具有輸出力測量功能的直線大位移壓電作動器及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于步進式壓電作動器技術領域，具體涉及一種具有輸出力測量功能的直線大位移壓電作動器及方法。
【背景技術】
[0002]壓電作動器在航天、航空、醫療等領域已有很廣泛的應用。其中步進式作動器模仿自然界尺蠖的爬行方式，通過對壓電疊堆微小步距位移的積累，可實現小步距、理論行程無限大、高分辨率的精密雙向步進運動。以往步進式作動器雖能完成力的輸出，但無法測量輸出力的大小。在大多數工程應用中作動器輸出力大小需要被實時監測，通常做法是外置力測量裝置。外置力測量裝置方式一方面增加了成本，另一方面由于力測量方法通常是通過測定傳感結構的變形應變來換算力值，但傳感結構變形過大會造成結構的永久破壞，因此在大位移行程中力的測量一般是個難點。
【發明內容】
[0003]為了克服上述現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種具有輸出力測量功能的直線大位移壓電作動器及方法，該作動器在壓電單元的驅動下以步進方式輸出大位移，并且在作動器驅動負載時能實時測量輸出力的大小；該作動器結構緊湊、關鍵零件均采用慢走絲線切割工藝加工，精度較高，裝配簡單。
[0004]為達到上述目的，本發明所采用的技術方案是:
[0005]具有輸出力測量功能的直線大位移壓電作動器，包括左鉗位機構2、右鉗位機構9、連接在左鉗位機構2和右鉗位機構9上端間的上支撐框架1、連接在左鉗位機構2和右鉗位機構9下端間的下支撐框架4 ;所述左鉗位機構2的外圈為“回”形框架，其中間部分有兩個對稱的開口相對的左“U”形結構10，并通過多個對稱的左薄臂型柔性鉸鏈11與“回”形框架連接，左“U”形結構10開口相對的部分留有指定寬度的間隙；左鉗位壓電堆3安裝在兩個對稱的左“U”形結構10構成的空腔內，左鉗位壓電堆3采用過盈配合方式與左鉗位機構2中的兩個對稱的左“U”形結構10連接，以給左鉗位壓電堆3提供預緊力；所述右鉗位機構9的外圈為“回”形框架，其中間部分有兩個對稱的開口相對的右“U”形結構12，并分別通過多個對稱的右薄臂型柔性鉸鏈13與“回”形框架連接，右“U”形結構12開口相對的部分留有指定寬度的間隙；右鉗位壓電堆7安裝在在兩個對稱的右“U”形結構12構成的空腔內，所述右鉗位壓電堆7采用過盈配合方式與右鉗位機構9中的兩個對稱的右“U”形結構12連接，以給右鉗位壓電堆7提供預緊力；傳感-驅動機構5設置在左鉗位機構2和右鉗位機構9間，所述傳感-驅動機構5的左右兩端為相同的左“回”形結構和右“回”形結構；所述左“回”形結構采用過盈配合方式穿過左鉗位機構2中部兩個左“U”形結構10開口相對部分所留有的間隙，同時左鉗位機構2中的左鉗位壓電堆3從傳感-驅動機構5的左“回”形結構中間空腔穿過；所述右“回”形結構采用過盈配合方式穿過右鉗位機構9中部兩個右“U”形結構12開口相對部分的間隙，其右側連接有輸出桿8，同時右鉗位機構9中的右鉗位壓電堆7從傳感-驅動機構5的右“回”形結構中間空腔穿過；左“回”形結構右側串聯有一體加工而成的菱形傳感結構，靠近右“回”形結構左側串聯有一體加工而成的菱形驅動結構，采用過盈配合在其內部設置有驅動壓電堆6以給驅動壓電堆6提供預緊力。
[0006]所述傳感-驅動機構5中的菱形驅動結構，其剛度能通過作動器的幾何參數設計來調整，以保證足夠的回彈拉力。
[0007]所述傳感-驅動機構5中的菱形傳感結構四個側壁上分別貼有第一電阻式應變計A、第二電阻式應變計B、第三電阻式應變計C和第四電阻式應變計D，構成惠斯通全橋用以測量菱形傳感結構的應變，通過所測應變值換算得到作動器驅動負載時的輸出力值。
