一種高頻微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

[13]電機(jī)速度可調(diào)且保證穩(wěn)定精確，無復(fù)雜應(yīng)力及扭矩變化。因此選擇電機(jī)的過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)以上特點(diǎn)選擇一款適用的電機(jī)。在經(jīng)過綜合比較后，選擇了KZ-165-100伺服電機(jī)，主要參數(shù)見表2.1.表2.1伺服電機(jī)的型號(hào)型號(hào)/額定拖動(dòng)電流（A）轉(zhuǎn)速（r/min）功率（W）頻率（HZ）KZ-165-1007.610007500~100電機(jī)扭矩的大小計(jì)算如下T=9.55P式中T——電機(jī)輸出扭矩，N?mP——電機(jī)功率，Wn——電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min安裝一個(gè)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該電機(jī)頻率最高100HZ，且電機(jī)速度可調(diào)，可滿足對(duì)不同摩擦藝術(shù)材料的試驗(yàn)要求。2.3往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.3.1往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇目前實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的常用機(jī)構(gòu)大概有三種，分別是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)雖然結(jié)構(gòu)簡單成本低，但其行程過大不能滿足微動(dòng)工況；齒輪機(jī)構(gòu)要求較高的制造和安裝精度，成本較高；而凸輪連桿機(jī)構(gòu)行程不大正好可以滿足微動(dòng)工況，且結(jié)構(gòu)簡單設(shè)計(jì)方便可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜的預(yù)期運(yùn)動(dòng)規(guī)律，綜合考慮后決定采用凸輪連桿機(jī)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)方案如下圖：圖2.1往復(fù)結(jié)構(gòu)示意當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)后，偏心輪通過鍵與電機(jī)主軸連接，隨著主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨后偏心輪帶動(dòng)連桿進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，連接塊與其相連的試驗(yàn)平臺(tái)在連桿的帶動(dòng)下沿著導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如此就實(shí)現(xiàn)了回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化。2.3.2凸輪的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)要求往復(fù)運(yùn)動(dòng)距離不能過大，且可以調(diào)整，決定采用可調(diào)偏心輪，經(jīng)設(shè)計(jì)偏心輪的偏心距為10-25mm，偏心輪上的凹槽即為調(diào)節(jié)偏心距所設(shè)計(jì)的，偏心輪中心處與電機(jī)主軸通過鍵相連接，因本設(shè)計(jì)主軸轉(zhuǎn)速相對(duì)穩(wěn)定不會(huì)特別高，所以對(duì)鍵的要求并不高，決定采用常見的2*2*16mm的平滑圓頭鍵連接。偏心輪的材質(zhì)選擇45號(hào)鋼，具體設(shè)計(jì)如下圖：圖2.2偏心輪結(jié)構(gòu)示意圖圖2.3偏心輪結(jié)構(gòu)三維示意圖2.3.3位移縮小機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)為高頻微動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，故而需要微位移機(jī)構(gòu)來縮小試樣之間產(chǎn)生相互摩擦的位移，現(xiàn)對(duì)目前常見的幾類微位移機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)分析：（1）機(jī)械傳動(dòng)微位移機(jī)構(gòu)雖然在機(jī)械行業(yè)中得到普遍運(yùn)用，但不適合用在高精度的微位移系統(tǒng)。（2）電熱式微位移機(jī)構(gòu)成本要求不高，制作方便，操作方式簡單可靠，但由于高溫的存在導(dǎo)致其位移精度的不穩(wěn)定，并不適合用作高速位移系統(tǒng)。（3）彈性變形微位移機(jī)構(gòu)雖然能夠獲得很大的位移縮小比例，但它的不能得到穩(wěn)定的定位精度，因其特別容易受到其他因素的影響。（4）磁致伸縮微位移機(jī)構(gòu)應(yīng)用并不廣泛，因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)在磁場(chǎng)力和溫度的作用下容易發(fā)生變形。