基於壓電纖維的精密壓入驅動單元的製作方法
2023-11-09 21:55:02
本實用新型涉及機電一體化的精密科學儀器領域，特別涉及柔性鉸鏈式壓電纖維精密壓入驅動單元。
背景技術：
納米壓/劃痕技術是近年來發展起來的一種國際前沿性技術，該技術受到各國政府和研究機構的高度重視，納米壓痕/劃痕技術具有樣品製備比較簡單，測試樣品內容豐富，設備操作比較方便等優點，使用範圍較廣。
就納米壓/劃痕技術來說，其難度主要是需要測試裝置的結構小型化、高精度和良好的可控性。現有的納米壓痕儀的驅動裝置主要使用壓電疊堆，壓電疊堆價格較貴，所以就需要有新穎的驅動方式以及巧妙的結構設計來解決此問題。
因此，結合精密檢測技術、精密驅動技術進行納米壓痕/劃痕裝置的探索研究具有非常重要的理論意義和實用價值。設計一種結構小巧緊湊、性能可靠、精度高的驅動方式有十分重要的意義。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於提供一種基於壓電纖維的精密壓入驅動單元。本實用新型設計一種結構緊湊的納米壓/劃痕精密壓入驅動單元，實現材料的精密壓入和檢測，納米壓/劃痕精密壓入驅動單元主要由側臂、柔性鉸鏈、安裝座，橢圓運放機構、壓電纖維、位移傳感器安裝架、位移傳感器、金剛石壓頭、緊定螺釘、壓頭連接架及壓力傳感器組成。通過壓電纖維驅動橢圓運放機構使金剛石壓頭進給，完成精密壓入。本實用新型是一種集驅動、檢測於一體的高性能綜合精密測試裝置，使用壓電纖維可以獲得更大的位移且位移量可以控制，裝置的精度更高。
本實用新型的上述目的通過以下技術方案實現:
納米壓痕/劃痕裝置的精密壓入驅動單元，包括側臂(1)、柔性鉸鏈(2)、安裝座(3)，橢圓運放機構(4)、壓電纖維(5)、位移傳感器安裝架(6)、位移傳感器(7)、金剛石壓頭(8)、緊定螺釘(9)、壓頭連接架(10)及壓力傳感器(11)。其中側臂(1)一側與柔性鉸鏈(2)相連，另一側與橢圓運放機構(4)相連，柔性鉸鏈(2)的另一側是安裝座(3)，壓電纖維(5)粘在橢圓運放機構(4)內側，壓力傳感器(11)通過螺紋連接固定在橢圓運放機構(4)上，壓頭連接架(10)通過螺紋與壓力傳感器(11)連接在一起，金剛石壓頭(8)通過緊定螺釘(9)與壓頭連接架(10)相連。位移傳感器安裝架(6)固定在安裝座(3)上，位移傳感器(7)固定在移傳感器安裝架(6)上。
側臂(1)通過柔性鉸鏈(2)與安裝座(3)相連，柔性鉸鏈(2)採用雙曲線型柔性鉸鏈，利於側臂(1)繞柔性鉸鏈(2)旋轉。
橢圓運放機構(4)，包括上弧片、下弧片，其中上弧片程中間薄兩邊厚，有利於隨壓電纖維(5)發生形變，下弧片中間厚，兩邊相對較薄，中間厚有利於防止受剪切力變形，橢圓運放機構(4)的上下兩弧片內側通過黏貼壓電纖維(5)作驅動裝置，橢圓運放機構(4)兩側與側臂(1)相連，橢圓運放機構(4)的下弧片與壓力傳感器(10)相連。
本實用新型的有益效果在於：設計新穎，結構簡單、巧妙，體積小。橢圓運放機構(4)的上弧片和下弧片壁厚不同，上弧片中間薄兩邊厚，有利於隨壓電纖維(5)發生形變提供動力，下弧片中間厚，兩邊相對較薄，中間厚有利於防止受剪切力變形，橢圓運放機構(4)使壓頭Z負向進給和側臂(1)使橢圓運放機構(4)的Z正向進給方向相反，提高了壓痕的精度。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，構成本申請的一部分，本實用新型的示意性實例及其說明用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的不當限定。
圖1為本實用新型的結構示意圖；
圖2為橢圓運放機構上下弧片結構、柔性鉸鏈及壓電纖維位置示意圖；
圖3為本實用新型的壓電纖維工作前後結構變形示意圖；
圖4為本實用新型的β角度側臂的結構示意圖；
圖5為本實用新型的單次壓痕工作信號；
圖6為本實用新型的多次衝壓壓痕工作信號；
圖中:1、側臂；2、柔性鉸鏈；3、安裝座；4、橢圓運放機構；5、壓電纖維；6、位移傳感器安裝架；7、位移傳感器；8、金剛石壓頭；9、緊定螺釘；10、壓頭連接架；11、壓力傳感器。
具體實施方式
下面結合附圖進一步說明本實用新型的詳細內容及其具體實施方式。
參見圖1至圖3,本實用新型的納米壓痕/劃痕裝置的精密壓入驅動單元，包括側臂(1)、柔性鉸鏈(2)、安裝座(3)，橢圓運放機構(4)、壓電纖維(5)、位移傳感器安裝架(6)、位移傳感器(7)、金剛石壓頭(8)、緊定螺釘(9)、壓頭連接架(10)及壓力傳感器(11)。
通過控制壓電纖維(5)，給其不同的信號可實現不同的壓痕操作。當給壓電纖維(5)一如圖5的單脈動信號時，壓電纖維(4)收縮，使橢圓運放機構(4)的曲率變大，橢圓運放機構(4)的長半軸由a1縮短為a2，短半軸由b1伸長為b2，經過計算，壓力傳感器(11)、壓頭連接架(10)、金剛石壓頭(8)等向Z軸負向移動h+h1，同時，側臂(1)向中心旋轉，使橢圓運放機構(4)、壓電纖維(5)、壓力傳感器(11)、壓頭連接架(10)、緊定螺釘(9)及金剛石壓頭(8)向Z軸正向移動h1,如圖3所示，因為運動方向相反，所以金剛石壓頭(8)向下移動h，即整個精密壓入驅動單元向下的位移量為h。
如圖4所示，通過採用β值不同的裝置，可以在機械結構上控制金剛石壓頭(8)的進給量。
當給壓電纖維(5)一如圖6的脈動信號時，金剛石壓頭(8)就會對試件進行多次衝擊壓痕。