编号
科生毕业设计
微摩擦力测量仪测力系统设计
The Forcemeasuring System Design of MicrofrictionTesting Instrument
学 生 姓 名
专 业
机械设计制造动化
学 号
指 导 教 师
学 院
机电工程分院
2009年 X月
摘
摩擦现象类生产生活密切相关着微电子技术飞速发展兴起微机电系统(Micro Electron Mechanical System MEMS)零部件尺寸目前般微米数量级间摩擦介微观宏观摩擦间称微摩擦MEMS发展迫切需明确微摩擦机理微摩擦研究具重现实意义
文提出种全新微摩擦测试仪器激光三角位移测量仪双行板弹簧片测力臂相配合实现微摩擦力测试结合限元分析软件Ansys测力臂进行分析时具精度高性等优点文三部分容：
微摩擦力测试仪总体结构设计
微摩擦力测试仪测力臂设计
微摩擦力测试仪性测试数进行分析
关健词微摩擦力测试仪 测力臂 限元分析 激光三角法
ABSTRACT
The phenomena of friction have close relations with people＇s 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 microfriction Researching of MEMS is based on understanding the principle of microfriction So that is the significance for investigate microfriction
This paper presents a new microfriction testing apparatus which is built by laser triangle displacement instrument and double parallel measurement arms The system can measure microforce for microfriction 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
Microfriction testing＇s apparatus＇ total structure design
Arm structure of Microfriction testing system design
Analyzing performance and data of the Microfriction testing＇s apparatus
Keywords microfriction testing＇s apparatus measuring arm of force
Finite element analysis Laser triangulation
目 录
第章 绪 1
11引言 1
12国外研究现状 2
13文研究容 3
第二章 微摩擦实验仪总体设计 4
21微摩擦技术简介 4
22微摩擦实验仪总体设计 4
23测力系统原理模型 7
第三章 微摩擦测力臂设计 8
31微摩擦力测力臂结构制作 8
32微摩擦测力传感器点难点 8
33微摩擦测力传感器结构设计 9
34测力传感器重复性 13
第四章 微摩擦力测试系统检测方法实现 13
41激光位移测量仪简介 13
42激光位移测量仪选择 14
43测量原理误差分析 15
431工作原理理分析 15
432影响激光三角位移检测仪测量精度素误差分析 18
结 20
参考文献 21
致 谢 22
第章 绪
11引言
摩擦学研究象广泛机械工程中包括动静摩擦滑动轴承齿轮传动螺纹联接电气触头磁带录音头等零件表面受工作介质摩擦碰撞击犁铧水轮机转轮等机械制造工艺摩擦学问题金属成形加工切削加工超精加工等弹性体摩擦汽车轮胎路面摩擦弹性密封动力渗漏等特殊工况条件摩擦学问题宇宙探索中遇高真空低温离子辐射等深海作业高压腐蚀润滑剂稀释防漏密封等
摩擦学涉许学科解磨损发生发展机理寻找种磨损类型相互转化复合错综关系需表面磨损全程进行微观研究仅油润滑金属摩擦说需研究润滑力学弹性塑性接触润滑剂流变性质表面形貌传热学热力学摩擦化学金属物理等问题涉物理化学材料机械工程润滑工程等学科
英国较应摩擦学知识年节约五亿千五百万英镑笔巨款笔节约费组成见摩擦学研究国民济具重意义估计全世界约1213源种形式消耗摩擦摩擦导致磨损机械设备失效原约80损坏零件种形式磨损引起控制摩擦减少磨损改善润滑性已成节约源原材料缩短维修时间重措施时摩擦学提高产品质量延长机械设备寿命增强性重作摩擦学工农业生产民生活巨影响引起世界国普遍重视日益广泛应
工业革命机器量产生迫切需求研究发展进入新阶段摩擦学现象发生表面层影响素繁理分析实验研究较困难理实验室相互促进补充摩擦学研究特点着理研究日益深入实验技术日益进步目前摩擦学研究方法发展趋势正宏观进入微观定性进入定量静态进入动态单学科角度分析进入学科综合研究
着微电子技术渗透机械工程领域机电体化发展极促进机械微型化方快速发展20世纪80年代中期兴起微型机电系统(MEMS )基广泛现代科学技术作整微纳米科学技术重组成部分项崭新科技领域微型机构微驱动器微电源微传感器控制电路等集成体具体积量低集成度智化高等系列优点生物医学环境控制航空航天数字通信传感技术等现代技术领域展现巨应发展潜力
超精密制造微型机电系统尺寸减摩擦副间隙常处微纳米级运动程中受尺寸效应影响表面粘着力摩擦力表面张力等相传统机械中体积力言表现非常突出成影响MEMS性稳定性寿命关键素种条件宏观摩擦学理已适必须研究界面分子原子分析象纳米摩擦学特性年MEMS纳米摩擦学研究领域获研究成果仅促进丰富纳米摩擦学基础研究容设计开发性完善运行稳定适应应变环境MEMS产品提供重技术
摩擦现象类生产生活密切相关80年代原子显微镜摩擦力显微镜问世发现原子分子纳米级尺度宏观摩擦规律适摩擦学研究开始进入微观宏观结合新阶段着微电子技术飞速发展兴起微电子机械系统(MEMS)零部件尺寸目前般微米数量级间摩擦介微观宏观摩擦间称微摩擦微摩擦现象否服宏观摩擦定律摩擦件尺寸达种程度进入微观摩擦领域前事MEMS研究急需解决问题受微结构条件限制目前机理研究刚刚起步尚述问题做出明确回答MEMS发展迫切需明确微摩擦机理微摩擦研究具重现实意义
12国外研究现状
