2021年微小摩擦力測(cè)量?jī)x的測(cè)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、編號(hào) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 微小摩擦力測(cè)量?jī)x的測(cè)力系統(tǒng)設(shè)計(jì) the force-measuring system design of micro-frictiontesting instrument 學(xué) 生 姓 名 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 教 師 學(xué) 院 機(jī)電工程分院 2009年 x月 摘 要 摩擦現(xiàn)象與人類(lèi)的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展而興起的微機(jī)電系統(tǒng)(micro electron mechanical system, mems)，其零部件的幾何尺寸目前一般在微米數(shù)量級(jí)，它們之間的摩擦介于微觀與宏觀摩擦之間，稱(chēng)之為微小摩擦。而mems的發(fā)展，迫切需要明確微

2、小摩擦的機(jī)理，因此微小摩擦的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文提出了一種全新的微小摩擦測(cè)試儀器，將激光三角位移測(cè)量?jī)x與雙平行板彈簧片測(cè)力臂相配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小摩擦力的測(cè)試，結(jié)合有限元分析軟件ansys對(duì)測(cè)力臂進(jìn)行分析，同時(shí)具有精度高，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。本文有三部分內(nèi)容微小摩擦力測(cè)試儀的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。微小摩擦力測(cè)試儀的測(cè)力臂設(shè)計(jì)。對(duì)微小摩擦力測(cè)試儀的性能及測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。關(guān)健詞:微小摩擦力測(cè)試儀 測(cè)力臂 有限元分析 激光三角法 abstract the phenomena of friction have close relations with peoples live and production.

3、 with the development of micro electronics technology, micro electro mechanical system (mems) has been developed rapidly, whose apparatus geometry dimension at micron level, the friction of them is between microcosmic and macroscopical. that is called micro-friction. researching of mems is based on

4、understanding the principle of micro-friction. so, that is the significance for investigate micro-friction. this paper presents a new micro-friction testing apparatus, which is built by laser triangle displacement instrument and double parallel measurement arms. the system can measure micro-force fo

5、r micro-friction with analyzing by finite element analysis software ansys it has advantages of high accurately and high reliability and so on. there are three chapters in the thesis: micro-friction testings apparatus total structure design; arm structure of micro-friction testing system design; anal

6、yzing performance and data of the micro-friction testings apparatus. keywords: micro-friction testings apparatus measuring arm of force finite element analysis laser triangulation 目 錄 第一章 緒論 - 1 - 1引言 - 1 - 2國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 - 2 - 3本文研究的內(nèi)容 - 3 - 第二章 微小摩擦實(shí)驗(yàn)儀的總體設(shè)計(jì) - 4 - 1微小摩擦技術(shù)的簡(jiǎn)介 - 4 - 2微小摩擦實(shí)驗(yàn)儀的總體設(shè)計(jì) - 4 - 3測(cè)

7、力系統(tǒng)原理及其模型 - 7 - 第三章 微小摩擦測(cè)力臂的設(shè)計(jì) - 8 - 1微小摩擦力測(cè)力臂的結(jié)構(gòu)及制作 - 8 - 2微小摩擦測(cè)力傳感器的幾個(gè)要點(diǎn)和難點(diǎn) - 8 - 3微小摩擦測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 9 - 4測(cè)力傳感器的重復(fù)性 - 13 - 第四章 微小摩擦力測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn) - 13 - 1激光位移測(cè)量?jī)x的簡(jiǎn)介 - 13- 2激光位移測(cè)量?jī)x的選擇 - 14- 3測(cè)量原理及誤差分析 - 15 - 1工作原理的理論分析 - 15- 2影響激光三角位移檢測(cè)儀測(cè)量精度的因素及誤差分析 - 18 - 結(jié) 論 - 20- 參考文獻(xiàn) - 21 - 致 謝 - 22 - 第一章 緒論 1引言 摩

8、擦學(xué)研究的對(duì)象很廣泛，在機(jī)械工程中主要包括動(dòng)、靜摩擦，如滑動(dòng)軸承、齒輪傳動(dòng)、螺紋聯(lián)接、電氣觸頭和磁帶錄音頭等；零件表面受工作介質(zhì)摩擦或碰撞、沖擊，如犁鏵和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪等；機(jī)械制造工藝的摩擦學(xué)問(wèn)題，如金屬成形加工、切削加工和超精加工等；彈性體摩擦，如汽車(chē)輪胎與路面的摩擦、彈性密封的動(dòng)力滲漏等；特殊工況條件下的摩擦學(xué)問(wèn)題，如宇宙探索中遇到的高真空、低溫和離子輻射等，深海作業(yè)的高壓、腐蝕、潤(rùn)滑劑稀釋和防漏密封等。摩擦學(xué)涉及許多學(xué)科。為了了解磨損的發(fā)生發(fā)展機(jī)理，尋找各種磨損類(lèi)型的相互轉(zhuǎn)化以及復(fù)合的錯(cuò)綜關(guān)系，需要對(duì)表面的磨損全過(guò)程進(jìn)行微觀研究。僅就油潤(rùn)滑金屬摩擦來(lái)說(shuō)，就需要研究潤(rùn)滑力學(xué)、彈性和塑性接觸、潤(rùn)

9、滑劑的流變性質(zhì)、表面形貌、傳熱學(xué)和熱力學(xué)、摩擦化學(xué)和金屬物理等問(wèn)題，涉及物理、化學(xué)、材料、機(jī)械工程和潤(rùn)滑工程等學(xué)科。英國(guó)由于較好地應(yīng)用了摩擦學(xué)知識(shí)，每年可節(jié)約不下五億一千五百萬(wàn)英鎊。這筆巨款是由各筆節(jié)約費(fèi)用所組成的?？梢?jiàn)，摩擦學(xué)的研究對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重要意義。據(jù)估計(jì)，全世界大約有1/2一1/3的能源以各種形式消耗在摩擦上。而摩擦導(dǎo)致的磨損是機(jī)械設(shè)備失效的主要原因，大約有80%的損壞零件是由于各種形式的磨損引起的。因此，控制摩擦，減少磨損，改善潤(rùn)滑性能已成為節(jié)約能源和原材料、縮短維修時(shí)間的重要措施。同時(shí)，摩擦學(xué)對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量、延長(zhǎng)機(jī)械設(shè)備的使用壽命和增強(qiáng)可靠性也有重要作用。由于摩擦學(xué)對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

