基于虚拟仪器技术的微摩擦测试系统开发

　　随着微机械应用日益广泛,其微摩擦学问题日渐突出.微摩擦学引发了对表面改性纳米膜(或涂层)的关注[1],表面微纳米膜可以大幅度降低微摩擦磨损,从而提高微机械的使用寿命,微摩擦测试仪器成为评估这些膜的必要和有效工具.然而,现有的宏观摩擦磨损实验设备,如销盘式摩擦磨损试验机、四球摩擦磨损试验机、SRV磨损试验机等的工作载荷普遍都在N级以上,不仅达不到所需的精度,而且也无法进行动态的测量[2].原子力显微镜(AFM)、摩擦力显微镜(FFM)等在微摩擦学研究中发挥着巨大作用,其工作载荷在nN级.但是,微机械虽小,其摩擦时施加的载荷往往大于nN量级.在评价一种纳米表面改性膜的摩擦学性能时,需要测试仪器能实际直观地考察mN级载荷下的摩擦学性能.

　　本文将虚拟仪器技术引入微摩擦测试仪器,自行设计与制造了一台在mN级工作载荷下的球接触滑动往复微摩擦测试实验系统,可同时控制载荷大小、摩擦运动速度等参数.通过对样品的微小摩擦力和法向载荷的测定,得到样品的摩擦系数,用以评定材料表面微纳米膜的摩擦学性能.

　　1　测试系统的设计

　　1.1　设计思路

　　与普通的摩擦测试仪器一样,在测试设计中同样需要解决两个问题:测出样品的微小摩擦力和对应正压力大小.在对这两个基本量的测定时,要求能同时调节载荷大小、滑动摩擦速度等参数,以考察材料在不同工况下的摩擦学性能.

　　通过传感器测量摩擦力、正压力(载荷)两个量,再用数据采集卡模数转换后输入计算机.用调速器控制电机,以调节滑动摩擦速度,载荷大小用垂直位移旋钮进行调节,以实现对不同工况的模拟.以LabVIEW为平台,实现数据的实时收集、实时处理、参数及参数曲线的实时显示和结果的记录.

　　1.2　系统硬件

　　系统的硬件主要包括二维位移平台、往复平台[3]、测力传感器和计算机系统等,其结构如图1所示.

　　(1)二维位移平台.实现法向和水平两个方向的位移:法向位移实现载荷的调节;水平位移则实现对样品不同区域的滑动摩擦测试.

　　(2)往复平台.通过电机带动阿基米德螺线盘形凸轮旋转,凸轮推动工作台的往复运动,实现测试时的往复式滑动摩擦.其中凸轮轮廓的计算如下(极坐标形式):

　　(3)测力传感器.测力传感器的测量方法分别采用电阻应变片法和位移法,其悬臂结构如图2所示

　　电阻应变片法是将应变片贴在水平的弹性钢片靠近连接块的一端,通过检测弹性钢片受法向载荷所产生的应变,将力信号转换成电压信号并放大,经标定得到法向载荷与输出电压的线性关系.系统采用4个箔式应变片,将其贴在弹性钢片上下,构成全桥电路,其标定过电子天平(分辨力1 mg)完成.这样系统即可测量出施加载荷的大小(法向方向).