CN107796433A - 寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置与方法，属于精密机械领域。测试装置包括基座、驱动单元、动态接触检测单元、位移输出性能检测单元、数据采集显示单元，其中，驱动单元通过y轴微调整机构及导轨垫块与基座的下板相连接，动态接触检测单元的应变片组贴附在驱动单元的铰链结构推杆的凹槽内，位移输出性能检测单元通过z轴微调整机构与基座的侧板连接，数据采集显示单元分别与动态接触检测单元和位移输出检测单元相连接。优点在于：可实现对寄生运动原理压电驱动器动态接触过程与位移输出性能的同步测试，进而解析驱动器的运动过程和机理，为高性能压电驱动器的结构设计与性能改善提供依据，在精密定位、精密加工、精密夹持、显微操作等领域具有潜在应用前景。

Description

寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置与方法

技术领域

本发明涉及精密机械领域，特别涉及一种寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置与方法，可用于测试在精密定位、精密加工、精密夹持、显微操作等领域有广泛应用的压电驱动器动态接触过程，获取压电驱动器动态接触过程与其输出特性之间的关系，为压电驱动器的结构设计与性能改善提供新的技术手段。

背景技术

精密机械与高精尖装备的发展对驱动定位元件提出了定位精度高、频响快、能耗低、重量轻、体积小等越来越苛刻的要求，而传统的驱动结构与装置已逐渐不能满足精密驱动定位的需要，因此各国科研工作者正积极探索新型精密驱动技术，并研制相应的精密驱动器。基于逆压电效应和柔性铰链技术发展起来的压电驱动器，在体积尺寸、定位精度、响应频率、能耗等性能方面均具有显著优势，已广泛应用在超精密加工、装配、精密测量技术、精密光学、生物医学工程等领域之中。

由于压电元件直接输出的位移行程非常有限，为了实现大行程输出，研究人员提出了不同的驱动原理，典型的如粘滑驱动、尺蠖仿生驱动、惯性驱动、寄生运动驱动等原理。基于这些原理设计的压电驱动器虽然实现了大行程，但是其输出曲线往往存在非线性、回退等现象，影响了其输出性能，并为其精密定位和控制带来了困难。如文献《A noveldriving principle by means of the parasitic motion of the microgripper andits preliminary application in the design of the linear actuator》提出了一种寄生运动驱动新原理，并设计了新型直线压电驱动器，文章中给出了动子位移随时间变化的曲线图，证实了该驱动器可以完成精度较高的定位，但是从曲线图中也可以发现，在驱动过程中会产生较为严重的回退现象，进而对此类高精度驱动器的使用和控制产生负面影响。文献《A novel rotary actuator driven by only one piezoelectric actuator》基于寄生运动原理设计了一种新型旋转驱动器，实现了较高的定位分辨率，然而从位移输出曲线亦可以看到非常显著的回退和非线性现象。文献《Modeling of piezoelectric-drivenstick–slip actuators》给出了一种粘滑式压电驱动器，从实验结果也可以看出粘滑式压电驱动器的回退现象也非常明显。综上可以看出，输出曲线上的回退和非线性现象普遍存在于各种原理的压电驱动器中，但是目前并没有特别有效的方法或手段去减弱或消除该类现象，其原因在于对其产生的原因和机制不明晰，而根本原因在于缺乏对压电驱动器动态接触过程的检测，导致对其运动过程解析不清。

发明内容

本发明的目的在于提供一种寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置与方法，解决了现有技术存在的上述问题，实现对寄生运动原理压电驱动器动态接触过程和位移输出的同步检测。通过二者一一对应分析，建立压电驱动器位移输出与动态接触过程的对应关系，从而获取位移输出曲线上回退和非线性等现象产生的原因，为压电驱动器的结构设计与性能提升提供新的技术手段。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置，包括基座、驱动单元、动态接触检测单元、位移输出性能检测单元、数据采集显示单元，所述驱动单元通过y轴微调整机构1及导轨垫块10与基座2的下板相连接，动态接触检测单元的应变片组9贴附在驱动单元的铰链结构推杆11的凹槽内，位移输出性能检测单元通过z轴微调整机构3与基座2的侧板连接，数据采集显示单元分别与动态接触检测单元和位移输出检测单元相连接。

所述的驱动单元包括y轴微调整机构1、铰链结构推杆11、压电叠堆12、导轨垫块10、导轨8、滑块7，其中y轴微调整机构1、导轨垫块10通过螺钉与基座2连接，铰链结构推杆11通过两个螺钉与y轴微调整机构1的上端面相连接，压电叠堆12通过楔块预紧安装在铰链结构推杆11的凹槽内，导轨8通过沉头螺钉固定在导轨垫块10上，滑块7在导轨上沿x轴方向滑动。

