本發(fā)明涉及移動(dòng)副干摩擦測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

粘滑(stick-slip)摩擦現(xiàn)象廣泛存在于機(jī)械工程、汽車工程、航空航天和地震等領(lǐng)域，它是一種在低速驅(qū)動(dòng)下接觸界面間滑動(dòng)和靜止交替出現(xiàn)的摩擦現(xiàn)象。對(duì)于精密設(shè)備而言，界面間的粘滑摩擦現(xiàn)象會(huì)引起噪聲、能量損失和界面磨損，從而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)精度的下降。

隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略和規(guī)劃的實(shí)施，我國(guó)制造業(yè)對(duì)高精密裝備提出了更高的要求，迫切需要解決高端裝備研制中的摩擦精細(xì)建模等問(wèn)題。已有的相關(guān)技術(shù)中，對(duì)移動(dòng)副干摩擦及粘滑摩擦現(xiàn)象的研究，主要是從摩擦力和磨損量的角度開(kāi)展的，但是這種研究方式無(wú)法直觀地給出移動(dòng)副在粘滑摩擦運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接觸界面間真實(shí)接觸狀態(tài)的變化情況。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題之一。為此，本發(fā)明提出一種基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，該基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)能夠解決傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)功能單一、操作復(fù)雜、無(wú)法同時(shí)對(duì)移動(dòng)副粘滑摩擦運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接觸界面間的真實(shí)接觸狀態(tài)和接觸力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量等問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，所述基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)包括：移動(dòng)副試樣、法向加載裝置、切向驅(qū)動(dòng)裝置、接觸力測(cè)試裝置、接觸狀態(tài)測(cè)試裝置。

所述移動(dòng)副試樣包括上固定試樣、下固定試樣、l形擋板、滑塊試樣。

所述法向加載裝置包括：步進(jìn)電機(jī)、滑塊、剪叉式結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，法向加載裝置的上基座通過(guò)螺栓與支撐面固定連接。步進(jìn)電機(jī)的輸出端為絲杠，步進(jìn)電機(jī)與法向加載裝置的上基座通過(guò)螺栓連接。滑塊內(nèi)部有螺紋并與絲杠配合，滑塊的上端平面與法向加載裝置的上基座表面形成定位，滑塊可在步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)?；瑝K在直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)帶動(dòng)剪叉式結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)法向加載裝置沿法向的加載運(yùn)動(dòng)。

所述切向驅(qū)動(dòng)裝置包括：電動(dòng)缸、電動(dòng)缸支架、連接部件。進(jìn)一步地，所述切向驅(qū)動(dòng)裝置的具體連接為：電動(dòng)缸支架通過(guò)螺栓與基座固定連接。電動(dòng)缸可以輸出微米量級(jí)的直線運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)缸與電動(dòng)缸支架通過(guò)螺栓固定連接。連接部件與電動(dòng)缸通過(guò)螺栓連接。

所述接觸力測(cè)試裝置包括：第一力傳感器、第二力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端、上壓塊、下壓塊。進(jìn)一步地，所述接觸力測(cè)試裝置的具體連接為：第一力傳感器通過(guò)螺栓與切向驅(qū)動(dòng)裝置相連接。第二力傳感器通過(guò)螺栓與法向加載裝置相連接。數(shù)據(jù)采集儀放置在基座上，實(shí)現(xiàn)接觸力的動(dòng)態(tài)測(cè)量。第一力傳感器與連接部件通過(guò)螺栓固定連接，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端與第一力傳感器通過(guò)螺栓連接。法向加載裝置的活動(dòng)面與上壓塊之間通過(guò)螺栓連接，上壓塊與第二力傳感器之間通過(guò)螺栓連接，第二傳感器與下壓塊之間通過(guò)螺栓連接。

所述接觸狀態(tài)測(cè)試裝置包括：一字線激光器、激光器支架、投影屏幕、相機(jī)、相機(jī)支架。進(jìn)一步地，所述接觸狀態(tài)測(cè)試裝置的具體連接方式為：一字線激光器放置在激光器支架上，激光器支架通過(guò)螺栓與基座固定連接。投影屏幕所處平面與試樣的側(cè)面平行，且與激光器分別布置于試樣的兩側(cè)，投影屏幕通過(guò)雙面膠固定于實(shí)驗(yàn)室墻面上。相機(jī)放置在相機(jī)支架上，相機(jī)支架通過(guò)螺栓與基座固定連接，用于采集投影屏幕上的接觸圖樣。

