微小摩擦力測量儀的測力系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要摩擦現(xiàn)象與人類的生產(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，它們之間的摩擦介于微觀與宏觀摩擦之間，稱之為微小摩擦。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。本文提出了一種全新的微小摩擦測試儀器，將激光三角位移測量儀與雙平行板彈簧片測力臂相配合，實(shí)現(xiàn)對微小摩擦力的測試，結(jié)合有限元 件Ansys對測力臂 行 ， 具有 ， 。本文有三部 微小摩擦力測試儀的 結(jié) 設(shè)計(jì)。微小摩擦力測試儀的測力臂設(shè)計(jì)。對微小摩擦力測試儀的 測試數(shù) 行 。關(guān) 微小摩擦力測試儀 測力臂 有限元 激光三角 ABSTRACTThe phenomena of friction have close relations with peoples live and production. 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 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 for 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；Analyzing performance and data of the Micro-friction testings apparatus.Keywords: micro-friction testings apparatus measuring arm of force Finite element analysis Laser triangulationI長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)目 一 .1 1.1 .1 1.2 研究的現(xiàn) .2 1.3 本文研究的 .3 微小摩擦實(shí)儀的 設(shè)計(jì) .4 2.1 微小摩擦技術(shù)的currency1介 .4 2.2 微小摩擦實(shí)儀的 設(shè)計(jì) .4 2.3 測力系統(tǒng)理 其“ .7 三 微小摩擦測力臂的設(shè)計(jì) .8 3.1 微小摩擦力測力臂的結(jié) .8 3.1.1 微小摩擦測力fifl器的幾 要 和 .8 3.1.2 微小摩擦測力fifl器的結(jié) 設(shè)計(jì) .9 3.1.3 測力fifl器的重 .13 微小摩擦力測試系統(tǒng)測 的實(shí)現(xiàn) .14 4.1 激光位移測量儀的currency1介 .14 4.2 激光位移測量儀的 .15 4.3 測量理 .16 4.3.1 工理的理 .16 4.3.2 ”激光三角位移測儀測量 的因 .19 結(jié) .21 文 .22 .23 II長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)一 摩擦學(xué)研究的對象，在機(jī)工 要 摩擦， fi 電 和 零件 工介 摩擦 ，和 機(jī) 機(jī) 工 的摩擦學(xué) ， 工切 工和 工 彈 摩擦， 與 的摩擦彈 密 的力 特殊工況條件下的摩擦學(xué) ，宇宙探索 遇到的 真空低溫和離子輻射 ，深海業(yè)的 壓腐蝕潤 劑稀釋和防 密 。摩擦學(xué)涉 許多學(xué)科。為了了解磨損的發(fā)生發(fā)展機(jī)理，尋找各種磨損類的相互 化以 合的錯綜關(guān)系，需要對 的磨損全過 行微觀研究。僅就油潤 摩擦來說，就需要研究潤 力學(xué)彈 和塑 潤 劑的流變 貌fi熱學(xué)和熱力學(xué)摩擦化學(xué)和 物理 ，涉 物理化學(xué)材料機(jī)工和潤 工 學(xué)科。英由于較好地應(yīng)用了摩擦學(xué)知識，每年 節(jié)約不下五億一千五百萬英鎊。這筆巨款是由各筆節(jié)約費(fèi)用所組 的。 見，摩擦學(xué)的研究對民經(jīng)濟(jì)具有重要意義。 估計(jì)，全世界大約有/2一/3的 源以各種式消耗在摩擦上。而摩擦導(dǎo) 的磨損是機(jī)設(shè)備失效的要因，大約有80%的損壞零件是由于各種式的磨損起的。因此，控摩擦，減少磨損，改善潤 已 為節(jié)約 源和材料縮短維修 間的重要措施。 ，摩擦學(xué)對于提 產(chǎn)品 量延長機(jī)設(shè)備的使用壽命和增強(qiáng) 有重要用。由于摩擦學(xué)對工 業(yè)生產(chǎn)和人民生活的巨大”，因而起世界各的 重 ， 到 的應(yīng)用。工業(yè) 命以 ，機(jī)器的大量使用對其產(chǎn)生了迫切需 ，使其研究和發(fā)展 了一 新的 。由于摩擦學(xué)現(xiàn)象發(fā)生在 ，”因 多，這就使 理 和實(shí)研究 較為 ，因而理 與實(shí) 的相互 和 是摩擦學(xué)研究的 一 特 。隨著理 研究的 深 和實(shí)技術(shù) ，目前摩擦學(xué)研究的發(fā)展 由宏觀 微觀 由 量 由 以 由一學(xué)科角 的 多學(xué)科的綜合研究。隨著微電子技術(shù) 到機(jī)工的各 和機(jī)電一 化的發(fā)展，大地 了機(jī)微小化 的速發(fā)展。20世80年 currency1興起的微機(jī)電系統(tǒng)“ ，是fi于的現(xiàn)科學(xué)技術(shù) 為fl 微 米科學(xué)技術(shù)的重要組 部1長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)的一新的科技，它將微機(jī) 微器微電源微fifl器和控電 于一 ，具有 小 量低 和 化 一系 ，在生物學(xué)”控空數(shù) 信fifl技術(shù) 現(xiàn)技術(shù)展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用發(fā)展力。經(jīng)過 密 的微機(jī)電系統(tǒng)，由于尺寸的減小，摩擦 的間于微/ 米級，在過 ，此尺寸效應(yīng)的”， 著力摩擦力 力相對于fi統(tǒng)機(jī) 的 力而，現(xiàn) 出， 為”“ 和使用壽命的關(guān)因。在這種條件下，宏觀摩擦學(xué)的理 已不用， 研究以界 上 子子為 對象的 米摩擦學(xué)特 。年來“ 米摩擦學(xué)研究所 的研究 ，不僅 和 了 米摩擦學(xué)的fi 研究 ，而 為設(shè)計(jì) 發(fā) 善行 應(yīng)多應(yīng)變”的“產(chǎn)品提 了重要技術(shù) 。摩擦現(xiàn)象與人類的生產(chǎn)和生活密切相關(guān)， 80年子 微 和摩擦力 微 世以 ，發(fā)現(xiàn)在子 子 米級尺 下宏觀的摩擦 不 用，摩擦學(xué)研究 微觀與宏觀結(jié)合的新 ，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展而興起的微電子機(jī)系統(tǒng)“，其零部件的幾何尺寸目前一般在微米數(shù)量級， 們之間的摩擦介于微觀與宏觀摩擦之間，稱之為微小摩擦。對于微小摩擦現(xiàn)象是 宏觀摩擦 ，摩擦件的尺寸 到何種 微觀摩擦的，這是 前 “研究的人們所需解的 。由于微小結(jié) 的條件限，目前對其機(jī)理的研究 起 ，不 對上 出明確 。而“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 研究的現(xiàn)20世80年 currency1在上興起了 米摩擦學(xué)，它是在子 子尺 上研究摩擦界 上的行為損 其對 。在它的研究過 是施 的 ， 是研究對象的 ，于相對 的速 是 米量級的。它微觀角 研究了摩擦的機(jī)理，在 摩擦界 的微觀結(jié) 和特 。 是，由于 米摩擦學(xué)研究涉 到摩擦界 的微觀 過，在理 和實(shí)研究上 在大 ?，F(xiàn) 測試技術(shù)和儀器的發(fā)展，提 了在子 子尺 上觀 現(xiàn)象 其變化的有效手 ，使 米摩擦學(xué)的實(shí)研究 為 。 以說， 米摩擦學(xué)是在 米 貌和微小 力測量技術(shù)發(fā)展的fi 上逐 善的。米摩擦學(xué)實(shí)研究儀器要是掃 描探針 微 scanning probemicroscope, P“ ，它 掃描隧道 微 scanning tunneling microscope, T“ ，子力 微 atomic force microscope, AF“以 摩擦力 微 friction force microscope, FF“， 者亦稱為橫力 微 2長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)lateral force microscope, LF“。