技术领域
[0001] 本
发明设计刚度测量技术领域，尤其设计一种刚度测量系统。
背景技术
[0002] 刚度是研究界面摩擦
接触的重要考虑因素。在关节传递
力的过程中，由于刚度的存在经常会产生震荡加载；通过摩擦进行
载荷传递时，刚度会引起疲劳和磨损进而引起失效；目前仍无法准确表征接触界面产生的额外的刚度。在高
精度装备中，要求更精确的预测系统动态响应，从动力学
角度理解就是要更准确的表征刚度。
[0003] 在20世纪中叶，Cattaneo和Mindlin提出法向和切向载荷下球体接触的
预测模型。1955年Johnson通过实验研究证明了Mindlin的预测模型的有效性。1966年，Greenwood和Williamson认为粗糙接触中接触微凸体的数量和真实接触面积和载荷是正比例关系。Królikowski和Szczepek通过
超声波测量了法向和切向刚度，验证了Greenwood和Williamson的模型，发现切向刚度主要取决于泊松比。2011年，Kartal通过实验验证切线刚度与接触面积正相关，并通过归一化的方法确定接触界面的切向刚度。2018年Barzrafshan通过实验验证了相同材料接触时切向力和法向力符合Cattaneo-Mindlin预测模型，并认为可对相近材料接触的耦合关系进行忽略处理。但不同材料接触时，法向力与切向力无法解耦，目前对其仍没有较好的解决方法。
发明内容
[0004] 本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
[0005] 为此，本发明的目的在于提出一种刚度测量系统，解决了传统测量中由于没有考虑真实接触状态变化导致界面切向刚度测量精度不高的问题。
[0006] 为达上述目的，本发明
实施例提出了一种刚度测量系统，包括自调平法向加载装置、直线驱动力加载装置、滑
块装置、光纤位移测量装置和视频
图像采集装置，其中，滑块装置由上到下包括：上固定块、滑块试样和下固定块，其中，自调平法向加载装置，包括法向压力检测组件和法向压力组件，法向压力组件与下固定块连接，其中，直线驱动力加载装置包括切向压力组件和切向压力检测组件，切向压力组件与滑块试样的侧面固定连接，其中，所述自调平法向加载装置，用于通过所述法向压力组件为所述滑块装置提供法向压力，并通过所述法向压力检测组件检测法向压力值；所述直线驱动力加载装置，用于通过所述切向压力组件为所述滑块试样提供切向力，并通过所述切向压力检测组件检测切向压力值；所述滑块装置，用于在所述自调平法向加载装置和所述直线驱动力加载装置作用下，使得所述滑块试样与所述上固定块和所述下固定块分别形成接触界面；所述光纤位移测量装置，用于采集所述滑块试样与所述下固定块间的界面相对位移；所述视频图像采集装置，用于在所述滑块试样和所述下固定块间的接触界面上形成光斑图像，并通过相机实时采集所述滑块试样与所述下固定块的光斑图像。
[0007] 本发明的实施例中，所述法向压力组件包括：U型压块、
弹簧组、下压块、两个滑块、两个
导轨和两个
挡板，其中，所述U型压块、所述滑块、所述弹簧组和所述下压块由上到下分布所述两个挡板的上边缘固定连接在所述刚度测量系统的上平台的底面，所述两个导轨分别固定在所述两个挡板的侧面上；所述下压块，与所述U型压块通过弹簧组固定连接；所述U型压块，与所述下固定块通过
螺栓固定连接，并且所述U型压块两侧与所述滑块通过螺栓固定连接；所述滑块，在所述导轨形成的移动空间中上下滑动。
[0008] 本发明的实施例中，所述法向压力检测组件，包括：圆盘式
传感器、转接板和法向加载台，其中，所述法向加载台，固定连接在所述刚度测量系统的下平台的顶面，所述法向加载台的顶面与所述转接板通过螺栓连接；所述圆盘式传感器的底面与所述转接板通过螺栓固定连接，所述圆盘式传感器的顶面与所述下压块通过螺栓固定连接。
[0009] 本发明的实施例中，所述切向压力组件，包括：
基座、切向加载电动缸、直线
轴承、轴承底座和
推杆，其中，所述基座与所述刚度测量系统的上平台的底面固定连接；所述切向加载电动缸，与所述基座通过螺栓固定连接；所述直
