CN108571943B - 一种接触式两圆柱体轴线交叉角度自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触式两圆柱体轴线交叉角度自动测量装置，该装置由装置平台、检测装置、驱动装置组成。装置平台起支撑、固定作用，装置平台能够有效的支撑起检测装置及驱动装置。装置平台圆周导轨的边缘部分放置径向圆光栅，有效的自动测量和控制角位移。该装置能够适用于不同尺寸大小的试件，适用范围较广，可以满足不同的实验需求。检测装置能够实时监测施加力的大小，便于对结合面力学特性进行研究。该装置安装方法简单，原理清晰，自动控制，操作简便。

Description

一种接触式两圆柱体轴线交叉角度自动测量装置

技术领域

本发明涉及到结合面实验测量领域，具体涉及通过该测量装置获取结合面在一定受力条件下相互接触时控制并测量轴线交叉角度的变化情况，尤其涉及一种接触式圆柱体轴线交叉角度自动测量装置。

背景技术

研究表明，机床中结合面的刚度约占机床总刚度的60％～80％，结合面的接触阻尼占机床全部阻尼的90％以上。而如何获取结合面力学特性一直是研究难题。在现有结合面研究中，研究者基于各自无规则的粗糙面，采用加工方法、表面粗糙度大小、分形与统计等参数对结合面进行分类和描述，并采用赫兹接触理论方法，试图解决任意结合面力学特性实验或者分析问题。在实际中即便结合面轻微改变接触位置，力学特性也会发生改变，更不用说不同结合面之间力学特性所存在的差异了。该现象的存在，造成了后续研究困难。尤其体现在，当后续研究与前面实验数据存在差异时，无法复制前面研究者所采用表面形貌的结合面，导致结合面力学特性实验结果无法追溯和验证。

实际中，机加工表面往往存在规律性和周期性的表征，特别在精密加工过程中，然而现有的结合面力学特征研究中并未充分利用这些形貌信息。本装置基于规则表面形貌中特殊的圆柱波形微观形貌结合面，抽取出两圆柱接触问题，测量弹性范围内，竖直方向加载不同外加压力，控制并测量两圆柱轴线交叉角度的变化情况，从而方便后续实验测量两圆柱在竖直方向上的接触间隙变化情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制造周期短、安装方便并且自动控制、高效低成本的实验测量装置，解决两圆柱在不同外加载荷下相互接触时，手动控制两圆柱体轴线交叉角度不方便且误差太大的问题。

为实现上述目的，本发明提供接触式圆柱体轴线交叉角度自动测量装置，技术方案如下：

接触式圆柱体轴线交叉角度自动测量装置，该装置由装置平台、检测装置、驱动装置组成。装置平台起支撑、固定作用，装置平台能够有效的支撑起检测装置及驱动装置。装置平台圆周导轨的边缘部分放置径向圆光栅，有效的自动测量和控制角位移。该装置能够适用于不同尺寸大小的试件，适用范围较广，可以满足不同的实验需求。检测装置能够实时监测施加力的大小，便于对结合面力学特性进行研究。驱动装置能够通过电机自动控制上试件的圆周移动，且滑座部分是由强度高、重量轻、耐蚀性好、加工性能优的铝合金板为主要原材料制作，下部安装的四个滑轮运行流畅，精度较高。自动改变两圆柱接触的轴线角度，并通过刻度指针与圆光栅的作用实时监测角度值的大小。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果在于，该装置立足于规则表面形貌中特殊的圆柱波形微观形貌结合面，使用把圆弧齿条和圆弧导轨合在一起的带齿轮齿圈驱动滑座的弧形导轨，把齿轮和电机、试件安装在滑座上，使电机驱动试件运动，改变两圆柱接触的轴线交叉角度，并通过滑座上的指针及圆光栅实时测量角度大小，为后续两圆柱接触间隙的测量提供试验依据。该装置安装方法简单，原理清晰，自动控制，操作简便。

附图说明

图1本发明整体结构示意图。

图2带齿轮齿圈驱动滑座的圆周导轨结构轴测图。

图3带齿轮齿圈驱动滑座的圆周导轨结构俯视图

图中：1为装置平台，2为角圆光栅，3为带齿轮齿圈驱动滑座的圆周导轨， 4为滑座，5为刻度指针，6为电机，7为滑座上的试件卡紧装置，8为上试件， 10为下试件，9为力检测探头，11为下试件卡紧装置，12为支撑结构，13为检测装置，14为连接结构，15为施力平台，16为砝码，17为齿圈。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图1，本发明提供一种结合面接触角度控制和测量装置：一种接触式两圆柱体轴线交叉角度自动测量装置，该测量装置包括装置平台1、驱动装置、检测装置。

装置平台1上设有角圆光栅2，下试件卡紧装置11和支撑结构12。支撑结构12固定在装置平台1的表面，下试件卡紧装置11安装在支撑结构12之间，角圆光栅2布设在支撑结构12之间的装置平台1上，且支撑结构12能够根据试件的尺寸精确地上下调整高度。下试件10通过下试件卡紧装置11安装在支撑结构12上。