（5）電磁鐵驅(qū)動(dòng)的微位移機(jī)構(gòu)不能在工作時(shí)有效的進(jìn)行散熱，最終會(huì)導(dǎo)致溫度過高而影響到試驗(yàn)的精度。（6）壓電陶瓷微位移機(jī)構(gòu)存在著諸多優(yōu)點(diǎn)，它的結(jié)構(gòu)非常精致，這也意味著其具有高精度的特點(diǎn)，并且噪音小，缺點(diǎn)是成本不低。綜合以上各機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)考慮后，再與經(jīng)濟(jì)成本的要求相結(jié)合，本試驗(yàn)設(shè)備決定采用機(jī)械傳動(dòng)微位移機(jī)構(gòu)——三角形位移縮小機(jī)構(gòu)，如下圖所示的連桿機(jī)構(gòu)：圖2.4位移縮小結(jié)構(gòu)示意初步設(shè)計(jì)連桿長度為121mm、64mm、64mm，因?yàn)槠妮喥木酁?0-25mm，所以經(jīng)過計(jì)算得到的往復(fù)移動(dòng)距離縮小為4-13mm。三角形位移縮小機(jī)構(gòu)的一端固定，另一端通過連接塊與導(dǎo)軌相連接，從而進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如上圖2.1所示。各連桿設(shè)計(jì)如下圖所示：圖2.5連桿1結(jié)構(gòu)示意圖2.6連桿1結(jié)構(gòu)三維示意圖2.7連桿2、3結(jié)構(gòu)示意圖2.8連桿2、3結(jié)構(gòu)三維示意2.4平面試樣夾具設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)的材料為45號(hào)鋼，其試樣具體尺寸為長64mm、寬25mm、高5mm，所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)材料設(shè)計(jì)出一種如下圖2.9所示的平面試件夾具，先將平面試樣的頂塊放入夾具中用來支撐試驗(yàn)所需的平面試件，從而可以使平面試件不產(chǎn)生彎曲變形，再將平面試件放在試件頂塊上，隨后通過夾具蓋板對(duì)試件進(jìn)行加緊固定，防止試件在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生位移，對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響。圖2.9平面試件夾具示意圖2.10平面試件夾具三維示意圖2.11平面試件蓋板三維示意2.5球試樣夾具設(shè)計(jì)本實(shí)驗(yàn)球試樣的直徑為15毫米的45滾珠軸承鋼，故設(shè)計(jì)球試件夾具為螺紋加緊裝置，使用圓螺母加緊試件來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ?，如下圖所示：圖2.12球試件夾具示意上圖中的球試件夾具和夾緊裝置是螺紋連接的，球試件夾具一對(duì)緊定螺釘與上方的彈性梁相連接，將球試件通過球試件夾具中的螺紋旋轉(zhuǎn)進(jìn)去固定，隨后用圓螺母加緊試件，防止其在實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)生滑動(dòng)，通過調(diào)整雙頭螺柱上的夾具柄的上下高度，以此來調(diào)整球試件和平面試件的垂直距離。球試件夾具三維示意如圖：圖2.13球試件夾具三維示意2.6摩擦磨損測(cè)試組件部分2.6.1彈性梁的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中所得到的摩擦力值，是加載砝碼作用于兩個(gè)試件間所產(chǎn)生的摩擦力使得彈性梁產(chǎn)生變形，隨后通過對(duì)變形量測(cè)定而間接得來的，彈性梁是摩擦力測(cè)試系統(tǒng)的主要部件，故對(duì)于彈性梁之設(shè)計(jì)非常的重要。本設(shè)計(jì)為了盡量降低彈性梁在摩擦力作用下產(chǎn)生的彈性變形，改良了彈性梁的結(jié)構(gòu)，提高了試驗(yàn)機(jī)的可靠性和精度，其試驗(yàn)要求基本可以滿足。因此在綜合以上要求，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性等各種問題仔細(xì)考慮后，決定采用鉸鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)彈性梁。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2.14彈性梁架構(gòu)示意圖2.15彈性梁三維示意2.6.2砝碼加載部分的設(shè)計(jì)為了滿足實(shí)驗(yàn)條件的要求，本試驗(yàn)機(jī)采用加載砝碼實(shí)現(xiàn)法相載荷的加載，不但加載方便，且結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，其結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖2.16砝碼加載機(jī)構(gòu)示意如上圖2.16所示，試驗(yàn)開始前，首先使用調(diào)平砝碼調(diào)整彈性梁的平衡，隨后通過加載砝碼使法相載荷從零開始依次遞增。