20世纪80年代末期国际兴起纳米摩擦学原子分子尺度研究摩擦界面行损伤策研究程中施加载荷研究象面积甚相滑动速度纳米量级微观角度研究摩擦机理旨揭示摩擦界面微观结构特性纳米摩擦学研究涉摩擦界面微观动态程理分析实验研究存困难
现代表面测试技术仪器发展提供原子分子尺度观察表面现象变化效手段纳米摩擦学实验研究成说纳米摩擦学纳米表面形貌微动态力测量技术发展基础逐步完善
纳米摩擦学实验研究仪器扫描探针显微镜(scanning probemicroscope SPM )包括扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope STM )原子力显微镜(atomic force microscope AFM)摩擦力显微镜(friction force microscope FFM)者称横力显微镜(lateral force microscope LFM)外专门研制实验仪器例表面力仪(surface force apparatus SFA )光干涉纳米润滑膜测试仪石英晶体微天(quartz crystal microbalanceQCM)等等广泛应年新装置出现例点接触显微镜(point contact microscope PCM)仪器着试验测试技术进步完善更实反映实际工况
宏观摩擦学研究降低机械设备摩擦耗提高抗磨损寿命性推动机械高参数工况发展起着重作已成现代机械设计制造中重基础学科宏观摩擦学研究然学科发展流然Hardy揭示出润滑油中极性分子金属表面间物理化学作形成吸附膜边界润滑状态Tom lison分子运动角度分析固体表面滑动中量转换摩擦起特BowdonTabo建立粘着效应基础摩擦磨损理越越发觉宏观研究深入揭示摩擦界面微观结构特性建立理具局限性
固体摩擦理够完善致摩擦系数数值离散性工程设计中难预定准确数值外机械设备噪声源摩擦急剧变化引起振动精密机械中微动机构定位装置爬行现象需改善摩擦品质解决
显然宏观研究微观研究相结合必促进摩擦学更加完善机械设计制造中提高机构运动加工精度着重贡献十年中美日等国越越关注方面研究先相应文发表海交通学采微型电机时作驱动元件测试元件通分析微电动机施加正压力前运动特性改变方法间接计算出微摩擦力南京航空航天学范炯等研制功摩擦实验机哈尔滨工业学邹继斌等研制微负荷摩擦测试系统日京市工业实验研制超微摩擦力测试仪等仪器测量出毫牛顿数量级两种材质试件间摩擦力研究介宏观微观摩擦学间摩擦现象十分具理意义现实意义
13文研究容
摩擦直接关系系统性耐久性量利率摩擦研究微机电系统微纳米加工技术断运产生深远影响然关摩擦研究分析采实验研究方法目前没合适测试设备微摩擦进行测量课题研究容研制出微摩擦力测试仪分析微接触面积微接触载荷(毫牛顿数量级)作摩擦副间摩擦现象通实验介质环境中摩擦状况摩擦特性参数微机构设计理解微机构运动特性提供
第二章 微摩擦实验仪总体设计
21微摩擦技术简介
微摩擦力实验仪纳米摩擦学实验测试仪器纳米摩擦学实验测试仪器中施加载荷研究材料面积甚相滑动速度采纳米量级研究原子分子尺度摩擦界面微观结构特性里开发微摩擦力实验仪微面积接触微载荷作测试摩擦力种仪器介微米毫米数量级间纳米量级进行较毫疑问相相宏观载荷说相相滑动速度微观言相高机械领域中种条件摩擦常见系统分析中底宏观摩擦学理微观理呢需种条件摩擦进行分析通该仪器实验找相适合理
滑动摩擦宏观研究出固体摩擦遵循Amoritons(阿蒙顿)摩擦公式摩擦力F载荷P成正例常数摩擦系数
(21)
界面摩擦程中
(22)
式(22)中C1 C2 C3分粘着w弹性常数K球体半径r等关函数
式(22)分析知组成界面摩擦力项素中通常第三项占例较忽略计表面粘着强度较时第项界面摩擦力组成部分时似采式中第项外加载荷P相较时界面摩擦力第二项接描述常规摩擦Amontons公式(21)
22微摩擦实验仪总体设计
微摩擦测量中正压力摩擦力均精确测量带较困难微正压力施力系统设计言该系统必须具高细分力次微负荷测量身需采取特殊技术措施目前采摆锤法变形法位移法中摆锤法摆角变化测量摩擦力适摩擦磨损实验变形法位移法通常读数显微镜测量摩擦力读数方便文设计种微负荷摩擦试验系统适摩擦系数测量进行摩擦磨损实验
设计中需解决技术难点关键技术：
1微接触载荷加载方法加载精度保证
2摩擦力加载模块机械结构型化载荷连续调操作简单实现
3运动部件运动精度保证
4摩擦头体积易更换实现
5测量误差分析测试精度保证
二装置组成测量原理
微摩擦力实验仪包括摩擦力加载系统摩擦力测试系统运动控制显示系统微摩擦测试仪测量原理图21示
图21 系统原理框图
微摩擦实验仪结构原理图22示
图22 微摩擦力测试仪结构原理图
部分元器件作：
1电机——转盘提供动
2水调整装置——调整测力臂水位置
3垂直调整装置——调整测力臂垂直位置
4测力臂——摩擦力产生形变准确反映出双行板悬臂梁
5激光位移测量仪——准确测量摩擦力产生形变装置
6摩擦头——摩擦盘接触产生摩擦力部件
7摩擦盘——摩擦头接触产生摩擦转盘
8磁阻测速传感器——准确测量转盘转速
(1)微摩擦测力系统
该测力系统包括正压力摩擦力测量两部分测力系统压力加载装置测力臂激光位移测量仪显示仪表等组成测力臂两组行板弹簧组成：前端水安装行板弹簧配合压力加载装置提供正压力正压力行板弹簧端竖直安装行板弹簧够准确反映摩擦力水方形变摩擦力行板弹簧图23示
图23测力臂原理结构图
通调整垂直进装置进量正压力行板弹簧发生形变进产生正压力施加摩擦头摩擦头旋转转盘接触发生摩擦通测头摩擦力传摩擦力行板弹簧发生形变激光位移测量仪测形变量进摩擦力
(2)位置调整系统
位置调整系统水进垂直进组成进系统采北京光学仪器厂精密位移台型号PTS103MTMS202进精度5um读数l0um定范围调节测头X Y Z方位置改变摩擦头转盘位置样调节测件触点回转半径进改变测试件间相运动速度X Y Z实现动控制实现纳米级微切削
(3)转动系统
转动系统包括转动装置电机驱动系统转动装置转盘轴等组成驱动系统电机转动通皮带传动驱动转轴转盘转动通测速系统测转盘转速调节电机转速调节测试件触点回转半径改变测试件间相运动速度
23测力系统原理模型
典公式
fk1N （23）
F k2S （24）
(k1摩擦系数 N正压力k2弹性系数 S弹片变形量)
测试方法设计模型图24
图24 测试方法设计模型
