CN207717556U - 压电驱动冲击压痕测试装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种压电驱动冲击压痕测试装置，属于材料微观力学性能测试领域。主要由冲击压痕作动单元、载荷和位移检测单元、Z轴宏观移动单元以及二维微位移平台等部分组成。直流伺服电机通过蜗轮蜗杆减速后带动丝杠螺母运动，实现冲击单元的宏观移动和定位；压电叠堆驱动作动杆端部向下动作，带动撞针冲击被测试件；载荷和位移检测单元分别采集被测试件所受载荷和撞针压入深度，并由计算机进行数据处理和分析。优点在于：将柔性铰链运用到冲击压痕作动单元中，摩擦阻力小、灵敏度高，结构新颖、体积小，可实现良好的动态冲击效果。

Description

压电驱动冲击压痕测试装置

技术领域

本实用新型涉及材料微观力学性能测试领域，特别涉及一种集成宏观驱动、动态冲击和精密检测为一体的动态压痕测试装置，尤指一种压电驱动冲击压痕测试装置。本实用新型可实现对被测试件进行动态加载，通过高精度传感器对相关测量数据进行采集，进而经处理分析后获得材料的相关力学性能参数。本实用新型在精密检测、材料科学、微机电系统等领域具有较好的应用前景，并将丰富现有的材料微观力学性能测试的技术体系。

背景技术

材料微观力学性能测试是近几年发展起来的前沿技术，受到各国政府和研究机构的高度关注。微纳米级材料力学性能测试主要包括纳米压痕、纳米划痕、原子力显微镜、微机电系统专用测试技术及相关支撑技术等。其中，纳米压痕测试技术主要是通过连续记录载荷和压入深度来获得相应曲线，而后通过分析获得材料的力学性能信息。目前，利用纳米压痕测试技术已经可以获得材料的硬度、弹性模量、应力-应变曲线、断裂韧性等数据资料，这对于材料的静态性能分析具有很大的应用价值。然而，由于某些材料处于高速冲击、高应变率等特殊工作环境下，仅靠单一的静态性能测试无法满足工程上材料的应用需求，而需通过特定的装置对材料进行冲击测试，实现动态加载，以获得材料在冲击载荷作用下的力学性能。

Hopkinson装置是目前较为常用的材料动态性能测试方法，其基本原理为冲击头被特定装置加速，获得较大动量后经由输入杆撞击被测试件，以实现动态压入。该技术在加载方式和测量精度方面相对于其他动态测试技术具有显著优势，很多学者对其进行改造，用以进行动态压痕实验。但该装置体积较大，且对于冲击头、输入杆等部件的尺寸、材料及安装方式等方面存在特定要求，不适合用于材料的微观力学性能测试。

总体来看，在材料微观力学性能测试领域，已有相关专家对静态的纳米压痕测试装置进行研究，并且取得了一部分成果，但对于动态冲击测试的研究，国内外相对较少。因此，对于可实现动态加载的测试装置展开研究，是十分有必要的。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种压电驱动冲击压痕测试装置，解决现有技术存在的上述问题。本实用新型可实现宏观定位、动态加载和换点测试等操作。该装置主要由宏观移动单元完成撞针的快速定位；采用压电叠堆驱动作动杆，进而带动撞针对试件进行冲击；由载荷和位移检测单元完成冲击过程中载荷与位移的检测；通过二维微位移平台完成被测试件的换点测试。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

压电驱动冲击压痕测试装置，由冲击压痕作动单元、载荷和位移检测单元、Z轴宏观移动单元和二维微位移平台组成。Z轴宏观移动单元固定在基座19上，冲击压痕作动单元固定在Z轴宏观移动单元的滑台11上，其上安装有位移检测单元；二维微位移平台固定于基座19上，其上安装有载荷检测单元。

所述冲击压痕作动单元由作动杆16、压杆22、撞针21、支撑平台12、压电叠堆15、预紧螺钉13和压电叠堆固定座14，作动杆16加工有柔性铰链，且成悬臂式安装，一端固定于支撑平台12上，另一端上依次安装有位移检测板23、压杆22和撞针21，压电叠堆15为动力源，安装在压电叠堆固定座14和作动杆16之间，位于作动杆16一侧的凹槽中，并通过预紧螺钉13进行预紧；由压电叠堆固定座14进行支撑和定位，并通过预紧螺钉13施加预紧力。测试时首先由Z轴宏观移动单元完成撞针21的宏观定位，而后压电叠堆15驱动作动杆16端部向下动作，进而带动撞针21冲击被测试件，实现动态加载，此过程中同时进行数据采集。

所述柔性铰链的加工位置靠近作动杆16的固定端，压电叠堆15与撞针21安装于柔性铰链同侧，工作时压电叠堆15作为动力源，驱动作动杆16绕柔性铰链发生转动，实现作动过程。

