CN101319967B

CN101319967B - 智能驱动器性能测试实验台

Info

Publication number: CN101319967B
Application number: CN2007101000066A
Authority: CN
Inventors: 焦宗夏; 曹锋; 刘晓旭; 郑俊麟
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2027-06-04
Also published as: CN101319967A

Abstract

本发明属于智能材料性能测试技术，涉及对智能驱动器性能的测试方法的研究。该智能驱动器性能测试实验台主要是由骨架系统、施力系统和微位移测试系统组成。其中骨架系统是该实验台的基本支撑部分，用于支撑施力系统、微位移测试系统和被测智能驱动器；施力系统可以为被测智能驱动器施加各种力，用以测试被测智能驱动器的负载特性；微位移测试系统用于测试被测智能驱动器的输出位移(在自由状态或负载状态)。该实验台能够满足各种智能驱动器性能测试的需要，为更好地研究各种智能驱动器的特性提供了实验平台。

Description

智能驱动器性能测试实验台

技术领域

本发明属于智能材料性能测试技术，涉及对智能驱动器性能的测试方法的研究。

背景技术

智能材料是二十世纪90年代迅速发展起来的一类新型复合材料。智能材料目前还没有统一的定义，不过，现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异。大体来说，智能材料就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。智能材料与智能结构有着巨大的潜在的应用前景，其发展将推动和带动许多方面的技术进步。具体来说智能材料需具备以下内涵：(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电、光、热、应力、应变、化学、核辐射等；(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏、及时和恰当；(5)当外部刺激消除后，能够迅速恢复到原始状态。目前的智能材料主要有压电材料、超磁致伸缩材料、形状记忆合金(SMA)、电流变液等。用智能材料做成的智能驱动器应用非常广泛。如压电陶瓷驱动器，由于压电陶瓷具有把电能转变为机械能的能力，因此当应用系统通电给压电陶瓷时，使压电材料的自发偶极矩发生变化，从而使材料的尺寸发生改变，压电陶瓷驱动器是指利用压电元件的逆压电效应，将电能转换为机械能的新型驱动装置。由于其具有单位体积输出能量大、结构紧凑、形式多样、无电磁干扰、可控性好等特点，在机器人的动作器、精密机械、微小机械的驱动机构应用方面受到广泛重视。据报道，由88层的压电陶瓷片做成的驱动器可在20ms内产生50μm的位移，响应速度之快是其它材料所无法比拟的，是高精度、高速驱动器所必须的材料，已应用在各种跟踪系统、自适应光学系统、机器人微定位器、磁头、喷墨打印机和扬声器等。另外利用压电陶瓷做成的压电马达具有低转速、高转矩，不受磁干扰也不产生磁干扰，效率可以达到50％。并且压电马达小型轻便、结构简单、响应速度快、易控制。目前已成功应用到扫描隧道显微镜的送样系统中。并且已经有了采用行波马达调焦的相机和应用驻波马达驱动的手表及压电流体泵等产品问世，显示了较好的应用前景。然而基于这些智能材料的驱动器，如压电陶瓷驱动器，其输出的位移在微米级别，而且是高精度、高频响的，要研究它们的特性，一般的实验台是不能满足要求的；要很好地利用这些智能驱动器，就必须弄清楚它们的特性(位移特性、负载特性、频响特性)，于是就需要一个微位移智能驱动器的性能测试实验台来测试它们的特性，而目前，国内外并没有该类型的实验台；为此，我们开发了智能驱动器性能测试实验台。

发明内容

本发明的目的是：提供一种智能驱动器性能测试实验台，使它能够被用来测试基于智能材料驱动器的性能(位移特性、负载特性、频响特性)。本发明的技术方案是：该智能驱动器性能测试实验台主要是由骨架系统(由基座、左右导轨、位移传感器底板、丝杠座底板等构成)，施力系统(由手柄、梯形丝杠座、梯形丝杠、球铰套、球铰座底板、压电力作动器、测力桥、桥底板、直线轴承、蝶形弹簧座、蝶形弹簧、轮辐式力传感器等构成)，微位移测试系统(由位移传感器套、位移传感器套盖、位移传感器等构成)三大系统组成。其中骨架系统是该实验台的基本支撑部分，用于支撑施力系统、微位移测试系统和被测智能驱动器；施力系统可以为被测智能驱动器施加各种力，用以测试被测智能驱动器的负载特性；微位移测试系统用于测试被测智能驱动器的输出位移(在自由状态或负载状态)。其施力系统中，压电力作动器位置的调节是通过梯形丝杠来调节的，可以准确地定位压电力作动器的位置，这对微位移驱动器的施力非常重要；另外调节好压电力作动器位置后，可以通过上下锁紧螺母锁死梯形丝杠和拧紧球铰座底板两端的螺栓来固定好压电力作动器，避免向被测智能驱动器施力时压电力作动器本身的移动而使控制失控。其施力系统中，压电力作动器输出的力是通过测力桥传递给被测智能驱动器的，这是一个非常巧妙的机构，很好地解决了在被测智能驱动器一端同时安装测力传感器和测微位移传感器的难题。其施力系统中，蝶形弹簧座也是一个非常巧妙的机械结构，由于被测智能驱动器的长度不一样，故需要经常来调整蝶形弹簧的位置；用单纯带有缺口的圆环蝶形弹簧座来固定蝶形弹簧，其圆环蝶形弹簧座和导轨之间的配合精度没法保证，这对智能驱动器的微位移测试非常不利；用单纯带有螺纹孔的圆环蝶形弹簧座来固定蝶形弹簧，拧进螺纹孔的螺栓容易划伤导轨，时间长了也影响圆环蝶形弹簧座和导轨之间的配合精度；故本发明提出的蝶形弹簧座可以很好地解决这两个问题，是一个非常巧妙的机械结构。

