具有输出力测量功能的直线大位移压电作动器及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于步进式压电作动器技术领域，具体涉及一种具有输出力测量功能的直线大位移压电作动器及方法。
【背景技术】
[0002]压电作动器在航天、航空、医疗等领域已有很广泛的应用。其中步进式作动器模仿自然界尺蠖的爬行方式，通过对压电叠堆微小步距位移的积累，可实现小步距、理论行程无限大、高分辨率的精密双向步进运动。以往步进式作动器虽能完成力的输出，但无法测量输出力的大小。在大多数工程应用中作动器输出力大小需要被实时监测，通常做法是外置力测量装置。外置力测量装置方式一方面增加了成本，另一方面由于力测量方法通常是通过测定传感结构的变形应变来换算力值，但传感结构变形过大会造成结构的永久破坏，因此在大位移行程中力的测量一般是个难点。
【发明内容】
[0003]为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有输出力测量功能的直线大位移压电作动器及方法，该作动器在压电单元的驱动下以步进方式输出大位移，并且在作动器驱动负载时能实时测量输出力的大小；该作动器结构紧凑、关键零件均采用慢走丝线切割工艺加工，精度较高，装配简单。
[0004]为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:
[0005]具有输出力测量功能的直线大位移压电作动器，包括左钳位机构2、右钳位机构9、连接在左钳位机构2和右钳位机构9上端间的上支撑框架1、连接在左钳位机构2和右钳位机构9下端间的下支撑框架4 ;所述左钳位机构2的外圈为“回”形框架，其中间部分有两个对称的开口相对的左“U”形结构10，并通过多个对称的左薄臂型柔性铰链11与“回”形框架连接，左“U”形结构10开口相对的部分留有指定宽度的间隙；左钳位压电堆3安装在两个对称的左“U”形结构10构成的空腔内，左钳位压电堆3采用过盈配合方式与左钳位机构2中的两个对称的左“U”形结构10连接，以给左钳位压电堆3提供预紧力；所述右钳位机构9的外圈为“回”形框架，其中间部分有两个对称的开口相对的右“U”形结构12，并分别通过多个对称的右薄臂型柔性铰链13与“回”形框架连接，右“U”形结构12开口相对的部分留有指定宽度的间隙；右钳位压电堆7安装在在两个对称的右“U”形结构12构成的空腔内，所述右钳位压电堆7采用过盈配合方式与右钳位机构9中的两个对称的右“U”形结构12连接，以给右钳位压电堆7提供预紧力；传感-驱动机构5设置在左钳位机构2和右钳位机构9间，所述传感-驱动机构5的左右两端为相同的左“回”形结构和右“回”形结构；所述左“回”形结构采用过盈配合方式穿过左钳位机构2中部两个左“U”形结构10开口相对部分所留有的间隙，同时左钳位机构2中的左钳位压电堆3从传感-驱动机构5的左“回”形结构中间空腔穿过；所述右“回”形结构采用过盈配合方式穿过右钳位机构9中部两个右“U”形结构12开口相对部分的间隙，其右侧连接有输出杆8，同时右钳位机构9中的右钳位压电堆7从传感-驱动机构5的右“回”形结构中间空腔穿过；左“回”形结构右侧串联有一体加工而成的菱形传感结构，靠近右“回”形结构左侧串联有一体加工而成的菱形驱动结构，采用过盈配合在其内部设置有驱动压电堆6以给驱动压电堆6提供预紧力。
[0006]所述传感-驱动机构5中的菱形驱动结构，其刚度能通过作动器的几何参数设计来调整，以保证足够的回弹拉力。
[0007]所述传感-驱动机构5中的菱形传感结构四个侧壁上分别贴有第一电阻式应变计A、第二电阻式应变计B、第三电阻式应变计C和第四电阻式应变计D，构成惠斯通全桥用以测量菱形传感结构的应变，通过所测应变值换算得到作动器驱动负载时的输出力值。