线轴承，与所述轴承底座固定连接，并且，所述轴承底座与所述刚度测量系统的上平台的底面固定连接；所述推杆卡在所述直线轴承内，与所述滑块试样固定连接。
[0010] 本发明的实施例中，所述切向压力检测组件，包括：S型传感器，其中，所述S型传感器，与所述推杆和所述切向加载电动缸通过固定连接。
[0011] 本发明的实施例中，所述滑块试样的侧面与所述推杆通过强力胶固定连接。
[0012] 本发明的实施例中，所述光纤位移测量装置，包括：光纤调节架、光纤位移计算组件、两个光纤
探头，其中，所述光纤调节架，与所述刚度测量系统的上平台的底面固定连接；所述两个光纤探头，固定设置在所述光纤调节架上，所述两个光纤探头通过光纤与所述光纤位移计算组件连接。
[0013] 本发明的实施例中，所述视频图像采集装置，包括：光纤
耦合器、激光
控制器、计算机、相机、前表面反射镜、线性狭缝、角度调节架和激光
准直器，其中，所述激光控制器，与所述光纤耦合器通过数据线连接；所述激光
准直器，与所述光纤耦合器通过光纤连接；所述激光准直器，与所述角度调节架通过螺栓固定连接；所述前表面反射镜，通过强力胶固定在所述刚度测量系统的上平台上，紧邻所述下固定块的侧面；所述相机，通过三
脚架固定在所述滑块装置前上方
位置，并通过数据线与所述计算机连接，由所述计算机控制视频图像采集。
[0014] 另外，本发明的实施例中，刚度测量系统，还包括：
信号采集仪，其中，所述信号采集仪与所述光纤位移计算组件、所述法向压力检测组件和所述切向压力检测组件通信连接。
[0015] 本发明实施例的刚度测量系统，通过直线驱动力加载装置施加往复运动，可是实现对接触界面准静态切向刚度的测量；通过直线驱动力加载装置施加直线运动，可是实现对接触界面动态切向刚度的测量；在实验过程中同时对接触界面的力、位移以及界面真实接触状态变化进行实时采集，可计算出基于真实接触状态变化的切向刚度；通过自调平法向加载装置，可实现对接触界面均载，保证在滑块运动过程中接触面均匀；直线驱动力加载装置确保了切向运动的直线度，提高切向刚度的测量精度；通过调整法向载荷大小和切向推进速度，可以研究法向加载速度和载荷，对界面切向刚度的影响；基于同时对接触界面的力、位移以及界面真实接触状态变化进行实时采集的特点，本实验台也可用于接触副界面粘滑实验。
[0016] 本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0017] 本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0018] 图1是本发明实施例所提供的一种刚度测量系统结构示意图；
[0019] 图2是根据本发明一个实施例的接触界面切向刚度动态测量系统的正视图；
[0020] 图3是根据本发明一个实施例的接触界面切向刚度动态测量系统的左视图；
[0021] 图4是根据本发明一个实施例的接触界面切向刚度动态测量系统的
正面结构示意图；
[0022] 图5是根据本发明一个实施例的接触界面切向刚度动态测量系统的背面结构示意图；
[0023] 图6是根据本发明一个实施例的接触界面切向刚度动态测量系统的自调平法向加载的部分结构示意图；
[0024] 图7是根据本发明一个实施例的接触界面切向刚度动态测量系统的直线驱动力加载装置；
[0025] 图8是根据本发明一个实施例的接触界面切向刚度动态测量系统的相对位移测量装置；
[0026] 图9是根据本发明一个实施例的接触界面切向刚度动态测量系统的滑块装置的结构示意图；
[0027] 图10是根据本发明一个实施例的接触界面切向刚度动态测量系统的视频图像采集装置示意图；
[0028] 图11是根据本发明一个实施例的接触界面切向刚度动态测量系统的真实接触界面成像原理图。
[0029] 附图标号：下平台1，
支撑杆2，驱动
电机控制器3，信号采集仪4，上平台5，光纤位移测量控制器6，光纤耦合器7，激光控制器8，基座9，切向加载电动缸10，S型传感器11，挡板12，直线轴承13，轴承底座14，推杆15，上固定块16，滑块试样17，下固定块18，光纤调节架