此， 有專門研的實(shí)儀器，例，力儀surface force apparatus, FA 光干涉 米潤 膜測試儀石英晶 微平quartz crystal microbalance,QC“ 到應(yīng)用。年來， 有一些新裝置出現(xiàn)，例 微 point contact microscope, PC“。這些儀器將隨著試測試技術(shù)的 一 善，更 實(shí)地反映實(shí)工況。而宏觀摩擦學(xué)研究對于降低機(jī)設(shè)備的摩擦 耗，提 抗磨損壽命和 ，以 推機(jī) 數(shù)工況發(fā)展起著重要用，它已 為現(xiàn)機(jī)設(shè)計(jì)和 的重要fi 學(xué)科之一，因此宏觀摩擦學(xué)研究仍然是本學(xué)科發(fā)展的流。然而， Hardy 出了 潤 油 的 子與 之間的物理化學(xué)用而 吸附膜的邊界潤 。Tom lison 子角 了固 在 的 量 換和摩擦起因。特別是 Bowdon和Tabo建立了以著效應(yīng)為fi 的摩擦磨損理 ，人們越來越發(fā)覺宏觀研究不 深 地 摩擦界 的微觀結(jié) 和特 因而它所建立的理 往往具有大的局限 。，由于 今固 摩擦理 不夠 善， 使摩擦系數(shù)數(shù)值離散 大，在工設(shè)計(jì) 以預(yù) 其準(zhǔn)確數(shù)值 此，機(jī)設(shè)備的噪聲大 來源于摩擦劇變化起的振 有， 密機(jī) 的微機(jī) 和 位裝置的爬行現(xiàn)象。這些 需要改善摩擦的品 來解。然，宏觀研究與微觀研究相結(jié)合， 將 摩擦學(xué)更 善。 在機(jī)設(shè)計(jì)和 對提 機(jī) 和 工 有著重要的貢。因此，十幾年來 美越來越關(guān)注這 的研究， 先 有相應(yīng)的 文發(fā)，上海交 大學(xué)采用微電機(jī) 元件和測試元件 過 微電機(jī)在施 壓力前 特 的改變的 ，間 地計(jì)算出微小摩擦力的大小 南京空大學(xué)的范炯人研的多功 摩擦實(shí)機(jī) 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的鄒繼斌 人研的微負(fù) 摩擦測試系統(tǒng) 本京 市工業(yè)實(shí)所研的微小摩擦力測試儀 。這些儀器測量出了毫牛頓數(shù)量級下兩種不 材 試件間的摩擦力。這對研究介于宏觀和微觀摩擦學(xué)之間的摩擦現(xiàn)象， 十 具有理 意義和現(xiàn)實(shí)意義。3本文研究的 摩擦直 關(guān)系到系統(tǒng)的 耐久 和 量的利用率，摩擦的研究對微機(jī)電系統(tǒng)微 米 工技術(shù)的不斷用將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的”。然而，關(guān)于摩擦的研究采用的是實(shí)研究的 ，目前沒有合的測試設(shè)備對微小摩擦 行測量。本課要的研究 就是研出微小摩擦力測試儀。用來 在微小 和微小 毫牛頓數(shù)量級用下摩擦 間的摩擦現(xiàn)象。 過實(shí) 到在3長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)不 介 ” 的摩擦況和摩擦特 數(shù)，為微機(jī) 的設(shè)計(jì)以 理解微機(jī) 特 提 。 微小摩擦實(shí)儀的 設(shè)計(jì)2微小摩擦技術(shù)的currency1介微小摩擦力實(shí)儀有別于 米摩擦學(xué)的實(shí)測試儀器。在 米摩擦學(xué)的實(shí)測試儀器 其所施 的 是所研究的材料的 于相對 的速 是采用 米量級的。它們研究的是子 子尺 上摩擦界 的微觀結(jié) 和特 而這里所要 發(fā)的微小摩擦力實(shí)儀則是在微小 和微小 用下測試摩擦力的一種儀器，它介于微米和毫米數(shù)量級之間，這與 米量級來 行比較毫疑 是相 大的， 相對于宏觀 來說又是相 小。 ，它的相對 速就微觀而是相 的。在機(jī) 這種條件下的摩擦是經(jīng) 以看見的，在系統(tǒng) 我們到底使用宏觀的摩擦學(xué)理 使用微觀的理 呢?這就需要我們對這種條件下的摩擦來 行 ， 過對該儀器的實(shí)來找到與之相合的理 。由 摩擦的宏觀研究 出，固 摩擦 Amoritons 頓摩擦 式，摩擦力F與 P 比，其比例數(shù) 為摩擦系數(shù)F P= 2在界 摩擦過 ，有2/3 4/31 2 3F C P C P C P= + + 22式22 ，C C2 C3, 別為與著 w彈 數(shù) r 有關(guān)的 數(shù)。