[0008]上述所述具有輸出力測量功能的直線大位移壓電作動器驅動負載及力測量的方法，驅動負載方法:所述右鉗位機構9中設計有多個對稱的右薄臂型柔性鉸鏈13，當右鉗位壓電堆7加電伸長時，各右薄臂型柔性鉸鏈13產生彈性變形，使得右鉗位機構9中兩個右“U”形結構12開口相對處的間隙擴大，此時處于解鎖狀態；當右鉗位壓電堆7掉電回縮時，右鉗位機構9中兩個右“U”形結構12開口相對處的間隙縮小恢復到初始狀態，由于過盈配合，右“U”形結構12將傳感-驅動機構5中右端的右“回”形結構鉗死，此時處于鉗位狀態；驅動壓電堆6加電伸長時，推動傳感-驅動機構5中右端的右“回”形結構進而推動輸出桿8驅動負載，此時輸出推力，同時菱形驅動結構產生彈性變形；當驅動壓電堆6掉電回縮時，菱形驅動結構回彈拉動傳感-驅動機構5中右端的右“回”形結構，進而拉動輸出桿8驅動負載，此時輸出拉力；所述左鉗位機構2的驅動方法同右鉗位機構9 ;輸出力測量方法為:所述傳感-驅動機構5中的菱形傳感結構側壁貼有電阻式應變計，當所述右鉗位機構9處于解鎖狀態，左鉗位機構2處于鉗位狀態且驅動壓電堆6正由通電伸長轉為掉電回縮狀態，即作動器處于拉動負載狀態時，傳感-驅動機構5中的菱形驅動結構彈性變形恢復，拉動輸出桿8以驅動負載；為產生拉動負載的輸出力，傳感-驅動機構5中的菱形傳感結構產生彈性變形，彈性變形引起的應變量被貼在側壁的電阻式應變計測量得到；由材料力學知識可知力與應變有線性關系:F = C.ε，其中F和ε分別表示力和應變，C為靈敏度，靈敏度C只與菱形傳感結構的材料常數及幾何尺寸有關，因此靈敏度是可通過改變結構的幾何尺寸來設計的；于是輸出力通過以上數學關系換算得到；當所述左鉗位機構2處于鉗位狀態，右鉗位機構9處于解鎖狀態且驅動壓電堆6正由掉電回縮轉為通電伸長狀態，即作動器處于推動負載狀態時，其力測量方法同拉動負載狀態。
[0009]上述所述的驅動負載及力測量的方法，具體為:初始狀態為右鉗位壓電堆7、左鉗位壓電堆3及驅動壓電堆6均處于掉電狀態，此時傳感-驅動機構5中右端的右“回”形結構連同輸出桿8處于鉗位狀態，此時傳感-驅動機構5中的菱形傳感結構上可能有剩余的約束應力，應變值不為零；為使作動器在輸出桿8向左拉動負載時能測量向左的拉力值，第一步，左鉗位壓電堆3通電伸長使得左鉗位機構2解鎖，此時傳感-驅動機構5中的菱形傳感結構應力被釋放，應變值歸零；第二步，驅動壓電堆6通電伸長，推動傳感-驅動機構5中左端的左“回”形結構和菱形傳感結構向左運動一步，同時菱形驅動結構產生彈性變形；第三步，左鉗位壓電堆3掉電回縮使得左鉗位機構2鉗位；第四步，右鉗位壓電堆7通電伸長使得右鉗位機構9解鎖；第五步，驅動壓電堆6掉電回縮，傳感-驅動機構5中的菱形驅動結構彈性變形恢復，其恢復力拉動傳感-驅動機構5中右“回”形結構進而拉動輸出桿8向左運動驅動負載，此時輸出桿8上的負載力傳遞到傳感-驅動機構5中的菱形傳感結構上，并在菱形傳感結構上引起應變，此應變值被貼在結構上的電阻式應變計測量得到，再通過力與應變的線性關系換算實時地給出輸出力值；第六步，待第五步中的輸出力值保持不變，即輸出力及位移輸出穩定時，右鉗位壓電堆7掉電回縮使得右鉗位機構9鉗位，此時菱形傳感結構上的應變被保持；重復步驟一到六，輸出桿8以步進方式向左運動驅動負載并實時測量得到輸出力值；為使作動器在輸出桿8向右推動負載時能測量向右的推力值，首先進行清零過程，在初始狀態下，左鉗位壓電堆3通電伸長使得左鉗位機構2解鎖，此時傳感-驅動機構5中的菱形傳感結構應力被釋放，應變值歸零；第一步，左鉗位壓電堆3掉電回縮使得左鉗位機構2鉗位；第二步，右鉗位壓電堆7通電伸長使得右鉗位機構解鎖；第三步，驅動壓電堆6通電伸長使菱形驅動結構產生彈性變形的同時推動傳感-驅動機構5中右端的右“回”形結構和輸出桿8向右運動驅動負載，此時輸出桿8上的負載力傳遞到傳感-驅動機構5中的菱形傳感結構上，并在菱形傳感結構上引起應變，此應變值被貼在結構上的電阻式應變計測量得到，再通過力與應變的線性關系換算實時地給出輸出力值；第四步，待第三步中的輸出力值保持不變，即輸出力及位移輸出穩定時，右鉗位壓電堆7掉電回縮使得右鉗位機構9鉗位，此時菱形傳感結構上的應變被保持；第五步，左鉗位壓電堆3通電伸長使得左鉗位機構2解鎖，此時傳感-驅動機構5中的菱形傳感結構應力被釋放，應變值歸零；第六步，驅動壓電堆6掉電回縮，傳感-驅動機構5中的菱形驅動結構彈性變形恢復，拉動傳感-驅動機構5中左“回”形結構和菱形傳感結構向右跟進一步；重復步驟一到六，輸出桿8以步進方式向右運動驅動負載并實時測量得到輸出力值。
[0010]和現有技術相比，本發明具有如下優點:
[0011]I)本發明所述作動器具有測量輸出力的功能，作動器驅動負載并輸出位移