图示摩擦头摩擦盘接触摩擦盘转动会二者间产生摩擦力摩擦力作测力臂会产生形变测力臂摩擦头侧发生偏移通激光位移测量仪测量出位移量S通公式24出摩擦力F然利典力学定律匀速条件摩擦力F摩擦力似相等摩擦力摩擦力进行误差分析
第三章 微摩擦测力臂设计限元分析
31微摩擦力测力臂结构制作
311微摩擦测力传感器点难点
微摩擦测力传感器性求灵敏度高精度高重复性测试安装方便等传感器设计程中解决关键问题
①两运动副间施加适正压力该正压力运动副间产生足够摩擦力影响传感器灵敏度
②方便更换摩擦头
③施加正压力时准确实时测量出正压力(毫牛级)摩擦力
④保证正压力摩擦力藕合
⑤保证测量精度灵敏度解决系统防振防止温漂抗干扰等问题
312微摩擦测力传感器结构设计
微摩擦测力传感器结构确定
图31 微摩擦测力传感器
通节讨微摩擦测力传感器结构图31示采行板弹簧结构
行板弹簧结构原弹性支承中种形式支承结构中具独特特点产生行位移研究正利种特性摩擦头施力状态保持摩擦盘接触状态变时板弹簧具摩擦磨损适应真空高低温高压辐射等恶劣工作环境结构简单成低等特点精密测试仪器领域愈愈广泛应年航空航天海洋精密测量仪器中重开发然受变形特性限制局限量程微位移场合获理想精度
行板弹簧结构图32示两单片板弹簧ABCD行固定相距S两单片板弹簧端AC固定固定板端BD固定活动板两单片板弹簧长度1宽度b厚度h截面形状相作活动板外力P活动板产生位移量f
图32行板弹簧结构形式
图32示结构形式外力P作离固定板1距离活动板根弹性材料特性力变形关系推算出公式
(31)
式中f—活动板位移量
p—施加活动板外力
E—材料弹性模量
I—板弹簧工作长度
I—惯性矩矩形界面时I bh 312
b—板弹簧宽度
h—板弹簧厚度
根实际试验结果表明行板弹簧活动板作图33示外力py外力py影响板弹簧结构产生侧倾抖趋势(扭转)板弹簧结构方刚度相讲较种扭转微种影响忽略认横稳定性较高
图33行板弹簧受力分析图
微摩擦测力传感器测力范围毫牛级时行板弹簧横稳定性较高采图31示结构前两组行板弹簧会产生太干涉完全保证摩擦力正压力产生藕合
设计行板弹簧结构点注意事项
1着1减导精度提高活动板重量横作力PY微
条件尺寸s板弹簧刚度活动板运动轨迹特性影响
2板弹簧厚度h般应005l
3活动板固定板间范围s尺寸差应超003～001mm
4板弹簧固定范围表面粗糙度Ra 016～032m
5板弹簧固定表面行性001～002mm(100mm长度)
6提高应变传感器分辫力必适减弹簧刚度
二微摩擦测力传感器结构设计
微摩擦测力传感器运应变计测量作板弹簧力测量图33中示位移f图33中活动端作外力P时活动端产生位移f数值公式(31)似求出板弹簧宽度b相条件作相外力P提高传感器分辫力需板弹黄工作长度1加长板弹簧厚度h减时考虑材料载荷强度
1弹簧片材料选择热处理
铍青铜种析出硬化性合金铍青铜机械性物理性化学性抗腐蚀性良结合唯色合金固溶热效热处理具特殊钢相高强度极限弹性极限屈服极限疲劳极限时具高导电率热导率高硬度耐磨性广泛应电子电器通讯仪器航空航天石油化工冶金矿山汽车等制造领域铍铜作弹簧片理想材料表格3
高铍铜性指标：
化学成分
Be
Co
Ni
Si
Cu
18225
035065
025075
02035
余量
物理性
密度gcm³(20℃)
溶化温度
（℃）
拉伸弹性模量
（Gpa）
热导率W（m·k）
(20℃)
线膨胀系数
Um( m·k)
(2030℃)
83
880980
130
105
170
机械性
抗拉强度
MPa
屈服强度
(02)MPa
延伸率
硬度
电导率
1ACS
1250
1045
1
3643HRC
18
材料QBe25铍青铜
查表知 铍青铜相关参数
弹性模量E1131011Pa
密度 ρ83 x 103kgm3
淬火T80o 10o
回火285o 5o
材料杭拉强度125x109Pa
安全系数查表知n25
（1）材料许弯曲应力
[]50x109 Pa （32）
应变片承受应力
E *113 x 1011 x 002 226 x 109 Pa （33）
考虑应变片安全弹簧片作力作产生应力
min{[]}226 x 109 Pa
E·1 13x1011x05x106565x104Pa
满足测力时形变保证应变片安全弹簧片应力
565 x 104Pa<<226 x 109Pa
（2）刚度选定
强度计算：
（34）
矩形截面：
（35）
弹簧刚度：
（36）
综合考虑安装前两行板弹簧片间耦合问题公式（34）公式（35）确定组行板弹簧尺寸规格
板弹簧宽度b50mm
板弹簧厚度h05mm
板弹簧工作长度l50mm
板弹簧刚度公式（36）K113mNmm
313测力传感器重复性
重复性表示传感器输入量方作全量程次变动时特性曲线致程度重复性传感器误差通常机误差描述数离散程度标准偏差s表示重复性s式计算
(37)
式中
输出测量值
测量值均值
n测量次数
重复性式计算
(38)
s前系数取2时误差服正态分布置信概率95取3时置信概率997
该测力传感器重复性约35
结
见微摩擦测力传感器性直接影响摩擦力测试仪总体性章通测力传感器点难点分析结构采行板弹簧结构利行板弹黄行位移特点摩擦头施力状态保持摩擦盘接触状态变
第四章 微摩擦力测试系统检测方法实现
41激光位移测量仪简介
激光三角位移测量仪光三角式传感器原理基础光三角式传感器基光束入射测物体产生反射入射光反射光构成三角形根反射光束位置变化便确定测物体端面位置测工件尺寸公差测物体光源间距离等参数广泛应够检测反射光束位置光电敏感器件CCD（charge coupled device）光电二极阵列光敏面光位置传感器（position sensing detectorPSD）等前两种属非连续光电检测需外部驱动电路扫描电路配合达测量目PSD输出信号模拟信号求模拟信号处理电路需电路支持测量精度光电二极阵列明显劣两种精密测试中少应CCDPSD优缺点实际测试中根求作出选择里简介绍光三角式传感器原理实际中光电传感器选择理章节中做出详细讨
光三角式传感器属非接触式传感器受测物体空间结构限制灵活时身结构简单性稳定抗电磁干扰性强已成功光三角传感技术应控制系统中运动物体距离检测定位控制取令满意效果
实际测试系统中许光电传感器应基光三角式传感器技术原理许维维测量传感器建立三角法基础反射式开关传感器中应三角法原消阳光辐射室明等环境素影响调节获取固定明确开关距离维传感器中采三角法进行距离测量通偏转镜专门评价软件扩展空间数采集测量处理