根據(jù)本發(fā)明的基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)法向加載裝置和切向驅(qū)動(dòng)裝置為滑塊試樣的接觸界面提供切向速度和法向載荷，并對(duì)滑塊試樣接觸界面的真實(shí)接觸狀態(tài)和接觸力進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，解決了傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)功能單一、操作復(fù)雜、無(wú)法同時(shí)對(duì)移動(dòng)副粘滑摩擦運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接觸界面間的真實(shí)接觸狀態(tài)和接觸力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量等問(wèn)題。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低；

(2)在移動(dòng)副粘滑摩擦運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滑塊試樣接觸界面的真實(shí)接觸狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，同時(shí)可以對(duì)接觸界面處的接觸力進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集；

(3)選擇高細(xì)分電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可以在較大跨度內(nèi)調(diào)節(jié)移動(dòng)副間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，進(jìn)而可以研究不同的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)粘滑摩擦特性的影響；

(4)通過(guò)調(diào)節(jié)光源與滑塊試樣、滑塊試樣與投影屏幕之間的距離，可以實(shí)現(xiàn)投影圖樣尺寸的調(diào)節(jié)，為研究工作提供方便。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)接觸力測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)法向加載裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)接觸狀態(tài)測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)切向驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖編號(hào)：

1-基座，2-支撐桿，3-支撐面，4-l形擋板，5-上固定試樣，6-滑塊試樣，7-下固定試樣，8-驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端，9-第一力傳感器，10-連接部件，11-電動(dòng)缸，12-電動(dòng)缸支架，13-數(shù)據(jù)采集儀，14-計(jì)算機(jī)，15-電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，16-上壓塊，17-第二力傳感器，18-下壓塊，19-法向加載裝置的上基座，20-第一鉸鏈軸，21-第二鉸鏈軸，22-第三鉸鏈軸，23-第四鉸鏈軸，24-第五鉸鏈軸，25-步進(jìn)電機(jī)，26-滑塊，27-第一連桿，28-第二連桿，29-第三連桿，30-第四連桿，31-法向加載裝置的活動(dòng)面，32-一字線激光器，33-相機(jī)，34-投影屏幕，110-移動(dòng)副試樣，120-法向加載裝置，130-切向驅(qū)動(dòng)裝置，140-接觸力測(cè)試裝置，150-接觸狀態(tài)測(cè)試裝置。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，包括：移動(dòng)副試樣110、法向加載裝置120、切向驅(qū)動(dòng)裝置130、接觸力測(cè)試裝置140和接觸狀態(tài)測(cè)試裝置150五大部分。

在介紹這五部分之前，首先說(shuō)明，基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)可以具有基座，其中，基座1可以為光學(xué)平臺(tái)，光學(xué)平臺(tái)上均布著6mm螺紋孔。

結(jié)合圖2所示，移動(dòng)副試樣110包括上固定試樣5、下固定試樣7、l形擋板4、滑塊試樣6。其中，滑塊試樣6位于上固定式樣5和下固定式樣7之間且相互接觸，且上固定式樣5、下固定式樣7和滑塊試樣6質(zhì)地相同。其中，質(zhì)地相同是指制作的材料相同、表面參數(shù)相同、寬度與上固定式樣5和下固定式樣7相同，其材料可以為透明材料。關(guān)于移動(dòng)副試樣固定連接關(guān)系為，下固定式樣7放置于基座1上，實(shí)現(xiàn)下固定式樣7的完整定位，上固定試樣5的上表面與下壓塊18固結(jié)。滑塊試樣6為實(shí)驗(yàn)滑塊，可以為任意形狀的試驗(yàn)品。