2.6.3支撐軸和軸承支座的設(shè)計(jì)為了防止彈性梁在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生滑移，軸向壓力過大導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，本試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)如圖2.17的階梯軸來對(duì)彈性梁進(jìn)行支撐工作，利用高低不同的軸肩來避免彈性梁產(chǎn)生滑移，兩者間采用了過盈配合的方式。圖2.17支撐軸示意圖2.18支撐軸三維示意支撐軸在其兩端分別用一個(gè)深溝球軸承連接到軸承支座上，軸承支座如圖2.19所示。本設(shè)計(jì)由于彈性梁與支座連為一體，在摩擦力作用下支座同樣會(huì)發(fā)生形變，因此當(dāng)軸承支座的彈性形變過大時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行非常精細(xì)的控制，這樣就可在彈性梁受力部位被施加加載力時(shí)，減少其所發(fā)生的大部分位移，進(jìn)而提高試驗(yàn)設(shè)備的可靠性。圖2.19軸承支座示意圖2.20軸承支座三維示意2.7摩擦磨損量的計(jì)算將直徑15mm的鋼球固定在球試件夾具上，再將平面試樣固定在平面試件夾具上，實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，首先使用調(diào)平砝碼對(duì)彈性梁的平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后通過加載砝碼加載實(shí)驗(yàn)所需的法向加載力，最后啟動(dòng)電機(jī)，開始計(jì)算電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到預(yù)定的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速后，停機(jī)，卸下平面試件，用放大鏡測(cè)量下它的磨痕長度和寬度，按規(guī)定程序反復(fù)試驗(yàn)，最終確定出平均的磨損量。2.8本章小結(jié)本章主要對(duì)試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了描述，根據(jù)試驗(yàn)機(jī)所需的具體要求，選擇出了適用的電機(jī)的，對(duì)往復(fù)式機(jī)構(gòu)進(jìn)行了尺寸設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了位移縮小機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)小幅位移值的輸出。之后，針對(duì)本試驗(yàn)機(jī)所需要的球—面摩擦副，設(shè)計(jì)了平面試件夾具和球試件夾具，并對(duì)摩擦磨損測(cè)試組件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

3摩擦力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)3.1摩擦力的測(cè)量該試驗(yàn)機(jī)主要是以球-面摩擦副來模擬工程中的摩擦磨損現(xiàn)象的，摩擦球通過夾具夾持在彈性梁上，通過與夾在導(dǎo)軌上的摩擦平面進(jìn)行摩擦，產(chǎn)生的摩擦力使彈性梁變形，從而測(cè)出彈性梁的變形量，求出摩擦力的大小。原理如下圖所示圖3.1摩擦力測(cè)量示意假設(shè)球試件和平面試件之間的摩擦力系數(shù)是μ，而加載砝碼對(duì)球試件的法向加載力是Fn，它是由加載砝碼的重力產(chǎn)生的，所以是固定值，摩擦副由兩試件相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，其之間具有的摩擦力是Ft，則有：μ=FnFt因此，只需事先確定負(fù)載重量，然后測(cè)量傳感器上的受力，就可以求出摩擦因數(shù)μ。3.2測(cè)力傳感器的選擇和設(shè)計(jì)3.2.1測(cè)力傳感器的選擇測(cè)力傳感器的準(zhǔn)確度和分辨率對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)測(cè)量摩擦力的影響是非常大的，是決定測(cè)試設(shè)備性能優(yōu)劣的關(guān)鍵，并且通常是以測(cè)力方法為原理所制造出來的。目前常見的測(cè)力方法大致有五種，分別有光學(xué)反射法，力平衡法，壓電法，應(yīng)變片法，位移法。然而，力平衡法的準(zhǔn)確度比較低，并不適用于微摩擦測(cè)試。光學(xué)法擁有最高的準(zhǔn)確度，但是它的成本太高。壓電式測(cè)量法的不足之處在于，它只適合在動(dòng)態(tài)力的測(cè)量中使用。電阻應(yīng)變片法的測(cè)試電路比較簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，工作穩(wěn)定，它的實(shí)際應(yīng)用也比較成熟，盡管它的分辨率比不上光學(xué)法，但已經(jīng)可以滿足測(cè)試系統(tǒng)的精度要求。綜合以上考慮分析，本試驗(yàn)機(jī)通過電阻應(yīng)變片來間接測(cè)量摩擦力。