CN104734559B - 具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器及方法 - Google Patents
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Abstract
具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器及方法，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；右钳位机构外圈的“回”形框架中间有左菱形结构，通过四个对称的薄壁型柔性铰链同右钳位机构相连，空腔内设有右钳位压电堆；左钳位机构结构同右钳位机构；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”形框架过盈配合穿过左、右钳位机构中两对称凸形滑块相对部分的空隙，其右端连接有输出杆；本发明还提供了驱动负载时输出大推拉力及位移测量的方法；具有结构紧凑、精度较高，装配简单的特点。
Description
技术领域
本发明属于步进式压电作动器技术领域，具体涉及一种具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器及方法。
背景技术
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大位移的输出，但无法测量输出位移的大小。在大多数工程应用中作动器输出位移需要被实时监测，通常做法是外置位移传感器。外置位移传感器的方式一方面增加了成本，另一方面由于一般位移传感器的量程与分辨率成反比，即分辨率高则位移量程小，反之位移量程大则分辨率降低，因此如何在大位移量程情况下还能保证高位移分辨率一般是个难点。
另外，以往步进式作动器的最大输出力取决于钳位机构的摩擦力，由于提高摩擦力的方法一般是增加摩擦系数和正压力，但物体间摩擦系数是小于1的常数且难以进一步增大，而单纯提高正压力会使作动器结构厚实笨重，难以满足精密测控领域小体积，轻量化的要求。因此以往步进式作动器的输出力也就难以有显著的提升。
发明内容
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位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器及方法，作动器在压电单元的驱动下以步进方式输出大位移，同时能够输出大的推拉力，并且其输出位移能被实时测量。此作动器结构紧凑、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。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器，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，“回”形框架中间部分有一个左菱形结构10，并通过四个对称的左薄臂型柔性铰链11与“回”形框架连接，“回”形框架内侧壁的水平中间高度部分加工有两个用于导向的左对称凸形滑块12，两个左对称凸形滑块12距离左菱形结构10的短轴侧两端留有指定宽度的间隙，左钳位压电堆3安装在左菱形结构10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中的左菱形结构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，“回”形框架中间部分有一个右菱形结构14，并分别通过四个对称的右薄臂型柔性铰链15与“回”形框架连接，“回”形框架内侧壁的水平中间高度部分加工有两个对称的用于导向的右对称凸形滑块16，两个右对称凸形滑块16距离右菱形结构14的短轴侧两端留有指定宽度的间隙，右钳位压电堆7安装在在右菱形结构14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中的右菱形结构14连接，以给右钳位压电堆7提供预紧力；驱动机构5设置在左钳位机构2和右钳位机构9间，所述驱动机构5中间为菱形驱动结构，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，所述菱形驱动结构的左右两端为相同的左“回”形结构和右“回”形结构；所述左“回”形结构和右“回”形结构的两外侧壁均开有凹形导向槽18，左“回”形结构采用过盈配合方式穿过左钳位机构2中两个左对称凸形滑块12距离左菱形结构10的短轴侧两端留有的间隙，同时使左钳位机构2中两个左对称凸形滑块12与左“回”形结构两外侧壁的凹形导向槽18配合；所述右“回”形结构采用过盈配合方式穿过右钳位机构9中两个右对称凸形滑块16距离右菱形结构14的短轴侧两端留有的间隙，同时使右钳位机构9中两个右对称凸形滑块16与左“回”形结构两侧壁的凹形导向槽18配合，所述右“回”形结构右侧连接有输出杆8。
