專利名稱：壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，特別涉及原位微納米力學(xué)測(cè)試領(lǐng)域，尤指一種壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置?？膳c主流顯微觀測(cè)設(shè)備(如掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、拉曼光譜儀、3D高景深顯微鏡及光學(xué)顯微鏡等)兼容使用，開展在高驅(qū)動(dòng)頻率下拉伸/壓縮模式的原位疲勞測(cè)試，為揭示材料在微納米尺度下的疲勞損傷及斷裂機(jī)制提供了測(cè)試方法。
背景技術(shù)：
材料或構(gòu)件在受重復(fù)或交變載荷作用時(shí)，雖然材料或構(gòu)件所受載荷幅值遠(yuǎn)小于其抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度，甚至小于彈性載荷，但經(jīng)反復(fù)的變形累積，最終發(fā)生斷裂破壞通常是由于疲勞載荷所致。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在各類機(jī)械零件的失效案例中，大約80%以上是由疲勞破壞引起的。隨著大容量、大功率、高速度、高效率試驗(yàn)裝置的出現(xiàn)，那些承受往復(fù)或震動(dòng)載荷的工作條件更加苛刻，疲勞失效的問題更加突出，針對(duì)疲勞試驗(yàn)的測(cè)試裝置和疲勞失效的相關(guān)研究中，早期的工作主要集中在疲勞破壞的宏觀規(guī)律方面，而對(duì)疲勞微觀機(jī)理的研究，由于受到試驗(yàn)手段的限制，大多通過金相顯微鏡，對(duì)材料試樣表面在交變載荷下的滑移或斷口等問題進(jìn)行研究。20世紀(jì)50年代以后，各類電子顯微鏡及其他觀測(cè)類儀器的出現(xiàn)和不斷完善，大大促進(jìn)了疲勞微觀機(jī)理的研究。位錯(cuò)理論的發(fā)展則對(duì)疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展的微觀研究提供了理論依據(jù)。原位微觀疲勞力學(xué)測(cè)試技術(shù)可以概述為借助掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、拉曼光譜儀、3D高景深顯微鏡及光學(xué)顯微鏡等成像儀器對(duì)被測(cè)材料在拉伸/壓縮或彎曲模式的疲勞載荷作用下微觀裂紋萌生、擴(kuò)展、損傷失效過程、性能演變規(guī)律等進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的技術(shù)，因低周疲勞條件下，由于外加載荷多半高過彈性極限，因此，材料的疲勞壽命多小于IO4次，交變載荷的頻率可適宜觀測(cè)儀器對(duì)可能萌生初始裂紋的表面進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線觀測(cè)；在高周疲勞條件下，外加循環(huán)應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度，甚至低于彈性極限，材料處于彈性變形范圍，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系基本符合胡克定律，因此，觀測(cè)儀器無法對(duì)裂紋萌生及擴(kuò)展進(jìn)行實(shí)時(shí)的觀測(cè)，只適宜在一定循環(huán)周期的間隔下，暫停疲勞載荷作用，從而實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)原位疲勞測(cè)試”。傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)通常是在由電液伺服裝置或步進(jìn)電機(jī)組成的不同類型的疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，如拉伸/壓縮疲勞試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)、拉扭疲勞試驗(yàn)以及彎曲疲勞試驗(yàn)，其中彎曲疲勞試驗(yàn)還可以分成平面彎曲和旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)兩類。電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)為目前最常使用的疲勞試驗(yàn)機(jī)，主要由液壓泵站、各種液壓閥、力和位移傳感器、工作油缸、各種試樣夾具(如三點(diǎn)彎曲、拉伸壓縮等)以及控制軟件等構(gòu)成。能夠反映電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)技術(shù)水平的主要為高精度力、位移傳感器，控制精度與控制范圍，液壓元器件和頻率發(fā)生器(最低頻率10_5Hz以及最高頻率1000Hz以上)。