42激光位移测量仪选择
着激光光学精密机械电子学光电传感器技术CCD成技术计算机技术等门学科迅速发展激光三角位移测试技术广泛发展根需求加工制造出出种样激光三角位移测力仪仅仅精度速度显著提高通特殊技术激光三角位移测试高温低温条件明显扩展应
通国外激光三角位移测量仪调研目前求讲市场激光位移测试满足微力产生微位移量做出精确检测找种较适合激光三角位移测量仪搭建系统满足现阶段求具备定发展性综合前试验求进步考虑决定采ZLDS100高精度低价位激光位移传感器面列出具体参数中难发现测试精度满足实验求处理速度基满足实时测量高速求图41
图41
ZLDS100高精度低价位激光三角漫反射位移传感器特点：
防护等级高工作温度范围宽步功差动测厚测长等特适工业环境高精度
应领域：ZLDS100成功应IKP5手持式激光火车轮轮缘轮廓测量仪非接触测量位移三维尺寸厚度表面轮廓物体形变振动液位分拣
扩展功性参数：
(1)两激光扫描步功（确保工业线高精度差动测量）
(2)输入信号触发保持功（线连续零件测长测高等）
(3)量程：052510152550100250500mm
(4)线性度±01分辨率001
(5)频率响应：2KHz 选58Hz
(6)输出：串行口RS232 RS485选4～20mA0~10V
(7)报警输出 NPN 100mA 40V
(8)防护等级：IP67
(9)供电：5V12V24V
(10)工作温度：10oC～+60oC
(11)尺寸：65x50x20
(12)重量：100g
系统通检测悬臂梁微位移量测量微摩擦力位移检测采激光三角位移检测技术实现原理综合激光光学精密机械电子学光电传感技术CCD成技术计算机技术等门学科具测量精度高速度快抗干扰力强非接触测量等种优点悬臂梁水形变量做出实时线检测通计算机检验结果实现线分析带数串口计算机进行显示时支持程序扩展
43测量原理误差分析
431工作原理理分析
单点激光三角法测量仪器激光光源透镜光敏传感器组成系统测量原理图图42示
图42直射式三角法原理图
高斯公式
（41）
l0——位移时物距
l0`——l物距时象距
f——透镜L焦距
激光光源射物体某点该目标点图通透镜汇聚传感器形成点激光射物体移动时点传感器移动基线长度已知光源传感器透镜相位置确定前提通测量传感器点位置准确确定测物体仪器间距离激光三角法测量仪器中重组成部分传感器2种传感器处种位置感应探测器（Position Sensitive DetectorPSD）电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD）PSD常范围距离测量提供模拟信号输出适合通断测试CCD传感器具良稳定性产生视频信号适提供数字输出
CCD具尺寸稳定优点光源透镜关系决定测目标点仪器间距离（a点）距离（c点）目标点等间隔移动时点CCD等间隔变化种测量时非线性
直射式例测量光路图1示激光器1发出光线会聚透镜2聚焦垂直入射测物体表面3物体移动表面变化导致入射光点入射光轴移动接收透镜4接收入射光点散射光成光点位置探测器5（CCD）敏感面传感器激光光束测面垂直准确调焦位置余位置处程度离焦状态离焦引起点弥散降低系统测量精度提高精度必须满足Schcimpflug条件面物面透镜面相交条直线（式中横放率）时定景深范围测点正焦成探测器保证精度光点成面位移利相似三角形边间例关系式求出测面位移
（42）
式中a激光束光轴接收透镜光轴交点接收透镜前面距离b接收透镜面成面中心点距离激光束光轴接收透镜光轴间夹角探测器接收透镜光轴间夹角
图43直射式三角法测量图
1—激光器 2—会聚透镜 3—测表面 4—接受透镜 5—光点位置探测器
检测系统工作原理半导体激光器发出激光光学系统聚焦悬臂梁表面形成尺寸足够光点（光点直径约05mm）目标面光点称物点物点发出漫反射光光学系统CCD形成相应点悬臂梁水方产生微位移形成CCD点位置会产生变化样通CCD点位置变化悬臂梁水位移量
432影响激光三角位移检测仪测量精度素误差分析
影响激光三角测量精度素种里简单讨种包括：组成测量系统光学部件身误差表面粗糙度影响 测表面微结构影响等
(1)组成测量系统光学部件身误差
源球差慧差象散场曲畸变等会实际成点偏离理想成点误差制造工艺消减少光学部件外影响测量精度素测量环境激光器光斑形状CCD传感器处理电路测面表面特性等
(2)表面粗糙度影响
激光三角测量前提条件测物体表面应入射光具定散射力样测物体表面反射光激光三角测试仪接受物体表面具粗糙程度会具光散射力会影响测量精度粗糙度情况出着粗糙程度增加外腿表面散射光强度方会改变会影响激光三角位移监测仪接受信号强弱进影响测量精度
(3)测表面微结构影响
测物体表面微结构会影响光散射模式测物体表面具横微条纹结构情况两者光散射模式具明显样外光散射模式避免会出现局部反射情况（双包络现象出现）均会影响测量结果
测量中避免存误差实际实验中实验结果进行误差分析机误差描述数离散程度标准偏差s表示重复性s式计算
(43)
式中
输出测量值
测量值均值
n测量次数
重复性式计算
(44)
s前系数取2时误差服正态分布置信概率95取3时置信概率997
结
微摩擦力测试仪查阅量文献资料基础通目前已研制出结构进行分析较设计出微摩擦测力传感器设计采行板弹簧结构施力测力通测力臂完成体结构采半封闭式结构装置简洁化位置调整系统中目前采手动调整方式做连续进课题深入开发程中采伺服电机控制动连续进方式样XYZ实现动控制实现纳米级微切削该测试仪仅适摩擦系数测量进行摩擦磨损试验实现微切削文完成工作解决问题
1通广泛调研深入讨针微摩擦测试特点难点确定
微摩擦测试仪总体设计方案
2根总体设计方案实验仪测力臂部分进行详细分析机构做
型化系列化
3测力传感器采行板弹簧结构摩擦头施力状态
保持摩擦盘接触状态变
4完成测力传感器限元分析实际测量做准备
5激光三角位移法应力臂位移进行测量然通典力学公式
实际试验中进行标定
目前该测试仪总体设计部分已全部完成正处断完善工程中课题涉容较广泛加力限该测试仪存许需完善方测力臂加工工艺具体安装方法激光三角位移测量仪放置位置需实验测试调整进装置动控制实现等问题进步完善
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[19]常诚张志峰激光三角法测量误差研究[N]中国科技信息2006第23期5963
[20]祝杰戴立铭江湩军激光三角法测量位移[J]仪表技术传感器19921821