所述驱动机构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。
所述驱动机构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位移值。
所述驱动机构5中左“回”形结构和右“回”形结构的内侧壁表面采用电化学腐蚀工艺加工有一段等间隔Δx的微凹槽19；所述左钳位机构2中左菱形结构10短轴侧两端面采用电化学腐蚀工艺加工有一段等间隔Δx的左微凸条13；所述右钳位机构9中右菱形结构14短轴侧两端面采用电化学腐蚀工艺加工有一段等间隔Δx的右微凸条17；由于采用过盈配合方式，所述左微凸条13和右微凸条17分别与微凹槽19相互咬合。
上述所述具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器驱动负载时输出大推拉力及位移测量的方法，驱动负载时输出大推拉力的方法：所述右钳位机构9中设计有四个对称的右薄臂型柔性铰链15，当右钳位压电堆7加电伸长时，各右薄臂型柔性铰链15产生弹性变形，同时右钳位机构9中右菱形结构14的两短轴侧端面沿短轴且向靠近右钳位压电堆7的方向移动，使得右钳位机构9中两个右对称凸形滑块16距离右菱形结构14的短轴侧两端的间隙扩大，此时相互咬合的右微凸条17和微凹槽19松开，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中两个右对称凸形滑块16距离右菱形结构14的短轴侧两端面的间隙缩小恢复到初始状态，此时由于过盈配合，右微凸条17和微凹槽19相互咬合，处于钳位状态；驱动压电堆6加电伸长Δx位移时，推动驱动机构5中右端的右“回”形结构进而推动输出杆8驱动负载，此时由于驱动机构5中左“回”形结构上的微凹槽19与左钳位机构2中左菱形结构10端面上的右微凸条17相互咬合，作动器能输出很大推力，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Δx位移时，菱形驱动结构回弹拉动驱动机构5中右端的右“回”形结构，进而拉动输出杆8驱动负载，此时由于驱动机构5中左“回”形结构上的微凹槽19与左钳位机构2中左菱形结构10端面上的左微凸条13相互咬合，作动器能输出很大拉力；所述左钳位机构2的驱动方法同右钳位机构9；输出位移测量方法为：所述驱动机构5中的菱形驱动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，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；弹性变形及其恢复过程所引起的应变量被贴在侧壁的电阻式应变计测量得到；由材料力学知识可得到位移与应变有线性关系:Δx＝C·ε,其中Δx和ε分别表示位移和应变，C为灵敏度，因此作动器单步步进位移能够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，其位移测量方法同拉动负载状态。
上述所述的驱动负载时输出大推拉力及位移测量的方法，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；当驱动压电堆6通电伸长或掉电回缩时，为获得精确的伸长量Δx，需将菱形驱动结构上应变值反馈给控制器，控制器采用闭环控制的方式保证伸长量Δx的精度；为使作动器能向左拉动大负载同时还能测量向左的位移值，第一步，左钳位压电堆3通电伸长使得左钳位机构2解锁，此时原相互咬合的左微凸条13和微凹槽19松开，同时驱动机构5中的菱形驱动结构上应力被释放，应变值归零；第二步，控制器采用闭环方式控制驱动压电堆6通电伸长Δx，推动驱动机构5中左“回”形结构向左运动Δx，此时驱动机构5中菱形驱动结构的应变值从零达到一个稳定值a；第三步，左钳位压电堆3掉电回缩使得左钳位机构2钳位，由于前步所述左“回”形结构向左运动了Δx而左微凸条13和微凹槽19也是等间隔Δx，因此所述左微凸条13和微凹槽19再次相互咬合；第四步，右钳位压电堆7通电伸长使得右钳位机构9解锁，此时原相互咬合的右微凸条17和微凹槽19松开；第五步，控制器以闭环控制方式控制驱动压电堆6掉电回缩Δx，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