基于光的靜摩擦和切向加載的動態(tài)雙軸運動

基于光的靜摩擦和切向加載的動態(tài)雙軸運動

2.1結(jié)果的采集和數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用（1）在工作中，通過法向加載n，測試對象表面和鏡子表面之間緊密接觸。(2)在一定的法向壓力下,如果試樣受到一個切向壓力F,試樣和棱鏡產(chǎn)生相對運動趨勢,它們之間的摩擦力為f(開始為靜摩擦力),如果f和F相等,則試樣和棱鏡保持相對靜止。讓壓力F逐漸增大,此時f也逐漸增大,當壓力F大于試件和棱鏡間的最大靜摩擦力時,試件移動,靜摩擦變成動摩擦。(3)在這個過程中,試樣和棱鏡接觸面之間的實際接觸情況可以通過顯微鏡觀察,試樣的表面形貌特征被顯微鏡放大,然后被CCD獲取,通過采集卡采樣并記錄到計算機中。連續(xù)采集,就可以把一過程完整地記錄下來。同時,試樣受到的切向力F和法向載荷N也可通過力傳感器采集記錄,這樣可完成圖像和力的匹配對應(yīng)。(4)最后用軟件進一步分析整個摩擦過程的摩擦力變化和接觸面的真實接觸情況。(5)整個摩擦過程可以是干摩擦,也可以是帶潤滑液的摩擦。另外,在帶潤滑液的摩擦過程中,如果在潤滑液中添加熒光劑,可大大地提高觀測能力,采集出來的接觸圖像分辨能力更好。2.2試驗構(gòu)件設(shè)計(1)切向加載速度可調(diào)機構(gòu)。測量過程需要切向力漸變可調(diào),切向加載裝置如圖3所示。電機旋轉(zhuǎn),由聯(lián)軸節(jié)帶動絲杠螺母機構(gòu),壓縮彈簧儲能,同時逐漸增加對工作臺上試件的切向力F(和摩擦力f相平衡),直到切向力大于最大靜摩擦力,試件發(fā)生移動。這樣,該機構(gòu)達到逐漸加載的目的,選用不同彈性的彈簧和不同的電機轉(zhuǎn)速組合,可以得到不同的加載速度。(2)控制采集部分。實驗中,試件和棱鏡的全反射底面接觸,承受法向載荷N,同時試件受到切向力F推動。法向載荷和切向載荷分別由兩個力傳感器測量,傳感器輸出電壓經(jīng)過差動放大后,送入計算機AD卡采樣,并由數(shù)碼顯示器顯示?！D卡選用大恒公司的AC1058,該卡同時具有DI/O輸出功能?！げ竭M電機由外接電路的8253產(chǎn)生頻率可調(diào)的脈沖驅(qū)動并控制?！D像卡選用和訊公司的flyvideo多媒體卡,它可以連續(xù)攝像,圖像數(shù)據(jù)傳輸是流的方式。這對于研究摩擦狀態(tài)由靜摩擦向動摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)換的捕捉是很有用的。另外,載物臺上的行程開關(guān)可在試件發(fā)生運動,靜摩擦狀態(tài)結(jié)束時停止電機轉(zhuǎn)動。(3)棱鏡。實驗臺的棱鏡選用藍寶石的道威棱鏡,其折射率n1=1.77,底面經(jīng)過超精加工,Ra<5nm,莫氏硬度9.2,極耐磨,是理想的測量形貌的材料。若取折射率n2=1.5的潤滑油,根據(jù)光的波動理論,可算出臨界角為25°。(4)光源。實驗臺的光源選用溴鎢燈,這是連續(xù)光譜的非相干光,譜線范圍在0.15～1.2μm,選擇非相干光的原因是避免相干性好的單色光源產(chǎn)生光學(xué)干涉散斑。為了方便測量,同時增大光能的傳輸效率,采用濾波片將溴鎢燈光光譜濾成準單色光。此外,為了減小燈絲影像的不均勻影響,采用毛化玻璃均化視場。(5)顯微鏡和CCD感光元件。顯微鏡選擇體式顯微鏡,它具有較長的前工作距,即成像時物體離前鏡面的距離較長,這是測量系統(tǒng)所要求的。攝像的CCD選用的是MTV-1881CB,它的技術(shù)指標是:感光區(qū)域8mm×6mm,譜線峰值響應(yīng)0.75μm,空間分辨率是800線×800線,滿足使用要求。