致 谢
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科生毕业设计
微摩擦力测量仪测力系统设计
The Forcemeasuring System Design of MicrofrictionTesting Instrument
学 生 姓 名
专 业
机械设计制造动化
学 号
指 导 教 师
学 院
机电工程分院
2009年 X月
摘
摩擦现象类生产生活密切相关着微电子技术飞速发展兴起微机电系统(Micro Electron Mechanical System MEMS)零部件尺寸目前般微米数量级间摩擦介微观宏观摩擦间称微摩擦MEMS发展迫切需明确微摩擦机理微摩擦研究具重现实意义
文提出种全新微摩擦测试仪器激光三角位移测量仪双行板弹簧片测力臂相配合实现微摩擦力测试结合限元分析软件Ansys测力臂进行分析时具精度高性等优点文三部分容：
微摩擦力测试仪总体结构设计
微摩擦力测试仪测力臂设计
微摩擦力测试仪性测试数进行分析
关健词微摩擦力测试仪 测力臂 限元分析 激光三角法
ABSTRACT
The phenomena of friction have close relations with people＇s 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 microfriction Researching of MEMS is based on understanding the principle of microfriction So that is the significance for investigate microfriction
This paper presents a new microfriction testing apparatus which is built by laser triangle displacement instrument and double parallel measurement arms The system can measure microforce for microfriction 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
Microfriction testing＇s apparatus＇ total structure design
Arm structure of Microfriction testing system design
Analyzing performance and data of the Microfriction testing＇s apparatus
Keywords microfriction testing＇s apparatus measuring arm of force
Finite element analysis Laser triangulation
目 录
第章 绪 1
11引言 1
12国外研究现状 2
13文研究容 3
第二章 微摩擦实验仪总体设计 4
21微摩擦技术简介 4
22微摩擦实验仪总体设计 4
23测力系统原理模型 7
第三章 微摩擦测力臂设计 8
31微摩擦力测力臂结构制作 8
32微摩擦测力传感器点难点 8
33微摩擦测力传感器结构设计 9
34测力传感器重复性 13
第四章 微摩擦力测试系统检测方法实现 13
41激光位移测量仪简介 13
42激光位移测量仪选择 14
43测量原理误差分析 15
431工作原理理分析 15
432影响激光三角位移检测仪测量精度素误差分析 18
结 20
参考文献 21
致 谢 22
第章 绪
11引言
摩擦学研究象广泛机械工程中包括动静摩擦滑动轴承齿轮传动螺纹联接电气触头磁带录音头等零件表面受工作介质摩擦碰撞击犁铧水轮机转轮等机械制造工艺摩擦学问题金属成形加工切削加工超精加工等弹性体摩擦汽车轮胎路面摩擦弹性密封动力渗漏等特殊工况条件摩擦学问题宇宙探索中遇高真空低温离子辐射等深海作业高压腐蚀润滑剂稀释防漏密封等
摩擦学涉许学科解磨损发生发展机理寻找种磨损类型相互转化复合错综关系需表面磨损全程进行微观研究仅油润滑金属摩擦说需研究润滑力学弹性塑性接触润滑剂流变性质表面形貌传热学热力学摩擦化学金属物理等问题涉物理化学材料机械工程润滑工程等学科
英国较应摩擦学知识年节约五亿千五百万英镑笔巨款笔节约费组成见摩擦学研究国民济具重意义估计全世界约1213源种形式消耗摩擦摩擦导致磨损机械设备失效原约80损坏零件种形式磨损引起控制摩擦减少磨损改善润滑性已成节约源原材料缩短维修时间重措施时摩擦学提高产品质量延长机械设备寿命增强性重作摩擦学工农业生产民生活巨影响引起世界国普遍重视日益广泛应
工业革命机器量产生迫切需求研究发展进入新阶段摩擦学现象发生表面层影响素繁理分析实验研究较困难理实验室相互促进补充摩擦学研究特点着理研究日益深入实验技术日益进步目前摩擦学研究方法发展趋势正宏观进入微观定性进入定量静态进入动态单学科角度分析进入学科综合研究
着微电子技术渗透机械工程领域机电体化发展极促进机械微型化方快速发展20世纪80年代中期兴起微型机电系统(MEMS )基广泛现代科学技术作整微纳米科学技术重组成部分项崭新科技领域微型机构微驱动器微电源微传感器控制电路等集成体具体积量低集成度智化高等系列优点生物医学环境控制航空航天数字通信传感技术等现代技术领域展现巨应发展潜力
超精密制造微型机电系统尺寸减摩擦副间隙常处微纳米级运动程中受尺寸效应影响表面粘着力摩擦力表面张力等相传统机械中体积力言表现非常突出成影响MEMS性稳定性寿命关键素种条件宏观摩擦学理已适必须研究界面分子原子分析象纳米摩擦学特性年MEMS纳米摩擦学研究领域获研究成果仅促进丰富纳米摩擦学基础研究容设计开发性完善运行稳定适应应变环境MEMS产品提供重技术
摩擦现象类生产生活密切相关80年代原子显微镜摩擦力显微镜问世发现原子分子纳米级尺度宏观摩擦规律适摩擦学研究开始进入微观宏观结合新阶段着微电子技术飞速发展兴起微电子机械系统(MEMS)零部件尺寸目前般微米数量级间摩擦介微观宏观摩擦间称微摩擦微摩擦现象否服宏观摩擦定律摩擦件尺寸达种程度进入微观摩擦领域前事MEMS研究急需解决问题受微结构条件限制目前机理研究刚刚起步尚述问题做出明确回答MEMS发展迫切需明确微摩擦机理微摩擦研究具重现实意义