隨著結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命極限提高到IO9次以上，超長疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)亟待發(fā)展。除此之外，還存在一些特殊條件下的疲勞行為的測(cè)試裝置，如工程實(shí)際中有一大類機(jī)器零件是在滾動(dòng)接觸條件下工作的，如滾動(dòng)軸承、齒輪、蝸輪、凸輪、軋輥等。在循環(huán)接觸應(yīng)力作用下，這些零件的表面很容易出現(xiàn)接觸疲勞的破壞現(xiàn)象，如點(diǎn)蝕、剝離等。在原位觀測(cè)方面，相比于其他用于觀測(cè)試件表面形貌的儀器，掃描電子顯微鏡具有成像倍率高，掃描速度快，受景深影響小等優(yōu)勢(shì)，而光學(xué)顯微鏡受其原理的影響，難以獲取成像倍率超過1000倍的清晰圖像，原子力顯微鏡則存在掃描時(shí)間過長的問題。但掃描電子顯微鏡下的疲勞測(cè)試儀器研發(fā)面臨著諸多問題(1)因掃描電子顯微鏡的密閉腔體內(nèi)為真空環(huán)境，需將測(cè)試裝置的信號(hào)采集處理單元以及上位機(jī)控制單元等通過在真空腔體的密封擋板處打孔的方式外接出密閉腔體外，并在對(duì)接接口處做嚴(yán)格的密封處理，因此，需要解決測(cè)試裝置與掃描電子顯微鏡的真空兼容性問題。(2)因電子槍激發(fā)高能電子束一般需要至少IOKV以上的高壓，因此電子束轟擊部位處于高強(qiáng)電磁場(chǎng)作用下，測(cè)試裝置與掃描電子顯微鏡的電磁兼容性問題亦需要解決。(3)現(xiàn)有商業(yè)化掃描電子顯微鏡的真空腔體均有限，且成像工作距離要求嚴(yán)格，如Hitachi TM-1000型號(hào)的掃描電鏡的真空腔體為直徑140mm的圓周，其成像工作距離范圍是1. 5mm至3. 5mm,較大腔體的掃描電鏡,如Zeiss Evo 18型掃描電鏡的真空腔體尺寸為直徑360_的圓周，其最大工作距離為15_，因此，測(cè)試裝置與掃描電鏡的結(jié)構(gòu)兼容性亦需要解決。目前，針對(duì)特征尺寸毫米級(jí)以上三維宏觀試件，大多數(shù)材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置均依賴電液伺服或電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)加載，且存在結(jié)構(gòu)較大或響應(yīng)頻率不足等問題，如以電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)加載的疲勞測(cè)試裝置，因其傳動(dòng)鏈在換向過程中的機(jī)械慣性和沖擊，難以實(shí)現(xiàn)高頻測(cè)試。針對(duì)納米管及薄膜材料等微尺度構(gòu)件的疲勞測(cè)試，往往需要借助微機(jī)電系統(tǒng)工藝結(jié)合掩膜、腐蝕、沉積等化學(xué)處理方法進(jìn)行材料制備，工藝復(fù)雜，且存在效應(yīng)的問題，測(cè)試結(jié)果與工程實(shí)際的宏觀材料存在迥異差異，因此，設(shè)計(jì)一種體積小巧，測(cè)試精度高，響應(yīng)速度快，且能與掃描電鏡等多種成像儀器實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)兼容、真空兼容和電磁兼容的疲勞測(cè)試裝置是十分必要的。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題。其具有體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、測(cè)試精度高及剛度高等特點(diǎn)，相比現(xiàn)有電液伺服或電機(jī)驅(qū)動(dòng)型疲勞測(cè)試裝置，本實(shí)用新型利用四組對(duì)稱式安裝的壓電疊堆實(shí)現(xiàn)較大行程的載荷/位移輸出，可對(duì)被測(cè)材料的疲勞極限、持久極限、S-N曲線、磁滯回線等進(jìn)行定量測(cè)定，本實(shí)用新型由壓電驅(qū)動(dòng)單元、試件夾持單元、壓電疊堆預(yù)緊單元及信號(hào)檢測(cè)單元組成。本實(shí)用新型通過應(yīng)變控制中嵌入前饋反饋綜合控制方法，可提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高控制精度，并實(shí)現(xiàn)壓電驅(qū)動(dòng)單元及信號(hào)檢測(cè)單元的協(xié)同工作。在此基礎(chǔ)上，基于其小型化的總體結(jié)構(gòu)，該裝置可與具有真空腔體的主流掃描電子顯微鏡以及具有開放式載物平臺(tái)的拉曼光譜儀、X射線衍射儀及各類光學(xué)顯微成像系統(tǒng)結(jié)合使用，開展給定恒定頻率或掃頻下的恒應(yīng)變或變應(yīng)變疲勞測(cè)試，亦可對(duì)疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展現(xiàn)象進(jìn)行在線觀測(cè)，為揭示材料在微尺度下的疲勞力學(xué)性能與變形損傷的相關(guān)性提供了測(cè)試方法。