10、和人民生活的巨大影響，因而引起世界各國(guó)的普遍重視，并得到日益廣泛的應(yīng)用。工業(yè)革命以后，機(jī)器的大量使用對(duì)其產(chǎn)生了迫切需求，使其研究和發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段。由于摩擦學(xué)現(xiàn)象發(fā)生在表面層，影響因素繁多，這就使得理論分析和實(shí)驗(yàn)研究都較為困難，因而理論與實(shí)驗(yàn)室的相互促進(jìn)和補(bǔ)充是摩擦學(xué)研究的另一個(gè)特點(diǎn)。隨著理論研究的日益深入和實(shí)驗(yàn)技術(shù)日益進(jìn)步，目前摩擦學(xué)研究方法的發(fā)展趨勢(shì)正由宏觀進(jìn)入微觀；由定性進(jìn)入定量；由靜態(tài)進(jìn)入動(dòng)態(tài);以及由單一學(xué)科角度的分析進(jìn)入多學(xué)科的綜合研究。隨著微電子技術(shù)滲透到機(jī)械工程的各個(gè)領(lǐng)域和機(jī)電一體化的發(fā)展，極大地促進(jìn)了機(jī)械向微小型化方向的快速發(fā)展。20世紀(jì)80年代中后期興起的微型機(jī)電系統(tǒng)(

11、mems )，是基于廣泛的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)并作為整個(gè)微納米科學(xué)技術(shù)的重要組成部分的一項(xiàng)嶄新的科技領(lǐng)域，它將微型機(jī)構(gòu)、微驅(qū)動(dòng)器、微電源、微傳感器和控制電路等集成于一體，具有體積小、能量低、集成度和智能化高等一系列優(yōu)點(diǎn)，在生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)境控制、航空航天、數(shù)字通信、傳感技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?。?jīng)過(guò)超精密制造的微型機(jī)電系統(tǒng)，由于尺寸的減小，摩擦副的間隙常處于微/納米級(jí)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受此尺寸效應(yīng)的影響，表面粘著力、摩擦力及表面張力等相對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)械中的體積力而言，表現(xiàn)得非常突出，成為影響mems性能、穩(wěn)定性和使用壽命的關(guān)鍵因素。在這種條件下，宏觀摩擦學(xué)的理論已不適用，必須研究以界面上分子

12、原子為分析對(duì)象的納米摩擦學(xué)特性。近年來(lái)mems納米摩擦學(xué)研究領(lǐng)域所獲得的研究成果，不僅促進(jìn)和豐富了納米摩擦學(xué)的基礎(chǔ)研究?jī)?nèi)容，而且為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)性能完善、運(yùn)行穩(wěn)定、適應(yīng)多應(yīng)變環(huán)境的mems產(chǎn)品提供了重要技術(shù)依據(jù)。摩擦現(xiàn)象與人類(lèi)的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)，自80年代原子顯微鏡和摩擦力顯微鏡問(wèn)世以后，發(fā)現(xiàn)在原子、分子及納米級(jí)尺度下宏觀的摩擦規(guī)律不再適用，摩擦學(xué)研究開(kāi)始進(jìn)入微觀與宏觀結(jié)合的新階段，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展而興起的微電子機(jī)械系統(tǒng)(mems)，其零部件的幾何尺寸目前一般在微米數(shù)量級(jí)，他們之間的摩擦介于微觀與宏觀摩擦之間，稱(chēng)之為微小摩擦。對(duì)于微小摩擦現(xiàn)象是否服從宏觀摩擦定律，摩擦件的尺寸達(dá)到何種程度才

13、能進(jìn)入微觀摩擦的領(lǐng)域，這是當(dāng)前從事mems研究的人們所急需解決的問(wèn)題。由于受微小結(jié)構(gòu)的條件限制，目前對(duì)其機(jī)理的研究才剛剛起步，尚不能對(duì)上述問(wèn)題做出明確回答。而mems的發(fā)展，迫切需要明確微小摩擦的機(jī)理，因此微小摩擦的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。2國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 20世紀(jì)80年代末期在國(guó)際上興起了納米摩擦學(xué)，它是在原子、分子尺度上研究摩擦界面上的行為、損傷及其對(duì)策。在它的研究過(guò)程中無(wú)論是施加的載荷，還是研究對(duì)象的面積，甚至于相對(duì)滑動(dòng)的速度都是納米量級(jí)的。它從微觀角度研究了摩擦的機(jī)理，旨在揭示摩擦界面的微觀結(jié)構(gòu)和特性。但是，由于納米摩擦學(xué)研究涉及到摩擦界面的微觀動(dòng)態(tài)過(guò)程，在理論分析和實(shí)驗(yàn)研究上都存在

14、很大困難?，F(xiàn)代近表面測(cè)試技術(shù)和儀器的發(fā)展，提供了在原子、分子尺度上觀察表面現(xiàn)象及其變化的有效手段，使得納米摩擦學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究成為可能?？梢哉f(shuō)，納米摩擦學(xué)是在納米表面形貌和微小動(dòng)態(tài)力測(cè)量技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上逐步完善的。納米摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)研究?jī)x器主要是掃描探針顯微鏡(scanning probemicroscope, spm )，它包括掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope, stm )，原子力顯微鏡(atomic force microscope, afm)以及摩擦力顯微鏡(friction force microscope, ffm)，后者亦稱(chēng)為橫向力顯微鏡(late

15、ral force microscope, lfm)。此外，還有專(zhuān)門(mén)研制的實(shí)驗(yàn)儀器，例如，表面力儀(surface force apparatus, sfa )、光干涉納米潤(rùn)滑膜測(cè)試儀、石英晶體微天平(quartz crystal microbalance,qcm)等等都得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，還有一些新裝置出現(xiàn)，例如點(diǎn)接觸顯微鏡(point contact microscope, pcm)。這些儀器將隨著試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的進(jìn)一步完善，更能如實(shí)地反映實(shí)際工況。而宏觀摩擦學(xué)研究對(duì)于降低機(jī)械設(shè)備的摩擦能耗，提高抗磨損壽命和可靠性，以及推動(dòng)機(jī)械向高參數(shù)工況發(fā)展起著重要作用，它已成為現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中的重