由式22 知，在組 界 摩擦力的各因 ， 三所 比例較小， 以 不計(jì)。 著強(qiáng) 較大 ， 一是界 摩擦力的要組部 ，此 以 地采用式 的 一。而 P相對較大 ，界 摩擦力將以 為， 于描 摩擦的Amontons 式2。22微小摩擦實(shí)儀的 設(shè)計(jì)在微小摩擦測量 ， 壓力和摩擦力 小， 確測量 來較大 。就微小 壓力施力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)而，該系統(tǒng) 具有 的 力，其 ，微負(fù)4長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)的測量本 需要采 一些特殊的技術(shù)措施，目前要采用的有 變 與位移 。其 ， 以 角的變化測量摩擦力。 不用于摩擦與磨損實(shí) 變 與位移 以 數(shù) 微 測量摩擦力， 數(shù)又不 。本文設(shè)計(jì)了一種微負(fù) 摩擦試系統(tǒng)，不 用于摩擦系數(shù)的測量，而 用來 行摩擦與磨損實(shí)。一設(shè)計(jì) 需要解的技術(shù) 和關(guān)技術(shù) 微小 的 以 的 2摩擦力 “ 的機(jī)結(jié) 小化 和 currency1 的實(shí)現(xiàn) 3部件的 摩擦 小更換的實(shí)現(xiàn) 測量的 和測試 的 裝置的組 測量理微小摩擦力實(shí)儀要 摩擦力 系統(tǒng)摩擦力測試系統(tǒng)控以 系統(tǒng)。微小摩擦測試儀的測量理2所 。2.1 系統(tǒng)理微小摩擦實(shí)儀的結(jié) 理22所 。5長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)22 微小摩擦力測試儀結(jié) 理各部 元器件的用 1.電機(jī)為 提 2. 平 fl裝置 fl測力臂 平位置3.直 fl裝置 fl測力臂直位置4測力臂 將摩擦力產(chǎn)生的變準(zhǔn)確反映出來的雙平行板currency1臂5.激光位移測量儀準(zhǔn)確測量摩擦力產(chǎn)生變的裝置6.摩擦 和摩擦 產(chǎn)生摩擦力的部件7.摩擦和摩擦 產(chǎn)生摩擦的 8. “測速fifl器準(zhǔn)確測量 速(1)微小摩擦測力系統(tǒng)該測力系統(tǒng) 壓力和摩擦力測量兩部 。測力系統(tǒng)由壓力 裝置測力臂激光位移測量儀 儀 組 。測力臂由兩組平行板彈簧組 前 平裝的平行板彈簧配合壓力 裝置用來提 壓力， 壓力平行板彈簧 fi直裝的平行板彈簧 夠準(zhǔn)確反映摩擦力在 平 上的變，摩擦力平行板彈簧。2.3所 。6長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)2.3測力臂理結(jié) 過 fl直 裝置的 量，使 壓力平行板彈簧發(fā)生變， 而產(chǎn)生壓力施 在摩擦 上，使摩擦 與fl 的 ，發(fā)生摩擦 過測 將摩擦力fi 摩擦力平行板彈簧，使其發(fā)生變，由激光位移測量儀測 其變量的大小， 而 到摩擦力。2位置 fl系統(tǒng)位置 fl系統(tǒng)由 平 和直 組 。 系統(tǒng)采用了 京光學(xué)儀器的 密位移，為PT03“和T“202。它們的 為um，小 數(shù)為l0um它 在一 范 節(jié)測 的, , 的位置，改變摩擦 在 上的位置。這 以 節(jié)”測件 的 ， 而改變”測試件間的相對速 今 ，, , 實(shí)現(xiàn) 控， 以實(shí)現(xiàn) 米級微小切 。3 系統(tǒng)系統(tǒng) 裝置電機(jī)系統(tǒng)。 裝置由 ， 組 。系統(tǒng)是電機(jī) ， 過 fi ，使 ， 過測速系統(tǒng)測 的 速。 節(jié)電機(jī)的 速和 節(jié)”測試件 的 ，就 以改變”測試件間的相對速 。23測力系統(tǒng)理 其“經(jīng) 式f 23 F 2 2 為摩擦系數(shù) 為 壓力 2為彈 系數(shù) 為彈片的變量測試 設(shè)計(jì)“，2 7長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)2.4 測試 設(shè)計(jì)“上所 ， 摩擦 和摩擦 ，摩擦 ，就在者之間產(chǎn)生一 摩擦力，這 摩擦力用在測力臂上將產(chǎn)生一 變，使測力臂的摩擦 一發(fā)生移， 過激光位移測量儀的的測量 以 出這 位移量S, 過 式2.4 以 出摩擦力F,然 利用經(jīng)力學(xué) ，在速條件下，摩擦力F和摩擦力 相 ， 到摩擦力， 在對摩擦力 行 。