時，其輸出力可由傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中菱形傳感結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變值換算得到。本發(fā)明改變了以往作動器只能輸出力卻無法反饋輸出力值的現(xiàn)狀。
[0012]2)本發(fā)明給出了一種大位移行程下力的測量方法，由于力的測量通常采用測定傳感結(jié)構(gòu)變形量的方式來確定力值，而在大位移行程的情況下，過大的結(jié)構(gòu)變形會導(dǎo)致傳感結(jié)構(gòu)永久破壞，因此大位移行程下力的測量是個難點。本發(fā)明中，用于力傳感的菱形傳感結(jié)構(gòu)隨同位移一同步進，因此它能夠隨同跟蹤并實時地測量作動器輸出力值，避免了力傳感結(jié)構(gòu)在整個大位移行程中產(chǎn)生很大變形從而造成結(jié)構(gòu)的永久破壞。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)圖
[0014]圖2為傳感-驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。
[0015]圖3為左、右鉗位機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0017]如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明具有輸出力測量功能的直線大位移壓電作動器，包括左鉗位機構(gòu)2、右鉗位機構(gòu)9、通過三個螺栓連接在左鉗位機構(gòu)2和右鉗位機構(gòu)9上端間的上支撐框架1、通過三個螺栓連接在左鉗位機構(gòu)2和右鉗位機構(gòu)9下端間的下支撐框架4 ;所述左鉗位機構(gòu)2的外圈為“回”形框架，其中間部分有兩個對稱的開口相對的左“U”形結(jié)構(gòu)10，并通過四個對稱的左薄臂型柔性鉸鏈11與“回”形框架連接，左“U”形結(jié)構(gòu)10開口相對的部分留有指定寬度的間隙；左鉗位壓電堆3安裝在兩個對稱的左“U”形結(jié)構(gòu)10構(gòu)成的空腔內(nèi)，左鉗位壓電堆3采用過盈配合方式與左鉗位機構(gòu)2中的兩個對稱的左“U”形結(jié)構(gòu)10連接，以給左鉗位壓電堆3提供預(yù)緊力；所述右鉗位機構(gòu)9的外圈為“回”形框架，其中間部分有兩個對稱的開口相對的右“U”形結(jié)構(gòu)12，并分別通過四個對稱的右薄臂型柔性鉸鏈13與“回”形框架連接，右“U”形結(jié)構(gòu)12開口相對的部分留有指定寬度的間隙；右鉗位壓電堆7安裝在在兩個對稱的右“U”形結(jié)構(gòu)12構(gòu)成的空腔內(nèi)，所述右鉗位壓電堆7采用過盈配合方式與右鉗位機構(gòu)9中的兩個對稱的右“U”形結(jié)構(gòu)12連接，以給右鉗位壓電堆7提供預(yù)緊力；傳感-驅(qū)動機構(gòu)5設(shè)置在左鉗位機構(gòu)2和右鉗位機構(gòu)9間，所述傳感-驅(qū)動機構(gòu)5的左右兩端為相同的左“回”形結(jié)構(gòu)和右“回”形結(jié)構(gòu)；所述左“回”形結(jié)構(gòu)采用過盈配合方式穿過左鉗位機構(gòu)2中部兩個左“U”形結(jié)構(gòu)10開口相對部分所留有的間隙，同時左鉗位機構(gòu)2中的左鉗位壓電堆3從傳感-驅(qū)動機構(gòu)5的左“回”形結(jié)構(gòu)中間空腔穿過；所述右“回”形結(jié)構(gòu)采用過盈配合方式穿過右鉗位機構(gòu)9中部兩個右“U”形結(jié)構(gòu)12開口相對部分的間隙，其右側(cè)連接有輸出桿8，同時右鉗位機構(gòu)9中的右鉗位壓電堆7從傳感-驅(qū)動機構(gòu)5的右“回”形結(jié)構(gòu)中間空腔穿過；左“回”形結(jié)構(gòu)右側(cè)串聯(lián)有一體加工而成的菱形傳感結(jié)構(gòu)，靠近右“回”形結(jié)構(gòu)左側(cè)串聯(lián)有一體加工而成的菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)，采用過盈配合在其內(nèi)部設(shè)置有驅(qū)動壓電堆6以給驅(qū)動壓電堆6提供預(yù)緊力。所述傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形傳感結(jié)構(gòu)四個側(cè)壁上分別貼有第一電阻式應(yīng)變計A、第二電阻式應(yīng)變計B、第三電阻式應(yīng)變計C和第四電阻式應(yīng)變計D，構(gòu)成惠斯通全橋用以測量菱形傳感結(jié)構(gòu)的應(yīng)變，通過所測應(yīng)變值換算得到作動器驅(qū)動負載時的輸出力值。