所述的动态接触检测单元包括应变片组9和应变片信号调理模块13，所述应变片组9粘贴在铰链结构推杆11的前端凹槽薄弱环节处，铰链结构推杆11的前端凹槽薄弱环节作为应变敏感区域，检测铰链结构推杆11与滑块7动态接触过程中接触载荷的变化，应变片信号调理模块13与应变片组9通过导线相连并将其输出的微弱信号进行转化和放大，以适合数据采集卡15采集。

所述的位移输出性能检测单元包括z轴微调整机构3、L型连接件4、激光位移传感器5、位移测量板6、位移信号调理模块14，所述z轴微调整机构3通过螺钉与基座2的侧板相连接，L型连接件4通过螺钉与z轴微调整机构3连接，激光位移传感器5通过螺栓固定在L型连接件上4，位移测量板6通过螺钉连接在滑块7上端，可随滑块进行移动，位移信号调理模块14与激光位移传感器5通过导线相连并将其输出的信号进行转化和放大，以适合数据采集卡15采集。

所述的数据采集显示单元包括数据采集卡15、工控机及显示器16，所述数据采集卡15分别通过导线与应变片信号调理模块13和位移信号调理模块14连接，将其输出的模拟信号转换成数字信号导入至工控机及显示器16。

本发明的另一目的在于提供一种寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试方法，包括以下步骤：

a）调整z轴微调整机构3使激光位移传感器5与位移测量板6处于相同高度，调整滑块7沿x轴方向的位置，使得激光位移传感器5与位移测量板6之间的距离在激光位移传感器5的工作范围内；

b）调整y轴微调整机构1减小铰链结构推杆11与滑块7的间隙，直至数据采集显示单元出现读数，说明铰链结构推杆11与滑块7发生接触，之后反向调整2微米使二者有2微米的初始间隙；

c）给压电叠堆12施加驱动电压，由于逆压电效应，此时压电叠堆12伸长，驱动铰链结构推杆11产生变形，使得铰链结构推杆11头部与滑块7接触，在寄生运动原理下，带动其沿着导轨8进行移动；在这一运动过程中，激光位移传感器5和应变片组9发出的信号分别经过各自信号调理模块调整后，由数据采集卡15采集至工控机中，同步得到滑块7的位移与时间曲线以及铰链结构推杆11的应变与时间曲线；

d）分析步骤c中得到的铰链结构推杆11的应变与时间曲线，可以得到铰链结构推杆11与滑块7之间的动态接触过程信息，再将其与步骤c中得到的滑块7的位移与时间曲线进行比照分析，进而可以得到压电驱动器输出位移与动态接触过程之间的一一对应关系，解释位移输出曲线上的非线性、回退现象；

e）保证条件不变的情况下，改变铰链结构推杆11的前端凹槽薄弱环节结构参数或者其与滑块7之间的间隙，重复上述的步骤a）、b）、c）、d），可以获得此种压电驱动器在凹槽薄弱环节不同结构参数及铰链结构推杆11与滑块7不同间隙下的输出位移与动态接触过程的关系，对比测试结果，进而得到压电驱动器动态接触曲线与凹槽薄弱环节结构参数和铰链结构推杆11与滑块7间隙之间的关系。

本发明的有益效果在于：通过本发明提供的测试装置与测量方法，可以实现对压电驱动器中铰链结构推杆与滑块之间的动态接触过程的实时检测，获取压电驱动器输出位移与动态接触过程之间的一一对应关系，进而找到位移输出曲线上出现回退和非线性等现象的原因，为高性能压电驱动器的结构设计与性能提升提供新的技术手段。在精密定位、精密加工、精密夹持、显微操作等领域具有潜在应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置的结构示意图；

图2为本发明的铰链结构推杆俯视示意图；

图3为本发明的铰链结构推杆变形产生寄生运动的原理图；

图4为本发明的信号调理、采集、显示过程示意图。

图中：1、y轴微调整机构；2、基座；3、z轴微调整机构；4、L型连接件；5、激光位移传感器；6、位移测量板；7、滑块；8、导轨；9、应变片组；10、导轨垫块；11、铰链结构推杆；12、压电叠堆；13、应变片信号调理模块；14、位移信号调理模块；15、数据采集卡；16、工控机及显示器。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图4所示，本发明的寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置与方法，以寄生运动原理压电驱动器为例，提出研究其动态接触过程测试装置与方法，通过建立其位移输出曲线与动态接触过程之间的一一对应关系，为揭示其输出曲线上的回退和非线性现象产生机制提供新的技术手段，从而服务于高性能压电驱动器的结构设计与性能改善。包括基座、驱动单元、动态接触检测单元、位移输出性能检测单元、数据采集显示单元，所述驱动单元通过y轴微调整机构1及导轨垫块10与基座2的下板相连接，动态接触检测单元的应变片组9贴附在驱动单元中铰链结构推杆11的前端凹槽薄弱环节处，位移输出性能检测单元通过z轴微调整机构3与基座2的侧板连接，数据采集显示单元与动态接触检测单元和位移输出检测单元中的传感器通过导线相连接。