三 微小摩擦測力臂的設(shè)計(jì)3微小摩擦力測力臂的結(jié) 3微小摩擦測力fifl器的幾 要 和 微小摩擦測力fifl器的 要 是 重 好測試裝 。因此在fifl器的設(shè)計(jì)過 要解以下關(guān) 何在兩 之間施 的 壓力，該 壓力 使 之間產(chǎn)生夠大的摩擦力，又不”fifl器的 。何 的更換摩擦 。何在施 壓力 ， 準(zhǔn)確實(shí) 地測量出 壓力毫牛級和摩擦力。 壓力和摩擦力不合。為 測量 和 ，要解系統(tǒng)防振防溫 抗干 。8長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)32微小摩擦測力fifl器的結(jié) 設(shè)計(jì)一微小摩擦測力fifl器結(jié) 的確 3 微小摩擦測力fifl器過上一小節(jié)的 ，微小摩擦測力fifl器的結(jié) 3所 ，采用了平行板彈簧結(jié) 。平行板彈簧結(jié) 是彈 的一種式，在 結(jié) 具有 特的特 ，它 以產(chǎn)生平行位移。本研究 是利用這種特 ，使 摩擦 在”施力的 下和摩擦的 不變。 ，板彈簧具有 摩擦 磨損， 應(yīng)真空低溫 壓和輻射 工”，結(jié) currency1 ， 本低 特 。在 密測試儀器 到 來 的應(yīng)用，年來在空和海 的 密測量儀器 有重要的 發(fā)。 然，由于它的變特 的限 局限于小量微位移的 合 理 的 。平行板彈簧結(jié) 32所 。兩 片板彈簧AB和C 平行固 ，相 為。兩 片板彈簧的一A和C固 在固 板上， 一B和 固 在活板上。兩片板彈簧的長 b 和 是相 的。用在活板上的力為P，活板所產(chǎn)生的位移量為f。9長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)32平行板彈簧結(jié) 式32所 的結(jié) 式，力P用在離固 板為 離的活板上。 彈 材料的特 ，力與變的關(guān)系 推算出下的 式。3 3324 2pl plfEI Ebh= = 3式 f活板的位移量 p施 在活板上的力 材料的彈 “量 板彈簧的工長 ， 界 為 b 3/2 b板彈簧的 板彈簧的 實(shí)試結(jié)明，在平行板彈簧的活板上用33所 的力py，力py的”是使板彈簧結(jié) 產(chǎn)生的 ，因?yàn)榘鍙椈山Y(jié)在這 上的 相對來是比較大的，所以，此種 是微小的。我們 以 這種” ，而 為橫 比較 。10長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)33平行板彈簧力 由于微小摩擦測力fifl器的測力范 在毫牛級別， 平行板彈簧的橫 比較 ，因此，采用3所 的結(jié) 。前 兩組平行板彈簧不產(chǎn)生 大的干涉， 全 以 摩擦力和 壓力不產(chǎn)生合。設(shè)計(jì)平行板彈簧結(jié) 的幾 注意 隨著的減小，導(dǎo) 提 。 活板重量小和橫用力P微小的條件下，尺寸s和板彈簧的 對活板的 特 ”不大。2板彈簧的 一般應(yīng)小于00l。3活板和固 板之間的范 ，s的尺寸不應(yīng)過00300mm。板彈簧固 范 的 a 0032 m。板彈簧固 的平行 不大于00002mm在00mm長 。為了提 應(yīng)變fifl器的 力有 要 地減小彈簧的 。微小摩擦測力fifl器的結(jié) 設(shè)計(jì)微小摩擦測力fifl器用應(yīng)變計(jì)測量用在板彈簧的力，要就是測量33 所 的位移f。33 ，在活用力P ，活產(chǎn)生位移f的數(shù)值 由 式3 。 以看出在板彈簧的 b相 的條件下，用相 的力P，要提 fifl器的 力，需要 板彈 的工長 長， 板彈簧的 減小 ， 要 到材料的 強(qiáng) 。彈簧片材料的 熱理是一種 出 化 合 。是機(jī) 物理 化學(xué) 抗腐蝕 好結(jié)合的 一有 合 ，經(jīng)固溶和熱效熱理 ，具有特殊鋼相 的強(qiáng) 限彈 限屈 限和疲勞限， 又具有 的導(dǎo)電率熱導(dǎo)率 和耐磨 。因此應(yīng)用于電子電器 訊儀器空石油化工，冶 礦山， 。因此使用為彈簧片是理 的材料。格3。