本實(shí)用新型的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置，包括壓電驅(qū)動(dòng)單元、試件夾持單元、壓電疊堆預(yù)緊單元及信號(hào)檢測(cè)單元，其中，壓電驅(qū)動(dòng)單元中的壓電疊堆2與壓電疊堆預(yù)緊單元中的弧形滑動(dòng)楔塊I 7及弧形滑動(dòng)楔塊II 11始終保持面接觸，試件夾持單元中的夾具體4通過螺紋連接方式與信號(hào)檢測(cè)單元中的輪輻式拉壓力傳感器3保持剛性連接，且檢測(cè)單元中的直線電位器13及輪輻式拉壓力傳感器3均與壓電驅(qū)動(dòng)單元中的框架14亦通過螺紋連接方式保持剛性連接；所述壓電驅(qū)動(dòng)單元包括四組共面且平行對(duì)稱安裝的壓電疊堆2、框架14及圓弧過渡型柔性鉸鏈1，其中四組壓電疊堆2并聯(lián)排布，并同時(shí)在壓電驅(qū)動(dòng)電源的等幅等頻電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下輸出同步的響應(yīng)位移，四組圓弧過渡型柔性鉸鏈I與框架14實(shí)為一體，框架14通過框架緊固螺釘17與固定基座10剛性連接；所述試件夾持單元包括夾具體4、試件夾緊螺釘5、壓板6及被測(cè)試件15，其中夾具體4及壓板6通過等寬的凸臺(tái)及凹槽結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)等寬的被測(cè)試件15的對(duì)中性限位，所述凸臺(tái)及凹槽具有密集型鋸齒結(jié)構(gòu)，可提高被測(cè)試件15夾持的穩(wěn)定性，試件夾緊螺釘5用于將壓板6緊固在夾具體4上并提供可靠的夾持力；所述壓電疊堆預(yù)緊單元包括弧形滑動(dòng)楔塊I 7、固定楔塊8、楔塊預(yù)緊螺釘9、弧形滑動(dòng)楔塊II 11及固定楔塊緊固螺釘16，其中固定楔塊8通過固定楔塊緊固螺釘16與固定基座10剛性連接，預(yù)緊力由楔塊預(yù)緊螺釘9提供，并且楔塊預(yù)緊螺釘9可沿被測(cè)試件15拉伸/壓縮方向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電疊堆2進(jìn)行正向預(yù)緊和反向自鎖；所述信號(hào)檢測(cè)單元包括輪輻式拉壓力傳感器3、電位器固定螺釘12及直線電位器13，其中輪輻式拉壓力傳感器3通過外螺紋連接方式分別與夾具體4及框架14剛性連接，直線電位器13的固定基體部分通過電位器固定螺釘12與框架14緊固連接，并整體沉附于框架14底部的凹槽內(nèi)，前部回彈式推桿與夾具體4底部保持彈性接觸。所述的四組圓弧過渡型柔性鉸鏈I采用平行四邊形的內(nèi)包絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)排布，每組柔性鉸鏈由四級(jí)孤形彈性單元串聯(lián)組成，每兩級(jí)彈性單元軸線互相垂直，其角變形彈性輸出可為疲勞測(cè)試提供精確線應(yīng)變；四組壓電疊堆2共面排布，其空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為并聯(lián)式，在相同電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，互為同軸的兩組壓電疊堆2輸出同軸異向運(yùn)動(dòng)，且輸出的同步響應(yīng)變形量一致。所述的壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置主體尺寸約為105mmX92mmX28mm,通過其固定基座10上的一組螺紋孔可安裝在主流掃描電子顯微鏡的載物平臺(tái)上，因被測(cè)試件15與輪輻式拉壓力傳感器3、直線電位器13等電磁敏感器件有一定的空間距離，因此所述的測(cè)試裝置可實(shí)現(xiàn)與掃描電鏡的結(jié)構(gòu)兼容性、真空兼容性及電磁兼容性，同時(shí)測(cè)試裝置亦可以在其他具有開放式載物結(jié)構(gòu)的成像設(shè)備(如光學(xué)顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等)的觀測(cè)下開展相應(yīng)的疲勞測(cè)試。所述的弧形滑動(dòng)楔塊I 7及弧形滑動(dòng)楔塊II 11在空間上兩兩對(duì)稱排布，且與固定楔塊緊固螺釘16的接觸面為弧形曲面，弧形滑動(dòng)楔塊I 7及弧形滑動(dòng)楔塊II 11的平面端與壓電疊堆2保持面接觸，與固定楔塊緊固螺釘16保持線接觸；固定楔塊緊固螺釘16具有13. 5°的楔形傾角，可實(shí)現(xiàn)自鎖功能，最大預(yù)緊力可到325. 6N。所述的夾具體4上設(shè)置寬度為3mm、高度為0. 