16、要基礎(chǔ)學(xué)科之一，因此宏觀摩擦學(xué)研究仍然是本學(xué)科發(fā)展的主流。然而，當(dāng)hardy揭示出了依靠潤(rùn)滑油中的極性分子與金屬表面之間的物理化學(xué)作用而形成吸附膜的邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。tom lison從分子運(yùn)動(dòng)角度分析了固體表面在滑動(dòng)中的能量轉(zhuǎn)換和摩擦起因。特別是當(dāng)bowdon和tabo建立了以粘著效應(yīng)為基礎(chǔ)的摩擦磨損理論后，人們?cè)絹?lái)越發(fā)覺(jué)宏觀研究不能深入地揭示摩擦界面的微觀結(jié)構(gòu)和特性，因而它所建立的理論往往具有很大的局限性。并且，由于當(dāng)今固體摩擦理論不夠完善，致使摩擦系數(shù)數(shù)值離散性很大，在工程設(shè)計(jì)中難以預(yù)定其準(zhǔn)確數(shù)值；此外，機(jī)械設(shè)備的噪聲大都來(lái)源于摩擦急劇變化引起的振動(dòng)；還有，精密機(jī)械中的微動(dòng)機(jī)構(gòu)和定位裝置的爬

17、行現(xiàn)象。這些都需要改善摩擦的品質(zhì)來(lái)解決。顯然，宏觀研究與微觀研究相結(jié)合，必將促進(jìn)摩擦學(xué)更加完善。并在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中對(duì)提高機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)和加工精度有著重要的貢獻(xiàn)。因此，近十幾年來(lái)中、美、日等國(guó)越來(lái)越關(guān)注這方面的研究，并先后有相應(yīng)的論文發(fā)表，如上海交通大學(xué)采用微型電機(jī)同時(shí)作驅(qū)動(dòng)元件和測(cè)試元件通過(guò)分析微電動(dòng)機(jī)在施加正壓力前后運(yùn)動(dòng)特性的改變的方法，間接地計(jì)算出微小摩擦力的大?。荒暇┖娇蘸教齑髮W(xué)的范炯等人研制的多功能摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄒繼斌等人研制的微負(fù)荷摩擦測(cè)試系統(tǒng)；日本京都市工業(yè)實(shí)驗(yàn)所研制的超微小摩擦力測(cè)試儀等。這些儀器測(cè)量出了毫牛頓數(shù)量級(jí)下兩種不同材質(zhì)試件間的摩擦力。這對(duì)研究介于宏觀和微觀摩

18、擦學(xué)之間的摩擦現(xiàn)象，也十分具有理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。3本文研究的內(nèi)容 摩擦直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性、耐久性和能量的利用率，摩擦的研究對(duì)微機(jī)電系統(tǒng)、微納米加工技術(shù)的不斷運(yùn)用將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。然而，關(guān)于摩擦的研究、分析采用的是實(shí)驗(yàn)研究的方法，目前沒(méi)有合適的測(cè)試設(shè)備對(duì)微小摩擦進(jìn)行測(cè)量。本課題主要的研究?jī)?nèi)容就是研制出微小摩擦力測(cè)試儀。用來(lái)分析在微小接觸面積和微小接觸載荷(毫牛頓數(shù)量級(jí))作用下摩擦副間的摩擦現(xiàn)象。并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到在不同介質(zhì)環(huán)境中的摩擦狀況和摩擦特性參數(shù)，為微機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及理解微機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性提供依據(jù)。第二章 微小摩擦實(shí)驗(yàn)儀的總體設(shè)計(jì) 1微小摩擦技術(shù)的簡(jiǎn)介 微小摩擦力實(shí)驗(yàn)儀有別于納米摩擦學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)

19、試儀器。在納米摩擦學(xué)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器中無(wú)論其所施加的載荷還是所研究的材料的面積甚至于相對(duì)滑動(dòng)的速度都是采用納米量級(jí)的。它們研究的是原子、分子尺度上摩擦界面的微觀結(jié)構(gòu)和特性。而這里所要開(kāi)發(fā)的微小摩擦力實(shí)驗(yàn)儀則是在微小面積接觸和微小載荷作用下測(cè)試摩擦力的一種儀器，它介于微米和毫米數(shù)量級(jí)之間，這與納米量級(jí)來(lái)進(jìn)行比較毫無(wú)疑問(wèn)是相當(dāng)大的，但相對(duì)于宏觀載荷來(lái)說(shuō)又是相當(dāng)小。并且，它的相對(duì)滑動(dòng)速度就微觀而言是相當(dāng)高的。在機(jī)械領(lǐng)域中這種條件下的摩擦是經(jīng)常可以看見(jiàn)的，但在系統(tǒng)分析中我們到底使用宏觀的摩擦學(xué)理論還使用微觀的理論呢這就需要我們對(duì)這種條件下的摩擦來(lái)進(jìn)行分析，并通過(guò)對(duì)該儀器的實(shí)驗(yàn)來(lái)找到與之相適合的理論。由滑

20、動(dòng)摩擦的宏觀研究得出，固體摩擦遵循amoritons(阿蒙頓)摩擦公式，即摩擦力f與載荷p成正比，其比例常數(shù)為摩擦系數(shù) (1) 在界面摩擦過(guò)程中，有 (2) 式(2)中，c1 c2 c3,分別為與粘著能w、彈性常數(shù)k、球體半徑r等有關(guān)的函數(shù)。由式(2)分析可知，在組成界面摩擦力的各項(xiàng)因素中，通常第三項(xiàng)所占比例較小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)表面粘著強(qiáng)度較大時(shí)，第一項(xiàng)是界面摩擦力的主要組成部分，此時(shí)可以近似地采用式中的第一項(xiàng)。而當(dāng)外加載荷p相對(duì)較大時(shí)，界面摩擦力將以第二項(xiàng)為主，接近于描述常規(guī)摩擦的amontons公式(1)。2微小摩擦實(shí)驗(yàn)儀的總體設(shè)計(jì) 在微小摩擦測(cè)量中，正壓力和摩擦力均很小，給精確測(cè)量帶來(lái)