向左运动驱动负载并一同移动Δx，此时驱动机构5中菱形驱动结构的应变值从稳定值a到一个稳定值b；第六步，右钳位压电堆7掉电回缩使得右钳位机构9钳位，此时由于前步所述右“回”形结构向左运动了Δx而右微凸条17和微凹槽19也是等间隔Δx，因此所述右微凸条17和微凹槽19再次相互咬合，且菱形驱动结构上的应变被保持在稳定值b；重复步骤一到六，输出杆8以步进方式向左运动，由于钳位过程中所述左微凸条13、右微凸条17均与微凹槽19相互咬合，因此作动器能以大拉力驱动负载，而重复步骤一到六的过程所测应变值会经历“零-稳定值a-稳定值b-零”的循环，这样每次循环均能被识别记录并计数，于是作动器在n次向左步进后其位移值为d＝n·Δx；为使作动器在输出杆8能向右拉动大负载同时能测量向右的位移值，第一步，右钳位压电堆7通电伸长使得右钳位机构9解锁，此时原相互咬合的右微凸条17和微凹槽19松开，同时驱动机构5中的菱形驱动结构上应力被释放，应变值归零；第二步，控制器采用闭环方式控制驱动压电堆6通电伸长Δx，推动驱动机构5中右“回”形结构进而推动输出杆8驱动负载向右运动Δx，此时驱动机构5中菱形驱动结构的应变值从零达到一个稳定值a；第三步，右钳位压电堆7掉电回缩使得右钳位机构9钳位，由于前步所述右“回”形结构向右运动了Δx而右微凸条17和微凹槽19也是等间隔Δx，因此所述右微凸条17和微凹槽19再次相互咬合；第四步，左钳位压电堆3通电伸长使得左钳位机构2解锁，此时原相互咬合的左微凸条13和微凹槽19松开；第五步，控制器以闭环控制方式控制驱动压电堆6掉电回缩Δx，驱动机构5中的菱形驱动结构弹性变形恢复，其恢复力拉动驱动机构5中左“回”形结构向右移动Δx，此时驱动机构5中菱形驱动结构的应变值从稳定值a到一个稳定值b；第六步，左钳位压电堆3掉电回缩使得左钳位机构2钳位，此时由于前步所述左“回”形结构向右运动了而右微凸条17和微凹槽19也是等间隔Δx，因此所述右微凸条17和微凹槽19再次相互咬合，且菱形驱动结构上的应变被保持在稳定值b；重复步骤一到六，输出杆8以步进方式向右运动，由于钳位过程中所述左微凸条13、右微凸条17均与微凹槽19相互咬合，因此作动器能以大推力驱动负载，而重复步骤一到六的过程所测应变值会经历“零-稳定值a-稳定值b-零”的循环，因此每次循环均能被计数并记录，于是作动器在n次向右步进后其位移值为d＝n·Δx。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明所述作动器具有测量输出位移的功能，作动器驱动负载时，其输出位移可由驱动机构5中菱形驱动结构上的所测应变值换算得到。本发明改变了以往作动器只能输出大位移却无法测量反馈输出位移值的现状。
2)本发明给出了一种基于应变检测的大位移高分辨率位移检测方法，其在大位移量程情况下还能保证高位移分辨率。由于一般位移传感器的量程与分辨率成反比，即分辨率高则位移量程小，反之位移量程大则分辨率降低，因此如何在具有大位移量程情况下还能保证较高位移分辨率一般是个难点。本发明所述作动器的单步步进位移为微凹槽19的间隔Δx，从所测应变值的循环周期信号(“零-稳定值a-稳定值b-零”)中可以获取作动器的实际步进数，再将每步步进位移Δx累加，便获得大位移行程下具有位移分辨率为Δx的测量结果。由于间隔Δx越小位移分辨率越高且间隔Δx的大小只与电化学腐蚀工艺有关，因此本发明所述方法可以获得大位移行程下具有高位移分辨率的测量结果。
3)本发明给出了一种步进式作动器输出大推拉力的实现方式，以往步进式作动器的最大输出力取决于钳位机构的摩擦力，这种方式难以进一步提高作动器输出力。本发明钳位机构采用微凸条与微凹槽相互咬合的方式代替物体间的摩擦接触方式，实现了作动器大推拉力驱动负载的功能。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为左、右钳位机构结构图。
图3为驱动机构结构图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器，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，“回”形框架中间部分有一个左菱形结构10，并通过四个对称的左薄臂型柔性铰链11与“回”形框架连接，“回”形框架内侧壁的水平中间高度部分加工有两个用于导向的左对称凸形滑块12，两个左对称凸形滑块12距离左菱形结构10的短轴侧两端留有指定宽度的间隙，左钳位压电堆3安装在左菱形结构10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中的左菱形结