5mm、且?guī)в型ㄟ^線切割加工出的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，壓板6上同樣設(shè)置寬度為3mm、深度為0. 5mm、且?guī)в型ㄟ^電火花加工出的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，被測(cè)試件15的夾持端的深度亦為3_，通過該等寬約束模式可保證不同厚度的被測(cè)試件15在拉伸/壓縮模式疲勞測(cè)試中的對(duì)中性。本實(shí)用新型的有益效果在于與現(xiàn)有材料疲勞性能測(cè)試裝置相比，本實(shí)用新型體積更為小巧，主體尺寸僅為105mmX92mmX28mm，位移加載分辨率可低至200nm，交變載荷頻率可調(diào)范圍大，與安裝于各種主流電子顯微鏡的真空腔體載物平臺(tái)上，試用與特征尺寸毫米級(jí)試件的跨尺度原位疲勞測(cè)試，此外，本實(shí)用新型通過應(yīng)變控制中嵌入前饋反饋綜合控制方法，可提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高控制精度，并實(shí)現(xiàn)壓電驅(qū)動(dòng)單元及位移檢測(cè)單元的協(xié)同工作，通過上位機(jī)軟件的測(cè)試頻率、幅值等參數(shù)設(shè)定?？勺詣?dòng)獲取被測(cè)試件不同循環(huán)特征下的磁滯回線等固有特征。綜上所述，本實(shí)用新型對(duì)豐富原位微納米力學(xué)測(cè)試內(nèi)容和促進(jìn)材料力學(xué)性能測(cè)試技術(shù)及裝備具有重要的理論意義和良好的應(yīng)用開發(fā)前途。

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本實(shí)用新型的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本實(shí)用新型，并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的不當(dāng)限定。圖1為本實(shí)用新型的整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型的主視示意圖；圖3為本實(shí)用新型的俯視示意圖；圖4為本實(shí)用新型的壓電疊堆預(yù)緊單元的工作原理圖；圖5為本實(shí)用新型的柔性鉸鏈的工作原理圖；圖6為本實(shí)用新型的試件夾持單元的工作示意圖。圖中1.圓弧過渡型柔性鉸鏈、2.壓電疊堆、3.輪輻式拉壓力傳感器、4.夾具體、5.試件夾緊螺釘、6.壓板、7.弧形滑動(dòng)楔塊1、8.固定楔塊、9.楔塊預(yù)緊螺釘、10.固定基座、11.弧形滑動(dòng)楔塊I1、12.電位器固定螺釘、13.直線電位器、14.框架、15.被測(cè)試件、16.固定楔塊緊固螺釘、17.框架固定螺釘。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式
。參見圖1至圖6，本實(shí)用新型的壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置包括壓電驅(qū)動(dòng)單元、試件夾持單元、壓電疊堆預(yù)緊單元及信號(hào)檢測(cè)單元，其中，壓電驅(qū)動(dòng)單元中的壓電疊堆2與壓電疊堆預(yù)緊單元中的弧形滑動(dòng)楔塊I 7及弧形滑動(dòng)楔塊II 11始終保持面接觸，試件夾持單元中的夾具體4通過螺紋連接方式與信號(hào)檢測(cè)單元中的輪輻式拉壓力傳感器3保持剛性連接，且檢測(cè)單元中的直線電位器13及輪輻式拉壓力傳感器3均與壓電驅(qū)動(dòng)單元中的框架14亦通過螺紋連接方式保持剛性連接。所述壓電驅(qū)動(dòng)單元包括四組共面且平行對(duì)稱安裝的壓電疊堆2、框架14及圓弧過渡型柔性鉸鏈1，其中四組壓電疊堆2并聯(lián)排布，并同時(shí)在壓電驅(qū)動(dòng)電源的等幅等頻電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下輸出同步的響應(yīng)位移，四組圓弧過渡型柔性鉸鏈I與框架14實(shí)為一體，框架14通過框架緊固螺釘17與固定基座10剛性連接；所述試件夾持單元包括夾具體4、試件夾緊螺釘5、壓板6及被測(cè)試件15，其中夾具體4及壓板6通過等寬的凸臺(tái)及凹槽結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)等寬的被測(cè)試件15的對(duì)中性限位，所述凸臺(tái)及凹槽具有密集型鋸齒結(jié)構(gòu)，可提高被測(cè)試件15夾持的穩(wěn)定性，試件夾緊螺釘5用于將壓板6緊固在夾具體4上并提供可靠的夾持力；[0030]所述壓電疊堆預(yù)緊單元包括弧形滑動(dòng)楔塊I 7、固定楔塊8、楔塊預(yù)緊螺釘9、弧形滑動(dòng)楔塊II 11及固定楔塊緊固螺釘16，其中固定楔塊8通過固定楔塊緊固螺釘16與固定基座10剛性連接，預(yù)緊力由楔塊預(yù)緊螺釘9提供，并且楔塊預(yù)緊螺釘9可沿被測(cè)試件15拉伸/壓縮方向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電疊堆2進(jìn)行正向預(yù)緊和反向自鎖；所述信號(hào)檢測(cè)單元包括輪輻式拉壓力傳感器3、電位器固定螺釘12及直線電位器13，其中輪輻式拉壓力傳感器3通過外螺紋連接方式分別與夾具體4及框架14剛性連接，直線電位器13的固定基體部分通過電位器固定螺釘12與框架14緊固連接，并整體沉附于框架14底部的凹槽內(nèi)，前部回彈式推桿與夾具體4底部保持彈性接觸。