所述载荷和位移检测单元由精密力传感器17、激光位移传感器24、一维微位移平台25和位移检测板23构成，精密力传感器固定于二维微位移平台18上，其上安装有载物台20；通过调节该二维微位移平台18的两个手柄，使载物台在X轴和Y轴两个方向上移动，可完成试件的换点测试；激光位移传感器24与一维微位移平台25固连，一维微位移平台25安装在支撑平台12上，通过调节一维微位移平台25的手柄可对激光位移传感器24进行精确定位；位移检测板23安装于作动杆16末端，通过压杆22固定。

所述Z轴宏观移动单元由直流伺服电机1、电机固定环2、蜗杆Ⅰ3、涡轮Ⅰ4、涡轮Ⅱ5、蜗杆Ⅱ6、传动轴7、支撑座8、丝杠、精密导轨10和滑台11构成，直流伺服电机1上装有蜗杆Ⅰ3，并通过电机固定环2固定于基座19上，涡轮Ⅰ4和蜗杆Ⅱ6通过传动轴7相连，传动轴7安装于基座19上，丝杠9安装在支撑座8上，且末端安装有涡轮Ⅱ5；滑台11上的螺母与丝杠9配合形成运动副，其两侧安装在精密导轨10上。直流伺服电机1通过精密力传感器17的反馈信号实现Z轴宏观移动的准确控制，当撞针21移动至与试件相接触的高度时，精密力传感器17的示值发生跳变，直流伺服电机1停止转动并锁定，完成冲击压痕作动单元的宏观定位。

所述二维微位移平台安装于基座19下方，其上依次装有精密力传感器17和载物台20。

本实用新型的有益效果在于：结构设计新颖，整体尺寸小，实现了材料的冲击测试。在冲击压痕作动单元的设计中，采用压电叠堆作为动力源，响应迅速、控制方便；通过作动杆的杠杆结构实现动态加载，且可根据测试需求调节杠杆相应尺寸；将柔性铰链运用到该结构中，摩擦阻力小、灵敏度高，能够实现良好的动态冲击效果。相对于静态压痕测试，本实用新型提供了一种材料微观动态力学性能的测试装置及方法，在材料科学、微机电系统等技术领域具有广泛的应用价值。

附图说明

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

图1为本实用新型的立体结构示意图；

图2为本实用新型的主视示意图；

图3为本实用新型的右视示意图；

图4为本实用新型的冲击压痕作动单元示意图。

图中：1、直流伺服电机；2、电机固定环；3、蜗杆Ⅰ；4、涡轮Ⅰ；5、涡轮Ⅱ；6、蜗杆Ⅱ；7、传动轴；8、支撑座；9、丝杠；10、精密导轨；11、滑台；12、支撑平台；13、预紧螺钉；14、压电叠堆固定座；15、压电叠堆；16作动杆；17、精密力传感器；18、二维微位移平台；19、基座；20、载物台；21、撞针；22、压杆；23、位移检测板；24、激光位移传感器；25、一维微位移平台。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图4所示，本实用新型的压电驱动冲击压痕测试装置，主要由冲击压痕作动单元、载荷和位移检测单元、Z轴宏观移动单元以及二维微位移平台等部分组成。直流伺服电机1通过蜗轮蜗杆减速后带动丝杠螺母运动，实现冲击单元的宏观移动和定位；压电叠堆15驱动作动杆16端部向下动作，带动撞针21冲击被测试件；载荷和位移检测单元分别采集被测试件所受载荷和撞针21压入深度，并由计算机进行数据处理和分析。具体是：直流伺服电机1通过电机固定环2固定在基座19上，丝杠9、精密导轨10通过支撑座8与基座19固定，电机的运动经两级蜗轮蜗杆减速后带动丝杠9转动，而后由与丝杠9组合的螺母带动滑台11在竖直方向上移动，进而使安装在滑台11上的冲击压痕作动单元作相应移动，完成其宏观定位。

所述的作动杆16一端固定在支撑平台12上，另一端依次固定有位移检测板23、压杆22和撞针21，压电叠堆15安装在压电叠堆固定座14和作动杆16之间，并通过预紧螺钉13进行预紧，压电叠堆15通电后，驱动作动杆16绕柔性铰链支点处发生一定角度的快速转动，使得作动杆16端部向下动作，带动撞针21冲击被测试件，完成动态加载过程。

所述的激光位移传感器24固定于一维微位移平台25上，一维微位移平台25与支撑平台12固连，通过调节一维微位移平台25的手柄可对激光位移传感器24进行精确定位，精密力传感器17固定在二维微位移平台18上；载物台20经精密力传感器17固定在二维微位移平台18上，通过调节该二维微位移平台18的两个手柄，使载物台在X轴和Y轴两个方向上移动，完成试件的换点测试。