[0018]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，所述傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其剛度能通過作動器的幾何參數(shù)設(shè)計來調(diào)整，以保證足夠的回彈拉力。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明具有輸出力測量功能的直線大位移壓電作動器驅(qū)動負載及力測量的方法，驅(qū)動負載方法:所述右鉗位機構(gòu)9中設(shè)計有多個對稱的右薄臂型柔性鉸鏈13，當右鉗位壓電堆7加電伸長時，各右薄臂型柔性鉸鏈13產(chǎn)生彈性變形，使得右鉗位機構(gòu)9中兩個右“U”形結(jié)構(gòu)12開口相對處的間隙擴大，此時處于解鎖狀態(tài)；當右鉗位壓電堆7掉電回縮時，右鉗位機構(gòu)9中兩個右“U”形結(jié)構(gòu)12開口相對處的間隙縮小恢復(fù)到初始狀態(tài)，由于過盈配合，右“U”形結(jié)構(gòu)12將傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中右端的右“回”形結(jié)構(gòu)鉗死，此時處于鉗位狀態(tài)；驅(qū)動壓電堆6加電伸長時，推動傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中右端的右“回”形結(jié)構(gòu)進而推動輸出桿8驅(qū)動負載，此時輸出推力，同時菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性變形；當驅(qū)動壓電堆6掉電回縮時，菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)回彈拉動傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中右端的右“回”形結(jié)構(gòu)，進而拉動輸出桿8驅(qū)動負載，此時輸出拉力；所述左鉗位機構(gòu)2的驅(qū)動方法同右鉗位機構(gòu)9 ;輸出力測量方法為:所述傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形傳感結(jié)構(gòu)側(cè)壁貼有電阻式應(yīng)變計，當所述右鉗位機構(gòu)9處于解鎖狀態(tài)，左鉗位機構(gòu)2處于鉗位狀態(tài)且驅(qū)動壓電堆6正由通電伸長轉(zhuǎn)為掉電回縮狀態(tài)，即作動器處于拉動負載狀態(tài)時，傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)彈性變形恢復(fù)，拉動輸出桿8以驅(qū)動負載；為產(chǎn)生拉動負載的輸出力，傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形傳感結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性變形，彈性變形引起的應(yīng)變量被貼在側(cè)壁的電阻式應(yīng)變計測量得到；由材料力學(xué)知識可知力與應(yīng)變有線性關(guān)系:F = C.ε，其中F和ε分別表示力和應(yīng)變，C為靈敏度，靈敏度C只與菱形傳感結(jié)構(gòu)的材料常數(shù)及幾何尺寸有關(guān)，因此靈敏度是可通過改變結(jié)構(gòu)的幾何尺寸來設(shè)計的；于是輸出力通過以上數(shù)學(xué)關(guān)系換算得到；當所述左鉗位機構(gòu)2處于鉗位狀態(tài)，右鉗位機構(gòu)9處于解鎖狀態(tài)且驅(qū)動壓電堆6正由掉電回縮轉(zhuǎn)為通電伸長狀態(tài)，即作動器處于推動負載狀態(tài)時，其力測量方法同拉動負載狀態(tài)。
[0020]下面對本發(fā)明的驅(qū)動負載的方法進行詳細說明:
[0021]初始狀態(tài)為右鉗位壓電堆7、左鉗位壓電堆3及驅(qū)動壓電堆6均處于掉電狀態(tài)，此時傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中右端的右“回”形結(jié)構(gòu)連同輸出桿8處于鉗位狀態(tài)，此時傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形傳感結(jié)構(gòu)上可能有剩余的約束應(yīng)力，應(yīng)變值不為零；為使作動器在輸出桿8向左拉動負載時能測量向左的拉力值，第一步，左鉗位壓電堆3通電伸長使得左鉗位機構(gòu)2解鎖，此時傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