CN109728744A - 一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置及其工作方法，该装置包括压电微位移输出单元、手动调节微动平台、L型连接块Ⅰ、L型连接块Ⅱ、底座；所述L型连接块Ⅱ、L型连接块Ⅰ、手动调节微动平台依次布置于底座上，且L型连接块Ⅱ的工作面上布置有纤维玻片；所述压电微位移单元通过螺钉与手动调节微动平台的调节螺纹面固定，且压电微位移单元采用叠层压电陶瓷为作动元件，通过顶针对准L型连接块Ⅱ的工作面用于推出纤维。本发明采用压电微位移输出机构，在输出方向上提供适合推力、较大行程、微米级精度的运动，输出高精度位移作动，及时反馈采集界面结合力情况，从而实现单根纤维的高效推出以及纤维推出过程中界面结合力的精准测量。

Description

一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置及其工作方法，属于压电精密致动技术领域。

背景技术

纤维推出测试主要用来测定纤维复合材料间的界面结合力，研究界面反应机理，纤维推出装置通常需要具备较大推力(百牛以上)、较高精度(微米级)，为了测量结合力大小，通常还需要具有传感器反馈系统。压电微位移执行机构是近年来发展迅速的一种智能结构，其利用压电材料的逆压电效应，驱动弹性体产生微位移，具有结构简单、推力大、精度高、响应快、断电自锁、无电磁干扰等优点，可以满足纤维推出装置的需求。

通常的压电微位移执行机构根据振动状态的差异，可以分为共振式与非共振式。共振式执行机构利用单层压电陶瓷作为驱动元件，激发弹性体的共振运动状态使得输出位移得到放大，该种执行机构通常也被称为超声电机；非共振式执行机构利用叠层压电陶瓷作为驱动元件，利用该压电元件在较小电压较小频率的信号下就有较高的位移与推力输出的原理，推动外围机构实现大行程、高精度的运动。

现有纤维推出装置主要运用伺服电机进行推出，推出力与行程较大，主要弱点在于无法保证步进的位移分辨率、推出过程易受惯性影响以及界面间接触反馈不及时。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置及其工作方法，具有结构简单、操作方便、测定准确等特点，提供合适推力与行程的同时，输出高精度位移作动，及时反馈采集界面结合力情况。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置，包括压电微位移输出单元、手动调节微动平台、L型连接块Ⅰ、L型连接块Ⅱ、底座；

其中，所述L型连接块Ⅱ、L型连接块Ⅰ、手动调节微动平台依次布置于底座上，且纵截面呈L型的L型连接块Ⅱ底部与底座固定，手动调节微动平台通过横截面呈L型的L型连接块Ⅰ与L型连接块Ⅱ固定；

所述压电微位移输出单元包括双板簧框型结构、叠层压电陶瓷、顶针，且双板簧框型结构一侧通过安装螺钉固定于手动调节微动平台的调节螺纹面上，其另一侧通过安装于双板簧中部的顶针正对L型连接块Ⅱ上的工作面；所述叠层压电陶瓷预紧于双板簧框型结构中，且叠层压电陶瓷上引出正极接线与负极接线，通过叠层压电陶瓷驱动双板簧中部及顶针输出相应的位移。

优选的，所述手动调节微动平台的调节螺纹面可手动实现水平及竖直方向位移调节。

优选的，所述L型连接块Ⅱ的工作面上布置有通过压紧片和压紧螺钉紧固的纤维玻片，且工作面中部设置有割缝用以存放推出的纤维。

优选的，所述纤维推出装置还包括显微镜、薄膜式压力传感器以及激光位移传感器；

所述显微镜对准顶针与L型连接块Ⅱ的工作面交汇处，用于观察顶针与纤维玻片对准情况，以确保推出过程的准确性；所述薄膜式压力传感器布置于L型连接块Ⅱ的工作面与纤维玻片之间，用于测量压电微位移输出单元工作时的输出力大小；所述双板簧框型结构的双板簧中部通过紧固螺钉安装有激光对准片，且激光位移传感器发射的激光直射于激光对准片上，用于测量压电微位移单元的位移输出。

一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置的工作方法，包括以下步骤：

1)取下双板簧框型结构上的顶针，通过正极接线与负极接线将电压递增的驱动信号输入叠层压电陶瓷，驱使双板簧框型结构的双板簧中部直接接触顶撞纤维玻片，标定薄膜式压电传感器与压电微位移输出单元输出力的关系；

2)给双板簧框型结构装上顶针，通过正极接线与负极接线将叠层压电陶瓷接入电荷放大器，调节手动调节微动平台的调节螺纹面使得顶针缓慢靠近纤维玻片，通过显微镜观察顶针与纤维玻片的对准情况，持续调节调节螺纹面直到电荷放大器出现示数，此时固定调节螺纹面，开始正式测试；