本发明的优点是：填补了国内外微位移智能驱动器性能测试方面的空白，解决了微位移智能驱动器性能测试方面的难题，为微位移智能驱动器性能测试提供了一种很好的实验平台。其施力系统中，压电力作动器位置的调节是通过梯形丝杠来调节的，可以准确地定位压电力作动器的位置，这对微位移驱动器的施力非常重要；另外调节好压电力作动器位置后，可以通过上下锁紧螺母锁死梯形丝杠和拧紧球铰座底板两端的螺栓来固定好压电力作动器，避免向被测智能驱动器施力时压电力作动器本身的移动而使控制失控。其施力系统中，压电力作动器输出的力是通过测力桥传递给被测智能驱动器的，这是一个非常巧妙的机构，很好地解决了在被测智能驱动器一端同时安装测力传感器和测微位移传感器的难题。其施力系统中，蝶形弹簧座也是一个非常巧妙的机械结构，由于被测智能驱动器的长度不一样，故需要经常来调整蝶形弹簧的位置；用单纯带有缺口的圆环蝶形弹簧座来固定蝶形弹簧，其圆环蝶形弹簧座和导轨之间的配合精度没法保证，这对智能驱动器的微位移测试非常不利；用单纯带有螺纹孔的圆环蝶形弹簧座来固定蝶形弹簧，拧进螺纹孔的螺栓容易划伤导轨，时间长了也影响圆环蝶形弹簧座和导轨之间的配合精度；而本发明提出的蝶形弹簧座可以很好地解决这两个问题。

附图说明

图1是本发明“智能驱动器性能测试实验台”的三维实体图。

图2是本发明“智能驱动器性能测试实验台”的主视图。

图3是本发明“智能驱动器性能测试实验台”的左视图。

图4是本发明“智能驱动器性能测试实验台”的剖视图。

图5是本发明“智能驱动器性能测试实验台”的局部放大视图。

图6是发明的“蝶形弹簧座”的三维实体图。

图7是发明的“蝶形弹簧座”的标准三视图。

图8是本发明“智能驱动器性能测试实验台”工作原理简图。

图9是本发明“智能驱动器性能测试实验台”实际实现原理简图。

在图2、3、4、5中，1、2是螺栓，3是基座，4是被测压电陶瓷驱动器垫，5是被测压电陶瓷驱动器套，6是垫圈，7、8是螺母，9是轮辐式力传感器，10是垫圈，11是螺栓，12是螺母，13是垫圈，14是螺钉，15是垫圈，16螺母，17是螺栓，18是测力桥，19是压电力作动器，20是螺栓，21是压电力作动器套，22是球铰座底板，23是球铰套，24是丝杠座底板，25是垫圈，26是导轨，27是垫圈，28是梯形螺母，29是手轮，30是螺母，31是手柄，32是螺栓，33是蝶形弹簧座，34、35是螺栓，36是蝶形弹簧座盖，37是被测压电陶瓷驱动器，38是桥底板，39是直线轴承，40、41是螺栓，42是位移传感器底板，43是位移传感器，44、45是螺栓，46是位移传感器套盖，47是垫圈，48是螺母，49是螺栓，50是球铰套盖，51是螺栓，52是导轨端头螺母，53是螺母，54是螺栓，55是梯形丝杠座，56是梯形丝杠，57是手轮防松垫圈，58是螺母，59是垫圈，60是蝶形弹簧，61是球铰定位环，62是键，63是位移传感器套，64是铜衬套。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

该智能驱动器性能测试实验台主要是由骨架系统，施力系统，微位移测试系统三大系统组成。其中骨架系统是该实验台的基本支撑部分，用于支撑施力系统、微位移测试系统和被测智能驱动器；施力系统可以为被测智能驱动器施加各种力，用以测试被测智能驱动器的负载特性；微位移测试系统用于测试被测智能驱动器的输出位移(在自由状态或负载状态)。