21、較大困難。就微小正壓力施力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，該系統(tǒng)必須具有很高的細(xì)分能力，其次，微負(fù)荷的測(cè)量本身需要采取一些特殊的技術(shù)措施，目前主要采用的有擺錘法、變形法與位移法。其中，擺錘法以擺角的變化測(cè)量摩擦力。但不適用于摩擦與磨損實(shí)驗(yàn)；變形法與位移法通常以讀數(shù)顯微鏡測(cè)量摩擦力，但讀數(shù)又不方便。本文設(shè)計(jì)了一種微負(fù)荷摩擦試驗(yàn)系統(tǒng)，不但適用于摩擦系數(shù)的測(cè)量，而且可用來(lái)進(jìn)行摩擦與磨損實(shí)驗(yàn)。一、設(shè)計(jì)中需要解決的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)微小接觸載荷的加載方法以及加載精度的保證；摩擦力加載模塊的機(jī)械結(jié)構(gòu)小型化、載荷連續(xù)可調(diào)和操作簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)；運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)精度保證；摩擦頭體積小、易更換的實(shí)現(xiàn)；測(cè)量誤差的分析和測(cè)試精度的保證；二

22、、裝置的組成及測(cè)量原理 微小摩擦力實(shí)驗(yàn)儀主要包括摩擦力加載系統(tǒng)、摩擦力測(cè)試系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制以及顯示系統(tǒng)。微小摩擦測(cè)試儀的測(cè)量原理如圖1所示。圖1 系統(tǒng)原理框圖 微小摩擦實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。圖2 微小摩擦力測(cè)試儀結(jié)構(gòu)原理圖 各部分元器件的作用電機(jī)為轉(zhuǎn)盤(pán)提供動(dòng)能 水平調(diào)整裝置調(diào)整測(cè)力臂水平位置 垂直調(diào)整裝置調(diào)整測(cè)力臂垂直位置 4測(cè)力臂能將摩擦力產(chǎn)生的形變準(zhǔn)確反映出來(lái)的雙平行板懸臂梁 激光位移測(cè)量?jī)x準(zhǔn)確測(cè)量摩擦力產(chǎn)生形變的裝置 摩擦頭和摩擦盤(pán)接觸產(chǎn)生摩擦力的部件 摩擦盤(pán)和摩擦頭接觸產(chǎn)生摩擦的轉(zhuǎn)盤(pán) 磁阻測(cè)速傳感器準(zhǔn)確測(cè)量轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速 (1)微小摩擦測(cè)力系統(tǒng) 該測(cè)力系統(tǒng)包括正壓力和摩擦力測(cè)量?jī)刹糠?。測(cè)

23、力系統(tǒng)由壓力加載裝置、測(cè)力臂、激光位移測(cè)量?jī)x、顯示儀表等組成。測(cè)力臂由兩組平行板彈簧組成前端水平安裝的平行板彈簧配合壓力加載裝置用來(lái)提供正壓力，叫正壓力平行板彈簧；后端豎直安裝的平行板彈簧能夠準(zhǔn)確反映摩擦力在水平方向上的形變，叫摩擦力平行板彈簧。如圖3所示。圖3測(cè)力臂原理結(jié)構(gòu)圖 通過(guò)調(diào)整垂直進(jìn)給裝置的進(jìn)給量，使正壓力平行板彈簧發(fā)生形變，進(jìn)而產(chǎn)生正壓力施加在摩擦頭上，使摩擦頭與旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤(pán)接觸，發(fā)生摩擦通過(guò)測(cè)頭將摩擦力傳給摩擦力平行板彈簧，使其發(fā)生形變，由激光位移測(cè)量?jī)x測(cè)得其形變量的大小，進(jìn)而得到摩擦力。(2)位置調(diào)整系統(tǒng) 位置調(diào)整系統(tǒng)由水平進(jìn)給和垂直進(jìn)給組成。進(jìn)給系統(tǒng)采用了北京光學(xué)儀器廠(chǎng)的精密位

24、移臺(tái)，型號(hào)為pts103m和tms202。它們的進(jìn)給精度為5um，最小讀數(shù)為l0um.它可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)測(cè)頭的x, y, z方向的位置，改變摩擦頭在轉(zhuǎn)盤(pán)上的位置。這樣可以調(diào)節(jié)被測(cè)件觸點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑，進(jìn)而改變被測(cè)試件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度.今后，x, y, z實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)微小切削。(3)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng) 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)動(dòng)裝置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動(dòng)裝置由轉(zhuǎn)盤(pán)，主軸等組成。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)皮帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸，使轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)速系統(tǒng)測(cè)得轉(zhuǎn)盤(pán)的轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)被測(cè)試件觸點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑，就可以改變被測(cè)試件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。3測(cè)力系統(tǒng)原理及其模型 經(jīng)典公式 f=k1n （3） f=k2s （

25、4） (k1為摩擦系數(shù) n為正壓力k2為彈性系數(shù) s為彈片的變形量) 測(cè)試方法設(shè)計(jì)模型，如圖4 圖4 測(cè)試方法設(shè)計(jì)模型 如上圖所示，當(dāng)摩擦頭和摩擦盤(pán)接觸后，摩擦盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)在二者之間產(chǎn)生一個(gè)摩擦力，這個(gè)摩擦力作用在測(cè)力臂上將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)形變，使測(cè)力臂的摩擦頭一側(cè)發(fā)生偏移，通過(guò)激光位移測(cè)量?jī)x的的測(cè)量可以得出這個(gè)位移量s,通過(guò)公式4可以得出摩擦力f,然后利用經(jīng)典力學(xué)定律，在勻速條件下，摩擦力f和摩擦力近似相等，得到摩擦力、，最后在對(duì)摩擦力、進(jìn)行誤差分析。第三章 微小摩擦測(cè)力臂的設(shè)計(jì)及有限元分析 1微小摩擦力測(cè)力臂的結(jié)構(gòu)及制作 1微小摩擦測(cè)力傳感器的幾個(gè)要點(diǎn)和難點(diǎn) 微小摩擦測(cè)力傳感器的性能要求是靈敏度

