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。
2.根据权利要求1所述的具有输出力测量功能的直线大位移压电作动器，其特征在于: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。
3.根据权利要求1所述的具有输出力测量功能的直线大位移压电作动器，其特征在于: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。
4.权利要求3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，其特征在于: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⑵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.e,其中F和e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。
5.根据权利要求4所述的驱动负载及力测量的方法，其特征在于: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⑶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⑶向右运动驱动负载，此时输出杆⑶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。
【专利摘要】具有输出力测量功能的直线大位移压电作动器及方法，该作动器包括两个支撑框架，分别固定在其两端的左、右钳位机构；右钳位机构中间有两个开口相对的“U”型结构，通过多个对称的薄壁型柔性铰链同右钳位机构相连，且两“U”型结构开口相对部分留有间隙，空腔内设有右钳位压电堆；左钳位机构结构同右钳位机构；传感-驱动机构设在左、右钳位机构间，其菱形驱动结构内过盈配合设有驱动压电堆，其菱形传感结构侧壁贴有4片电阻式应变计构成惠斯通全桥，其左、右“回”形结构过盈配合穿过左、右钳位机构中两“U”形结构开口相对部分的空隙，其右端连接有输出杆；本发明还提供了驱动负载及力测量方法；具有结构紧凑、精度较高，装配简单的特点。
【IPC分类】H02N2-06, H02N2-04, G01L1-22
【公开号】CN104734560
【申请号】CN201510117630
【发明人】徐明龙, 邵恕宝, 宋思扬, 张舒文, 陈楠
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月17日