检测装置包括力检测探头9，实时检测装置13，连接结构14，施力平台15 和砝码16。实时检测装置13安装在支撑结构12的顶部中间位置，施力平台15 通过连接结构14与实时检测装置13连接；力检测探头9安装在实时检测装置 13的底部。

驱动装置包括带齿轮齿圈驱动滑座的圆周轨道3，滑座4，刻度指针5，上试件卡紧装置7，减速电机6。带齿轮齿圈驱动滑座的圆周轨道3由圆周齿条、齿圈17和圆周导轨组成，减速电机6通过法兰盘固定在带滚轮的滑座4上；刻度指针5设置在滑座4的侧部；上试件8通过上试件卡紧装置7固定在滑座4 上；

圆柱体上试件8设置在下试件上方，且与下试件为空间垂直布设，力检测探头9正对圆柱体上试件8与下试件的交叉中心。

角圆光栅2为径向圆光栅。从角圆光栅2中能取得近似正弦的莫尔条纹光电信号，因而通过电子学方法把位移量转换成数字信息量、模拟信息量、数字和模拟相结合的信息量，以便于自动测量和控制角位移。下试件卡紧装置11能够卡紧下试件，并且适用于多个尺寸大小的下试件。

通过在施力平台15上增加不同质量和数量砝码16，然后将力传递到连接结构14，并通过力检测探头9传递到上试件，使上试件8和下试件相互接触并形成接触区域，产生力学特性。检测装置能够实时监测施加力的大小，便于对结合面力学特性进行研究。下试件卡紧装置11能够使下试件在上试件运动过程中保持静止状态。

滑座4是由强度高、重量轻、耐蚀性好、加工性能优的铝合金板为主要原材料制作，滑座4下方安装有四个滚轮，其中两个是同心滚轮，另外两个是偏心滚轮，使减速电机6实时驱动滑座4运动，进而转动下试件，自动改变两圆柱接触的轴线角度，并通过刻度指针5与角圆光栅2的作用实时监测角度值的大小。

接触式两圆柱体轴线交叉角度自动测量装置在使用时首先要将上试件8、下试件10装夹到上试件卡紧装置7、下试件卡紧装置11内，两试件尺寸可以不同，控制在卡具的装夹范围之内即可。然后打开检测装置13、电机部分6等，根据经验参考值选择合适大小的砝码放置到施力平台，然后控制电机带动滑座、上试件沿圆周导轨逐点运动，刻度指针5与角圆光栅2实时记录走过的角度值，同时检测装置13实时监测记录外界压力的大小及检测探头9下降的位移。为满足实验要求，在试件弹性范围内不断改变力的大小，记录角度变化情况及探头下降位移。最后为公式求解提供实验依据。

根据赫兹(Hertz)接触理论，假定两圆柱体接触面的周界是一个椭圆，并且接触面上的压强分布是和这个椭圆为基础的半椭球面的纵坐标成正比，垂直过接触点的切面方向，亦即假定

P＝p₀{1-(x/a)²-(y/b)²}^1/2

式中p₀是中心点的压强强度Mpa；

a、b是接触椭圆的长轴和短轴长度mm；

P是两物体接触所受的总压力N。

其中

假如式p＝p₀{1-(x/a)²-(y/b)²}^1/2压强分布合理，那么能够求解出

(k₁+k₂)πap₀K(e)＝h

式中μ为材料的泊松比，E为材料的弹性模量。K(e)、E(e)为以n/m为模数的完全椭圆积分，e是椭圆的离心率

上述K、E、e满足以下条件

对于该类接触，接触区为椭圆，接触区压力分布为半个椭球，当e决定后，可以求得椭圆接触面积的短长半轴a，b由下式决定

在椭圆接触区内，椭圆中心处压应力p₀最大

在椭圆接触区内，接触压力分布为

所以，位于接触点O的公共法线上距O点相当远的任意两点因压缩而互相接近的距离为，即接触间隙

从公式中可知，当材料已知后，材料的泊松比、弹性模量等可以由国标得出，而K(e)、E(e)等参数与轴线交叉角度息息相关。实验过程中，获取加载到试件上的力之后，只有测得准确地轴线交叉角度，才能求解出正确的接触间隙。

综上，即可说明本发明一种接触式两圆柱体轴线交叉角度自动测量装置能够方便快捷的控制并测量接触式两圆柱体轴线交叉角度，并对后续圆柱接触的接触位移求解提供依据。

Claims (4)

1.一种接触式两圆柱体轴线交叉角度自动测量装置，其特征在于：该测量装置包括装置平台(1)、驱动装置和检测装置；

装置平台(1)上设有角圆光栅(2)，下试件卡紧装置(11)和支撑结构(12)；支撑结构(12)固定在装置平台(1)的表面，下试件卡紧装置(11)安装在支撑结构(12)之间，角圆光栅(2)布设在支撑结构(12)之间的装置平台(1)上，且支撑结构(12)能够根据试件的尺寸精确地上下调整高度；下试件(10)通过下试件卡紧装置(11)安装在支撑结构(12)上；