构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，“回”形框架中间部分有一个右菱形结构14，并分别通过四个对称的右薄臂型柔性铰链15与“回”形框架连接，“回”形框架内侧壁的水平中间高度部分加工有两个对称的用于导向的右对称凸形滑块16，两个右对称凸形滑块16距离右菱形结构14的短轴侧两端留有指定宽度的间隙，右钳位压电堆7安装在在右菱形结构14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中的右菱形结构14连接，以给右钳位压电堆7提供预紧力；驱动机构5设置在左钳位机构2和右钳位机构9间，所述驱动机构5中间为菱形驱动结构，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，所述菱形驱动结构的左右两端为相同的左“回”形结构和右“回”形结构；所述左“回”形结构和右“回”形结构的两外侧壁均开有凹形导向槽18，左“回”形结构采用过盈配合方式穿过左钳位机构2中两个左对称凸形滑块12距离左菱形结构10的短轴侧两端留有的间隙，同时使左钳位机构2中两个左对称凸形滑块12与左“回”形结构两外侧壁的凹形导向槽18配合；所述右“回”形结构采用过盈配合方式穿过右钳位机构9中两个右对称凸形滑块16距离右菱形结构14的短轴侧两端留有的间隙，同时使右钳位机构9中两个右对称凸形滑块16与左“回”形结构两侧壁的凹形导向槽18配合，所述右“回”形结构右侧连接有输出杆8。所述驱动机构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位移值。所述驱动机构5中左“回”形结构和右“回”形结构的内侧壁表面采用电化学腐蚀工艺加工有一段等间隔Δx的微凹槽19；所述左钳位机构2中左菱形结构10短轴侧两端面采用电化学腐蚀工艺加工有一段等间隔Δx的左微凸条13；所述右钳位机构9中右菱形结构14短轴侧两端面采用电化学腐蚀工艺加工有一段等间隔Δx的右微凸条17；由于采用过盈配合方式，所述左微凸条13和右微凸条17分别与微凹槽19相互咬合。
作为本发明的优选实施方式，所述驱动机构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。
如图1所示，本发明具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器驱动负载时输出大推拉力及位移测量的方法，驱动负载时输出大推拉力的方法：所述右钳位机构9中设计有四个对称的右薄臂型柔性铰链15，当右钳位压电堆7加电伸长时，各右薄臂型柔性铰链15产生弹性变形，同时右钳位机构9中右菱形结构14的两短轴侧端面沿短轴且向靠近右钳位压电堆7的方向移动，使得右钳位机构9中两个右对称凸形滑块16距离右菱形结构14的短轴侧两端的间隙扩大，此时相互咬合的右微凸条17和微凹槽19松开，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中两个右对称凸形滑块16距离右菱形结构14的短轴侧两端面的间隙缩小恢复到初始状态，此时由于过盈配合，右微凸条17和微凹槽19相互咬合，处于钳位状态；驱动压电堆6加电伸长Δx位移时，推动驱动机构5中右端的右“回”形结构进而推动输出杆8驱动负载，此时由于驱动机构5中左“回”形结构上的微凹槽19与左钳位机构2中左菱形结构10端面上的右微凸条17相互咬合，作动器能输出很大推力，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Δx位移时，菱形驱动结构回弹拉动驱动机构5中右端的右“回”形结构，进而拉动输出杆8驱动负载，此时由于驱动机构5中左“回”形结构上的微凹槽19与左钳位机构2中左菱形结构10端面上的左微凸条13相互咬合，作动器能输出很大拉力；所述左钳位机构2的驱动方法同右钳位机构9；输出位移测量方法为：所述驱动机构5中的菱形驱动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，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；弹性变形及其恢复过程所引起的应变量被贴在侧壁的电阻式应变计测量得到；由材料力学知识可得到位移与应变有线性关系:Δx＝C·ε,其中Δx和ε分别表示位移和应变，C为灵敏度，因此作动器单步步进位移能够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，其位移测量方法同拉动负载状态。