12国外研究现状
20世纪80年代末期国际兴起纳米摩擦学原子分子尺度研究摩擦界面行损伤策研究程中施加载荷研究象面积甚相滑动速度纳米量级微观角度研究摩擦机理旨揭示摩擦界面微观结构特性纳米摩擦学研究涉摩擦界面微观动态程理分析实验研究存困难
现代表面测试技术仪器发展提供原子分子尺度观察表面现象变化效手段纳米摩擦学实验研究成说纳米摩擦学纳米表面形貌微动态力测量技术发展基础逐步完善
纳米摩擦学实验研究仪器扫描探针显微镜(scanning probemicroscope SPM )包括扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope STM )原子力显微镜(atomic force microscope AFM)摩擦力显微镜(friction force microscope FFM)者称横力显微镜(lateral force microscope LFM)外专门研制实验仪器例表面力仪(surface force apparatus SFA )光干涉纳米润滑膜测试仪石英晶体微天(quartz crystal microbalanceQCM)等等广泛应年新装置出现例点接触显微镜(point contact microscope PCM)仪器着试验测试技术进步完善更实反映实际工况
宏观摩擦学研究降低机械设备摩擦耗提高抗磨损寿命性推动机械高参数工况发展起着重作已成现代机械设计制造中重基础学科宏观摩擦学研究然学科发展流然Hardy揭示出润滑油中极性分子金属表面间物理化学作形成吸附膜边界润滑状态Tom lison分子运动角度分析固体表面滑动中量转换摩擦起特BowdonTabo建立粘着效应基础摩擦磨损理越越发觉宏观研究深入揭示摩擦界面微观结构特性建立理具局限性
固体摩擦理够完善致摩擦系数数值离散性工程设计中难预定准确数值外机械设备噪声源摩擦急剧变化引起振动精密机械中微动机构定位装置爬行现象需改善摩擦品质解决
显然宏观研究微观研究相结合必促进摩擦学更加完善机械设计制造中提高机构运动加工精度着重贡献十年中美日等国越越关注方面研究先相应文发表海交通学采微型电机时作驱动元件测试元件通分析微电动机施加正压力前运动特性改变方法间接计算出微摩擦力南京航空航天学范炯等研制功摩擦实验机哈尔滨工业学邹继斌等研制微负荷摩擦测试系统日京市工业实验研制超微摩擦力测试仪等仪器测量出毫牛顿数量级两种材质试件间摩擦力研究介宏观微观摩擦学间摩擦现象十分具理意义现实意义
13文研究容
摩擦直接关系系统性耐久性量利率摩擦研究微机电系统微纳米加工技术断运产生深远影响然关摩擦研究分析采实验研究方法目前没合适测试设备微摩擦进行测量课题研究容研制出微摩擦力测试仪分析微接触面积微接触载荷(毫牛顿数量级)作摩擦副间摩擦现象通实验介质环境中摩擦状况摩擦特性参数微机构设计理解微机构运动特性提供
第二章 微摩擦实验仪总体设计
21微摩擦技术简介
微摩擦力实验仪纳米摩擦学实验测试仪器纳米摩擦学实验测试仪器中施加载荷研究材料面积甚相滑动速度采纳米量级研究原子分子尺度摩擦界面微观结构特性里开发微摩擦力实验仪微面积接触微载荷作测试摩擦力种仪器介微米毫米数量级间纳米量级进行较毫疑问相相宏观载荷说相相滑动速度微观言相高机械领域中种条件摩擦常见系统分析中底宏观摩擦学理微观理呢需种条件摩擦进行分析通该仪器实验找相适合理
滑动摩擦宏观研究出固体摩擦遵循Amoritons(阿蒙顿)摩擦公式摩擦力F载荷P成正例常数摩擦系数
(21)
界面摩擦程中
(22)
式(22)中C1 C2 C3分粘着w弹性常数K球体半径r等关函数
式(22)分析知组成界面摩擦力项素中通常第三项占例较忽略计表面粘着强度较时第项界面摩擦力组成部分时似采式中第项外加载荷P相较时界面摩擦力第二项接描述常规摩擦Amontons公式(21)
22微摩擦实验仪总体设计
微摩擦测量中正压力摩擦力均精确测量带较困难微正压力施力系统设计言该系统必须具高细分力次微负荷测量身需采取特殊技术措施目前采摆锤法变形法位移法中摆锤法摆角变化测量摩擦力适摩擦磨损实验变形法位移法通常读数显微镜测量摩擦力读数方便文设计种微负荷摩擦试验系统适摩擦系数测量进行摩擦磨损实验
设计中需解决技术难点关键技术：
1微接触载荷加载方法加载精度保证
2摩擦力加载模块机械结构型化载荷连续调操作简单实现
3运动部件运动精度保证
4摩擦头体积易更换实现
5测量误差分析测试精度保证
二装置组成测量原理
微摩擦力实验仪包括摩擦力加载系统摩擦力测试系统运动控制显示系统微摩擦测试仪测量原理图21示
图21 系统原理框图
微摩擦实验仪结构原理图22示
图22 微摩擦力测试仪结构原理图
部分元器件作：
1电机——转盘提供动
2水调整装置——调整测力臂水位置
3垂直调整装置——调整测力臂垂直位置
4测力臂——摩擦力产生形变准确反映出双行板悬臂梁
5激光位移测量仪——准确测量摩擦力产生形变装置
6摩擦头——摩擦盘接触产生摩擦力部件
7摩擦盘——摩擦头接触产生摩擦转盘
8磁阻测速传感器——准确测量转盘转速
(1)微摩擦测力系统
该测力系统包括正压力摩擦力测量两部分测力系统压力加载装置测力臂激光位移测量仪显示仪表等组成测力臂两组行板弹簧组成：前端水安装行板弹簧配合压力加载装置提供正压力正压力行板弹簧端竖直安装行板弹簧够准确反映摩擦力水方形变摩擦力行板弹簧图23示
图23测力臂原理结构图
通调整垂直进装置进量正压力行板弹簧发生形变进产生正压力施加摩擦头摩擦头旋转转盘接触发生摩擦通测头摩擦力传摩擦力行板弹簧发生形变激光位移测量仪测形变量进摩擦力
(2)位置调整系统
位置调整系统水进垂直进组成进系统采北京光学仪器厂精密位移台型号PTS103MTMS202进精度5um读数l0um定范围调节测头X Y Z方位置改变摩擦头转盘位置样调节测件触点回转半径进改变测试件间相运动速度X Y Z实现动控制实现纳米级微切削
(3)转动系统
转动系统包括转动装置电机驱动系统转动装置转盘轴等组成驱动系统电机转动通皮带传动驱动转轴转盘转动通测速系统测转盘转速调节电机转速调节测试件触点回转半径改变测试件间相运动速度
23测力系统原理模型
典公式
fk1N （23）
F k2S （24）
(k1摩擦系数 N正压力k2弹性系数 S弹片变形量)