26、高、精度高、重復(fù)性好、測(cè)試安裝方便等。因此在傳感器的設(shè)計(jì)過(guò)程中要解決以下關(guān)鍵問(wèn)題: 如何在兩運(yùn)動(dòng)副之間施加適當(dāng)?shù)恼龎毫?，該正壓力既能使運(yùn)動(dòng)副之間產(chǎn)生足夠大的摩擦力，又不影響傳感器的靈敏度。如何方便的更換摩擦頭。如何在施加正壓力時(shí)，能準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地測(cè)量出正壓力(毫牛級(jí))和摩擦力。保證正壓力和摩擦力不藕合。為保證測(cè)量精度和靈敏度，要解決系統(tǒng)防振、防止溫漂、抗干擾等問(wèn)題。2微小摩擦測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 一、微小摩擦測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)的確定 圖1 微小摩擦測(cè)力傳感器 通過(guò)上一小節(jié)的討論，微小摩擦測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用了平行板彈簧結(jié)構(gòu)。平行板彈簧結(jié)構(gòu)原是彈性支承中的一種形式，在支承結(jié)構(gòu)中具有獨(dú)特的特

27、點(diǎn)，它可以產(chǎn)生平行位移。本研究正是利用這種特性，使得摩擦頭在被施力的狀態(tài)下，保持和摩擦盤(pán)的接觸狀態(tài)不變。同時(shí)，板彈簧具有無(wú)摩擦、無(wú)磨損，能適應(yīng)真空、高低溫、高壓和輻射等惡劣工作環(huán)境，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等特點(diǎn)。在精密測(cè)試儀器領(lǐng)域得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)在航空航天和海洋的精密測(cè)量?jī)x器中有重要的開(kāi)發(fā)。當(dāng)然，由于受它的變形特性的限制:只局限于小量程、微位移的場(chǎng)合能獲得理想的精度。平行板彈簧結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩個(gè)單片板彈簧ab和cd平行固定，相距為s。兩單片板彈簧的一端a和c固定在固定板上，另一端b和d固定在活動(dòng)板上。兩單片板彈簧的長(zhǎng)度1、寬度b、厚度h和截面形狀是相同的。作用在活動(dòng)板上的外力為p，活動(dòng)

28、板所產(chǎn)生的位移量為f。圖2平行板彈簧結(jié)構(gòu)形式 如圖2所示的結(jié)構(gòu)形式，外力p作用在離固定板為1距離的活動(dòng)板上。根據(jù)彈性材料的特性，力與變形的關(guān)系可推算出如下的公式。(1) 式中f活動(dòng)板的位移量；p施加在活動(dòng)板上的外力；e材料的彈性模量；i板彈簧的工作長(zhǎng)度；i慣性矩，矩形界面時(shí)為i=bh3/12；b板彈簧的寬度；h板彈簧的厚度；根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果表明，在平行板彈簧的活動(dòng)板上作用如圖3所示的外力py，外力py的影響是使板彈簧結(jié)構(gòu)產(chǎn)生側(cè)向傾抖的趨勢(shì)(即扭轉(zhuǎn))，因?yàn)榘鍙椈山Y(jié)構(gòu)在這個(gè)方向上的剛度相對(duì)來(lái)講是比較大的，所以，此種扭轉(zhuǎn)是微小的。我們可以把這種影響忽略，從而認(rèn)為橫向穩(wěn)定性比較高。圖3平行板彈簧受力分

29、析圖 由于微小摩擦測(cè)力傳感器的測(cè)力范圍在毫牛級(jí)別，同時(shí)平行板彈簧的橫向穩(wěn)定性比較高，因此，采用如圖1所示的結(jié)構(gòu)。前后兩組平行板彈簧不會(huì)產(chǎn)生太大的干涉，完全可以保證摩擦力和正壓力不產(chǎn)生藕合。設(shè)計(jì)平行板彈簧結(jié)構(gòu)的幾點(diǎn)注意事項(xiàng): 隨著1的減小，導(dǎo)向精度可提高。當(dāng)活動(dòng)板重量很小和橫向作用力py微小 的條件下，尺寸s和板彈簧的剛度對(duì)活動(dòng)板運(yùn)動(dòng)的軌跡特性影響不大。板彈簧的厚度h一般應(yīng)小于0.05l?；顒?dòng)板和固定板之間的范圍內(nèi)，s的尺寸差不應(yīng)超過(guò)0.030.01mm。板彈簧固定范圍內(nèi)的表面粗糙度ra 0.160.32m。板彈簧固定表面的平行性不大于0.010.02mm(在100mm長(zhǎng)度內(nèi))。為了提高應(yīng)變傳感

30、器的分辮能力有必要適當(dāng)?shù)販p小彈簧的剛度。二、微小摩擦測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 微小摩擦測(cè)力傳感器運(yùn)用應(yīng)變計(jì)測(cè)量作用在板彈簧的力，主要就是測(cè)量如圖3中所示的位移f。圖3中，在活動(dòng)端作用外力p時(shí)，活動(dòng)端產(chǎn)生位移f的數(shù)值可由公式(1)近似求得?？梢钥闯鲈诎鍙椈傻膶挾萣相同的條件下，作用相同的外力p，要提高傳感器的分辮能力，需要把板彈黃的工作長(zhǎng)度1加長(zhǎng)，把板彈簧的厚度h減小.同時(shí)，還要考慮到材料的載荷強(qiáng)度。彈簧片材料的選擇及熱處理 鈹青銅是一種析出硬化性合金。鈹青銅是機(jī)械性能、物理性能、化學(xué)性能及抗腐蝕性能良好結(jié)合的唯一有色合金，經(jīng)固溶和熱效熱處理后，具有特殊鋼相當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度極限、彈性極限、屈服極限和疲勞極

