本發明屬于低副接觸流體潤滑油膜的實驗測量技術領域，涉及一種微型滑塊軸承潤滑油膜測量傾角調節裝置及其調節方法。

背景技術：

在工業應用領域中，油膜潤滑是一個極其重要的研究內容。這種潤滑方式是借助于在兩摩擦表面之間形成分隔油膜，以減少表面磨損。潤滑油膜的實驗研究主要針對于摩擦副之間的油膜厚度和形狀。根據接觸力學特征，油膜潤滑中的兩摩擦表面的接觸狀態可以分為高副接觸(點接觸，線接觸)和低副接觸(面接觸)。在高副接觸中，對油膜厚度及其形狀的測量方法已經有很多，例如電容法，光干涉法等。在低副接觸中，摩擦副一般有兩種形式，一種是軸頸和軸套配合的徑向滑動軸承，另外一種是兩平面接觸的滑塊軸承。其中，徑向滑動軸承的油膜厚度測量在面接觸潤滑油膜厚度測量系統中最為常見，例如光纖位移傳感器法，超聲共振法等，另外還有測量軸套或軸徑位移的間接方法。此外，相當多的基于流體潤滑油膜厚度的基礎理論是以平面接觸的滑塊軸承為數學模型進行的。兩平面間的傾角作為研究理論的基本參數之一，它所對應的基礎實驗研究要求在測試過程中傾角要作為一個不變量。

現有的平面滑塊軸承油膜厚度測量系統在平面間的微小傾角調節存在一定的局限性：(1)采用的柔性多自由度連接機構為十字頭，導致機構下端滑塊自由度受到限制；(2)采用一組均布螺桿來手動調節調節盤，過程繁瑣，可重復性差，且由于改變的是系統的彈性變形量，導致傾角易受彈性變形量跳動的影響；(3)玻璃盤上下表面均采用橡膠墊并不能很好地平衡軸承系統的跳動和擺動。

技術實現要素：

為了達到上述目的，本發明提供一種微型滑塊軸承潤滑油膜測量傾角調節裝置，可以很容易的測定微型滑塊工作面與透明光學玻璃盤之間的傾角，且傾角大小及方向的調節效率和精度均得到很大的提升。

本發明的另一目的是提供一種微型滑塊軸承潤滑油膜測量傾角調節方法。

本發明所采用的技術方案是，微型滑塊軸承潤滑油膜測量傾角調節裝置，包括雙層的機架以及設置在機架上的顯微干涉測量單元、玻璃盤回轉調整單元、微型滑塊固定調節單元與加載單元，所述機架用于支撐和固定各個部件；所述玻璃盤回轉調整單元設置在機架上層表面，玻璃盤回轉調整單元包括軸承，軸承的內外表面分別設置軸承內套、軸承外套，軸承外套外凸肩處均布6塊壓電陶瓷致動器用來對整個單元進行偏轉調節，軸承內套內凸肩處放置碟簧，碟簧向上依次設置玻璃盤、和玻璃盤壓盤，玻璃盤壓盤位于玻璃盤上圓周面，玻璃盤上下邊緣均布碟簧；緊定螺釘設置在玻璃盤壓盤內用于對玻璃盤進行預固定和初步調平；同步帶輪通過軸承與玻璃盤連接從而帶動玻璃盤轉動；所述顯微干涉測量單元設置在機架底層且位于玻璃盤的下方；所述微型滑塊固定調節單元設置在玻璃盤上面，所述微型滑塊固定調節單元包括滑塊座，滑塊座底部固定微型滑塊，微型滑塊底部與兩側均設置保護墊片，微型滑塊與保護墊片之間通過螺釘固定；滑塊座的上部設置有柔性多自由度連接機構，柔性多自由度連接機構上部與壓板下端連接；所述加載單元包括壓板，壓板的一端固定在壓板支座的軸承座上軸承連接，壓板的中部豎直設置有平衡機構，平衡機構下方設置有彈簧，彈簧位于壓板支座與壓板之間；所述壓板支座連接到機架上層表面并處于中軸線上。