19，光纤探头20，光纤探头21，计算机22，挡板23，U型压块24，滑块25，弹簧组26，下压块27，导轨28，圆盘式传感器29，转接板30，相机31，法向加载台32，导轨33，滑块34，前表面反射镜
35，线性狭缝36，角度调节架37，激光准直器38，自调平法向加载装置100，直线驱动力加载装置110，法向压力检测组件111，法向压力组件112，切向压力组件113，切向压力检测组件
114，滑块装置120，视频图像采集装置130，光纤位移测量装置131。
具体实施方式
[0030] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0031] 下面参考附图描述本发明实施例的刚度测量系统。
[0032] 图1为本发明实施例所提供的一种刚度测量系统的结构示意图。
[0033] 如图1所示，根据本发明的一个实施例，刚度测量系统，包括：自调平法向加载装置100、直线驱动力加载装置110、滑块装置120、视频图像采集装置130和光纤位移测量装置
131，其中，滑块装置120由上到下包括：上固定块16、滑块试样17和下固定块18，其中，自调平法向加载装置100，包括法向压力检测组件111和法向压力组件112，法向压力组件112与下固定块18连接，其中，直线驱动力加载装置110包括切向压力组件113和切向压力检测组件114，切向压力组件113与滑块试样17的侧面固定连接，其中，自调平法向加载装置100，用于通过法向压力组件112为滑块装置120提供法向压力，并通过法向压力检测组件111检测法向压力值；直线驱动力加载装置110，用于通过切向压力组件113为滑块试样17提供切向力，并通过切向压力检测组件114检测切向压力值；滑块装置120，用于在自调平法向加载装置100和直线驱动力加载装置110作用下，使得滑块试样17与上固定块16和下固定块18分别形成接触界面；光纤位移测量装置131，用于采集滑块试样17与下固定块间18的界面相对位移；视频图像采集装置130，用于在滑块试样17和下固定块18间的接触界面上形成光斑图像，并通过相机31采集滑块试样17与下固定块18的实时光斑图像。
[0034] 具体地，作为一种可能的实现方式，通过直线驱动力加载装置110确保切向运动的直线度，通过自调平法向加载装置100实现对接触界面的均载，在实验过程中同时对接触界面的力、位移以及界面真实接触状态变化，通过自调平法向加载装置100，实现对实验过程中界面接触力的动态测量；通过光纤位移测量装置131，实现对接触界面前端面的位移的实时测量；通过视频图像采集装置130，用于在滑块试样和下固定块间接触界面上形成光斑图像，并通过相机采集滑块试样与下固定块的实时光斑图像，从而得到界面真实接触状态变化情况，进而计算出接触界面的动态切向刚度，解决了传统切向刚度测量精度不高且无法实现实时测量等问题。
[0035] 根据本发明的一个实施例，如图4和图6所示，法向压力组件112包括：U型压块24、弹簧组26、法向加载台32、下压块27、两个滑块25和34、两个导轨28和33、两个挡板12和23，其中，U型压块24、弹簧组26和下压块27由上到下分布，两个导轨28和33分别固定在两个挡板12和23的侧面上，两个挡板12和23的上边缘固定连接在刚度测量系统的上平台5的底面，下压块27，与U型压块24通过弹簧组26固定连接；U型压块24，与下固定块18连接，并且U型压块24两侧与滑块25和34通过螺栓固定连接；滑块25和34，在导轨形成的移动空间中上下滑动；法向加载台32，固定连接在刚度测量系统的下平台1的顶面，为法向压力组件提供法载荷。
[0036] 根据本发明的一个实施例，如图4和图6所示，法向压力检测组件111，包括：圆盘式传感器29和转接板30，其中，法向加载台32的顶面与转接板30通过螺栓连接；圆盘式传感器29的底面与转接板30通过螺栓固定连接，圆盘式传感器29的顶面与下压块27通过螺栓固定连接。