其中骨架系统主要包括：基座3，用不锈钢制作，用于支撑整个实验台系统；导轨26(有两根同样的)，用不锈钢制作，其加工精度要求很高，为球铰座底板22、蝶形弹簧座33、桥底板38、位移传感器底板42提供导向，和这些零件进行高精度配合；位移传感器底板42，用不锈钢制作，可以在导轨26上移动，用于支撑位移传感器43、位移传感器套63、位移传感器套盖46等；丝杠座底板24，用不锈钢制作，用于支撑梯形丝杠座55、梯形丝杠56。

其中施力系统主要包括：手柄29，用不锈钢制作，用于旋转梯形丝杠56；梯形丝杠座55，用不锈钢制作，用于支撑梯形丝杠56；梯形丝杠56，用不锈钢制作，通过球铰来调节球铰座底板22位置，从而达到调节压电力作动器19位置的目的；球铰套23，用不锈钢制作，与梯形丝杠56的带球端一起形成球铰；球铰座底板22，用不锈钢制作，用于支撑压电力作动器19；压电力作动器19是智能材料，是压电陶瓷叠堆作动器，用来将电能转换为机械振动能产生各种力，施加于被测智能驱动器(如被测压电陶瓷驱动器37)，研究被测驱动器的负载特性；测力桥18，用不锈钢制作，用来将压电力作动器19输出的力传递给被测智能驱动器(如被测压电陶瓷驱动器37)；桥底板38，用不锈钢制作，用于支撑测力桥18；直线轴承39，提供导轨26和桥底板38之间的高精度滑动副，；蝶形弹簧座33，用不锈钢制作，用于支撑蝶形弹簧60；蝶形弹簧60，用以抵消测力桥18、桥底板38、轮辐式力传感器9等产生的多余外力；轮辐式力传感器9，用于测试压电力作动器19施加与被测智能驱动器(如被测压电陶瓷驱动器37)上的力。

其中微位移测试系统主要包括：位移传感器套63，用不锈钢制作，用于支撑位移传感器43；位移传感器套盖46，用不锈钢制作，用于固定位移传感器43；位移传感器43，用于测试被测智能驱动器(如被测压电陶瓷驱动器37)输出的位移(在自由状态或负载状态)。

下面详细介绍一下该智能驱动器性能测试实验台的工作原理：图8是该智能驱动器性能测试实验台的工作原理简图，从图中可以看出，压电陶瓷驱动电路、压电力作动器19，轮辐式力传感器9、力传感器放大器和控制器构成闭环组成施力系统的控制加载部分，用于向被测智能驱动器(如被测压电陶瓷驱动器37)加载，以测试其负载特性；功率放大电路(如压电陶瓷驱动电路)、被测智能驱动器(如被测压电陶瓷驱动器37)，位移传感器43、位移传感器放大器和控制器构成闭环组成被测系统；通过该实验台不但可以测试智能驱动器(如被测压电陶瓷驱动器37)在无负载状态下的位移特性(如位移-电压曲线)，也可以测试在施力系统施加力后有负载状态下的位移特性(如位移-电压曲线)，还可以测试该智能驱动器频响特性(如高频特性)。图9是该智能驱动器性能测试实验台的实际实现原理简图，从图中可以看出，施力系统的控制器和被测系统的控制器是用同一个工控机来实现的，工控机与外界数据的交换是通过D/A、A/D板卡来实现的；另外图9中的测电压传感器是用来测试实际加在智能(如被测压电陶瓷驱动器37)两端电压，用于和位移传感器43测试的位移数据一起绘制“位移-电压”曲线(说明：测电压传感器只是针对压电陶瓷驱动器来配置的；如果是超磁致伸缩驱动器，则需要配置测电流传感器)。

Claims

1.智能驱动器性能测试实验台，其硬件主要包括：主要由基座、左右导轨、位移传感器底板、丝杠座底板构成的支撑系统，主要由手柄、梯形丝杠座、梯形丝杠、球铰套、球铰座底板、压电力作动器、测力桥、桥底板、直线轴承、蝶形弹簧座、蝶形弹簧、轮辐式力传感器构成的施力系统和主要由位移传感器套、位移传感器套盖、位移传感器构成的微位移测试系统，其特征在于：

所述施力系统中，压电力作动器的位置通过梯形丝杠来精确调节，调节好压电力作动器位置后，通过拧紧上下锁紧螺母锁死梯形丝杠并拧紧球铰座底板两端的螺栓来固定压电力作动器，避免向被测智能驱动器施力时压电力作动器本身的移动而使控制失控；

所述施力系统中，压电力作动器输出的力通过测力桥传递给被测智能驱动器；

所述施力系统中，蝶形弹簧座用来调整蝶形弹簧的位置。