测试方法设计模型图24
图24 测试方法设计模型
图示摩擦头摩擦盘接触摩擦盘转动会二者间产生摩擦力摩擦力作测力臂会产生形变测力臂摩擦头侧发生偏移通激光位移测量仪测量出位移量S通公式24出摩擦力F然利典力学定律匀速条件摩擦力F摩擦力似相等摩擦力摩擦力进行误差分析
第三章 微摩擦测力臂设计限元分析
31微摩擦力测力臂结构制作
311微摩擦测力传感器点难点
微摩擦测力传感器性求灵敏度高精度高重复性测试安装方便等传感器设计程中解决关键问题
①两运动副间施加适正压力该正压力运动副间产生足够摩擦力影响传感器灵敏度
②方便更换摩擦头
③施加正压力时准确实时测量出正压力(毫牛级)摩擦力
④保证正压力摩擦力藕合
⑤保证测量精度灵敏度解决系统防振防止温漂抗干扰等问题
312微摩擦测力传感器结构设计
微摩擦测力传感器结构确定
图31 微摩擦测力传感器
通节讨微摩擦测力传感器结构图31示采行板弹簧结构
行板弹簧结构原弹性支承中种形式支承结构中具独特特点产生行位移研究正利种特性摩擦头施力状态保持摩擦盘接触状态变时板弹簧具摩擦磨损适应真空高低温高压辐射等恶劣工作环境结构简单成低等特点精密测试仪器领域愈愈广泛应年航空航天海洋精密测量仪器中重开发然受变形特性限制局限量程微位移场合获理想精度
行板弹簧结构图32示两单片板弹簧ABCD行固定相距S两单片板弹簧端AC固定固定板端BD固定活动板两单片板弹簧长度1宽度b厚度h截面形状相作活动板外力P活动板产生位移量f
图32行板弹簧结构形式
图32示结构形式外力P作离固定板1距离活动板根弹性材料特性力变形关系推算出公式
(31)
式中f—活动板位移量
p—施加活动板外力
E—材料弹性模量
I—板弹簧工作长度
I—惯性矩矩形界面时I bh 312
b—板弹簧宽度
h—板弹簧厚度
根实际试验结果表明行板弹簧活动板作图33示外力py外力py影响板弹簧结构产生侧倾抖趋势(扭转)板弹簧结构方刚度相讲较种扭转微种影响忽略认横稳定性较高
图33行板弹簧受力分析图
微摩擦测力传感器测力范围毫牛级时行板弹簧横稳定性较高采图31示结构前两组行板弹簧会产生太干涉完全保证摩擦力正压力产生藕合
设计行板弹簧结构点注意事项
1着1减导精度提高活动板重量横作力PY微
条件尺寸s板弹簧刚度活动板运动轨迹特性影响
2板弹簧厚度h般应005l
3活动板固定板间范围s尺寸差应超003～001mm
4板弹簧固定范围表面粗糙度Ra 016～032m
5板弹簧固定表面行性001～002mm(100mm长度)
6提高应变传感器分辫力必适减弹簧刚度
二微摩擦测力传感器结构设计
微摩擦测力传感器运应变计测量作板弹簧力测量图33中示位移f图33中活动端作外力P时活动端产生位移f数值公式(31)似求出板弹簧宽度b相条件作相外力P提高传感器分辫力需板弹黄工作长度1加长板弹簧厚度h减时考虑材料载荷强度
1弹簧片材料选择热处理
铍青铜种析出硬化性合金铍青铜机械性物理性化学性抗腐蚀性良结合唯色合金固溶热效热处理具特殊钢相高强度极限弹性极限屈服极限疲劳极限时具高导电率热导率高硬度耐磨性广泛应电子电器通讯仪器航空航天石油化工冶金矿山汽车等制造领域铍铜作弹簧片理想材料表格3
高铍铜性指标：
化学成分
Be
Co
Ni
Si
Cu
18225
035065
025075
02035
余量
物理性
密度gcm³(20℃)
溶化温度
（℃）
拉伸弹性模量
（Gpa）
热导率W（m·k）
(20℃)
线膨胀系数
Um( m·k)
(2030℃)
83
880980
130
105
170
机械性
抗拉强度
MPa
屈服强度
(02)MPa
延伸率
硬度
电导率
1ACS
1250
1045
1
3643HRC
18
材料QBe25铍青铜
查表知 铍青铜相关参数
弹性模量E1131011Pa
密度 ρ83 x 103kgm3
淬火T80o 10o
回火285o 5o
材料杭拉强度125x109Pa
安全系数查表知n25
（1）材料许弯曲应力
[]50x109 Pa （32）
应变片承受应力
E *113 x 1011 x 002 226 x 109 Pa （33）
考虑应变片安全弹簧片作力作产生应力
min{[]}226 x 109 Pa
E·1 13x1011x05x106565x104Pa
满足测力时形变保证应变片安全弹簧片应力
565 x 104Pa<<226 x 109Pa
（2）刚度选定
强度计算：
（34）
矩形截面：
（35）
弹簧刚度：
（36）
综合考虑安装前两行板弹簧片间耦合问题公式（34）公式（35）确定组行板弹簧尺寸规格
板弹簧宽度b50mm
板弹簧厚度h05mm
板弹簧工作长度l50mm
板弹簧刚度公式（36）K113mNmm
313测力传感器重复性
重复性表示传感器输入量方作全量程次变动时特性曲线致程度重复性传感器误差通常机误差描述数离散程度标准偏差s表示重复性s式计算
(37)
式中
输出测量值
测量值均值
n测量次数
重复性式计算
(38)
s前系数取2时误差服正态分布置信概率95取3时置信概率997
该测力传感器重复性约35
结
见微摩擦测力传感器性直接影响摩擦力测试仪总体性章通测力传感器点难点分析结构采行板弹簧结构利行板弹黄行位移特点摩擦头施力状态保持摩擦盘接触状态变
第四章 微摩擦力测试系统检测方法实现
41激光位移测量仪简介
激光三角位移测量仪光三角式传感器原理基础光三角式传感器基光束入射测物体产生反射入射光反射光构成三角形根反射光束位置变化便确定测物体端面位置测工件尺寸公差测物体光源间距离等参数广泛应够检测反射光束位置光电敏感器件CCD（charge coupled device）光电二极阵列光敏面光位置传感器（position sensing detectorPSD）等前两种属非连续光电检测需外部驱动电路扫描电路配合达测量目PSD输出信号模拟信号求模拟信号处理电路需电路支持测量精度光电二极阵列明显劣两种精密测试中少应CCDPSD优缺点实际测试中根求作出选择里简介绍光三角式传感器原理实际中光电传感器选择理章节中做出详细讨
光三角式传感器属非接触式传感器受测物体空间结构限制灵活时身结构简单性稳定抗电磁干扰性强已成功光三角传感技术应控制系统中运动物体距离检测定位控制取令满意效果
