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一种空间方向激振力施加方法及装置 Download PDF

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本发明涉及一种空间方向激振力施加方法及装置，属于振动测试、激振力施加及测试仪器领域。将垂向运动体和水平移动及转动块移至适当的位置，将水平移动及转动块旋转一定的角度，使压力传感器轴线与水平方向的夹角为α，再将压电叠堆支架转动一定的角度β，得到X、Y、Z向的激振力。装置布局为龙门式，垂向运动体可沿垂直导轨上下移动，水平移动及转动块能转动及水平移动，压电叠堆支架可实现绕圆盘的转动，压电叠堆通过推动与铰链连接的微动平台实现位移与力的输出，压力传感器的位移可由杠杆放大机构的长臂进行放大。优点是结构稳定、激振频率高、操作简单、输出位移可调节、可以安装不同长度和规格的压电叠堆、并可在空间各向对目标展开激振。

Description

一种空间方向激振力施加方法及装置
技术领域
本发明属于振动测试、激振力施加及测试仪器测量误差标定领域，特别涉及一种基于压电叠堆的空间方向激振力施加方法及装置。
背景技术
振动测试试验是工程技术领域中的一项基本试验，也是工业产品研发的重要手段之一。工业生产中的零部件、构件乃至整机基本都需要经过振动测试试验才能确定其可靠性、强度等力学性能。因此，振动测试试验在许多重要的工程领域得到了广泛的应用，如各种力测量仪器的标定实验，判断各部件的动力强度和各种机械设备的性能、可靠性等。所以，激振器作为振动测试试验的关键设备，其性能的高低直接影响到各项工程技术的进步和发展。
激振器是制造振源的装置，由激振器产生的激振力作用于试验对象的某一区域，使试验对象产生强迫振动，所以，激振器是振动试验中和传感器、仪器校验与标定实验中必不可少的装置，它可以使被激试件受到所需要的动态力、位移或加速度。在力测量误差标定实验中，通过比较已知的激振力和被激传感器或仪器所测量的力可获得被激传感器或仪器的测量误差，这对于改善力测量传感器和仪器的测量精度具有重要的指导意义。常见的激振器有机械式、电磁式和电液式，这些激振器驱动装置输出频带窄，不能满足精密工程领域高频、微小位移激励的要求。而压电叠堆具有很大的工作频率范围，基于压电叠堆的驱动器可用于精密机械与仪器中实现纳米级的位移、力、加速度的高频驱动。目前商业化的压电激振器普遍存在结构不稳定、输出位移不能调节、激振力方向不能变化等问题，导致这些的激振器难以满足精密力测量仪器标定实验所要求的性能，
发明内容
本发明提供一种空间方向激振力施加方法及装置，以解决目前激振器存在的结构不稳定、激振频率低、输出位移不能自由调节、激振力方向不能在空间中改变的问题。
本发明采取的技术方案是：一种空间方向激振力施加方法，包括以下步骤：
(1)将垂向(Y向)运动体沿两个垂直导轨移至适当的高度，并用紧定螺钉固定位置；
(2)将水平(X向)移动及转动块沿垂向运动体的圆柱部分移至适当的位置；
(3)将水平移动及转动块绕垂向运动体的圆柱部分旋转一定的角度，并用紧定螺钉固定位置，使压力传感器轴线与水平方向的夹角为α；
(4)将压电叠堆支架绕固定圆盘转动一定的角度β，并用紧定螺钉固定位置；
(5)将压力传感器夹紧机构沿杠杆放大机构的长臂移至适当的位置，并用紧定螺钉固定位置；