下面对本发明的驱动负载时输出大推拉力及位移测量的方法进行详细说明：
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；当驱动压电堆6通电伸长或掉电回缩时，为获得精确的伸长量Δx，需将菱形驱动结构上应变值反馈给控制器，控制器采用闭环控制的方式保证伸长量Δx的精度；为使作动器能向左拉动大负载同时还能测量向左的位移值，第一步，左钳位压电堆3通电伸长使得左钳位机构2解锁，此时原相互咬合的左微凸条13和微凹槽19松开，同时驱动机构5中的菱形驱动结构上应力被释放，应变值归零；第二步，控制器采用闭环方式控制驱动压电堆6通电伸长Δx，推动驱动机构5中左“回”形结构向左运动Δx，此时驱动机构5中菱形驱动结构的应变值从零达到一个稳定值a；第三步，左钳位压电堆3掉电回缩使得左钳位机构2钳位，由于前步所述左“回”形结构向左运动了Δx而左微凸条13和微凹槽19也是等间隔Δx，因此所述左微凸条13和微凹槽19再次相互咬合；第四步，右钳位压电堆7通电伸长使得右钳位机构9解锁，此时原相互咬合的右微凸条17和微凹槽19松开；第五步，控制器以闭环控制方式控制驱动压电堆6掉电回缩Δx，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向左运动驱动负载并一同移动Δx，此时驱动机构5中菱形驱动结构的应变值从稳定值a到一个稳定值b；第六步，右钳位压电堆7掉电回缩使得右钳位机构9钳位，此时由于前步所述右“回”形结构向左运动了Δx而右微凸条17和微凹槽19也是等间隔Δx，因此所述右微凸条17和微凹槽19再次相互咬合，且菱形驱动结构上的应变被保持在稳定值b；重复步骤一到六，输出杆8以步进方式向左运动，由于钳位过程中所述左微凸条13、右微凸条17均与微凹槽19相互咬合，因此作动器能以大拉力驱动负载，而重复步骤一到六的过程所测应变值会经历“零-稳定值a-稳定值b-零”的循环，这样每次循环均能被识别记录并计数，于是作动器在n次向左步进后其位移值为d＝n·Δx；为使作动器在输出杆8能向右拉动大负载同时能测量向右的位移值，第一步，右钳位压电堆7通电伸长使得右钳位机构9解锁，此时原相互咬合的右微凸条17和微凹槽19松开，同时驱动机构5中的菱形驱动结构上应力被释放，应变值归零；第二步，控制器采用闭环方式控制驱动压电堆6通电伸长Δx，推动驱动机构5中右“回”形结构进而推动输出杆8驱动负载向右运动Δx，此时驱动机构5中菱形驱动结构的应变值从零达到一个稳定值a；第三步，右钳位压电堆7掉电回缩使得右钳位机构9钳位，由于前步所述右“回”形结构向右运动了Δx而右微凸条17和微凹槽19也是等间隔Δx，因此所述右微凸条17和微凹槽19再次相互咬合；第四步，左钳位压电堆3通电伸长使得左钳位机构2解锁，此时原相互咬合的左微凸条13和微凹槽19松开；第五步，控制器以闭环控制方式控制驱动压电堆6掉电回缩Δx，驱动机构5中的菱形驱动结构弹性变形恢复，其恢复力拉动驱动机构5中左“回”形结构向右移动Δx，此时驱动机构5中菱形驱动结构的应变值从稳定值a到一个稳定值b；第六步，左钳位压电堆3掉电回缩使得左钳位机构2钳位，此时由于前步所述左“回”形结构向右运动了而右微凸条17和微凹槽19也是等间隔Δx，因此所述右微凸条17和微凹槽19再次相互咬合，且菱形驱动结构上的应变被保持在稳定值b；重复步骤一到六，输出杆8以步进方式向右运动，由于钳位过程中所述左微凸条13、右微凸条17均与微凹槽19相互咬合，因此作动器能以大推力驱动负载，而重复步骤一到六的过程所测应变值会经历“零-稳定值a-稳定值b-零”的循环，因此每次循环均能被计数并记录，于是作动器在n次向右步进后其位移值为d＝n·Δx。
Claims (6)
1.具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器，其特征在于：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，“回”形框架中间部分有一个左菱形结构(10)，并通过四个对称的左薄臂型柔性铰链(11)与“回”形框架连接，“回”形框架内侧壁的水平中间高度部分加工有两个用于导向的左对称凸形滑块(12)，两个左对称凸形滑块(12)距离左菱形结构(10)的短轴侧两端留有指定宽度的间隙，左钳位压电堆(3)安装在左菱形结构(10)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)中的左菱形结构(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，“回”形框架中间部分有一个右菱形结构(14)，并分别通过四