11長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)化學(xué)Be Co Ni Si Cu1.8-2.25 0.35-0.65 0.25-0.75 0.2-0.35 余量物理密 g/cm(20)溶化溫 拉伸彈 “量Gpa熱導(dǎo)率W/mk(20)線膨脹系數(shù)Um/( mk)(20-30)8.3 880-980 130 105 17.0機(jī)抗拉強(qiáng) MPa屈 強(qiáng) (0.2%)MPa延伸率% 電導(dǎo)率1ACS%1250 1045 1 36-43HRC 18材料 QBe2經(jīng)查知 相關(guān)的一些數(shù)彈 “量 3/0Pa 密 83 x 03 g/m3淬火 T80o 0o經(jīng) 火 28o o材料杭拉強(qiáng) b 2x09Pa全系數(shù) 由查 ，知n2材料的許用彎曲應(yīng)力 b bn 912.5 102.5 0x09 Pa 32應(yīng)變片 大應(yīng)力 m * max 3 x 0 x 002 22 x 09 Pa 33應(yīng)變片的全，彈簧片在大用力的用下所產(chǎn)生的大應(yīng)力max min m , 6 m 22 x 09 Pa min min 3x0x0x0-x0 Pa 要滿測力 有變又 應(yīng)變片的全，則彈簧片的應(yīng)力 x 0 Pa 22 x 09Pa2 的 強(qiáng) 計(jì)算 的 指標(biāo) 12長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)23 2pl plz bh = = 3 26bhz = 3彈簧的 332EbhKl= 3綜合 了裝，前 兩 平行板彈簧片間的耦合 ，由 式 3 和式 3確 了一組平行板彈簧。尺寸 格為板彈簧的 b0mm板彈簧的 0mm板彈簧的工長 l0mm板彈簧的 有 式 3 到 3m/mm 33測力fifl器的重 重 fifl器在輸 量按 一 全量多 變 所 特 曲線的不一 。重 好，fifl器小， 用隨機(jī)來描 數(shù) 離散 ，因此，用標(biāo)準(zhǔn)s 重 ，s用下式計(jì)算21( )1niiY Ys n= 37式 iY一輸出測量值 Y-測量值的平 值 n一測量 數(shù)重 用下式計(jì)算(23) 100%fF sseY= 貝 g 38s前的系數(shù) 2 ， 布，置信概率為9% 3 ，置信概率為997%。該測力fifl器的重 約為3%。13長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié)見，微小摩擦測力fifl器的 直 ”到摩擦力測試儀的 。本過對測力fifl器的要 和 的 ，在結(jié) 上采用了平行板彈簧結(jié) 。利用平行板彈 的平行位移的特 ，使 摩擦 在施力 下， 和摩擦的 不變。 微小摩擦力測試系統(tǒng)測 的實(shí)現(xiàn)激光位移測量儀的currency1介激光三角位移測量儀是光三角式fifl器的理為fi 的。光三角式fifl器是fi于光束 射”測物 產(chǎn)生反射， 射光與反射光 三角， 反射光束的位置變化 以確 ”測物 位置，”測工件的尺寸 其 ，”測物 與光源之間的 離 數(shù)，所以它 到了的應(yīng)用。它 夠測反射光束位置的光電fl器件要有CC c arge coupled device,光電管陣，大光 的光位置fifl器 position sensing detector,P 。前兩種 于 光電測，因此需要部電 和掃描電 配合使用 以 到測量的目的 。P 其輸出的信為“擬信 要 有“擬信理電 就 以了，不需要其 電 的 。在測量的 上光電管陣明 的 于其 兩種，因此，在 密測試 少應(yīng)用。CC 和P 各有其 缺 ，所以在實(shí)測試 要 不 的要出，這里 是currency1要介紹下光三角式fifl器的理，實(shí) 的光電fifl器的 其理由，將在以 節(jié) 出詳 的 。光三角式fifl器是 于 式fifl器，它不”測物 空間結(jié) 的限，使用活， 它本 結(jié) currency1 ， ，抗電 干 強(qiáng)。已 功地將光三角fifl技術(shù)應(yīng)用于控系統(tǒng) 物 的 離測與 位控， 了令人滿意的效。在實(shí)的測試系統(tǒng) ，許多光電fifl器的應(yīng)用 是fi于光三角式fifl器技術(shù)的理的。許多一維和多維的測量fifl器 是建立在三角 的fi 之上的。在反射式 關(guān)fifl器 ，應(yīng)用三角 來消除陽光輻射， 照明 ”因的”用來 節(jié)和 一 固 的和明確的 關(guān) 離。