所述的驱动单元主要包括y轴微调整机构1、铰链结构推杆11、压电叠堆12、导轨垫块10、导轨8、滑块7，其中y轴微调整机构1、导轨垫块10通过螺钉与基座2连接，铰链结构推杆11通过两个螺钉与y轴微调整机构1的上端面相连接，压电叠堆12通过楔块预紧安装在铰链结构推杆11的凹槽内，导轨8通过沉头螺钉固定在导轨垫块10上，滑块7可以在导轨上沿x轴方向滑动。

所述的动态接触检测单元包括应变片组9和应变片信号调理模块13，所述应变片组9通过502胶粘贴在铰链结构推杆11的前端凹槽薄弱环节处，铰链结构推杆11的前端凹槽薄弱环节作为应变敏感区域，检测铰链结构推杆11与滑块7动态接触过程中接触载荷的变化，应变片信号调理模块13与应变片组9通过导线相连并将其输出的微弱信号进行转化和放大，以适合数据采集卡15采集。

所述的位移输出性能检测单元包括z轴微调整机构3、L型连接件4、激光位移传感器5、位移测量板6、位移信号调理模块14，所述z轴微调整机构3通过螺钉与基座2的侧板相连接，L型连接件4通过螺钉与z轴微调整机构3连接，激光位移传感器5通过螺栓固定在L型连接件上4，位移测量板6通过螺钉连接在滑块7上端，可随滑块进行移动，位移信号调理模块14与激光位移传感器5通过导线相连并将其输出的信号进行转化和放大，以适合数据采集卡15采集。

所述数据采集显示单元包括数据采集卡15、工控机及显示器16，所述数据采集卡15与应变片信号调理模块13和位移信号调理模块14通过导线连接，将其输出的模拟信号转换成数字信号导入至工控机及显示器16。

本发明的寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试方法，通过检测驱动器运动过程中铰链结构推杆前端凹槽薄弱环节处的应变变化，获取驱动器动态接触过程信息，并与与其同步测量得到的驱动器位移输出曲线进行一一对应分析，得到位移输出曲线上出现回退和非线性等现象的原因；具体步骤如下：

a）调整z轴微调整机构3使激光位移传感器5与位移测量板6处于相同高度，调整滑块7沿x轴方向的位置，使得激光位移传感器5与位移测量板6之间的距离在激光位移传感器5的工作范围内。

b）调整y轴微调整机构1减小铰链结构推杆4与滑块7的间隙，直至数据采集显示单元出现读数，说明铰链结构推杆11与滑块7发生接触，之后反向调整2微米使二者有2微米的初始间隙。

c）给压电叠堆12施加驱动电压，由于逆压电效应，此时压电叠堆12伸长，驱动铰链结构推杆11产生变形，使得铰链结构推杆11头部与滑块7接触，在寄生运动原理下，（如图3所示，具体原理参见专利ZL 201210114613.9），带动其沿着导轨8进行移动。在这一运动过程中，激光位移传感器5和应变片组9发出的信号分别经过各自信号调理模块调整后，由数据采集卡15采集至工控机中，同步得到滑块7的位移与时间曲线以及铰链结构推杆11的应变（可换算成铰链结构推杆11与滑块7之间的接触载荷）与时间曲线（如图4所示）。

d）分析步骤c）中得到的铰链结构推杆11的应变与时间曲线，可以得到铰链结构推杆11与滑块7之间的动态接触过程信息，再将其与步骤c）中得到的滑块7的位移与时间曲线进行比照分析，进而可以得到压电驱动器输出位移与动态接触过程之间的一一对应关系，解释位移输出曲线上的非线性、回退等现象。

e）保证其他条件不变的情况下，改变铰链结构推杆11的前端凹槽薄弱环节结构参数或者其与滑块7之间的间隙，重复上述的步骤a）、b）、c）、d），可以获得此种压电驱动器在凹槽薄弱环节不同结构参数及铰链结构推杆11与滑块7不同间隙下的输出位移与动态接触过程的关系，对比测试结果，进而得到压电驱动器动态接触曲线与凹槽薄弱环节结构参数和铰链结构推杆11与滑块7间隙之间的关系。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置，其特征在于：包括基座、驱动单元、动态接触检测单元、位移输出性能检测单元、数据采集显示单元，所述驱动单元通过y轴微调整机构（1）及导轨垫块（10）与基座（2）的下板相连接，动态接触检测单元的应变片组（9）贴附在驱动单元的铰链结构推杆（11）的凹槽内，位移输出性能检测单元通过z轴微调整机构（3）与基座（2）的侧板连接，数据采集显示单元分别与动态接触检测单元和位移输出检测单元相连接。