个对称的右薄臂型柔性铰链(15)与“回”形框架连接，“回”形框架内侧壁的水平中间高度部分加工有两个对称的用于导向的右对称凸形滑块(16)，两个右对称凸形滑块(16)距离右菱形结构(14)的短轴侧两端留有指定宽度的间隙，右钳位压电堆(7)安装在在右菱形结构(14)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)中的右菱形结构(14)连接，以给右钳位压电堆(7)提供预紧力；驱动机构(5)设置在左钳位机构(2)和右钳位机构(9)间，所述驱动机构(5)中间为菱形驱动结构，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，所述菱形驱动结构的左右两端为相同的左“回”形结构和右“回”形结构；所述左“回”形结构和右“回”形结构的两外侧壁均开有凹形导向槽(18)，左“回”形结构采用过盈配合方式穿过左钳位机构(2)中两个左对称凸形滑块(12)距离左菱形结构(10)的短轴侧两端留有的间隙，同时使左钳位机构(2)中两个左对称凸形滑块(12)与左“回”形结构两外侧壁的凹形导向槽(18)配合；所述右“回”形结构采用过盈配合方式穿过右钳位机构(9)中两个右对称凸形滑块(16)距离右菱形结构(14)的短轴侧两端留有的间隙，同时使右钳位机构(9)中两个右对称凸形滑块(16)与左“回”形结构两侧壁的凹形导向槽(18)配合，所述右“回”形结构右侧连接有输出杆(8)。
2.根据权利要求1所述的具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器，其特征在于：所述驱动机构(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所述的具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器，其特征在于：所述驱动机构(5)中的菱形驱动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位移值。
4.根据权利要求3所述的具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器，其特征在于：所述驱动机构(5)中左“回”形结构和右“回”形结构的内侧壁表面采用电化学腐蚀工艺加工有一段等间隔Δx的微凹槽(19)；所述左钳位机构(2)中左菱形结构(10)短轴侧两端面采用电化学腐蚀工艺加工有一段等间隔Δx的左微凸条(13)；所述右钳位机构(9)中右菱形结构(14)短轴侧两端面采用电化学腐蚀工艺加工有一段等间隔Δx的右微凸条(17)；由于采用过盈配合方式，所述左微凸条(13)和右微凸条(17)分别与微凹槽(19)相互咬合。
5.权利要求4所述具有位移测量功能和大推拉力的步进式压电作动器驱动负载时输出大推拉力及位移测量的方法，其特征在于：驱动负载时输出大推拉力的方法：所述右钳位机构(9)中设计有四个对称的右薄臂型柔性铰链(15)，当右钳位压电堆(7)加电伸长时，各右薄臂型柔性铰链(15)产生弹性变形，同时右钳位机构(9)中右菱形结构(14)的两短轴侧端面沿短轴且向靠近右钳位压电堆(7)的方向移动，使得右钳位机构(9)中两个右对称凸形滑块(16)距离右菱形结构(14)的短轴侧两端的间隙扩大，此时相互咬合的右微凸条(17)和微凹槽(19)松开，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)中两个右对称凸形滑块(16)距离右菱形结构(14)的短轴侧两端面的间隙缩小恢复到初始状态，此时由于过盈配合，右微凸条(17)和微凹槽(19)相互咬合，处于钳位状态；驱动压电堆(6)加电伸长Δx位移时，推动驱动机构(5)中右端的右“回”形结构进而推动输出杆(8)驱动负载，此时由于驱动机构(5)中左“回”形结构上的微凹槽(19)与左钳位机构(2)中左菱形结构(10)端面上的右微凸条(17)相互咬合，作动器能输出很大推力，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Δx位移时，菱形驱动结构回弹拉动驱动机构(5)中右端的右“回”形结构，进而拉动输出杆(8)驱动负载，此时由于驱动机构(5)中左“回”形结构上的微凹槽(19)与左钳位机构(2)中左菱形结构(10)端面上的左微凸条(13)相互咬合，作动器能输出很大拉力；所述左钳位机构(2)的驱动方法同右钳位机构(9)；