在一維fifl器 ，采用三角 行 離測量， 過 和專門的評價 件 以擴(kuò)展為對空間幾何數(shù) 的采測量和理。14長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)2激光位移測量儀的隨著激光光學(xué)， 密機(jī)，電子學(xué)，光電fifl器技術(shù)，CC 像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù) 多門學(xué)科迅速發(fā)展，激光三角位移測試技術(shù) 到了的發(fā)展，人們不 的需 工 出出了各種各的激光三角位移測力儀，不僅僅是在 和速 上 到了 著的提 ， 過一些特殊的技術(shù)， 以是激光三角位移測試 溫和低溫的條件，這明 的擴(kuò)展了它的應(yīng)用。過對 的激光三角位移測量儀的 研，就目前的要 來，市 上的激光位移測試 好的滿對微小力產(chǎn)生的微小位移量 出 確的測。我們找到了一種比較合的激光三角位移測量儀來搭建系統(tǒng)，使其 好的滿現(xiàn) 的要 ，有又要具備一 的 發(fā)展 。因此，綜合了 前的試要 和為將來的一 ， 采用L 00 低價位激光位移fifl器。下 出了其具數(shù)。 我們不發(fā)現(xiàn)，其測試的 以滿實(shí)要 ，理的速 fi本滿實(shí) 測量對 速的要 。 4.1ZLDS100 低價位激光三角漫反射位移fifl器特 防護(hù) 級 ，工溫 范 ，有 功 ， 用于測測長 ，特別用工業(yè)” 使用。15長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用 ZLDS100 功應(yīng)用于IKP5手 式激光火 緣 廓測量儀， 用于 測量位移三維尺寸 廓物 變振液位 揀。擴(kuò)展功 要 數(shù) (1)有兩 以上激光掃描 功 確 工業(yè)在線 測量 (2)有輸 信 發(fā) 功 在線 對零件測長，測 (3)小量 0.5/2/5/10/15/25/50/100/250/500mm (4)線 0.1% 辨率0.01%(5)頻率應(yīng) 2KHz 5 8Hz(6)輸出 串行口RS232 RS485 420mA 010V (7)報警輸出 NPN 100mA 40V(8)防護(hù) 級 IP67(9) 電 5V 12V 24V(10)工溫 -10oC+60oC(11)尺寸 65x50x20(12)重量 100g本系統(tǒng)要是 過測currency1臂的微小位移量來測量微小摩擦力的。位移測是采用激光三角位移測技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，其理綜合了激光光學(xué)， 密機(jī)，電子學(xué)，光電fifl技術(shù)，CC 像技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù) 多門學(xué)科，它具有測量 ，速 ，抗干 力強(qiáng)， 測量 多種 。 以對currency1臂的 平變量 出實(shí) 在線的測， 過計(jì)算機(jī)對結(jié)實(shí)現(xiàn)在線 。而 數(shù) 串口 以在計(jì)算機(jī)上 行 ， 序擴(kuò)展。3測量理 3工理的理 激光三角 測量儀器要由激光光源 和光fifl器組 。系統(tǒng)的測量理 2所 。16長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2直射式三角 理由 斯 式 0 01 1 1l l f+ = f f= l0大位移 的物 l0l物 的象 f L的焦 激光光源照射到物 上某一 ，該目標(biāo) 的像 過 匯聚到fifl器上像 。 激光照射的物 移 ，像 在fifl器上移，在fi線長 已知，光源和fifl器 的相對位置確 的前提下， 過測量fifl器上像 的位置就準(zhǔn)確確 ”測物 與儀器之間的 離。激光三角 測量儀器 重要的組 部是fifl器，有2種fifl器 用于此，一種是位置fl應(yīng)探測器 Position ensitive etector,P 和 電 耦 合 器 件 C arge Coupled evice,CC 。P 用于小范 的 離測量，提 “擬信輸出合 斷測試使用 CC fifl器具有 好的幾何 ，產(chǎn)生的 頻信于提 數(shù)輸出。CC 具有幾何尺寸 的 ，它和光源 的幾何關(guān)系 了”測目標(biāo) 與儀器間的小 離 a 和大 離 c 。 