检测装置包括力检测探头(9)、实时检测装置(13)、连接结构(14)、施力平台(15)和砝码(16)；实时检测装置(13)安装在支撑结构(12)的顶部中间位置，施力平台(15)通过连接结构(14)与实时检测装置(13)连接；力检测探头(9)安装在实时检测装置(13)的底部；

驱动装置包括带齿轮齿圈驱动滑座的圆周轨道(3)、滑座(4)、刻度指针(5)、上试件卡紧装置(7)和减速电机(6)；带齿轮齿圈驱动滑座的圆周轨道(3)由圆周齿条、齿圈(17)和圆周导轨组成，减速电机(6)通过法兰盘固定在带滚轮的滑座(4)上；刻度指针(5)设置在滑座(4)的侧部；圆柱体上试件(8)通过上试件卡紧装置(7)固定在滑座(4)上；

圆柱体上试件(8)设置在下试件上方，且与下试件为空间垂直布设，力检测探头(9)正对圆柱体上试件(8)与下试件的交叉中心；

角圆光栅(2)为径向圆光栅；从角圆光栅(2)中能取得近似正弦的莫尔条纹光电信号，因而通过电子学方法把位移量转换成数字信息量、模拟信息量、数字和模拟相结合的信息量，以便于自动测量和控制角位移；下试件卡紧装置(11)能够卡紧下试件，并且适用于多个尺寸大小的下试件；

通过在施力平台(15)上增加不同质量和数量砝码(16)，然后将力传递到连接结构(14)，并通过力检测探头(9)传递到上试件，使圆柱体上试件(8)和下试件相互接触并形成接触区域，产生力学特性；检测装置能够实时监测施加力的大小，便于对结合面力学特性进行研究；下试件卡紧装置(11)能够使下试件在上试件运动过程中保持静止状态。

2.根据权利要求1所述的一种接触式两圆柱体轴线交叉角度自动测量装置，其特征在于：滑座(4)是由铝合金板为主要原材料制作，滑座(4)下方安装有四个滚轮，其中两个是同心滚轮，另外两个是偏心滚轮，使减速电机(6)实时驱动滑座(4)运动，进而转动下试件，自动改变两圆柱接触的轴线角度，并通过刻度指针(5)与角圆光栅(2)的作用实时监测角度值的大小。

3.根据权利要求1所述的一种接触式两圆柱体轴线交叉角度自动测量装置，其特征在于：接触式两圆柱体轴线交叉角度自动测量装置在使用时首先要将圆柱体上试件(8)、下试件(10)装夹到上试件卡紧装置(7)、下试件卡紧装置(11)内，两试件尺寸可以不同，控制在卡具的装夹范围之内即可；然后打开实时检测装置(13)、减速电机(6)，根据经验参考值选择合适大小的砝码放置到施力平台，然后控制电机带动滑座、上试件沿圆周导轨逐点运动，刻度指针(5)与角圆光栅(2)实时记录走过的角度值，同时实时检测装置(13)实时监测记录外界压力的大小及力检测探头(9)下降的位移；为满足实验要求，在试件弹性范围内不断改变力的大小，记录角度变化情况及探头下降位移；最后为公式求解提供实验依据。

4.根据权利要求1所述的一种接触式两圆柱体轴线交叉角度自动测量装置，其特征在于：根据赫兹接触理论，假定两圆柱体接触面的周界是一个椭圆，并且接触面上的压强分布是和这个椭圆为基础的半椭球面的纵坐标成正比，垂直过接触点的切面方向，亦即假定

P＝p₀{1-(x/a)²-(y/b)²}^1/2

式中p₀是中心点的压强强度Mpa；

a、b是接触椭圆的长轴和短轴长度mm；

P是两物体接触所受的总压力N；

其中

假如式p＝p₀{1-(x/a)²-(y/b)²}^1/2压强分布合理，那么能够求解出

(k₁+k₂)πap₀K(e)＝h

式中μ为材料的泊松比，E为材料的弹性模量；K(e)、E(e)为以n/m为模数的完全椭圆积分，e是椭圆的离心率

上述K(e)、E(e)、e满足以下条件

接触区为椭圆，接触区压力分布为半个椭球，当e决定后，求得椭圆接触面积的短长半轴a，b由下式决定

在椭圆接触区内，椭圆中心处压应力p₀最大

在椭圆接触区内，接触压力分布为

所以，位于接触点O的公共法线上距O点相当远的任意两点因压缩而互相接近的距离为，即接触间隙

综上，该装置能够方便快捷的控制并测量接触式两圆柱体轴线交叉角度，并对后续圆柱接触的接触位移求解提供依据。