所述的四組圓弧過渡型柔性鉸鏈I采用平行四邊形的內(nèi)包絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)排布，每組柔性鉸鏈由四級(jí)孤形彈性單元串聯(lián)組成，每兩級(jí)彈性單元軸線互相垂直，其角變形彈性輸出可為疲勞測(cè)試提供精確線應(yīng)變；四組壓電疊堆2共面排布，其空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為并聯(lián)式，在相同電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，互為同軸的兩組壓電疊堆2輸出同軸異向運(yùn)動(dòng)，且輸出的同步響應(yīng)變形量一致。所述的壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置的主體尺寸約為105mmX92mmX28mm,通過其固定基座10上的一組螺紋孔可安裝在主流掃描電子顯微鏡的載物平臺(tái)上，因被測(cè)試件15與輪輻式拉壓力傳感器3、直線電位器13等電磁敏感器件有一定的空間距離，因此所述的測(cè)試裝置可實(shí)現(xiàn)與掃描電鏡的結(jié)構(gòu)兼容性、真空兼容性及電磁兼容性，同時(shí)測(cè)試裝置亦可以在其他具有開放式載物結(jié)構(gòu)的成像設(shè)備(如光學(xué)顯微鏡、激光共聚焦顯微鏡等)的觀測(cè)下開展相應(yīng)的疲勞測(cè)試。所述的弧形滑動(dòng)楔塊I 7及弧形滑動(dòng)楔塊II 11在空間上兩兩對(duì)稱排布，且與固定楔塊緊固螺釘16的接觸面為弧形曲面，弧形滑動(dòng)楔塊I 7及弧形滑動(dòng)楔塊II 11的平面端與壓電疊堆2保持面接觸，與固定楔塊緊固螺釘16保持線接觸；固定楔塊緊固螺釘16具有13. 5°的楔形傾角，可實(shí)現(xiàn)自鎖功能，最大預(yù)緊力可到325. 6N。所述的夾具體4上設(shè)置寬度為3mm、高度為0. 5mm、且?guī)в型ㄟ^線切割加工出的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，壓板6上同樣設(shè)置寬度為3mm、深度為0. 5mm、且?guī)в型ㄟ^電火花加工出的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，被測(cè)試件15的夾持端的深度亦為3_，通過該等寬約束模式可保證不同厚度的被測(cè)試件15在拉伸/壓縮模式疲勞測(cè)試中的對(duì)中性。參見圖1至圖6，本實(shí)用新型所涉及的對(duì)稱式壓電致動(dòng)型微疲勞裝置主體部分的整體尺寸為105mmX92mmX28mm,與目前主流商業(yè)化掃描電子顯微鏡中真空腔體較小的Hitachi TM-1000型掃描電鏡具有良好的結(jié)構(gòu)兼容性、真空兼容性及電磁兼容性，亦可保證與具有更大尺寸真空腔體的掃描電鏡兼容使用，同時(shí)可與其他類具有開放式載物形式的觀測(cè)儀器結(jié)合使用，本實(shí)用新型中涉及到的購置件的具體型號(hào)可為壓電疊堆2型號(hào)為XMT PST-150、直線電位器13型號(hào)為Sakae 13FLP25A-5K、輪輻式拉壓力傳感器3型號(hào)為JLBM-3?？蚣?4、弧形滑動(dòng)楔塊I 7、固定楔塊8均采用線切割加工，在框架14的試件夾持端采用電火花方式加工出鋸齒狀結(jié)構(gòu)，固定基座10采用精銑加工，并在定位表面做磨削平坦化處理。針對(duì)本實(shí)用新型中壓電疊堆2的控制，涉及的元器件及儀器有數(shù)據(jù)采集卡、處理器、比例積分算法、功率放大器、接口電路，據(jù)此可獲取壓電疊堆電壓/位移數(shù)據(jù)關(guān)系構(gòu)成，并以此作為疲勞測(cè)試中應(yīng)變控制方法的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上，通過對(duì)壓電疊堆元件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)激勵(lì)的電源電路設(shè)計(jì)與試制，電壓波形與頻率的跟蹤、反饋和補(bǔ)償，以及對(duì)電壓信號(hào)的波形、激勵(lì)方式、壓電元件激勵(lì)的時(shí)序控制、相位與頻率等對(duì)機(jī)械單元影響的試驗(yàn)研究，可有效解決壓電疊堆遲滯及蠕變問題。