進一步的，所述軸承上端設置有軸承壓蓋。

進一步的，所述玻璃盤和玻璃盤壓盤之間設置有墊片。

進一步的，所述壓電陶瓷致動器上下表面設置有致動器墊片。

進一步的，通過軸承外套外凸肩處6個固定螺栓，將軸承外套連接到機架上層表面并處于中軸線上。

進一步的，所述柔性多自由度連接機構為球軸承連接桿。

進一步的，所述顯微干涉測量單元包括支架、精密平移臺、同軸光照明顯微鏡、顯微鏡套筒與ccd，所述支架上固定精密平移臺，精密平移臺上通過顯微鏡套筒固定同軸光照明顯微鏡，ccd設置在同軸光照明顯微鏡的下方，并使得同軸光照明顯微鏡正對微型滑塊與玻璃盤的接觸區；所述精密平移臺設置有三個且相互疊裝。

本發明所采用的另一技術方案是，一種微型滑塊軸承潤滑油膜測量傾角調節裝置的調節方法，按照以下步驟進行：

步驟1，微型滑塊靜態傾角的調節

利用緊定螺釘對玻璃盤進行調平，微型滑塊在微小作用力下使其下表面與玻璃盤上表面接觸，球軸承連接桿使微型滑塊和玻璃盤自動實現平行面接觸狀態，通過球軸承連接桿上的螺釘來固定滑塊座所處位置，同時通過壓電陶瓷致動器的逆壓電效應對玻璃盤回轉調整單元進行納米級的偏轉調節，可以在位于玻璃盤下方的顯微干涉測量單元中觀察到兩平面所形成的干涉條紋，條紋數的多少反映了兩平面間傾角的大小；

步驟2，微型滑塊動態傾角穩定性的調節

當同步帶輪帶動玻璃盤以預定角速度轉動時，通過在顯示器上顯示的接觸區光學圖像中是否出現干涉條紋來判定兩接觸表面是否完全平行，觀察接觸區條紋的變動，若發生變化則說明軸承在轉動過程中產生跳動和擺動，此時應旋轉玻璃盤壓盤上的緊定螺釘來施加預緊力，提升軸承的旋轉精度，使接觸區條紋數在玻璃盤轉動過程中保持穩定，進而達到傾角的精確調節；

步驟3，實驗過程中傾角的設定

當兩表面完全平行后，根據預先標定的在特定傾角條件下各壓電陶瓷致動器所需的工作電壓來對壓電陶瓷驅動電源進行快速設定，進而使玻璃盤在壓電陶瓷致動器作用下發生偏轉，因而快速得到所需要的接觸傾角；有時需要變動傾角來改變實驗參數，可以通過驅動電源來重新設定壓電陶瓷致動器的工作電壓，使得壓電陶瓷致動器的位移量發生改變，因而傾角得以重新設定；

步驟4，

選取干涉條紋中靠近出口處的一點，記錄其在停機過程中的光強值并保存下來，經過計算即可得到最小油膜厚度。

本發明的有益效果是：

1.柔性多自由度連接機構為球軸承連接桿，與十字頭相比，可以使下端滑塊具有更多的自由度，使得滑塊座調節更具有靈活性，容易得到初始傾角。

2.透明圓盤上下表面采用碟簧作為彈性元件，與橡膠墊相比，變形量范圍更廣，能夠更好地平衡掉軸承系統在運轉過程中的跳動和擺動，使得在動態條件下傾角更為穩定。

3.在本發明中采用預先固定滑塊位置，然后通過壓電陶瓷致動器對整個回轉單元進行偏轉調節進而實現傾角調節。且與以往固定透明圓盤位置，通過調節滑塊位置來實現傾角調節的方式相比，新方法具有更高的精度，且更加簡便。只要預先標定好特定傾角下各個壓電陶瓷致動器所需的電壓數值，可以直接通過施加特定電壓值來實現傾角的快速設置，即可實現傾角的快速調節，同時傾斜面兩側高度差調節精度為0.1微米。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例微型滑塊軸承潤滑油膜測量傾角調節裝置的立體圖。