输出位移测量方法为：所述驱动机构(5)中的菱形驱动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，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；弹性变形及其恢复过程所引起的应变量被贴在侧壁的电阻式应变计测量得到；由材料力学知识可得到位移与应变有线性关系:Δx＝C·ε,其中Δx和ε分别表示位移和应变，C为灵敏度，因此作动器单步步进位移能够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，其位移测量方法同拉动负载状态。
6.根据权利要求5所述的驱动负载时输出大推拉力及位移测量的方法，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；当驱动压电堆(6)通电伸长或掉电回缩时，为获得精确的伸长量Δx，需将菱形驱动结构上应变值反馈给控制器，控制器采用闭环控制的方式保证伸长量Δx的精度；为使作动器能向左拉动大负载同时还能测量向左的位移值，第一步，左钳位压电堆(3)通电伸长使得左钳位机构(2)解锁，此时原相互咬合的左微凸条(13)和微凹槽(19)松开，同时驱动机构(5)中的菱形驱动结构上应力被释放，应变值归零；第二步，控制器采用闭环方式控制驱动压电堆(6)通电伸长Δx，推动驱动机构(5)中左“回”形结构向左运动Δx，此时驱动机构(5)中菱形驱动结构的应变值从零达到一个稳定值a；第三步，左钳位压电堆(3)掉电回缩使得左钳位机构(2)钳位，由于前步所述左“回”形结构向左运动了Δx而左微凸条(13)和微凹槽(19)也是等间隔Δx，因此所述左微凸条(13)和微凹槽(19)再次相互咬合；第四步，右钳位压电堆(7)通电伸长使得右钳位机构(9)解锁，此时原相互咬合的右微凸条(17)和微凹槽(19)松开；第五步，控制器以闭环控制方式控制驱动压电堆(6)掉电回缩Δx，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)向左运动驱动负载并一同移动Δx，此时驱动机构(5)中菱形驱动结构的应变值从稳定值a到一个稳定值b；第六步，右钳位压电堆(7)掉电回缩使得右钳位机构(9)钳位，此时由于前步所述右“回”形结构向左运动了Δx而右微凸条(17)和微凹槽(19)也是等间隔Δx，因此所述右微凸条(17)和微凹槽(19)再次相互咬合，且菱形驱动结构上的应变被保持在稳定值b；重复步骤一到六，输出杆(8)以步进方式向左运动，由于钳位过程中所述左微凸条(13)、右微凸条(17)均与微凹槽(19)相互咬合，因此作动器能以大拉力驱动负载，而重复步骤一到六的过程所测应变值会经历“零-稳定值a-稳定值b-零”的循环，这样每次循环均能被识别记录并计数，于是作动器在n次向左步进后其位移值为d＝n·Δx；为使作动器在输出杆(8)能向右拉动大负载同时能测量向右的位移值，第一步，右钳位压电堆(7)通电伸长使得右钳位机构(9)解锁，此时原相互咬合的右微凸条(17)和微凹槽(19)松开，同时驱动机构(5)中的菱形驱动结构上应力被释放，应变值归零；第二步，控制器采用闭环方式控制驱动压电堆(6)通电伸长Δx，推动驱动机构(5)中右“回”形结构进而推动输出杆(8)驱动负载向右运动Δx，此时驱动机构(5)中菱形驱动结构的应变值从零达到一个稳定值a；第三步，右钳位压电堆(7)掉电回缩使得右钳位机构(9)钳位，由于前步所述右“回”形结构向右运动了Δx而右微凸条(17)和微凹槽(19)也是等间隔Δx，因此所述右微凸条(17)和微凹槽(19)再次相互咬合；第四步，左钳位压电堆(3)通电伸长使得左钳位机构(2)解锁，此时原相互咬合的左微凸条(13)和微凹槽(19)松开；第五步，控制器以闭环控制方式控制驱动压电堆(6)掉电回缩Δx，驱动机构(5)中的菱形驱动结构弹性变形恢复，其恢复力拉动驱动机构(5)中左“回”形结构向右移动Δx，此时驱动机构(5)中菱形驱动结构的应变值从稳定值a到一个稳定值b；第六步，左钳位压电堆(3)掉电回缩使得左钳位机构(2)钳位，此时由于前步所述左“回”形结构向右运动了而右微凸条(17)和微凹槽(19)也是等间隔Δx，因此所述右微凸条(17)和微凹槽(19)再次相互咬合，且菱形驱动结构上的应变被保持在稳定值b；重复步骤一到六，输出杆(8)以步进方式向右运动，由于钳位过程中所述左微凸条(13)、右微凸条(17)均与微凹槽(19)相互咬合，因此作动器能以大推力驱动负载，而重复步骤一到六的过程所测应变值会经历“零-稳定值a-稳定值b-零”的循环，因此每次循环均能被计数并记录，于是作动器在n次向右步进后其位移值为d＝n·Δx。
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