3.2.2測(cè)力傳感器的設(shè)計(jì)（1）本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將四個(gè)電阻應(yīng)變片貼在彈性梁薄壁處，如下圖所示：圖3.2測(cè)力傳感器示意（2）本試驗(yàn)機(jī)采用全橋電路來測(cè)量摩擦力，采用全橋式電路，不僅可以在電阻應(yīng)變片測(cè)力時(shí)提高傳感器的反應(yīng)速度，還能提高傳感器的精確度，使其能夠克服溫度效應(yīng)。如下圖：圖3.3全橋電路示意3.3箱體的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)決定在箱體表面附帶線路控制板，以滿足對(duì)試驗(yàn)機(jī)的控制，隨后設(shè)計(jì)出區(qū)域用于安裝選用的電機(jī)和設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，本試驗(yàn)機(jī)為降低測(cè)試過程中震動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，故而設(shè)計(jì)的機(jī)座質(zhì)量較大，具體設(shè)計(jì)如圖：圖3.4箱體示意3.4本章小結(jié)本章主要說明了摩擦力測(cè)量的具體方法，選擇和設(shè)計(jì)了測(cè)力傳感器和箱體，根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)滿足試驗(yàn)需要的測(cè)力傳感器，采用全橋電路來測(cè)量摩擦力，同時(shí)在確定各部件參數(shù)的情況下設(shè)計(jì)出用于安裝電動(dòng)機(jī)，承載試驗(yàn)裝置以及在其表面附帶線路控制板的箱體。

4總結(jié)本文所設(shè)計(jì)的是一種高頻微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)，最終主體設(shè)計(jì)分別有摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和摩擦力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩個(gè)部分，摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)部分包括電機(jī)的選用、往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、位移縮小機(jī)構(gòu)、平面試件夾具裝置、球試件夾具裝置、摩擦磨損測(cè)試組件部分，而摩擦力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則對(duì)摩擦力的測(cè)量方法進(jìn)行了說明，對(duì)測(cè)力傳感器的選擇和設(shè)計(jì)及箱體的設(shè)計(jì)進(jìn)行了具體說明。在選擇了合適的電機(jī)后，根據(jù)電機(jī)的主軸尺寸參數(shù)，就可以進(jìn)行相應(yīng)的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。使用盤型凸輪連桿機(jī)構(gòu)作為往復(fù)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，凸輪連桿機(jī)構(gòu)通過連接件與導(dǎo)軌上的試件夾具體相連，帶動(dòng)試件做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)合理的三角形位移縮小機(jī)構(gòu)，通過連桿與固定件相連來限制往復(fù)移動(dòng)距離，從而實(shí)現(xiàn)微位移。平面試件上方是固定不動(dòng)的球試件，兩者通過點(diǎn)接觸來進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，選擇合適的彈性梁。彈性梁與支撐軸間采用過盈配合，避免實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生滑移。當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，通過彈性梁后端的調(diào)平螺母調(diào)整彈性梁的平衡，隨后彈性梁前端的球試件和平面試件在砝碼重力的作用下，會(huì)形成一對(duì)高頻微動(dòng)摩擦副，摩擦副之間會(huì)形成摩擦力，當(dāng)摩擦力對(duì)彈性梁產(chǎn)生作用時(shí)，彈性梁就會(huì)發(fā)生彈性變形，在變形量較少的情況下，變形量和摩擦力相互之間同向按比例增減，隨后測(cè)力傳感器將其進(jìn)行分析，通過計(jì)算來得到摩擦力。本次設(shè)計(jì)的一種高頻微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)備可以適用不同硬度的材料在高頻微動(dòng)工況中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其整體結(jié)構(gòu)示意圖與模型圖如下圖4.1和4.2所示。圖4.1試驗(yàn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖圖4.2試驗(yàn)機(jī)整體模型圖

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