31、限，同時(shí)又具有高的導(dǎo)電率、熱導(dǎo)率、高硬度和耐磨性能。因此廣泛應(yīng)用于電子電器、通訊儀器、航空航天石油化工，冶金礦山，汽車(chē)等制造領(lǐng)域。因此使用鈹銅作為彈簧片是最理想的材料。如表格3。高鈹銅的性能指標(biāo)化學(xué)成分 be co ni si cu 8-25 0.35-0.65 0.25-0.75 0.2-0.35 余量 物理性能 密度g/cm3(20) 溶化溫度 （） 拉伸彈性模量 （gpa） 熱導(dǎo)率w/（mk） (20) 線(xiàn)膨脹系數(shù) um/( mk) (20-30) 3 880-980 130 105 10 機(jī)械性能 抗拉強(qiáng)度 mpa 屈服強(qiáng)度 (0.2%)mpa 延伸率% 硬度 電導(dǎo)率 1acs% 12

32、50 1045 1 36-43hrc 18 材料:qbe5鈹青銅 經(jīng)查表知 鈹青銅相關(guān)的一些參數(shù) 彈性模量:e=13/1011pa 密度: =3 x 103kg/m3 淬火:t80o 10o 再經(jīng)回火:285o 5o 材料杭拉強(qiáng)度:=15x109pa 安全系數(shù):由查表得，知n=5 （1）材料的許用彎曲應(yīng)力: =0x109 pa （2） 應(yīng)變片承受最大應(yīng)力=e *=13 x 1011 x 0.02=26 x 109 pa （3） 考慮應(yīng)變片的安全，彈簧片在最大作用力的作用下所產(chǎn)生的最大應(yīng)力=min,=26 x 109 pa =e=1 .13x1011x0.5x10-6=65x104pa 要滿(mǎn)足測(cè)

33、力時(shí)即有形變又保證應(yīng)變片的安全，則彈簧片的應(yīng)力 65 x 104pa26 x 109pa （2）剛度的選定 強(qiáng)度計(jì)算（4） 矩形截面（5） 彈簧的剛度（6） 綜合考慮了安裝，前后兩個(gè)平行板彈簧片間的耦合問(wèn)題，由公式（4）和公式（5）確定了一組平行板彈簧。尺寸規(guī)格為 板彈簧的寬度b=0mm 板彈簧的厚度h=0.5mm 板彈簧的工作長(zhǎng)度l=50mm 板彈簧的剛度有公式（6）得到k=113mn/mm 3測(cè)力傳感器的重復(fù)性 重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程多次變動(dòng)時(shí)所得特性曲線(xiàn)的不一致程度。重復(fù)性好，傳感器誤差小，通常用隨機(jī)誤差來(lái)描述數(shù)據(jù)離散程度，因此，用標(biāo)準(zhǔn)偏差s:表示重復(fù)性，s用下式計(jì)算

34、 (7) 式中 一輸出測(cè)量值; -測(cè)量值的平均值; n一測(cè)量次數(shù). 重復(fù)性用下式計(jì)算 (8) s前的系數(shù)取2時(shí)，誤差服從正態(tài)分布，置信概率為95%；取3時(shí)，置信概率為97%。該測(cè)力傳感器的重復(fù)性約為5%。小結(jié) 可見(jiàn)，微小摩擦測(cè)力傳感器的性能直接影響到摩擦力測(cè)試儀的總體性能。本章通過(guò)對(duì)測(cè)力傳感器的要點(diǎn)和難點(diǎn)的分析，在結(jié)構(gòu)上采用了平行板彈簧結(jié)構(gòu)。利用平行板彈黃的平行位移的特點(diǎn)，使得摩擦頭在施力狀態(tài)下，保持和摩擦盤(pán)的接觸狀態(tài)不變。第四章 微小摩擦力測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)方法的實(shí)現(xiàn) 1激光位移測(cè)量?jī)x的簡(jiǎn)介 激光三角位移測(cè)量?jī)x是光三角式傳感器的原理為基礎(chǔ)的。光三角式傳感器是基于光束入射被測(cè)物體后產(chǎn)生反射，入射光與

35、反射光構(gòu)成三角形，根據(jù)反射光束的位置變化便可以確定被測(cè)物體端面位置，被測(cè)工件的尺寸及其公差，被測(cè)物體與光源之間的距離等參數(shù)，所以它得到了廣泛的應(yīng)用。它能夠檢測(cè)反射光束位置的光電敏感器件主要有ccd（charge coupled device）,光電二極管陣列，大光敏面的光位置傳感器（position sensing detector,psd）等。前兩種屬于非連續(xù)光電檢測(cè)，因此需要外部驅(qū)動(dòng)電路和掃描電路配合使用才可以達(dá)到測(cè)量的目的。psd其輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)只要求有模擬信號(hào)處理電路就可以了，不需要其他電路的支持。在測(cè)量的精度上光電二極管陣列明顯的劣于其他兩種，因此，在精密測(cè)試中很少應(yīng)用。ccd

36、和psd各有其優(yōu)缺點(diǎn)，所以在實(shí)際測(cè)試中要根據(jù)不同的要求作出選擇，這里只是簡(jiǎn)要介紹下光三角式傳感器的原理，實(shí)際中的光電傳感器的選擇及其理由，將在以后章節(jié)中做出詳細(xì)的討論。光三角式傳感器是屬于非接觸式傳感器，它不受被測(cè)物體空間結(jié)構(gòu)的限制，使用靈活，同時(shí)它本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，抗電磁干擾性強(qiáng)。已成功地將光三角傳感技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)物體的距離檢測(cè)與定位控制，并取得了令人滿(mǎn)意的效果。在實(shí)際的測(cè)試系統(tǒng)中，許多光電傳感器的應(yīng)用都是基于光三角式傳感器技術(shù)的原理的。許多一維和多維的測(cè)量傳感器都是建立在三角法的基礎(chǔ)之上的。在反射式開(kāi)關(guān)傳感器中，應(yīng)用三角法原來(lái)消除如陽(yáng)光輻射，室內(nèi)照明等環(huán)境因素的影響，并