結(jié)合圖2所示，基座1與四根支撐桿2利用螺栓相連接，支撐面3置于支撐桿2上方并與支撐桿2利用螺栓連接固定。

其中，上固定式樣5和下固定式樣7的一端利用l形擋板4定位，l形擋板4利用螺栓與基座1連接固定。結(jié)合圖3所示，法向加載裝置120包括：步進(jìn)電機(jī)25、滑塊26、剪叉式結(jié)構(gòu)。法向加載裝置包括有法向加載裝置的上基座19和法向加載裝置的活動(dòng)面31。剪叉式結(jié)構(gòu)由第一個(gè)鉸鏈軸20，第二個(gè)鉸鏈軸21，第三鉸鏈軸22，第四鉸鏈軸23，第五鉸鏈軸24，第一個(gè)連桿27，第二個(gè)連桿28，第三個(gè)連桿29，第四個(gè)連桿30及法向加載裝置的活動(dòng)面31組成。

在一些實(shí)施例中，法向加載裝置的上基座19通過(guò)螺栓與支撐面3固定連接。步進(jìn)電機(jī)25的輸出端為絲杠。步進(jìn)電機(jī)25與法向加載裝置的上基座19通過(guò)螺栓連接?；瑝K26內(nèi)部有螺紋并與絲杠配合，滑塊26的上端平面與法向加載裝置的上基座19表面形成定位，滑塊26在步進(jìn)電機(jī)25工作時(shí)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，并且滑塊26與第四個(gè)鉸鏈軸23過(guò)盈配合在直線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)帶動(dòng)剪叉式結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)法向加載裝置沿法向方向的加載運(yùn)動(dòng)。

結(jié)合圖2和圖5所示，切向驅(qū)動(dòng)裝置130包括：電動(dòng)缸11、電動(dòng)缸支架12、連接部件10。

在一些實(shí)施例中，結(jié)合圖2和圖5所示，切向驅(qū)動(dòng)裝置130的具體連接為：電動(dòng)缸支架12通過(guò)螺栓與基座1固定連接。電動(dòng)缸11可以輸出微米量級(jí)的直線運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)缸11與電動(dòng)缸支架12通過(guò)螺栓固定連接。連接部件10與電動(dòng)缸11通過(guò)螺栓連接。其中，電動(dòng)缸11可以包含步進(jìn)電機(jī)、高減速比減速器及可實(shí)現(xiàn)切向運(yùn)動(dòng)的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。

結(jié)合圖2所示，接觸力測(cè)試裝置140包括：第一力傳感器9、第二力傳感器17、數(shù)據(jù)采集儀13、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端8、上壓塊16、下壓塊18。

在一些實(shí)施例中，再結(jié)合圖2和圖5所示，接觸力測(cè)試裝置140的具體連接為：第一力傳感器9通過(guò)螺栓與切向驅(qū)動(dòng)裝置相連接。第二力傳感器17通過(guò)螺栓與法向加載裝置相連接。數(shù)據(jù)采集儀13放置在基座1上，與第一力傳感器9和第二力傳感器17相配合，實(shí)現(xiàn)接觸力的動(dòng)態(tài)測(cè)量。第一力傳感器9與連接部件10通過(guò)螺栓固定連接，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端8與第一力傳感器9通過(guò)螺栓連接。法向加載裝置的活動(dòng)面31與上壓塊16之間通過(guò)螺栓連接，上壓塊16與第二力傳感器17之間通過(guò)螺栓連接，第二力傳感器17與下壓塊18之間通過(guò)螺栓連接。其中，數(shù)據(jù)采集儀13可以為dasp數(shù)據(jù)采集儀。計(jì)算機(jī)14放置在數(shù)據(jù)采集儀13上方，以便用戶能實(shí)時(shí)看到接觸力的動(dòng)態(tài)測(cè)量，為研究工作提供方便。

結(jié)合圖4所示，接觸狀態(tài)測(cè)試裝置150包括：一字線激光器32、投影屏幕34、相機(jī)33。

接觸狀態(tài)測(cè)試裝置150的具體連接方式為：一字線激光器32放置在激光器支架上，激光器支架通過(guò)螺栓與基座1固定連接。投影屏幕34所處平面與滑塊試樣6的側(cè)面平行，且與激光器32分別布置于滑塊試樣6的兩側(cè)，投影屏幕34通過(guò)雙面膠固定于實(shí)驗(yàn)室墻面上。相機(jī)33放置在相機(jī)支架上，相機(jī)支架通過(guò)螺栓與基座1固定連接，用于采集投影屏幕上的接觸圖樣。這樣可調(diào)節(jié)光源與滑塊試樣、滑塊試樣與投影屏幕34之間的距離，可以實(shí)現(xiàn)投影圖樣尺寸的調(diào)節(jié)，為研究工作提供方便。