形傳感結(jié)構(gòu)應(yīng)力被釋放，應(yīng)變值歸零；第二步，驅(qū)動壓電堆6通電伸長，推動傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中左端的左“回”形結(jié)構(gòu)和菱形傳感結(jié)構(gòu)向左運動一步，同時菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性變形；第三步，左鉗位壓電堆3掉電回縮使得左鉗位機構(gòu)2鉗位；第四步，右鉗位壓電堆7通電伸長使得右鉗位機構(gòu)9解鎖；第五步，驅(qū)動壓電堆6掉電回縮，傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)彈性變形恢復(fù)，其恢復(fù)力拉動傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中右“回”形結(jié)構(gòu)進而拉動輸出桿8向左運動驅(qū)動負載，此時輸出桿8上的負載力傳遞到傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形傳感結(jié)構(gòu)上，并在菱形傳感結(jié)構(gòu)上引起應(yīng)變，此應(yīng)變值被貼在結(jié)構(gòu)上的電阻式應(yīng)變計測量得到，再通過力與應(yīng)變的線性關(guān)系換算實時地給出輸出力值；第六步，待第五步中的輸出力值保持不變，即輸出力及位移輸出穩(wěn)定時，右鉗位壓電堆7掉電回縮使得右鉗位機構(gòu)9鉗位，此時菱形傳感結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變被保持；重復(fù)步驟一到六，輸出桿8以步進方式向左運動驅(qū)動負載并實時測量得到輸出力值；為使作動器在輸出桿8向右推動負載時能測量向右的推力值，首先進行清零過程，在初始狀態(tài)下，左鉗位壓電堆3通電伸長使得左鉗位機構(gòu)2解鎖，此時傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形傳感結(jié)構(gòu)應(yīng)力被釋放，應(yīng)變值歸零；第一步，左鉗位壓電堆3掉電回縮使得左鉗位機構(gòu)2鉗位；第二步，右鉗位壓電堆7通電伸長使得右鉗位機構(gòu)解鎖；第三步，驅(qū)動壓電堆6通電伸長使菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彈性變形的同時推動傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中右端的右“回”形結(jié)構(gòu)和輸出桿8向右運動驅(qū)動負載，此時輸出桿8上的負載力傳遞到傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形傳感結(jié)構(gòu)上，并在菱形傳感結(jié)構(gòu)上引起應(yīng)變，此應(yīng)變值被貼在結(jié)構(gòu)上的電阻式應(yīng)變計測量得到，再通過力與應(yīng)變的線性關(guān)系換算實時地給出輸出力值；第四步，待第三步中的輸出力值保持不變，即輸出力及位移輸出穩(wěn)定時，右鉗位壓電堆7掉電回縮使得右鉗位機構(gòu)9鉗位，此時菱形傳感結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變被保持；第五步，左鉗位壓電堆3通電伸長使得左鉗位機構(gòu)2解鎖，此時傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形傳感結(jié)構(gòu)應(yīng)力被釋放，應(yīng)變值歸零；第六步，驅(qū)動壓電堆6掉電回縮，傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中的菱形驅(qū)動結(jié)構(gòu)彈性變形恢復(fù)，拉動傳感-驅(qū)動機構(gòu)5中左“回”形結(jié)構(gòu)和菱形傳感結(jié)構(gòu)向右跟進一步；重復(fù)步驟一到六，輸出桿8以步進方式向右運動驅(qū)動負載并實時測量得到輸出力值。
【主權(quán)項】
1.具有輸出力測量功能的直線大位移壓電作動器，其特征在于:包括左鉗位機構(gòu)(2)、右鉗位機構(gòu)(9)、連接在左鉗位機構(gòu)(2)和右鉗位機構(gòu)(9)上端間的上支撐框架(1)、連接在左鉗位機構(gòu)(2)和右鉗位機構(gòu)(9)下端間的下支撐框架(4);所述左鉗位機構(gòu)(2)的外圈為“回”形框架，其中間部分有兩個對稱的開口相對的左“U”形結(jié)構(gòu)(10)，并通過多個對稱的左薄臂型柔性鉸