3)将递增阶梯波驱动信号经由功率放大器输入到叠层压电陶瓷，驱使压电微位移输出单元带动顶针做步进运动，将单根纤维推出纤维玻片，同时通过激光位移传感器及薄膜式压力传感器采集压电微位移输出单元的输出位移变化情况以及输出力变化情况，通过标定关系计算纤维推出过程的界面结合力等相关特性参数。

有益效果：本发明提供的一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置及其工作方法，相对于现有技术，具有以下优点：1、本发明采用叠层压电陶瓷作为驱动元件，可以在低电压低频率的驱动信号下得到较大的位移与推力，并且实现微纳级的位移分辨率；2、由于采用了压电元件，具备了断电自锁的功能，可以避免惯性作用，保证测定界面结合力的准确性；3、本发明中叠层压电陶瓷在顶针与纤维靠近时还可作为接触预报器，标定初始接触状态；4、该基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置相比于电磁执行机构具备更高的精度、更快的响应速度、更简单的机构。

附图说明

图1为本发明实施例的主视图；

图2为本发明实施例的结构分解图；

图3为本发明实施例中压电微位移输出单元的结构示意图；

图4为本发明实施例中纤维推出装置工作系统的结构示意图；

图5为本发明实施例中叠层压电陶瓷输入的递增阶梯波驱动信号图；

图中包括：a-压电微位移输出单元，b-手动调节微动平台，c-L型连接块Ⅰ，d-L型连接块Ⅱ，e-底座，f-显微镜，g-激光位移传感器，h-薄膜式压力传感器，

a1-双板簧框型结构，a2-叠层压电陶瓷，a21-正极接线，a22-负极接线，a3-顶针，a41-激光对准片，a42-紧固螺钉，a5-安装沉孔，

b11-调节螺纹面，b12-安装螺纹面，b2-安装螺钉，

c1-安装面Ⅰ，c2-安装面Ⅱ，

d1-纤维玻片，d2-压紧片，d3-压紧螺钉，d4-割缝，d5-下安装面，d6-工作面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作更进一步的说明。

如图1-2所示为一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置，包括压电微位移输出单元a、手动调节微动平台b、L型连接块Ⅰc、L型连接块Ⅱd、底座e；

其中，所述L型连接块Ⅱd、L型连接块Ⅰc、手动调节微动平台b依次布置于底座e上，且纵截面呈L型的L型连接块Ⅱd通过下安装面d5与底座e螺纹固定连接，横截面呈L型的L型连接块Ⅰc通过安装面Ⅱc2与L型连接块Ⅱd螺纹固定，手动调节微动平台b通过安装螺纹面b12与L型连接块Ⅰc的安装面Ⅰc1螺纹固定；

所述手动调节微动平台b的调节螺纹面b11可手动实现水平及竖直方向的位移调节，调节螺纹面b11通过交叉滚柱导轨与手动调节微动平台b实现两个方向上的滑动连接，且调节螺纹面b11的两个运动方向上均设置有分厘卡及锁止螺栓，用于实现手动调节测量及固定；所述L型连接块Ⅱd的工作面d6上布置有通过压紧片d2和压紧螺钉d3紧固的纤维玻片d1，且工作面d6中部设置有割缝d4用以存放推出的纤维。

如图3所示，所述压电微位移输出单元a包括双板簧框型结构a1、叠层压电陶瓷a2、顶针a3，且双板簧框型结构a1一侧通过贯穿安装沉孔a5的安装螺钉b2螺纹固定于手动调节微动平台b的调节螺纹面b11上，其另一侧通过安装于双板簧中部的顶针a3正对L型连接块Ⅱd上的工作面d6；所述叠层压电陶瓷a2预紧于双板簧框型结构a1中，且叠层压电陶瓷a2上引出正极接线a21与负极接线a22，通过叠层压电陶瓷a2驱动双板簧中部及顶针a3输出相应的位移。

如图4所示，所述纤维推出装置的工作系统还包括显微镜f、薄膜式压力传感器h以及激光位移传感器g；

所述显微镜f对准顶针a3与L型连接块Ⅱd的工作面d6交汇处，用于观察顶针a3与纤维玻片d1对准情况；所述薄膜式压力传感器h布置于L型连接块Ⅱd的工作面d6与纤维玻片d1之间，用于测量压电微位移输出单元a工作时的输出力大小；所述双板簧框型结构a1的双板簧中部通过紧固螺钉a42安装有激光对准片a41，且激光位移传感器g发射的激光直射于激光对准片a41上，用于测量压电微位移输出单元a的位移输出。

本技术方案中纤维推出装置的工作方法，可以结合图4、图5进行说明：

1)取下双板簧框型结构a1上的顶针a3，通过正极接线a21与负极接线a22将电压递增的驱动信号输入叠层压电陶瓷a2，驱使双板簧框型结构a1的双板簧中部直接接触顶撞纤维玻片d1，标定薄膜式压力传感器h与压电微位移输出单元a输出力的关系；