目標(biāo) 間隔移 其像在CC 上 不是 間隔的變化，因此這種測量 線 的。以直射式為例，其測量光 所 ，激光器發(fā)出的光線，經(jīng)聚 17長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)2聚焦好直 射到”測物 3上，物 移 變化，導(dǎo) 射光 沿射光 移。 收 收來 射光 的散射光， 將其 像在光 位置探測器 CC 的fl 上。 是由于fifl器激光光束與”測 直， 有一 準(zhǔn)確 焦的位置，其余位置的像 于不 的離焦 。離焦將起像 的彌散，而降低了系統(tǒng)的測量 。為了提 ， 1 和 2 ， 滿c cimpflug條件，像平 物平 平 相交于一條直線， 1 2tan tan 式 為橫放大率。此 一 景深范 的”測 焦的 像在探測器上，而 了 。若光 在 像 上的位移為 x ,利用相 三角各邊之間的比例關(guān)系，按下式 出”測 的位移21 1 2sinsin sin( )axxb x = + 2式 ，a為激光束光 和 收 光 的交 到 收 前 的 離 b為 收 到 像 心 的 離 1 為激光束光 與 收 光 之間的夾角 2 為探測器與 收 光 之間的夾角。18長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3直射式三角 測量激光器 2聚 3”測 光 位置探測器測系統(tǒng)的工理， 導(dǎo) 激光器發(fā)出的激光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)聚焦 ，在currency1臂的一 上 一 尺寸夠小的光 光 直 大約為0mm我們 目標(biāo) 上的光 稱之為物 ，物 發(fā)出的漫反射光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng) ，在CC 上一 相應(yīng)的像 。 currency1臂沿 平 上，產(chǎn)生一 微小的位移 ， 在CC 上的像 位置 隨之產(chǎn)生變化，這就 以 過CC 上像 的位置變化 到currency1臂的 平位移量。32”激光三角位移測儀測量 的因 ”激光三角測量 的因有多種，這里 是currency1 的 要的幾種。它們 組 測量系統(tǒng)的光學(xué)部件本 的 的”, ”測 微結(jié) 的” 。組 測量系統(tǒng)的光學(xué)部件本 的要來源于 慧象散 曲和畸變 ，它們使實(shí) 像 離理 像 ，這些要 工 來消除 減少。除光學(xué)部件以，”測量 的因 有測量”，激光器光斑，CC fifl器和理電 以 ”測 特 。2 的”激光三角測量的一 前提條件是”測物 應(yīng)對 射光具有一 的散射 力，這”測物 反射的光 ”激光三角測試儀所 。物 由于具有不 的 具有不 的光散射 力，因此”測量的 。不 的 的情況 以看出，隨著 的增 ，腿 散射光的強(qiáng) 有所改變，由此”激光三角位移監(jiān)測儀的 信的強(qiáng)弱， 而”測量的 。3”測 微結(jié) 的”測物 不 的微結(jié) ”到光的散射“式?！睖y物 具有橫微條 結(jié) 的情況，兩者的光散射“式具有明 的不一。 ，在光散射的“式下不 避免的出現(xiàn)局部反射的情況 “雙絡(luò)”現(xiàn)象的出現(xiàn)，這些 ”測量的結(jié)。由于在測量 不 避免 在，因此在實(shí)的實(shí) ，要對實(shí)結(jié) 行 。用隨機(jī)來描 數(shù) 離散 ，因此，用標(biāo)準(zhǔn)s 重 ，s用下式計(jì)算19長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)21( )1niiY Ys n= 3式 iY一輸出測量值 Y-測量值的平 值 n一測量 數(shù)重 用下式計(jì)算(23) 100%fF sseY= 貝 g s前的系數(shù) 2 ， 布，置信概率為9% 3 ，置信概率為997%。20長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié) 此微小摩擦力測試儀是在查閱了大量的文資料的fi 上， 過對目前已經(jīng)研出的一些結(jié) 行 比較，而設(shè)計(jì)出來的。在微小摩擦測力fifl器的設(shè)計(jì)上采用了平行板彈簧結(jié) ， 施力與測力 過一 測力臂來 。在 結(jié) 上采用 閉式結(jié) ，使裝置currency1潔化。在位置 fl系統(tǒng) ，目前采用了手 fl 式