(6)使压力传感器与被激物体接触；
(7)把滑座移到适当的位置与压电叠堆接触，并用预紧螺钉对压电叠堆进行预紧；
(8)给压电叠堆通电，设压力传感器测出的压电叠堆的激振力为F，则X向的激振力为Fx＝F·sinβ，Y向的激振力为Fy＝F·cosβ·sinα，Z向的激振力为Fz＝F·cosβ·cosα。
一种空间方向激振力施加装置，垂直导轨一和垂直导轨二分别通过紧定螺钉二和紧定螺钉三安装在龙门型底座两边的支柱上，垂向运动体安装在垂直导轨一和垂直导轨二上，可沿垂直导轨一和垂直导轨二上下移动，并由紧定螺钉一和紧定螺钉四固定位置，水平移动及转动块与垂向运动体的圆柱部分滑动连接、并且该水平移动及转动块还与该垂向运动体的圆柱部分转动连接，该水平移动及转动块在垂向运动体的圆柱部分上的位置由紧定螺钉五、紧定螺钉十固定，圆盘固定在水平移动及转动块的底部，压电叠堆支架通过螺母和垫片安装在圆盘的下端，并可绕圆盘下端的圆形凸台转动，压电叠堆支架相对于圆盘的位置由安装在压电叠堆支架上的紧定螺钉六和紧定螺钉十一固定，滑座底板安装在压电叠堆支架的下方，滑座安装在滑座底板的下方，能沿滑座底板的燕尾槽做轴向移动、并通过滑座上的紧定螺钉七、紧定螺钉九与滑座底板紧定，压电叠堆被滑座夹紧在滑座和压电叠堆支架的微动平台之间，压电叠堆由滑座上的预紧螺钉八推动滑座上的移动块进行预紧，杠杆放大机构的基体通过两个紧定螺钉十二安装在压电叠堆支架的前端，杠杆放大机构的微转平台通过一个紧定螺钉十六安装在压电叠堆支架的微动平台上，压电叠堆支架的微动平台在压电叠堆的激励下推动杠杆放大机构的微转平台一起移动，压电叠堆提供激振力，压力传感器夹紧机构穿过杠杆放大机构的长臂、并沿长臂移动，并由紧定螺钉十三和紧定螺钉十五固定位置，压力传感器通过一个紧定螺钉十四由压力传感器夹紧机构上的杠杆机构进行夹紧；
所述滑座的移动块通过一对直板型柔性铰链连接在滑座上，压电叠堆支架的微动平台由四个平行的直板型柔性铰链连接在压电叠堆支架上，通过拧紧预紧螺钉八使一对直板型柔性铰链产生变形，从而推动滑座的移动块，压电叠堆被夹紧在滑座的移动块和压电叠堆支架的微动平台之间；
所述杠杆放大机构的长臂通过一个直板型柔性铰链绕杠杆放大机构的基体转动，杠杆放大机构的微转平台通过一个柔性铰链绕杠杆放大机构的长臂转动；紧定螺钉十四与压力传感器夹紧机构的杠杆机构螺纹连接；
所述压力传感器夹紧机构的结构是：杠杆机构通过柔性铰链与基体连接。
本发明的优点及有益效果：结构新颖，装置采用龙门型布局，有两个支撑柱体，从而使结构稳定；采用压电叠堆作为振源，压电叠堆具有振动频率高、定位精度高等优点；由于压电叠堆的输出位移较小，本装置采用了杠杆放大机构对压电叠堆的输出位移进行放大，从而可以适应不同标定实验的要求，且放大倍数为无级调节；本发明之装置具有四个自由度：采用垂向运动体实现Y向移动，采用水平移动及转动块实现X向移动及绕X轴的转动，并采用压电叠堆支架绕固定圆盘实现Y轴的转动，所以，可以在空间各向对目标展开激振，有效地扩大了该激振器的适用范围。滑座与滑座底板之间的位移可调节，从而可以安装不同长度和规格的压电叠堆。本发明适用于一维或多维精密力传感器或力测量仪的高频动态力测量误差的标定实验等。
附图说明
图1是激振力合力与XYZ三向激振力分力的示意图；
图2是一种空间方向激振力施加装置的示意图；
图3是一种空间方向激振力施加装置的示意图；