2.3圖像讀取和處理模塊的程序軟件部分主要由3個模塊組成:可調(diào)脈沖的產(chǎn)生;載荷采樣;圖像的攝取和存儲處理。(1)可調(diào)脈沖產(chǎn)生的框圖如圖4所示。counter0,counter1,counter2分別是8253三個計數(shù)器的值,即分頻比,控制字和計數(shù)值由計算機控制AC1058DI/O端口輸入8253,脈沖頻率f=100000000/(counter0×counter1×counter2)。(2)力采樣的程序框圖如圖5所示。將法向采樣的平均值作為法向載荷Fn,切向采樣的最大值作為最大靜摩擦力Fmax,則最大靜摩擦因數(shù)f=Fmax/Fn。(3)圖像攝取和處理模塊的程序框圖如圖6所示。試樣和棱鏡之間接觸面的一系列表面形貌變化圖形被CCD記錄以后,由圖像采集卡采集后,通過數(shù)模轉(zhuǎn)換存儲到計算機中,然后通過軟件對其進行處理。圖像采集過程可跟摩擦力測量實現(xiàn)同步,有利以后分析。圖像采集以后,可通過軟件對其進行處理,并對比對應(yīng)的摩擦力變化,進行更全面的分析。當然,處理過程可以脫離實驗臺進行。其中的圖像處理過程主要包括濾波去除背景、二值化、統(tǒng)計真實接觸面積、接觸點邊界尋找和分析等。摩擦學(xué)是機械學(xué)研究的領(lǐng)域之一,是研究摩擦、磨損與潤滑學(xué)科的總稱。摩擦學(xué)研究的領(lǐng)域非常廣泛,其中一個主要的方向就是對表面形貌的研究。古典摩擦定律認為摩擦因數(shù)決定于材料和表面的性質(zhì),與載荷、表面的接觸面積等因素無關(guān)。近代研究表明,摩擦是一個非常復(fù)雜的過程,摩擦因數(shù)不只取決于摩擦副中配偶材料性質(zhì)的常數(shù),而是跟表面的組成和形貌、真實接觸面積、載荷、滑動速度等因素有關(guān),并受周圍介質(zhì)工作條件的影響。影響靜摩擦因數(shù)有很多因素,從接觸面的真實接觸情況來研究靜摩擦是一個很好途徑。使用顯微鏡來觀察真實接觸表面,它具有直觀、精度高等特點。針對特殊表面形貌摩擦的最大靜摩擦力的測量,在深入研究光的受抑全反射在測量真實接觸面積的可能性基礎(chǔ)上,設(shè)計了光受抑全反射靜摩擦綜合實驗臺。該試驗臺為表面形貌摩擦研究提供了一種手段,便于對摩擦試樣從靜摩擦到動摩擦轉(zhuǎn)換過程中的最大靜摩擦力進行測量。1試樣表面的受抑全反射法測表面如圖1所示,介質(zhì)1是棱鏡,介質(zhì)2是空氣,介質(zhì)3是試樣,當光從光密介質(zhì)(介質(zhì)1)進入光疏介質(zhì)(介質(zhì)2),即n1>n2時,并且入射角大于或者等于臨界角時發(fā)生全反射現(xiàn)象,實際上全反射光經(jīng)過界面要逐步衰減一部分。當介質(zhì)2的厚度有限,在光的波長量級,且介質(zhì)3的折射率大于媒介2的折射率,即n3>n2時,入射光的能量就通過介質(zhì)2傳到介質(zhì)3中,此時的全反射就變成部分反射。由于介質(zhì)2各處的厚度不同,所以部分反射后的光強度不同,根據(jù)光強可得到試件的表面形貌。所以待測表面的波峰和波谷差小于波長,且上試件的表面粗糙度相對小時,被測表面的三維輪廓就可用光受抑全反射法測量出來了。當所研究的表面與透明材料的試樣(棱鏡)發(fā)生接觸時,接觸斑點相對于非接觸區(qū)是暗區(qū)。受抑全反射的接觸面圖像經(jīng)過顯微鏡放大,由安裝在顯微鏡目鏡處的CCD感光元件讀取,并由計算機對圖像進行采集處理,這樣就完成了接觸面圖像的采集。2靜摩擦力實驗站設(shè)計靜摩擦實驗臺是一個集機械、電路、軟件一體的實驗裝置圖2為實驗臺的原理