圖2是本發明實施例微型滑塊與玻璃盤接觸部分立體圖。

圖3是圖2的主剖視圖。

圖4是本發明實施例微型滑塊固定調節單元的立體圖。

圖5是本發明實施例玻璃盤回轉調整單元的結構示意圖。

圖6是本發明實施例玻璃盤回轉調整單元偏轉調節示意圖。

圖7是本發明實施例微型滑塊傾角調節示意圖。

圖8是本發明實施例調節得到的不同傾角的干涉圖。

圖9是本發明實施例顯微干涉測量單元結構圖。

圖10是本發明實施例平衡機構處的結構示意圖。

圖中，1.微型滑塊固定調節單元，101.滑塊座，102.球軸承連接桿，103.微型滑塊，104.保護墊片，105.螺釘，2.玻璃盤回轉調整單元，201.玻璃盤，202.緊定螺釘，203.玻璃盤壓盤，204.墊片，205.碟簧，206.軸承外套，207.軸承，208.同步帶輪，209.軸承內套，210.軸承壓蓋，211.壓電陶瓷致動器，212.致動器墊片，213.固定螺栓，3.顯微干涉測量單元，301.支架，302.精密平移臺，303.同軸光照明顯微鏡，304.顯微鏡套筒，305.ccd，4.加載單元，401.壓板，402.壓板支座，403.平衡機構，404.軸承座，405.彈簧，5.機架；211-1至211-6分別為第一壓電陶瓷致動器至第六壓電陶瓷致動器；211-1’至211-6’為第一壓電陶瓷致動器至第六壓電陶瓷致動器各自的輸出位移增加時接觸區干涉條紋的變化。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

微型滑塊軸承潤滑油膜測量傾角調節裝置，結構如圖1所示，包括雙層的機架5以及設置在機架5上的顯微干涉測量單元3、玻璃盤回轉調整單元2、微型滑塊固定調節單元1與加載單元4。機架5用于支撐和固定各個部件。

玻璃盤回轉調整單元2設置在機架5上層表面，玻璃盤回轉調整單元2用于固定和調節光學透明的玻璃盤201同時使其轉動，如圖2、3、5所示，在玻璃盤201上下表面均用彈性元件-碟簧205作為緩沖裝置；同時利用壓電陶瓷致動器211的逆壓電效來對整個玻璃盤回轉調整單元2進行極小的偏轉調節。具體來說，玻璃盤回轉調整單元2是由玻璃盤201、緊定螺釘202、玻璃盤壓盤203、墊片204、碟簧205、軸承外套206、軸承207、同步帶輪208、軸承內套209、軸承壓蓋210、壓電陶瓷致動器211和致動器墊片212組成。其中，軸承207的內外表面分別設置軸承內套209、軸承外套206，軸承207上端設置有軸承壓蓋210；位于軸承外套206外凸肩處的6塊壓電陶瓷致動器211被用來對整個單元進行偏轉調節，進而達到精確調節傾角的目的。軸承內套209內凸肩處放置碟簧205，隨后向上依次設置玻璃盤201、墊片204和玻璃盤壓盤203，玻璃盤壓盤203位于玻璃盤201上圓周面；緊定螺釘202設置在玻璃盤壓盤203內對玻璃盤201進行預固定和初步調平。同步帶輪208通過軸承207帶動玻璃盤201轉動，玻璃盤201上下邊緣通過均布碟簧205來抵消軸承系統在運轉過程中的跳動和擺動。玻璃盤壓盤203配合緊定螺釘202來對玻璃盤201進行調平。如圖6所示，軸承外套206與機架5之間的壓電陶瓷致動器211上下表面設置有致動器墊片212。壓電陶瓷致動器211與壓電陶瓷驅動電源連接。

顯微干涉測量單元3，如圖9所示，設置在機架5底層且位于玻璃盤201的下方，用于測量和顯示潤滑油膜的厚度與形狀。具體來說包括支架301、精密平移臺302、同軸光照明顯微鏡303、顯微鏡套筒304與ccd305，

微型滑塊固定調節單元1通過球軸承連接桿102連接到加載單元4中的壓板401的正下方；加載單元4通過壓板支座402連接到機架5上層表面并處于中軸線上；玻璃盤回轉調整單元2通過軸承外套206外凸肩處6個固定螺栓213連接到機架5上層表面并處于中軸線上，通過調節平衡機構403中彈簧的壓縮量，使得位于壓板401下方的微型滑塊固定調節單元1上的微型滑塊103與玻璃盤回轉調整單元2上的玻璃盤201處于輕微接觸狀態；顯微干涉測量單元3，包括精密平移臺302、同軸光照明顯微鏡303、顯微鏡套筒304、ccd305，顯微干涉測量單元3通過支架301安裝在機架5下層表面上，并使得同軸光照明顯微鏡303正對微型滑塊103與玻璃盤201的接觸區。具體的說，支架301上固定精密平移臺302，精密平移臺302上通過顯微鏡套筒304固定同軸光照明顯微鏡303，ccd305設置在同軸光照明顯微鏡303的下方。