实际测试系统中许光电传感器应基光三角式传感器技术原理许维维测量传感器建立三角法基础反射式开关传感器中应三角法原消阳光辐射室明等环境素影响调节获取固定明确开关距离维传感器中采三角法进行距离测量通偏转镜专门评价软件扩展空间数采集测量处理
42激光位移测量仪选择
着激光光学精密机械电子学光电传感器技术CCD成技术计算机技术等门学科迅速发展激光三角位移测试技术广泛发展根需求加工制造出出种样激光三角位移测力仪仅仅精度速度显著提高通特殊技术激光三角位移测试高温低温条件明显扩展应
通国外激光三角位移测量仪调研目前求讲市场激光位移测试满足微力产生微位移量做出精确检测找种较适合激光三角位移测量仪搭建系统满足现阶段求具备定发展性综合前试验求进步考虑决定采ZLDS100高精度低价位激光位移传感器面列出具体参数中难发现测试精度满足实验求处理速度基满足实时测量高速求图41
图41
ZLDS100高精度低价位激光三角漫反射位移传感器特点：
防护等级高工作温度范围宽步功差动测厚测长等特适工业环境高精度
应领域：ZLDS100成功应IKP5手持式激光火车轮轮缘轮廓测量仪非接触测量位移三维尺寸厚度表面轮廓物体形变振动液位分拣
扩展功性参数：
(1)两激光扫描步功（确保工业线高精度差动测量）
(2)输入信号触发保持功（线连续零件测长测高等）
(3)量程：052510152550100250500mm
(4)线性度±01分辨率001
(5)频率响应：2KHz 选58Hz
(6)输出：串行口RS232 RS485选4～20mA0~10V
(7)报警输出 NPN 100mA 40V
(8)防护等级：IP67
(9)供电：5V12V24V
(10)工作温度：10oC～+60oC
(11)尺寸：65x50x20
(12)重量：100g
系统通检测悬臂梁微位移量测量微摩擦力位移检测采激光三角位移检测技术实现原理综合激光光学精密机械电子学光电传感技术CCD成技术计算机技术等门学科具测量精度高速度快抗干扰力强非接触测量等种优点悬臂梁水形变量做出实时线检测通计算机检验结果实现线分析带数串口计算机进行显示时支持程序扩展
43测量原理误差分析
431工作原理理分析
单点激光三角法测量仪器激光光源透镜光敏传感器组成系统测量原理图图42示
图42直射式三角法原理图
高斯公式
（41）
l0——位移时物距
l0`——l物距时象距
f——透镜L焦距
激光光源射物体某点该目标点图通透镜汇聚传感器形成点激光射物体移动时点传感器移动基线长度已知光源传感器透镜相位置确定前提通测量传感器点位置准确确定测物体仪器间距离激光三角法测量仪器中重组成部分传感器2种传感器处种位置感应探测器（Position Sensitive DetectorPSD）电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD）PSD常范围距离测量提供模拟信号输出适合通断测试CCD传感器具良稳定性产生视频信号适提供数字输出
CCD具尺寸稳定优点光源透镜关系决定测目标点仪器间距离（a点）距离（c点）目标点等间隔移动时点CCD等间隔变化种测量时非线性
直射式例测量光路图1示激光器1发出光线会聚透镜2聚焦垂直入射测物体表面3物体移动表面变化导致入射光点入射光轴移动接收透镜4接收入射光点散射光成光点位置探测器5（CCD）敏感面传感器激光光束测面垂直准确调焦位置余位置处程度离焦状态离焦引起点弥散降低系统测量精度提高精度必须满足Schcimpflug条件面物面透镜面相交条直线（式中横放率）时定景深范围测点正焦成探测器保证精度光点成面位移利相似三角形边间例关系式求出测面位移
（42）
式中a激光束光轴接收透镜光轴交点接收透镜前面距离b接收透镜面成面中心点距离激光束光轴接收透镜光轴间夹角探测器接收透镜光轴间夹角
图43直射式三角法测量图
1—激光器 2—会聚透镜 3—测表面 4—接受透镜 5—光点位置探测器
检测系统工作原理半导体激光器发出激光光学系统聚焦悬臂梁表面形成尺寸足够光点（光点直径约05mm）目标面光点称物点物点发出漫反射光光学系统CCD形成相应点悬臂梁水方产生微位移形成CCD点位置会产生变化样通CCD点位置变化悬臂梁水位移量
432影响激光三角位移检测仪测量精度素误差分析
影响激光三角测量精度素种里简单讨种包括：组成测量系统光学部件身误差表面粗糙度影响 测表面微结构影响等
(1)组成测量系统光学部件身误差
源球差慧差象散场曲畸变等会实际成点偏离理想成点误差制造工艺消减少光学部件外影响测量精度素测量环境激光器光斑形状CCD传感器处理电路测面表面特性等
(2)表面粗糙度影响
激光三角测量前提条件测物体表面应入射光具定散射力样测物体表面反射光激光三角测试仪接受物体表面具粗糙程度会具光散射力会影响测量精度粗糙度情况出着粗糙程度增加外腿表面散射光强度方会改变会影响激光三角位移监测仪接受信号强弱进影响测量精度
(3)测表面微结构影响
测物体表面微结构会影响光散射模式测物体表面具横微条纹结构情况两者光散射模式具明显样外光散射模式避免会出现局部反射情况（双包络现象出现）均会影响测量结果
测量中避免存误差实际实验中实验结果进行误差分析机误差描述数离散程度标准偏差s表示重复性s式计算
(43)
式中
输出测量值
测量值均值
n测量次数
重复性式计算
(44)
s前系数取2时误差服正态分布置信概率95取3时置信概率997
结
微摩擦力测试仪查阅量文献资料基础通目前已研制出结构进行分析较设计出微摩擦测力传感器设计采行板弹簧结构施力测力通测力臂完成体结构采半封闭式结构装置简洁化位置调整系统中目前采手动调整方式做连续进课题深入开发程中采伺服电机控制动连续进方式样XYZ实现动控制实现纳米级微切削该测试仪仅适摩擦系数测量进行摩擦磨损试验实现微切削文完成工作解决问题
1通广泛调研深入讨针微摩擦测试特点难点确定
微摩擦测试仪总体设计方案
2根总体设计方案实验仪测力臂部分进行详细分析机构做
型化系列化
3测力传感器采行板弹簧结构摩擦头施力状态
保持摩擦盘接触状态变
4完成测力传感器限元分析实际测量做准备
5激光三角位移法应力臂位移进行测量然通典力学公式
实际试验中进行标定
目前该测试仪总体设计部分已全部完成正处断完善工程中课题涉容较广泛加力限该测试仪存许需完善方测力臂加工工艺具体安装方法激光三角位移测量仪放置位置需实验测试调整进装置动控制实现等问题进步完善
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