[0008]上述所述具有输出力测量功能的直线大位移压电作动器驱动负载及力测量的方法，驱动负载方法:所述右钳位机构9中设计有多个对称的右薄臂型柔性铰链13，当右钳位压电堆7加电伸长时，各右薄臂型柔性铰链13产生弹性变形，使得右钳位机构9中两个右“U”形结构12开口相对处的间隙扩大，此时处于解锁状态；当右钳位压电堆7掉电回缩时，右钳位机构9中两个右“U”形结构12开口相对处的间隙缩小恢复到初始状态，由于过盈配合，右“U”形结构12将传感-驱动机构5中右端的右“回”形结构钳死，此时处于钳位状态；驱动压电堆6加电伸长时，推动传感-驱动机构5中右端的右“回”形结构进而推动输出杆8驱动负载，此时输出推力，同时菱形驱动结构产生弹性变形；当驱动压电堆6掉电回缩时，菱形驱动结构回弹拉动传感-驱动机构5中右端的右“回”形结构，进而拉动输出杆8驱动负载，此时输出拉力；所述左钳位机构2的驱动方法同右钳位机构9 ;输出力测量方法为:所述传感-驱动机构5中的菱形传感结构侧壁贴有电阻式应变计，当所述右钳位机构9处于解锁状态，左钳位机构2处于钳位状态且驱动压电堆6正由通电伸长转为掉电回缩状态，即作动器处于拉动负载状态时，传感-驱动机构5中的菱形驱动结构弹性变形恢复，拉动输出杆8以驱动负载；为产生拉动负载的输出力，传感-驱动机构5中的菱形传感结构产生弹性变形，弹性变形引起的应变量被贴在侧壁的电阻式应变计测量得到；由材料力学知识可知力与应变有线性关系:F = C.ε，其中F和ε分别表示力和应变，C为灵敏度，灵敏度C只与菱形传感结构的材料常数及几何尺寸有关，因此灵敏度是可通过改变结构的几何尺寸来设计的；于是输出力通过以上数学关系换算得到；当所述左钳位机构2处于钳位状态，右钳位机构9处于解锁状态且驱动压电堆6正由掉电回缩转为通电伸长状态，即作动器处于推动负载状态时，其力测量方法同拉动负载状态。
[0009]上述所述的驱动负载及力测量的方法，具体为:初始状态为右钳位压电堆7、左钳位压电堆3及驱动压电堆6均处于掉电状态，此时传感-驱动机构5中右端的右“回”形结构连同输出杆8处于钳位状态，此时传感-驱动机构5中的菱形传感结构上可能有剩余的约束应力，应变值不为零；为使作动器在输出杆8向左拉动负载时能测量向左的拉力值，第一步，左钳位压电堆3通电伸长使得左钳位机构2解锁，此时传感-驱动机构5中的菱形传感结构应力被释放，应变值归零；第二步，驱动压电堆6通电伸长，推动传感-驱动机构5中左端的左“回”形结构和菱形传感结构向左运动一步，同时菱形驱动结构产生弹性变形；第三步，左钳位压电堆3掉电回缩使得左钳位机构2钳位；第四步，右钳位压电堆7通电伸长使得右钳位机构9解锁；第五步，驱动压电堆6掉电回缩，传感-驱动机构5中的菱形驱动结构弹性变形恢复，其恢复力拉动传感-驱动机构5中右“回”形结构进而拉动输出杆8向左运动驱动负载，此时输出杆8上的负载力传递到传感-驱动机构5中的菱形传感结构上，并在菱形传感结构上引起应变，此应变值被贴在结构上的电阻式应变计测量得到，再通过力与应变的线性关系换算实时地给出输出力值；第六步，待第五步中的输出力值保持不变，即输出力及位移输出稳定时，右钳位压电堆7掉电回缩使得右钳位机构9钳位，此时菱形传感结构上的应变被保持；重复步骤一到六，输出杆8以步进方式向左运动驱动负载并实时测量得到输出力值；为使作动器在输出杆8向右推动负载时能测量向右的推力值，首先进行清零过程，在初始状态下，左钳位压电堆3通电伸长使得左钳位机构2解锁，此时传感-驱动机构5中的菱形传感结构应力被释放，应变值归零；第一步，左钳位压电堆3掉电回缩使得左钳位机构2钳位；第二步，右钳位压电堆7通电伸长使得右钳位机构解锁；第三步，驱动压电堆6通电伸长使菱形驱动结构产生弹性变形的同时推动传感-驱动机构5中右端的右“回”形结构和输出杆8向右运动驱动负载，此时输出杆8上的负载力传递到传感-驱动机构5中的菱形传感结构上，并在菱形传感结构上引起应变，此应变值被贴在结构上的电阻式应变计测量得到，再通过力与应变的线性关系换算实时地给出输出力值；第四步，待第三步中的输出力值保持不变，即输出力及位移输出稳定时，右钳位压电堆7掉电回缩使得右钳位机构9钳位，此时菱形传感结构上的应变被保持；第五步，左钳位压电堆3通电伸长使得左钳位机构2解锁，此时传感-驱动机构5中的菱形传感结构应力被释放，应变值归零；第六步，驱动压电堆6掉电回缩，传感-驱动机构5中的菱形驱动结构弹性变形恢复，拉动传感-驱动机构5中左“回”形结构和菱形传感结构向右跟进一步；重复步骤一到六，输出杆8以步进方式向右运动驱动负载并实时测量得到输出力值。
[0010]和现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0011]I)本发明所述作动器具有测量输出力的功能，作动器驱动负载并输出位移