2.根据权利要求1所述的寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置，其特征在于：所述的驱动单元包括y轴微调整机构（1）、铰链结构推杆（11）、压电叠堆（12）、导轨垫块（10）、导轨（8）、滑块（7），其中y轴微调整机构（1）、导轨垫块（10）通过螺钉与基座（2）连接，铰链结构推杆（11）通过两个螺钉与y轴微调整机构（1）的上端面相连接，压电叠堆（12）通过楔块预紧安装在铰链结构推杆（11）的凹槽内，导轨（8）通过沉头螺钉固定在导轨垫块（10）上，滑块（7）在导轨上沿x轴方向滑动。

3.根据权利要求1所述的寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置，其特征在于：所述的动态接触检测单元包括应变片组（9）和应变片信号调理模块（13），所述应变片组（9）粘贴在铰链结构推杆（11）的前端凹槽薄弱环节处，铰链结构推杆（11）的前端凹槽薄弱环节作为应变敏感区域，检测铰链结构推杆（11）与滑块（7）动态接触过程中接触载荷的变化，应变片信号调理模块（13）与应变片组（9）通过导线相连并将其输出的微弱信号进行转化和放大，以适合数据采集卡（15）采集。

4.根据权利要求1所述的寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置，其特征在于：所述的位移输出性能检测单元包括z轴微调整机构（3）、L型连接件（4）、激光位移传感器（5）、位移测量板（6）、位移信号调理模块（14），所述z轴微调整机构（3）通过螺钉与基座（2）的侧板相连接，L型连接件（4）通过螺钉与z轴微调整机构（3）连接，激光位移传感器（5）通过螺栓固定在L型连接件上（4），位移测量板（6）通过螺钉连接在滑块（7）上端，可随滑块进行移动，位移信号调理模块（14）与激光位移传感器（5）通过导线相连并将其输出的信号进行转化和放大，以适合数据采集卡（15）采集。

5.根据权利要求1所述的寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试装置，其特征在于：所述的数据采集显示单元包括数据采集卡（15）、工控机及显示器（16），所述数据采集卡（15）分别通过导线与应变片信号调理模块（13）和位移信号调理模块（14）连接，将其输出的模拟信号转换成数字信号导入至工控机及显示器（16）。

6.一种寄生运动原理压电驱动器动态接触过程测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

a）调整z轴微调整机构（3）使激光位移传感器（5）与位移测量板（6）处于相同高度，调整滑块（7）沿x轴方向的位置，使得激光位移传感器（5）与位移测量板（6）之间的距离在激光位移传感器（5）的工作范围内；

b）调整y轴微调整机构（1）减小铰链结构推杆（11）与滑块（7）的间隙，直至数据采集显示单元出现读数，说明铰链结构推杆（11）与滑块（7）发生接触，之后反向调整2微米使二者有2微米的初始间隙；

c）给压电叠堆（12）施加驱动电压，由于逆压电效应，此时压电叠堆（12）伸长，驱动铰链结构推杆（11）产生变形，使得铰链结构推杆（11）头部与滑块（7）接触，在寄生运动原理下，带动其沿着导轨（8）进行移动；在这一运动过程中，激光位移传感器（5）和应变片组（9）发出的信号分别经过各自信号调理模块调整后，由数据采集卡（15）采集至工控机中，同步得到滑块（7）的位移与时间曲线以及铰链结构推杆（11）的应变与时间曲线；

d）分析步骤c）中得到的铰链结构推杆（11）的应变与时间曲线，可以得到铰链结构推杆（11）与滑块（7）之间的动态接触过程信息，再将其与步骤c）中得到的滑块（7）的位移与时间曲线进行比照分析，进而可以得到压电驱动器输出位移与动态接触过程之间的一一对应关系，解释位移输出曲线上的非线性、回退现象；

e）保证条件不变的情况下，改变铰链结构推杆（11）的前端凹槽薄弱环节结构参数或者其与滑块（7）之间的间隙，重复上述的步骤a）、b）、c）、d），可以获得此种压电驱动器在凹槽薄弱环节不同结构参数及铰链结构推杆（11）与滑块（7）不同间隙下的输出位移与动态接触过程的关系，对比测试结果，进而得到压电驱动器动态接触曲线与凹槽薄弱环节结构参数和铰链结构推杆（11）与滑块（7）间隙之间的关系。