對(duì)壓電疊堆2的控制方法為前饋反饋綜合控制方法，可有效提升系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高控制精度。與此同時(shí)，考慮到壓電疊堆2需在合適的預(yù)緊力作用下放可產(chǎn)生穩(wěn)定的變形量和載荷輸出，且由于在高頻激勵(lì)信號(hào)作用下，壓電疊堆2會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)甚至與連接部件形成間隙，致使傳動(dòng)失效，與傳動(dòng)的楔形預(yù)緊方式相比，采用弧面平面形式的線接觸預(yù)緊方式可進(jìn)一步增加預(yù)緊的可靠性，且由于線接觸預(yù)緊方式相對(duì)于面預(yù)緊方式可有效減小摩擦阻力，因此，此預(yù)緊方式提高了預(yù)緊力輸出能力和預(yù)緊效率。具體設(shè)計(jì)中，固定楔塊8具有楔形角為a，弧形滑動(dòng)楔塊I 7、弧形滑動(dòng)楔塊II 11與固定楔塊8之間線接觸的摩擦系數(shù)為U。如圖4所示，楔塊預(yù)緊螺釘9向弧形滑動(dòng)楔塊I 7及弧形滑動(dòng)楔塊II 11預(yù)緊力^，推動(dòng)弧形滑動(dòng)楔塊I 7及弧形滑動(dòng)楔塊II 11沿同軸異向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電疊堆2的預(yù)緊，預(yù)緊力大小為/整理上述關(guān)系得到機(jī)構(gòu)輸出力與預(yù)緊力的關(guān)系為Fc - Fs (cos a -u sin a ) / (sin a + p cos a )有此可至，當(dāng)a < arctan V-時(shí),楔形塊具有自鎖功能,進(jìn)一步,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，固定楔塊8具有13. 5°的楔形傾角，可實(shí)現(xiàn)自鎖功能，最大預(yù)緊力可到325. 6N。壓電疊堆電壓/位移數(shù)據(jù)關(guān)系的獲取是通過預(yù)緊狀態(tài)下利用LK-G100型激光測(cè)微儀(測(cè)量行程為1mm，分辨率為0. 01 u m)檢測(cè)不同恒值輸入時(shí)框架14的試件夾持部分的輸出位移所實(shí)現(xiàn)的，由于恒定電場(chǎng)作用時(shí)壓電晶體電籌緩慢排列，壓電疊堆2會(huì)表現(xiàn)出蠕變現(xiàn)象，即電壓加載及卸載過程中，同一電壓下，壓電疊堆2的變形量并不一致，但總體趨勢(shì)上看，其變形/電壓曲線在電壓加載卸載全程會(huì)保持基本線性規(guī)律。在預(yù)緊狀態(tài)下，給定峰值電壓150V時(shí)，框架14的試件夾持部 分的位移輸出值為28 u m,當(dāng)單步電壓為0. 5V時(shí)，壓電疊堆的實(shí)際伸長量約為0. 056 u m,因本實(shí)用新型采用四組對(duì)稱排布的壓電疊堆2實(shí)現(xiàn)單軸雙向的疲勞測(cè)試，同時(shí)考慮到給定單步電壓值可在較理想條件下穩(wěn)定與0. 5V以下，因此，本實(shí)用新型的加載分辨率優(yōu)于0.1lum0電壓加載及卸載過程中，輸出位移的最大差值為2. 6 y m，因此本實(shí)用新型的遲滯量為0. 0928。據(jù)此，可構(gòu)建壓電疊堆電壓-位移數(shù)據(jù)關(guān)系為前饋控制提供數(shù)據(jù)模型。此外，本實(shí)用新型中采用的柔性鉸鏈為正圓柔性鉸鏈具有結(jié)構(gòu)緊湊、無機(jī)械摩擦、無噪聲、無裝配誤差、無間隙、無需潤滑、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、分辨率高、零遲滯等各種優(yōu)點(diǎn)，且具有較好的抗疲勞性能。本實(shí)用新型選用調(diào)質(zhì)到HB22(T240后的65Mn作為圓弧過渡性柔性鉸鏈I及框架14的加工材料。本實(shí)用新型中采用的控制方法為前饋反饋綜合控制方法，用于削弱壓電疊堆2的固有遲滯及蠕變特性所引起的系統(tǒng)誤差，壓電疊堆電壓-位移數(shù)據(jù)關(guān)系為前饋控制提供數(shù)據(jù)模型，反饋控制方法為優(yōu)化的比例、積分控制模型。本實(shí)用新型的具體工作過程如下本實(shí)用新型在具體的測(cè)試過程中，首先，被測(cè)試件15在進(jìn)行疲勞測(cè)試及原位觀測(cè)前，針對(duì)金屬材料或合金材料，需采用線切割加工方法試制出具有應(yīng)力薄弱區(qū)域或預(yù)制缺口的被測(cè)試件15，即保證其結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)于非金屬材料，亦需通過激光切割等方法保證被測(cè)試件15的尺寸，必要時(shí)，采用電解拋光、機(jī)械拋光等方法對(duì)被測(cè)試件15進(jìn)行平坦化處理，以獲取原位觀測(cè)需要的較好光潔度的表面形貌。