所述的直流伺服电机1通过精密力传感器17的反馈信号实现Z轴宏观移动的准确控制，当撞针21移动至与试件接触的高度时，精密力传感器17的示值发生跳变，直流伺服电机1停止转动并锁定，完成冲击压痕作动单元的宏观定位。

所述的激光位移传感器24与位移检测板23配合使用，以完成位移信号的测量。工作时，压杆22和撞针21在Z轴方向移动，带动位移检测板23移动，传感器通过测量该板的移动距离即可测得撞针21的位移。

参见图4所示，所述的冲击压痕作动单元，主要部分为作动杆16，该作动杆16在靠近固定端的一侧加工有柔性铰链，压电叠堆15与撞针21位于柔性铰链同侧，形成杠杆结构；测试时可根据不同情况对杠杆结构的尺寸做相应调整，以适应不同类型材料的测试需求。

参见图1至图4所示，本实用新型在具体测试过程中，首先将被测试件固定于载物台20上，调整二维微位移平台18两个手柄，使载物台20沿X轴或Y轴方向移动，从而将被测试件定位至合适的冲击位置；而后通过控制系统启动直流伺服电机1，带动冲击压痕作动单元沿Z轴移动，完成其宏观定位；之后控制压电叠堆驱动器，使压电叠堆15驱动作动杆16端部动作，带动撞针21冲击被测试件，完成动态加载；此过程中激光位移传感器24和精密力传感器17采集相应的位移和载荷信息，经过数据采集卡处理后输入至计算机中，通过后续的计算和分析可得出被测试件的力学性能参数。

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

Claims (4)

1.一种压电驱动冲击压痕测试装置，其特征在于：包括冲击压痕作动单元、载荷和位移检测单元、Z轴宏观移动单元、一维微位移平台（25）及二维微位移平台（18），Z轴宏观移动单元固定在基座（19）上，冲击压痕作动单元固定在Z轴宏观移动单元的滑台（11）上，其上安装有位移检测单元；二维微位移平台固定于基座（19）上，其上安装有载荷检测单元；

所述的冲击压痕作动单元包括作动杆（16）、压杆（22）、撞针（21）、支撑平台（12）、压电叠堆（15）、预紧螺钉（13）和压电叠堆固定座（14），所述作动杆（16）加工有柔性铰链，且成悬臂式安装，一端固定在支撑平台（12）上，另一端依次固连有压杆（22）和撞针（21）；压电叠堆（15）为动力源，安装在压电叠堆固定座（14）和作动杆（16）之间，并通过预紧螺钉（13）进行预紧；测试时首先由Z轴宏观移动单元完成撞针（21）的宏观定位，而后压电叠堆（15）驱动作动杆（16）端部向下动作，进而带动撞针（21）冲击被测试件，实现动态加载，此过程中同时进行数据采集。

2.根据权利要求1所述的压电驱动冲击压痕测试装置，其特征在于：所述柔性铰链的加工位置靠近作动杆（16）的固定端，压电叠堆（15）与撞针（21）安装于柔性铰链同侧，工作时压电叠堆（15）作为动力源，驱动作动杆（16）绕柔性铰链发生转动，实现作动过程。

3.根据权利要求1所述的压电驱动冲击压痕测试装置，其特征在于：所述的Z轴宏观移动单元由直流伺服电机（1）、电机固定环（2）、蜗杆Ⅰ（3）、涡轮Ⅰ（4）、涡轮Ⅱ（5）、蜗杆Ⅱ（6）、传动轴（7）、支撑座（8）、丝杠（9）、精密导轨（10）和滑台（11）构成，直流伺服电机（1）通过精密力传感器（17）的反馈信号实现Z轴宏观移动的准确控制，当撞针（21）移动至与试件相接触的高度时，精密力传感器（17）的示值发生跳变，直流伺服电机（1）停止转动并锁定，完成冲击压痕作动单元的宏观定位。

4.根据权利要求1所述的压电驱动冲击压痕测试装置，其特征在于：所述的载荷和位移检测单元由精密力传感器（17）、激光位移传感器（24）、一维微位移平台（25）和位移检测板（23）构成，精密力传感器（17）固定于二维微位移平台（18）上，其上安装有载物台（20），通过调节该二维微位移平台（18）的两个手柄，使载物台在X轴和Y轴两个方向上移动，可完成试件的换点测试；激光位移传感器（24）与一维微位移平台（25）固连，一维微位移平台（25）安装在支撑平台（12）上，通过调节一维微位移平台（25）的手柄可对激光位移传感器（24）进行精确定位。