37、用來(lái)調(diào)節(jié)和獲取一個(gè)固定的和明確的開(kāi)關(guān)距離。在一維傳感器中，采用三角法進(jìn)行距離測(cè)量，通過(guò)偏轉(zhuǎn)鏡和專(zhuān)門(mén)的評(píng)價(jià)軟件可以擴(kuò)展為對(duì)空間幾何數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量和處理。2激光位移測(cè)量?jī)x的選擇 隨著激光光學(xué)，精密機(jī)械，電子學(xué)，光電傳感器技術(shù)，ccd成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門(mén)學(xué)科迅速發(fā)展，激光三角位移測(cè)試技術(shù)也得到了廣泛的發(fā)展，人們根據(jù)不同的需求加工制造出出了各種各樣的激光三角位移測(cè)力儀，不僅僅是在精度和速度上得到了顯著的提高，通過(guò)一些特殊的技術(shù)，還可以是激光三角位移測(cè)試高溫和低溫的條件，這很明顯的擴(kuò)展了它的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外的激光三角位移測(cè)量?jī)x的調(diào)研，就目前的要求來(lái)講，市場(chǎng)上的激光位移測(cè)試能很好的滿(mǎn)足對(duì)微小力產(chǎn)

38、生的微小位移量做出精確的檢測(cè)。我們找到了一種比較適合的激光三角位移測(cè)量?jī)x來(lái)搭建系統(tǒng)，使其能很好的滿(mǎn)足現(xiàn)階段的要求，有又要具備一定的可發(fā)展性。因此，綜合了當(dāng)前的試驗(yàn)要求和為將來(lái)的進(jìn)一步考慮，決定采用zlds100高精度低價(jià)位激光位移傳感器。下面列出了其具體參數(shù)。從中我們不難發(fā)現(xiàn)，其測(cè)試的精度可以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求，處理的速度基本滿(mǎn)足實(shí)時(shí)測(cè)量對(duì)高速的要求。如圖1 圖1 zlds100高精度低價(jià)位激光三角漫反射位移傳感器特點(diǎn)防護(hù)等級(jí)高，工作溫度范圍寬，有同步功能，可用于差動(dòng)測(cè)厚、測(cè)長(zhǎng)等，特別適用工業(yè)環(huán)境高精度使用。應(yīng)用領(lǐng)域zlds100成功應(yīng)用于ikp5手持式激光火車(chē)輪輪緣輪廓測(cè)量?jī)x，也可用于非接觸測(cè)量位

39、移、三維尺寸、厚度、表面輪廓、物體形變、振動(dòng)、液位、分揀。擴(kuò)展功能及主要性能參數(shù)(1)有兩個(gè)以上激光掃描同步功能（確保工業(yè)在線(xiàn)高精度差動(dòng)測(cè)量）；(2)有輸入信號(hào)觸發(fā)保持功能（能在線(xiàn)連續(xù)對(duì)零件測(cè)長(zhǎng)，測(cè)高等）；(3)小量程0.5/2/5/10/15/25/50/100/250/500mm；(4)線(xiàn)性度0.1%；分辨率0.01% (5)頻率響應(yīng)2khz 可選5或8hz (6)輸出串行口rs232 或rs485；可選420ma或010v；(7)報(bào)警輸出 npn 100ma 40v (8)防護(hù)等級(jí)ip67 (9)供電5v或12v或24v (10)工作溫度-10oc+60oc (11)尺寸65x50x20

40、 (12)重量100g 本系統(tǒng)主要是通過(guò)檢測(cè)懸臂梁的微小位移量來(lái)測(cè)量微小摩擦力的。位移檢測(cè)是采用激光三角位移檢測(cè)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其原理綜合了激光光學(xué)，精密機(jī)械，電子學(xué)，光電傳感技術(shù)，ccd成像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多門(mén)學(xué)科，它具有測(cè)量精度高，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，非接觸測(cè)量等多種優(yōu)點(diǎn)?？梢詫?duì)懸臂梁的水平形變量做出實(shí)時(shí)在線(xiàn)的檢測(cè)，通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)分析。而且自帶數(shù)據(jù)串口可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行顯示，同時(shí)支持程序擴(kuò)展。3測(cè)量原理及誤差分析 1工作原理的理論分析 單點(diǎn)激光三角法測(cè)量?jī)x器主要由激光光源、透鏡和光敏傳感器組成。系統(tǒng)的測(cè)量原理圖如圖2所示。圖2直射式三角法原理圖 由高斯公式 （1） 可得 l

41、0最大位移時(shí)的物距 l0l物距時(shí)的象距 f透鏡l的焦距 激光光源照射到物體上某一點(diǎn)，該目標(biāo)點(diǎn)的圖像通過(guò)透鏡匯聚到傳感器上形成像點(diǎn)。當(dāng)激光照射的物體移動(dòng)時(shí)，像點(diǎn)也在傳感器上移動(dòng)，在基線(xiàn)長(zhǎng)度已知，光源和傳感器及透鏡的相對(duì)位置確定的前提下，通過(guò)測(cè)量傳感器上像點(diǎn)的位置就能準(zhǔn)確確定被測(cè)物體與儀器之間的距離。激光三角法測(cè)量?jī)x器中最重要的組成部分是傳感器，有2種傳感器可用于此處，一種是位置感應(yīng)探測(cè)器（position sensitive detector,psd）和電荷耦合器件（charge coupled device,ccd）。psd常用于小范圍的距離測(cè)量，提供模擬信號(hào)輸出適合通斷測(cè)試使用；ccd傳感器