顯微干涉測量單元3的工作過程是，激光通過同軸光照明顯微鏡303上端與鏡筒軸線垂直的入光口后經45°半反半透鏡照射到垂直照射到接觸區，其反射光線在經過同軸光照明顯微鏡303下端的45°反射鏡再次反射到接觸區，這兩束光發生干涉，干涉光被ccd305所采集并轉換為電信號，再經過圖像采集卡進行數據轉換就可以在顯示器上看到干涉條紋了。

通過三個疊裝的精密平移臺302來調節同軸光照明顯微鏡303最佳的觀察位置。入射光通過同軸光照明顯微鏡303物鏡照射到接觸區產生干涉條紋并被ccd305捕獲，經相關處理即可在計算機中顯示油膜厚度和形狀。

微型滑塊固定調節單元1，如圖2-4所示，設置在玻璃盤201上面，包括用于固定和調節微型滑塊103；微型滑塊103通過滑塊座101與柔性多自由度連接機構連接；用柔性多自由度連接機構初步調節和固定微型滑塊103的傾角；柔性多自由度連接機構優選球軸承連接桿102；具體來說，微型滑塊固定調節單元1包括滑塊座101，滑塊座101底部固定微型滑塊103，微型滑塊103底部與兩側均設置保護墊片104，微型滑塊103與保護墊片104之間通過螺釘105固定；滑塊座101的上部設置有球軸承連接桿102，球軸承連接桿102上部與壓板401下端連接。

加載單元4，用于對微型滑塊103與玻璃盤201接觸后的潤滑表面施加載荷。由壓板401，壓板支座402和平衡機構403組成。用于接觸區載荷的施加，并通過平衡機構403內部彈簧的彈性力來抵消掉壓板的自重，實現載荷的精確加載。加載單元4包括壓板401，壓板401的一端固定在壓板支座402的軸承座404上軸承連接，壓板401的中部豎直設置有平衡機構403，平衡機構403下方設置有彈簧405，彈簧405位于壓板支座402與壓板401之間，詳見附圖10。

微型滑塊軸承潤滑油膜測量傾角調節方法，具體按照以下步驟進行：

步驟1，微型滑塊靜態傾角的調節

微型滑塊103在微小作用力下使其下表面與玻璃盤201上表面接觸，球軸承連接桿102使微型滑塊103和玻璃盤201自動實現平行面接觸狀態，通過球軸承連接桿102上的螺釘105來固定滑塊座101所處位置，同時通過壓電陶瓷致動器211的逆壓電效應對玻璃盤回轉調整單元2進行納米級的偏轉調節，可以在位于玻璃盤201下方的顯微干涉測量單元3中觀察到兩平面所形成的干涉條紋，條紋數的多少反映了兩平面間傾角的大小；

步驟2，微型滑塊動態傾角穩定性的調節

當同步帶輪208帶動玻璃盤201以預定角速度轉動時，觀察接觸區條紋的變動，若發生變化則說明軸承207在轉動過程中產生跳動和擺動，此時應旋轉玻璃盤壓盤203上的緊定螺釘202來施加預緊力，提升軸承207的旋轉精度，使接觸區條紋數在玻璃盤201轉動過程中保持穩定，進而達到傾角的精確調節；

3)實驗過程中傾角的設定

在實驗過程中，有時需要變動傾角來改變實驗參數，以此來滿足研究需求，可以通過驅動電源來重新設定壓電陶瓷致動器211的工作電壓，使得壓電陶瓷致動器211的位移量發生改變，因而傾角得以重新設定。

實施過程如下：

以緊定螺釘202來對玻璃盤201進行預固定和初步調平。

調節壓板支座402，得到預先設定的微型滑塊103相對于玻璃盤201的回轉半徑r，并將壓板401旋轉到正常工作位置，通過平衡機構403來平衡掉壓板的自重，使得微型滑塊103與玻璃盤201的接觸去內載荷接近于0。隨后將砝碼直接放置在位于接觸區正上方的壓板401上，實現載荷的定量加載。

