MEMS微观摩擦磨损测试装置研制

发布时间：2017-05-10 08:18

  本文关键词：MEMS微观摩擦磨损测试装置研制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：用于微机电系统的微摩擦学研究设备，主要依赖于研究人员根据自身学科需要开发的各种微观摩擦测试仪器。鉴于高速微机电系统的涌现以及国内目前尚无适用于高速微机电系统的摩擦磨损试验设备，本文研制了一台能够模拟高速微机电系统工况的微摩擦测试装置，可用于研究高速微机电系统中摩擦、磨损和润滑行为。 采用销－盘式摩擦模式用以模拟微机电系统中的滑动摩擦磨损，利用直径为2mm的单晶硅圆柱和单晶硅片构成摩擦副，分别选用位移法和光学杠杆法作为正压力和摩擦力的测量方法，进而设计了测试装置的总体结构，并详细论述了其测量原理，其中，为了提高摩擦力的测量精度同时增加测力量程，引入了带有压电致动器的反馈系统。 设计了用于微力测量的测力悬臂，在其测试端通过纵向弹性敏感元件测量正压力，在其固定端通过周向弹性敏感元件测量摩擦力，通过理论计算分析了敏感元件的刚度和最大应力，利用Creo Simulate软件对纵向弹性敏感元件进行强度仿真分析，，利用微加工技术制作了敏感元件和试件。 采用硬盘主轴电机实现摩擦盘的转动，采用三相逆变电桥驱动电路和两两导通的通电方式，以ATmega8为控制核心，采用反电动势过零点检测法检测转子位置，实现电机的启动与调速，利用Delphi软件编写上位机PWM波发生器，利用HY-441数字转速表标定了电机转速与PWM信号脉冲宽度的关系曲线。 使用激光位移传感器测量纵向弹性敏感元件形变位移；采用激光器、反射镜组、光斑位置探测器和压电致动器构成带有反馈的测量系统，利用光学杠杆法实现周向弹性敏感元件扭转角的测量。描述了上述仪器在本装置中的使用方法与步骤，根据测试系统的结构特征设定了系统的控制参数。 检测了不同转速下摩擦盘的端面跳动，结果表明电机转速在4000~7000转区间内，摩擦盘的端面跳动较小，有利于进行微摩擦测试。标定了纵向弹性敏感元件的刚度，标定值与理论分析和仿真分析相一致。分析了测试装置的静态特性，摩擦力测量滞后约为6%，重复性约为0.6%，分辨力为0.011mN。实验测试表明，该微摩擦测试装置符合设计要求，可以作为高速微观摩擦试验的有效工具。
【关键词】：微机电系统 微摩擦 微加工 无刷直流电
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TH-39;TH87
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• Contents10-12
• 图清单12-17
• 表清单17-18
• 变量注释表18-19
• 1 绪论19-31
• 1.1 课题的背景与来源19-23
• 1.2 微观摩擦磨损测试装置的研究现状23-29
• 1.3 本文的研究目的和意义29-30
• 1.4 本文的主要研究内容30-31
• 2 测试装置的总体设计31-39
• 2.1 测试装置的设计要求31-32
• 2.2 摩擦力测量原理32-33
• 2.3 测试装置的结构设计33-37
• 2.4 本章小结37-39
• 3 微力测量单元设计39-59
• 3.1 测力悬臂结构39-40
• 3.2 周向弹性敏感元件40-48
• 3.3 纵向弹性敏感元件48-56
• 3.4 试件56-57
• 3.5 本章小结57-59
• 4 回转运动的速度控制系统59-70
• 4.1 无刷直流电机的选用59-60
• 4.2 电机驱动电路60-63
• 4.3 电机转子位置检测63-66
• 4.4 电机控制程序设计与转速标定66-69
• 4.5 本章小结69-70
• 5 传感器与数据采集70-76
• 5.1 激光位移传感器70-71
• 5.2 光斑位置探测器与压电致动器71-75
• 5.3 本章小结75-76
• 6 系统静态特性和测试分析76-86
• 6.1 摩擦盘端面跳动检测76-78
• 6.2 纵向弹性敏感元件标定78-80
• 6.3 测试装置静态特性分析80-84
• 6.4 实验测试分析84-85
• 6.5 本章小结85-86
• 7 结论和展望86-88
• 7.1 结论86
• 7.2 展望86-88
• 参考文献88-92
• 附录92-102
• 作者简历102-104
• 学位论文数据集104

【参考文献】

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本文编号：354383