图4是一种空间方向激振力施加装置的示意图；
图5是一种空间方向激振力施加装置的正视图；
图6是一种空间方向激振力施加装置的俯视图；
图7是一种空间方向激振力施加装置的左视图；
图8是一种空间方向激振力施加装置的剖视图；
图9是一种空间方向激振力施加装置施加空间方向激振力时的示意图；
图10是一种空间方向激振力施加装置施加空间方向激振力时的示意图；
图11是一种空间方向激振力施加装置的龙门型底座示意图；
图12是一种空间方向激振力施加装置的压电叠堆支架示意图；
图13是一种空间方向激振力施加装置的激振核心组件示意图；
图14是一种空间方向激振力施加装置的滑座、压电叠堆、压电叠堆支架的配合示意图；
图15是一种空间方向激振力施加装置的位移放大组件示意图；
图16是一种空间方向激振力施加装置的压电叠堆支架示意图；
图17是一种空间方向激振力施加装置的滑座示意图；
图18是一种空间方向激振力施加装置的杠杆放大机构示意图；
图19是一种空间方向激振力施加装置的垂向运动体示意图；
图20是一种空间方向激振力施加装置的水平移动及转动块示意图；
图21是一种空间方向激振力施加装置的圆盘示意图；
图22是一种空间方向激振力施加装置的压力传感器夹紧机构示意图；
图中：龙门型底座1、垂向运动体2、紧定螺钉一3、垂直导轨一4、紧定螺钉二5、紧定螺钉三6、垂直导轨二7、水平移动及转动块8、紧定螺钉四9、紧定螺钉五10、圆盘11、紧定螺钉六12、压电叠堆支架13、杠杆放大机构14、压力传感器夹紧机构15、压力传感器16、滑座底板17、压电叠堆18、滑座19、紧定螺钉七20、紧定螺钉八21、紧定螺钉九22、紧定螺钉十23、紧定螺钉十一24、紧定螺钉十二25、紧定螺钉十三26、紧定螺钉十四27、紧定螺钉十五28、垫片29、螺母30、紧定螺钉十六31。
具体实施方式
一种空间方向激振力施加方法，包括以下步骤：
(1)将垂向(Y向)运动体沿两个垂直导轨移至适当的高度，并用紧定螺钉固定位置；
(2)将水平(X向)移动及转动块沿垂向运动体的圆柱部分移至适当的位置；
(3)将水平移动及转动块绕垂向运动体的圆柱部分旋转一定的角度，并用紧定螺钉固定位置，使压力传感器轴线与水平方向的夹角为α；
(4)将压电叠堆支架绕固定圆盘转动一定的角度β，并用紧定螺钉固定位置；
(5)将压力传感器夹紧机构沿杠杆放大机构的长臂移至适当的位置，并用紧定螺钉固定位置；
(6)使压力传感器与被激物体接触；
(7)把滑座移到适当的位置与压电叠堆接触，并用预紧螺钉对压电叠堆进行预紧；
(8)给压电叠堆通电，设压力传感器测出的压电叠堆的激振力为F，则X向的激振力为Fx＝F·sinβ，Y向的激振力为Fy＝F·cosβ·sinα，Z向的激振力为Fz＝F·cosβ·cosα。
垂直导轨一4和垂直导轨二7分别通过紧定螺钉二5和紧定螺钉三6安装在龙门型底座1两边的支柱上，垂向运动体2安装在垂直导轨一4和垂直导轨二7上，可沿垂直导轨一4和垂直导轨二7上下移动，并由紧定螺钉一3和紧定螺钉四9固定位置，水平移动及转动块8与垂向运动体2的圆柱部分滑动连接、并且该水平移动及转动块8还与该垂向运动体2的圆柱部分转动连接，该水平移动及转动块8在垂向运动体2的圆柱部分上的位置由紧定螺钉五10、紧定螺钉十23固定，圆盘11固定在水平移动及转动块8的底部，压电叠堆支架13通过螺母30和垫片29安装在圆盘11的下端