2)给双板簧框型结构a1装上顶针a3，测试初始时通过正极接线a21与负极接线a22将叠层压电陶瓷a2接入电荷放大器，调节手动调节微动平台b的调节螺纹面b11使得顶针a3缓慢靠近纤维玻片d1，通过显微镜f观察顶针a3与纤维玻片d1的对准情况，持续调节调节螺纹面b11直到电荷放大器出现示数，此时固定调节螺纹面b11；

3)正式测试时，将如图5所示的递增阶梯波驱动信号经由功率放大器输入到叠层压电陶瓷a2，驱使压电微位移输出单元a带动顶针a3做步进运动，将单根纤维推出纤维玻片d1，同时通过激光位移传感器g及薄膜式压力传感器h采集压电微位移输出单元a的输出位移变化情况以及输出力变化情况，通过标定关系计算纤维推出过程的界面结合力等相关特性参数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置，其特征在于，包括压电微位移输出单元(a)、手动调节微动平台(b)、L型连接块Ⅰ(c)、L型连接块Ⅱ(d)、底座(e)；

其中，所述L型连接块Ⅱ(d)、L型连接块Ⅰ(c)、手动调节微动平台(b)依次布置于底座(e)上，且纵截面呈L型的L型连接块Ⅱ(d)底部与底座(e)固定，手动调节微动平台(b)通过横截面呈L型的L型连接块Ⅰ(c)与L型连接块Ⅱ(d)固定；

所述压电微位移输出单元(a)包括双板簧框型结构(a1)、叠层压电陶瓷(a2)、顶针(a3)，且双板簧框型结构(a1)一侧通过安装螺钉(b2)固定于手动调节微动平台(b)的调节螺纹面(b11)上，其另一侧通过安装于双板簧中部的顶针(a3)正对L型连接块Ⅱ(d)上的工作面(d6)；所述叠层压电陶瓷(a2)预紧于双板簧框型结构(a1)中，且叠层压电陶瓷(a2)上引出正极接线(a21)与负极接线(a22)，通过叠层压电陶瓷(a2)驱动双板簧中部及顶针(a3)输出相应的位移。

2.根据权利要求1所述一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置，其特征在于，所述手动调节微动平台(b)的调节螺纹面(b11)可手动实现水平及竖直方向的位移调节。

3.根据权利要求2所述一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置，其特征在于，所述L型连接块Ⅱ(d)的工作面(d6)上布置有通过压紧片(d2)和压紧螺钉(d3)紧固的纤维玻片(d1)，且工作面(d6)中部设置有割缝(d4)用以存放推出的纤维。

4.根据权利要求3所述一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置，其特征在于，还包括显微镜(f)、薄膜式压力传感器(h)以及激光位移传感器(g)；

所述显微镜(f)对准顶针(a3)与L型连接块Ⅱ(d)的工作面(d6)交汇处，用于观察顶针(a3)与纤维玻片(d1)对准情况；所述薄膜式压力传感器(h)布置于L型连接块Ⅱ(d)的工作面(d6)与纤维玻片(d1)之间，用于测量压电微位移输出单元(a)的输出力大小；所述双板簧框型结构(a1)的双板簧中部通过紧固螺钉(a42)安装有激光对准片(a41)，且激光位移传感器(g)发射的激光直射于激光对准片(a41)上，用于测量压电微位移输出单元(a)的位移输出。

5.根据权利要求4所述一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)取下双板簧框型结构(a1)上的顶针(a3)，通过正极接线(a21)与负极接线(a22)将电压递增的驱动信号输入叠层压电陶瓷(a2)，驱使双板簧框型结构(a1)的双板簧中部直接接触顶撞纤维玻片(d1)，标定薄膜式压力传感器(h)与压电微位移输出单元(a)输出力的关系；

2)给双板簧框型结构(a1)装上顶针(a3)，通过正极接线(a21)与负极接线(a22)将叠层压电陶瓷(a2)接入电荷放大器，调节手动调节微动平台(b)的调节螺纹面(b11)使得顶针(a3)缓慢靠近纤维玻片(d1)，通过显微镜(f)观察顶针(a3)与纤维玻片(d1)的对准情况，持续调节调节螺纹面(b11)直到电荷放大器出现示数，而后固定调节螺纹面(b11)；

3)将递增阶梯波驱动信号经由功率放大器输入到叠层压电陶瓷(a2)，驱使压电微位移输出单元(a)带动顶针(a3)做步进运动，将单根纤维推出纤维玻片(d1)，同时通过激光位移传感器(g)及薄膜式压力传感器(h)采集压电微位移输出单元(a)的输出位移变化情况以及输出力变化情况，通过标定关系计算纤维推出过程的界面结合力。