

2.根据权利要求1所述的一种基于离心运动的毫-微牛级摩擦力测试系统，其特征在于所述测试平台（1-1）正下方中心处设置主轴（1-2），主轴（1-2）中部通过测试平台上支撑板（1-6）和测试平台下支撑板（1-7）支撑，主轴（1-2）下端通过联轴器（1-11）与电机组件（3）连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于离心运动的毫-微牛级摩擦力测试系统，其特征在于所述电机组件（3）包括电机（3-1）以及固定电机（3-1）的电机支架（3-4），电机支架（3-4）两端通过电机固定立板（3-6）固定支撑于底座（4）上。

4.根据权利要求3所述的一种基于离心运动的毫-微牛级摩擦力测试系统，其特征在于所述测试平台上支撑板（1-6）和测试平台下支撑板（1-7）固定于测试平台固定立板（1-8）上，测试平台固定立板（1-8）下端固定支撑于电机支架（3-4）上。

5.根据权利要求3所述的一种基于离心运动的毫-微牛级摩擦力测试系统，其特征在于所述红外传感器包括转速测试传感器红外信号发射端（1-13）和转速测试传感器红外信号接收端（1-14），其中转速测试传感器红外信号发射端（1-13）固定于高帧数CCD摄像头横向支架（2-2）上，转速测试传感器红外信号接收端（1-14）固定于电机支架（3-4）上，转速测试传感器红外信号发射端（1-13）发射的红外线穿过测试平台圆孔（1-12）至转速测试传感器红外信号接收端（1-14）。

6.根据权利要求1所述的一种基于离心运动的毫-微牛级摩擦力测试系统，其特征在于所述高帧数CCD摄像头横向支架（2-2）两端设有滚珠丝杠滑块（2-4），滚珠丝杠滑块（2-4）与竖直放置的滚珠丝杠丝杆（2-5）螺纹配合，滚珠丝杠丝杆（2-5）分别通过滚珠丝杠顶部轴承（2-6）和滚珠丝杠底部轴承（2-7）与滚珠丝杠支板（2-10）连接，滚珠丝杠支板（2-10）的下端固定于底座（4）上，在滚珠丝杠丝杆（2-5）上方设置驱动其转动的滚珠丝杠手轮（2-11）。