結(jié)合圖1和2所示，還包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15設(shè)置與支撐面3上，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15與步進(jìn)電機(jī)25和電動(dòng)缸11相連，用于控制步進(jìn)電機(jī)25和電動(dòng)缸11的轉(zhuǎn)速。

作為一個(gè)示例，本系統(tǒng)的工作過(guò)程如下；

首選通過(guò)調(diào)整激光器支架而調(diào)節(jié)一字線激光器32的角度及滑塊試樣6之間的距離，以保證片狀激光在接觸界面處的入射角大于透明材料對(duì)空氣的全反射角。接觸界面處的透射光線投影到投影屏幕34上，呈現(xiàn)出移動(dòng)副粘滑摩擦運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接觸界面真實(shí)接觸狀態(tài)圖樣，調(diào)整相機(jī)33與投影屏幕34之間的相對(duì)位置，以取得最佳的成像效果。

調(diào)整滑動(dòng)試樣6與上固定試樣5和下固定試樣7之間的位置，使得實(shí)驗(yàn)過(guò)程中滑動(dòng)試樣6的運(yùn)動(dòng)范圍處于固定試樣中部區(qū)域，盡量避免在法向加載的過(guò)程中存在偏載現(xiàn)象。

將第一力傳感器9、第二力傳感器17與數(shù)據(jù)采集儀13相連，以實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試樣接觸界面處接觸力的動(dòng)態(tài)測(cè)量。將步進(jìn)電機(jī)25及電動(dòng)缸11的步進(jìn)電機(jī)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15相連接，通過(guò)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15的設(shè)置可以實(shí)現(xiàn)法向載荷的加載，并得到恒定的切向驅(qū)動(dòng)速度。

完成以上準(zhǔn)備工作后，即可開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。接通電源，首先利用法向加載裝置120對(duì)接觸界面處施加一定的法向力，而后打開(kāi)一字線激光器32，調(diào)節(jié)光路，直至在投影屏幕34上出現(xiàn)完整且清晰的接觸圖樣。接下來(lái)設(shè)置電動(dòng)缸11的驅(qū)動(dòng)速度并利用電動(dòng)缸11實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)試樣6的粘滑運(yùn)動(dòng)。通過(guò)第一力傳感器9、第二力傳感器17及數(shù)據(jù)采集儀13，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中界面接觸力的動(dòng)態(tài)采集。利用相機(jī)33的錄像功能對(duì)投影屏幕34上的投影圖樣進(jìn)行錄像，實(shí)現(xiàn)在粘滑運(yùn)動(dòng)中接觸界面真實(shí)接觸狀態(tài)的動(dòng)態(tài)觀測(cè)。

根據(jù)本發(fā)明的基于光測(cè)法的移動(dòng)副粘滑摩擦特性動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)法向加載裝置和切向驅(qū)動(dòng)裝置為滑塊試樣的接觸界面提供切向速度和法向載荷，并對(duì)滑塊試樣接觸界面的真實(shí)接觸狀態(tài)和接觸力進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量，解決了傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)功能單一、操作復(fù)雜、無(wú)法同時(shí)對(duì)移動(dòng)副粘滑摩擦運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接觸界面間的真實(shí)接觸狀態(tài)和接觸力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量等問(wèn)題。

此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性或者隱含指明所指示的技術(shù)特征的數(shù)量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個(gè)該特征。在本發(fā)明的描述中，“多個(gè)”的含義是至少兩個(gè)，例如兩個(gè)，三個(gè)等，除非另有明確具體的限定。

在本發(fā)明中，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術(shù)語(yǔ)應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通或兩個(gè)元件的相互作用關(guān)系，除非另有明確的限定。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

在本說(shuō)明書的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不必須針對(duì)的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以將本說(shuō)明書中描述的不同實(shí)施例或示例以及不同實(shí)施例或示例的特征進(jìn)行結(jié)合和組合。

盡管上面已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，可以理解的是，上述實(shí)施例是示例性的，不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行變化、修改、替換和變型。