，并可绕圆盘11下端的圆形凸台转动，压电叠堆支架13相对于圆盘11的位置由安装在压电叠堆支架13上的紧定螺钉六12和紧定螺钉十一24固定，滑座底板17安装在压电叠堆支架13的下方，滑座19安装在滑座底板17的下方，能沿滑座底板17的燕尾槽做轴向移动、并通过滑座19上的紧定螺钉七20、紧定螺钉九22与滑座底板17紧定，压电叠堆18被滑座19夹紧在滑座19和压电叠堆支架13的微动平台1301之间，压电叠堆18由滑座19上的预紧螺钉八21推动滑座19上的移动块1901进行预紧，杠杆放大机构14的基体1403通过两个紧定螺钉十二25安装在压电叠堆支架13的前端，杠杆放大机构14的微转平台1402通过一个紧定螺钉十六31安装在压电叠堆支架13的微动平台1301上，压电叠堆支架13的微动平台1301在压电叠堆18的激励下推动杠杆放大机构14的微转平台1402一起移动，压电叠堆18提供激振力，压力传感器夹紧机构15穿过杠杆放大机构14的长臂1401、并沿长臂1401移动，并由紧定螺钉十三26和紧定螺钉十五28固定位置，压力传感器16通过一个紧定螺钉十四27由压力传感器夹紧机构15上的杠杆机构1501进行夹紧；
所述滑座19的移动块1901通过一对直板型柔性铰链1902连接在滑座19上，压电叠堆支架13的微动平台1301由四个平行的直板型柔性铰链1302连接在压电叠堆支架13上，通过拧紧预紧螺钉八21使一对直板型柔性铰链1902产生变形，从而推动滑座19的移动块1901，压电叠堆18被夹紧在滑座19的移动块1901和压电叠堆支架13的微动平台1301之间，
所述杠杆放大机构14的长臂1401通过一个直板型柔性铰链1404绕杠杆放大机构14的基体1403转动，杠杆放大机构14的微转平台1402通过一个柔性铰链1404绕杠杆放大机构14的长臂1401转动；紧定螺钉十四27与压力传感器夹紧机构15的杠杆机构1501螺纹连接；
压力传感器夹紧机构15的结构是：杠杆机构1501通过柔性铰链1502与基体1503连接。
压电叠堆18通电时，压电叠堆18的与滑座的移动块1901接触的一端可以视为静止不动，压电叠堆18推动压电叠堆支架13的微动平台1301及杠杆放大机构14进行往复运动；通过拧紧压力传感器夹紧机构15的杠杆机构1501上的紧定螺钉十四27，杠杆机构1501将会相对于压力传感器夹紧机构15的基体1503绕一个柔性铰链1502发生转动，从而夹紧压力传感器16；压力传感器16直接作用在被激振的物体上，物体所受的三向激振力的合力可由压力传感器16直接测出。
本发明装置的工作原理：
将垂向(Y向)运动体沿两个垂直导轨移至适当的高度，并用紧定螺钉固定位置；将水平(X向)移动及转动块沿垂向运动体的圆柱部分移至适当的位置；将水平移动及转动块绕垂向运动体的圆柱部分旋转一定的角度，并用紧定螺钉固定位置，使压力传感器轴线与水平方向的夹角为α；将压电叠堆支架绕固定圆盘转动一定的角度β，并用紧定螺钉固定位置；将压力传感器夹紧机构沿杠杆放大机构的长臂移至适当的位置，并用紧定螺钉固定位置；使压力传感器与被激物体接触；把滑座移到适当的位置与压电叠堆接触，并用预紧螺钉对压电叠堆进行预紧；给压电叠堆通电，设压力传感器测出的压电叠堆的激振力为F，则X向的激振力为Fx＝F·sinβ，Y向的激振力为Fy＝F·cosβ·sinα，Z向的激振力为Fz＝F·cosβ·cosα。