將被測(cè)試件15安裝于框架14的試件夾持端以及夾具體4的鋸齒形凸臺(tái)上，之后利用試件夾緊螺釘5將壓板6固定，壓板6底部的凹槽寬度與夾具體4上部的鋸齒形凸臺(tái)的寬度以及被測(cè)試件15的夾持端的厚度均一致，以此保證被測(cè)試件15的對(duì)中性要求，進(jìn)一步，通過調(diào)整夾具的位置及利用水平儀和千分表的檢測(cè)來保證試件測(cè)試過程中的共面性和準(zhǔn)確位置。直線電位器14用于檢測(cè)夾具體4與框架14的試件夾持端之間的變形量，該位移信號(hào)為模擬信號(hào)，并通過放大、濾波、降噪及模數(shù)轉(zhuǎn)換，與上位機(jī)(PC機(jī))軟件中給定參考數(shù)字信號(hào)比較，給定信號(hào)的依據(jù)為前述壓電疊堆2輸出電壓位移關(guān)系，比較信號(hào)通過PID參數(shù)整定得到用于補(bǔ)償壓電疊堆2變形量的電壓信號(hào)，最終控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電疊堆2輸出位移的準(zhǔn)確控制.給運(yùn)動(dòng)分辨率，從而實(shí)現(xiàn)微納米級(jí)的表面車削，即可實(shí)現(xiàn)切深的精密伺服控制。與此同時(shí)，輪輻式拉壓力傳感器3分別與框架14及夾具體4通過螺紋方式連接，其受載方向與被測(cè)試件15受拉伸/壓縮交變載荷的方向相同。在原位測(cè)試過程中，在確定觀測(cè)儀器(如掃描電子顯微鏡)對(duì)被測(cè)試件15薄弱區(qū)域的擬定觀測(cè)點(diǎn)后，采用應(yīng)變控制方法，通過上位機(jī)軟件給定初始測(cè)試的應(yīng)變值以及測(cè)試頻率，即通過設(shè)定施加在壓電疊堆2上的交變電壓信號(hào)的幅值及頻率來實(shí)現(xiàn)這一功能，在完成一定循環(huán)周數(shù)(如IO2)后，可停止壓電疊堆2的運(yùn)動(dòng)，并通過掃描電鏡對(duì)擬定觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行裂紋萌生(或擴(kuò)展)現(xiàn)象的觀測(cè)，即通過具有特定間隔時(shí)間的準(zhǔn)連續(xù)觀測(cè)方式實(shí)現(xiàn)該原位測(cè)試模式，該模式可同時(shí)記錄被測(cè)試件15的形貌圖像，結(jié)合上位機(jī)調(diào)試軟件亦可實(shí)時(shí)獲取表征被測(cè)材料力學(xué)性能的S-N曲線、持久極限、應(yīng)力應(yīng)變磁滯回線力學(xué)特性。以上所述僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本實(shí)用新型，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本實(shí)用新型可以有各種更改和變化。凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于包括壓電驅(qū)動(dòng)單元、試件夾持單元、壓電疊堆預(yù)緊單元及信號(hào)檢測(cè)單元，其中，壓電驅(qū)動(dòng)單元中的壓電疊堆(2)與壓電疊堆預(yù)緊單元中的弧形滑動(dòng)楔塊I (7)及弧形滑動(dòng)楔塊II (11)始終保持面接觸，試件夾持單元中的夾具體(4)通過螺紋連接方式與信號(hào)檢測(cè)單元中的輪輻式拉壓力傳感器(3)保持剛性連接，且檢測(cè)單元中的直線電位器(13)及輪輻式拉壓力傳感器(3)均與壓電驅(qū)動(dòng)單元中的框架(14)亦通過螺紋連接方式保持剛性連接； 所述壓電驅(qū)動(dòng)單元包括四組共面且平行對(duì)稱安裝的壓電疊堆(2)、框架(14)及圓弧過渡型柔性鉸鏈(1)，其中四組壓電疊堆(2)并聯(lián)排布，并同時(shí)在壓電驅(qū)動(dòng)電源的等幅等頻電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下輸出同步的響應(yīng)位移，四組圓弧過渡型柔性鉸鏈(I)與框架(14)實(shí)為一體，框架(14)通過框架緊固螺釘(17)與固定基座(10)剛性連接； 所述試件夾持單元包括夾具體(4)、試件夾緊螺釘(5)、壓板(6)及被測(cè)試件(15)，其中夾具體(4)及壓板(6)通過等寬的凸臺(tái)及凹槽結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)等寬的被測(cè)試件(15)的對(duì)中性限位，所述凸臺(tái)及凹槽具有密集型鋸齒結(jié)構(gòu)，可提高被測(cè)試件(15)夾持的穩(wěn)定性，試件夾緊螺釘(5)用于將壓板(6)緊固在夾具體(4)上并提供可靠的夾持力； 所述壓電疊堆預(yù)緊單元包括弧形滑動(dòng)楔塊I (7)、固定楔塊(8)、楔塊預(yù)緊螺釘(9)、弧形滑動(dòng)楔塊II (11)及固定楔塊緊固螺釘(16)，其中固定楔塊(8)通過固定楔塊緊固螺釘(16)與固定基座(10)剛性連接，預(yù)緊力由楔塊預(yù)緊螺釘(9)提供，并且楔塊預(yù)緊螺釘(9)可沿被測(cè)試件(15)拉伸/壓縮方向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電疊堆(2)進(jìn)行正向預(yù)緊和反向自鎖； 所述信號(hào)檢測(cè)單元包括輪輻式拉壓力傳感器(3)、電位器固定螺釘(12)及直線電位器(13)，其中輪輻式拉壓力傳感器(3)分別與夾具體(4)及框架(14)剛性連接，直線電位器(13)的固定基體部分通過電位器固定螺釘(12)與框架(14)緊固連接，并整體沉附于框架(14)底部的凹槽內(nèi)，前部回彈式推桿與夾具體(4)底部保持彈性接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于所述的四組圓弧過渡型柔性鉸鏈(I)采用平行四邊形的內(nèi)包絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)排布，每組柔性鉸鏈由四級(jí)孤形彈性單元串聯(lián)組成，每兩級(jí)彈性單元軸線互相垂直，其角變形彈性輸出可為疲勞測(cè)試提供精確線應(yīng)變；四組壓電疊堆(2)共面排布，其空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為并聯(lián)式，在相同電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，互為同軸的兩組壓電疊堆(2)輸出同軸異向運(yùn)動(dòng)，且輸出的同步響應(yīng)變形量一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于所述的壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置主體尺寸為105mmX92mmX28mm，通過其固定基座(10)上的一組螺紋孔可安裝在主流掃描電子顯微鏡的載物平臺(tái)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于所述的弧形滑動(dòng)楔塊I (7)及弧形滑動(dòng)楔塊II (11)在空間上兩兩對(duì)稱排布，且與固定楔塊緊固螺釘(16)的接觸面為弧形曲面，弧形滑動(dòng)楔塊I (7)及弧形滑動(dòng)楔塊II (11)的平面端與壓電疊堆(2)保持面接觸，與固定楔塊緊固螺釘(16)保持線接觸；固定楔塊緊固螺釘(16)具有13. 5°的楔形傾角，可實(shí)現(xiàn)自鎖功能，最大預(yù)緊力可到325. 6N。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置，其特征在于所述的夾具體(4)上設(shè)置寬度為3mm、高度為0. 5mm、且?guī)в型ㄟ^線切割加工出的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，壓板(6)上同樣設(shè)置寬度為3mm、深度為0. 5mm、且?guī)в型ㄟ^電火花加工出的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，被測(cè)試件(15)的夾持端的深度亦為3_，通過該等寬約束模式可保證不同厚度的被測(cè)試件(15)在拉伸/ 壓縮模式疲勞測(cè)試中的對(duì)中性。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種壓電致動(dòng)型材料疲勞力學(xué)性能測(cè)試裝置，屬于精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。由壓電驅(qū)動(dòng)單元、試件夾持單元、壓電疊堆預(yù)緊單元及信號(hào)檢測(cè)單元組成。通過四組對(duì)稱式安裝的壓電疊堆實(shí)現(xiàn)較大行程的載荷/位移輸出，該裝置可與具有真空腔體的主流掃描電子顯微鏡以及具有開放式載物平臺(tái)的拉曼光譜儀、X射線衍射儀及各類光學(xué)顯微成像系統(tǒng)結(jié)合使用，可在該類觀測(cè)儀器的觀測(cè)下開展給定恒定頻率或掃頻下的恒應(yīng)變或變應(yīng)變疲勞測(cè)試。優(yōu)點(diǎn)在于體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，測(cè)試精度高，剛度高、兼容性好、應(yīng)變值及測(cè)試頻率可調(diào)，通過開展針對(duì)微小尺寸試件的拉伸模式的原位疲勞測(cè)試，可對(duì)各類材料在循環(huán)載荷作用下的破壞機(jī)制及性能演變規(guī)律進(jìn)行深入研究。
文檔編號(hào)G01N3/02GK202903624SQ201220566370
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者趙宏偉, 馬志超, 王開廳, 胡曉利, 程虹丙, 魯帥 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)