接下來調節壓電陶瓷致動器211的控制電壓。根據預先標定的在特定傾角下特定位置處壓電陶瓷致動器211所需的工作電壓值，來快速設置壓電陶瓷驅動電源(如圖5)，從而得到預定的傾角。

當同步帶輪208帶動玻璃盤201以預定角速度轉動時，觀察接觸區條紋的變動，若發生變化則說明軸承在轉動過程中產生跳動和擺動，此時應旋轉玻璃盤壓盤203上的緊定螺釘202來施加預緊力，提升軸承的旋轉精度，使接觸區條紋數在圓盤轉動過程中保持穩定，進而達到傾角的精確調節。

在預定速度運行一段時間后，停止玻璃盤201轉動，記錄光強變化，通過計算機處理后即可得到最小油膜厚度。

具體玻璃盤回轉調整單元2偏轉調節的過程，如圖6所示：

固定螺栓213簡化為剛性螺栓和一彈性體，并假設該彈性體的彈性系數為k1，壓電陶瓷致動器211由于本身為位移發生器，故也可認為其為剛體，再設致動器墊片212的彈性系數為k2，兩對稱布置的壓電陶瓷致動器①和②之間的距離為b，機架5為剛體。當給壓電陶瓷致動器①和②施加不同工作電壓u1和u2時，壓電陶瓷致動器①和②將產生不同的位移量y1和y2(令y1<y2)，位移差為y＝y2-y1。由于兩級彈性體k1、k2串聯，當k2遠小于k1時，便可以將位移差y縮小為y′后傳遞到玻璃盤回轉調整單元2，進而實現納米級的偏轉調節，傾角的正弦值即為y′/b。相關推導如下：

當致動器未通電時，由受力平衡可得：

k1x1＝k2x2(1)

其中，x1和x2為初始平衡狀態時固定螺栓213和致動器墊片212各自的形變量；

當壓電陶瓷致動器①和②施加不同工作電壓u1和u2時，壓電陶瓷致動器①和②將產生不同的位移量y1和y2(令y1<y2)，令位移差為y＝y2-y1，根據受力平衡可得：

k1(x1+y')＝k2(x2+y-y')(2)

經整理，得：

其中，y′是玻璃盤回轉調整單元2的偏轉量。

例如螺栓采用碳鋼，致動器墊片212采用尼龍，這兩者的彈性模量比值將近200，因而y′和y相差兩個數量級。在本設計中，所采用的致動器的標稱位移僅為2.4±10％微米，因而能實現納米級的調節。

圖7、8聯合給出了滑塊與玻璃盤之間傾角調節的示意圖，如圖7所示：當同步帶輪驅動玻璃盤順時針轉動時，編號為211-1至211-6的壓電陶瓷致動器在壓電陶瓷驅動電源的控制下輸出位移產生變化，使得微型滑塊103與玻璃盤201之間的傾角發生變化，接觸區的光干涉條紋也隨之發生變化。圖8所示的是當211-1至211-6的壓電陶瓷致動器各自的輸出位移增加時接觸區干涉條紋的變化，例如：當2號致動器輸出位移增加時條紋變疏，當5號致動器輸出位移增加時條紋變密，當1、3、4、6號致動器輸出位移增加時條紋會發生一定角度的偏轉。

本發明首先利用緊定螺釘202對玻璃盤201進行調平，然后將微型滑塊103與玻璃盤201接觸，并在接觸區添加一些潤滑劑。隨后同步帶輪208帶動玻璃盤201旋轉，通過在顯示器上顯示的接觸區光學圖像中是否出現干涉條紋來判定兩接觸表面是否完全平行。當兩表面完全平行后，根據預先標定的在特定傾角條件下各壓電陶瓷致動器211所需的工作電壓來對壓電陶瓷驅動電源進行快速設定，進而使玻璃盤201在壓電陶瓷致動器211作用下發生偏轉，因而快速得到所需要的接觸傾角。其后，選取干涉條紋中靠近出口處的一點，記錄其在停機過程中的光強值并保存下來，經過現有的算法的處理即可得到最小油膜厚度。

本說明書中的各個實施例均采用相關的方式描述，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發明的保護范圍內。