[0037] 根据本发明的一个实施例，如图7所示，切向压力组件112，包括：基座9、切向加载电动缸10、直线轴承13、轴承底座14和推杆15，其中，基座9与刚度测量系统的上平台5的底面固定连接；切向加载电动缸10，与基座9通过螺栓固定连接；直线轴承13，与轴承底座14固定连接，并且，轴承底座14与刚度测量系统的上平台5的底面固定连接；推杆15卡在直线轴承13内，与滑块试样17固定连接；滑块试样17的侧面与推杆15通过强力胶固定连接。
[0038] 根据本发明的一个实施例，如图7所示，切向压力检测组件111，包括：S型传感器11，其中，S型传感器11，与推杆15和切向加载电动缸10固定连接。
[0039] 根据本发明的一个实施例，如图2、图4、图8和图9所示，光纤位移测量装置131，包括：光纤调节架19、光纤位移测量控制器6、两个光纤探头21和22，其中，光纤调节架19，与刚度测量系统的上平台5的底面固定连接；两个光纤探头21和22，固定设置在光纤调节架19上，两个光纤探头21和22通过光纤与光纤位移控制器6连接，其中，两个光纤探头21和22中的每个光纤探头与光纤调节架19固定连接。
[0040] 根据本发明的一个实施例，如图2、图3、图5、图10和图11所示，视频图像采集装置130，包括：光纤耦合器7、激光控制器8、计算机22、相机31、前表面反射镜35、线性狭缝36、角度调节架37和激光准直器38，其中，激光控制器8，与光纤耦合器7通过数据线连接；激光准直器38，与光纤耦合器7通过光纤连接；激光准直器38，与角度调节架37通过螺栓固定连接；
前表面发射镜35，通过强力胶固定在刚度测量系统的上平台5上，紧邻下固定块18的侧面；
相机31，通过三脚架固定在滑块装置前上方位置，并通过数据线与计算机22连接，由计算机
22控制视频图像采集。
[0041] 根据本发明的一个实施例，如图4所示，刚度测量系统还包括：信号采集仪4，其中，信号采集仪4与光纤位移测量装置131、法向压力检测组件111和切向压力检测组件114通信连接。
[0042] 举例而言，作为一个具体的示例，刚度测量系统的工作流程如下：
[0043] 通过自调平法向加载装置100施加100N法向力，滑块装置120形成接触界面；在推杆15前端均匀涂抹强力胶，通过直线驱动力加载装置110驱动推杆15向前推出，对滑块试样17施加5N-15N的切向力，等待5min完成推杆15与滑块25固连。设定激光控制器8功率，调节激光镜头38角度，并调整相机31的位置和焦距，实现较好的成像效果；调整光纤调节架19，确保光纤探头20和21处于两个接触界面侧面相邻两点位置；完成调试后通过直线驱动力加载装置110和自调平法向加载装置100分别卸载。
[0044] 进一步地，接通电源，通过自调平法向加载装置100对滑块25施加一定的法向力，通过直线驱动力加载装置110设定往复运动，驱动滑块试样17反复加卸载。通过光纤位移测量装置131、圆盘式传感器29、S型传感器11和信号采集仪4，实现对实验过程中界面接触力和界面相对位移的动态测量。利用视频图像采集装置130在接触界面生成光斑图像，利用相机31对接触界面的接触状态的光斑图像进行采集，实现对接触界面真实接触状态的动态观测。
[0045] 根据本发明的刚度测量系统，通过自调平法向装置对滑块装置接触界面施加均载的法向接触力，确保界面接触均匀，直线驱动力加载装置的推杆与滑块固连，驱动电动缸单向移动或往复运动，并对接触界面准静态切向刚度或动态切向刚度进行测量；通过视频图像采集装置，在实验过程中对界面真实接触状态变化进行实时采集，解决传统切向刚度测量功能单一、精度不高，无法考虑接触状态变化进行实时动态测量等问题。
[0046] 在本
说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0047] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