42、具有良好的幾何穩(wěn)定性，產(chǎn)生的視頻信號(hào)適于提供數(shù)字輸出。ccd具有幾何尺寸穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，它和光源、透鏡的幾何關(guān)系決定了被測(cè)目標(biāo)點(diǎn)與儀器間的最小距離（a點(diǎn)）和最大距離（c點(diǎn)）。但當(dāng)目標(biāo)點(diǎn)等間隔移動(dòng)時(shí)其像點(diǎn)在ccd上并不是等間隔的變化，因此這種測(cè)量時(shí)非線(xiàn)性的。以直射式為例，其測(cè)量光路如圖1所示，激光器1發(fā)出的光線(xiàn)，經(jīng)會(huì)聚透鏡2聚焦好垂直入射到被測(cè)物體表面3上，物體移動(dòng)或表面變化，導(dǎo)致入射光點(diǎn)沿入射光軸移動(dòng)。接收透鏡4接收來(lái)自入射光點(diǎn)的散射光，并將其成像在光點(diǎn)位置探測(cè)器5（ccd）的敏感面上。但是由于傳感器激光光束與被測(cè)面垂直，只有一個(gè)準(zhǔn)確調(diào)焦的位置，其余位置的像都處于不同程度的離焦?fàn)顟B(tài)。離焦將引起像點(diǎn)

43、的彌散，從而降低了系統(tǒng)的測(cè)量精度。為了提高精度，和，必須滿(mǎn)足schcimpflug條件，像平面、物平面、透鏡平面相交于一條直線(xiàn)，即（式中為橫向放大率）。此時(shí)一定景深范圍內(nèi)的被測(cè)點(diǎn)都能正焦的成像在探測(cè)器上，從而保證了精度。若光點(diǎn)在成像面上的位移為,利用相似三角形各邊之間的比例關(guān)系，按下式可求出被測(cè)面的位移 （2） 式中，a為激光束光軸和接收透鏡光軸的交點(diǎn)到接收透鏡前面的距離；b為接收透鏡后主面到成像面中心點(diǎn)的距離；為激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角；為探測(cè)器與接收透鏡光軸之間的夾角。圖3直射式三角法測(cè)量圖 1激光器 2會(huì)聚透鏡 3被測(cè)表面 4接受透鏡 5光點(diǎn)位置探測(cè)器 檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理，半導(dǎo)

44、體激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后，在懸臂梁的一個(gè)表面上形成一個(gè)尺寸足夠小的光點(diǎn)（光點(diǎn)直徑大約為0.5mm）我們把目標(biāo)面上的光點(diǎn)稱(chēng)之為物點(diǎn)，物點(diǎn)發(fā)出的漫反射光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后，在ccd上形成一個(gè)相應(yīng)的像點(diǎn)。當(dāng)懸臂梁沿水平方向上，產(chǎn)生一個(gè)微小的位移后，形成在ccd上的像點(diǎn)位置也會(huì)隨之產(chǎn)生變化，這樣就可以通過(guò)ccd上像點(diǎn)的位置變化得到懸臂梁的水平位移量。2影響激光三角位移檢測(cè)儀測(cè)量精度的因素及誤差分析 影響激光三角測(cè)量精度的因素有很多種，這里只是簡(jiǎn)單的討論主要的幾種。它們包括組成測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)部件本身的誤差表面粗糙度的影響, 被測(cè)表面微結(jié)構(gòu)的影響等。(1)組成測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)部件本身的誤差 主要來(lái)源

45、于球差、慧差、象散、場(chǎng)曲和畸變等，它們會(huì)使實(shí)際成像點(diǎn)偏離理想成像點(diǎn)，這些誤差主要靠制造工藝來(lái)消除或減少。除光學(xué)部件以外，影響測(cè)量精度的因素還有測(cè)量環(huán)境，激光器光斑形狀，ccd傳感器和處理電路以及被測(cè)面表面特性等。(2)表面粗糙度的影響 激光三角測(cè)量的一個(gè)前提條件是被測(cè)物體表面應(yīng)對(duì)入射光具有一定的散射能力，這樣被測(cè)物體表面反射的光才能被激光三角測(cè)試儀所接受。物體表面由于具有不同的粗糙程度會(huì)具有不同的光散射能力，因此會(huì)影響測(cè)量的精度。不同的粗糙度的情況可以看出，隨著粗糙程度的增加，外腿表面散射光的強(qiáng)度及方向會(huì)有所改變，由此會(huì)影響激光三角位移監(jiān)測(cè)儀的接受信號(hào)的強(qiáng)弱，進(jìn)而影響測(cè)量的精度。(3)被測(cè)表面

46、微結(jié)構(gòu)的影響 被測(cè)物體表面不同的微結(jié)構(gòu)也會(huì)影響到光的散射模式。被測(cè)物體表面具有橫向微條紋結(jié)構(gòu)的情況，兩者的光散射模式具有明顯的不一樣。另外，在光散射的模式下不可避免的會(huì)出現(xiàn)局部反射的情況（即“雙包絡(luò)”現(xiàn)象的出現(xiàn)），這些均會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果。由于在測(cè)量中不可避免存在誤差，因此在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)中，要對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行誤差分析。用隨機(jī)誤差來(lái)描述數(shù)據(jù)離散程度，因此，用標(biāo)準(zhǔn)偏差s:表示重復(fù)性，s用下式計(jì)算 (3) 式中 一輸出測(cè)量值; -測(cè)量值的平均值; n一測(cè)量次數(shù). 重復(fù)性用下式計(jì)算 (4) s前的系數(shù)取2時(shí)，誤差服從正態(tài)分布，置信概率為95%；取3時(shí)，置信概率為97%。結(jié) 論 此微小摩擦力測(cè)試儀是在查閱了大量的文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)目前已經(jīng)研制出的一些結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析比較，而設(shè)計(jì)出來(lái)的。在微小摩擦測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)上采用了平行板彈簧結(jié)構(gòu)，把施力與測(cè)力通過(guò)一個(gè)測(cè)力臂來(lái)完成。在主體結(jié)構(gòu)上，采用半封閉式結(jié)構(gòu)，使裝置簡(jiǎn)潔化。在位置調(diào)整系統(tǒng)中，目前采用了手動(dòng)調(diào)整方式，但不能做到很好的連續(xù)進(jìn)給。今后在課題的深入開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以采用伺服電機(jī)控制的自動(dòng)連續(xù)進(jìn)給方式。這樣一來(lái)，x、y、z實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可以實(shí)現(xiàn)納米級(jí)微小切削。該測(cè)試儀不僅適用于摩擦系數(shù)的