Claims (5)

1.一种空间方向激振力施加方法，包括以下步骤：
(1)将垂向运动体沿两个垂直导轨移至适当的高度，并用紧定螺钉固定位置；
(2)将水平移动及转动块沿垂向运动体的圆柱部分移至适当的位置；
(3)将水平移动及转动块绕垂向运动体的圆柱部分旋转一定的角度，并用紧定螺钉固定位置，使压力传感器轴线与水平方向的夹角为α；
(4)将压电叠堆支架绕固定圆盘转动一定的角度β，并用紧定螺钉固定位置；
(5)将压力传感器夹紧机构沿杠杆放大机构的长臂移至适当的位置，并用紧定螺钉固定位置；
(6)使压力传感器与被激物体接触；
(7)把滑座移到适当的位置与压电叠堆接触，并用预紧螺钉对压电叠堆进行预紧；
(8)给压电叠堆通电，设压力传感器测出的压电叠堆的激振力为F，则X向的激振力为Fx＝F·sinβ，Y向的激振力为Fy＝F·cosβ·sinα，Z向的激振力为Fz＝F·cosβ·cosα。
2.一种空间方向激振力施加装置，其特征在于：垂直导轨一和垂直导轨二分别通过紧定螺钉二和紧定螺钉三安装在龙门型底座两边的支柱上，垂向运动体安装在垂直导轨一和垂直导轨二上，可沿垂直导轨一和垂直导轨二上下移动，并由紧定螺钉一和紧定螺钉四固定位置，水平移动及转动块与垂向运动体的圆柱部分滑动连接、并且该水平移动及转动块还与该垂向运动体的圆柱部分转动连接，该水平移动及转动块在垂向运动体的圆柱部分上的位置由紧定螺钉五、紧定螺钉十固定，圆盘固定在水平移动及转动块的底部，压电叠堆支架通过螺母和垫片安装在圆盘的下端，并可绕圆盘下端的圆形凸台转动，压电叠堆支架相对于圆盘的位置由安装在压电叠堆支架上的紧定螺钉六和紧定螺钉十一固定，滑座底板安装在压电叠堆支架的下方，滑座安装在滑座底板的下方，能沿滑座底板的燕尾槽做轴向移动、并通过滑座上的紧定螺钉七、紧定螺钉九与滑座底板紧定，压电叠堆被滑座夹紧在滑座和压电叠堆支架的微动平台之间，压电叠堆由滑座上的预紧螺钉八推动滑座上的移动块进行预紧，杠杆放大机构的基体通过两个紧定螺钉十二安装在压电叠堆支架的前端，杠杆放大机构的微转平台通过一个紧定螺钉十六安装在压电叠堆支架的微动平台上，压电叠堆支架的微动平台在压电叠堆的激励下推动杠杆放大机构的微转平台一起移动，压电叠堆提供激振力，压力传感器夹紧机构穿过杠杆放大机构的长臂、并沿长臂移动，并由紧定螺钉十三和紧定螺钉十五固定位置，压力传感器通过一个紧定螺钉十四由压力传感器夹紧机构上的杠杆机构进行夹紧。
3.根据权利要求2所述的一种空间方向激振力施加装置，其特征在于：所述滑座的移动块通过一对直板型柔性铰链连接在滑座上，压电叠堆支架的微动平台由四个平行的直板型柔性铰链连接在压电叠堆支架上，通过拧紧预紧螺钉八使一对直板型柔性铰链产生变形，从而推动滑座的移动块，压电叠堆被夹紧在滑座的移动块和压电叠堆支架的微动平台之间。
4.根据权利要求2所述的一种空间方向激振力施加装置，其特征在于：所述杠杆放大机构的长臂通过一个直板型柔性铰链绕杠杆放大机构的基体转动，杠杆放大机构的微转平台通过一个柔性铰链绕杠杆放大机构的长臂转动；紧定螺钉十四与压力传感器夹紧机构的杠杆机构螺纹连接。
5.根据权利要求2所述的一种空间方向激振力施加装置，其特征在于：所述压力传感器夹紧机构的结构是：杠杆机构通过柔性铰链与基体连接。
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