復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置與測量方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置與測量方法，測試裝置包括z軸調(diào)整單元、被測柔順機構(gòu)單元、接觸探測單元、試件宏動調(diào)整單元，z軸調(diào)整單元與側(cè)板連接，被測柔順機構(gòu)單元安裝在z軸調(diào)整單元過渡連接件a下端，試件宏動調(diào)整單元與底座連接，接觸探測單元通過過渡連接件b安裝在試件宏動調(diào)整單元上。該精密測量方法是：利用劃痕測試原理，獲取復雜柔順機構(gòu)變形時殘留在試件表面的劃痕形貌，通過研究劃痕形貌進一步分析得到復雜柔順機構(gòu)的變形特性。優(yōu)點在于：可實現(xiàn)對復雜柔順機構(gòu)變形的精密測量，對于在精密定位、精密加工、顯微操作、微夾持等領域具有廣泛應用的柔順機構(gòu)的設計與分析提供新的技術手段。
【專利說明】復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置與測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置與測量方法，可用于在精密定位、精密加工、顯微操作、微夾持等領域具有廣泛應用的柔順機構(gòu)的變形的精密測量，為其設計與分析提供新的技術手段。
【背景技術】
[0002]柔順機構(gòu)在超精密加工、顯微操作、掃描系統(tǒng)、微納米力學測試、微夾持等領域具有廣泛的應用。柔順機構(gòu)的設計與分析對于其實現(xiàn)功能具有重要作用。在實際中，理論分析方法、有限單元計算和試驗的方法通常被結(jié)合在一起，應用到柔順機構(gòu)的設計和參數(shù)優(yōu)化，以設計特定的柔順機構(gòu)，滿足特定的應用場合。
[0003]對于具有單一鉸鏈(正圓鉸鏈、橢圓鉸鏈、V型鉸鏈、直角鉸鏈等)結(jié)構(gòu)的簡單柔順機構(gòu)，研究人員開展了大量的理論研究工作，目前已經(jīng)建立了相對完善的理論分析體系。然而，對于一些特殊應用場合，需要設計具有多鉸鏈結(jié)構(gòu)或長的運動轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的復雜、混合柔順機構(gòu)。在這種情況下，通過理論分析得到復雜、混合柔順機構(gòu)的輸出特性比較困難，往往需要給定大量的簡化和假設，導致理論分析結(jié)果與其實際輸出特性不一致。另一方面，考慮到這些復雜、混合柔順機構(gòu)往往具有多個自由度運動輸出或者存在寄生運動輸出，通過現(xiàn)有位移傳感器直接對其運動特性進行精密測量也比較困難。因此，針對這些復雜、混合柔順機構(gòu)的變形測量問題，需要建立更加精確的理論或者發(fā)展更為精密的試驗手段。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置與測量方法，解決了現(xiàn)有技術存在的上述問題，實現(xiàn)了對復雜柔順機構(gòu)變形的精密測量，對于在精密定位、精密加工、顯微操作、微夾持等領域具有廣泛應用的柔順機構(gòu)的設計與分析提供新的技術手段。
[0005]本發(fā)明的上述目的通過以下技術方案實現(xiàn):
復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置，包括z軸調(diào)整單元、被測柔順機構(gòu)單元、接觸探測單元、試件宏動調(diào)整單元，所述z軸調(diào)整單元通過螺釘與側(cè)板2連接，被測柔順機構(gòu)單元通過螺釘安裝在z軸調(diào)整單元的過渡連接件a4下端，試件宏動調(diào)整單元通過螺釘與底座I連接，接觸探測單元通過過渡連接件bl3安裝在試件宏動調(diào)整單元上。
[0006]所述的z軸調(diào)整單元包括z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3和過渡連接件a4，實現(xiàn)被測柔順機構(gòu)單元沿^軸的上下調(diào)整。
[0007]所述的被測柔順機構(gòu)單元包括混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5、壓電疊堆6、壓頭安裝座7、鎖緊螺釘8和圓錐形金剛石壓頭9，所述混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5通過螺釘安裝在z軸調(diào)整單元下端，壓電疊堆6通過楔塊預緊安裝在混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5的凹槽內(nèi)，壓頭安裝座7通過熔融石蠟粘連在混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5輸出端一側(cè)面，圓錐形金剛石壓頭9通過鎖緊螺釘8安裝在壓頭安裝座7通孔內(nèi)。
[0008]所述的接觸探測單元包括試件10、載物臺11、力傳感器12和過渡連接件bl3，所述試件10通過熔融石蠟粘連在載物臺11上表面，載物臺11通過螺紋與力傳感器12上端相連接，力傳感器12通過其下端螺紋桿安裝在過渡連接件bl3上，過渡連接件bl3通過螺釘安裝在試件宏動調(diào)整單元上端。
[0009]所述的試件宏動調(diào)整單元由軸宏動調(diào)整機構(gòu)14和z軸宏動調(diào)整機構(gòu)15組成。
[0010]本發(fā)明的另一目的在于提供一種復雜柔順機構(gòu)變形精密測量方法，包括以下步驟:
a)將試件10通過熔融石蠟粘連載物臺11上表面，調(diào)整軸宏動調(diào)整機構(gòu)14、X軸宏動調(diào)整機構(gòu)15和z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3使試件10處于圓錐形金剛石壓頭9正下端；
b)調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3，使圓錐形金剛石壓頭9接近試件表面，利用力傳感器12示數(shù)變化判斷圓錐形金剛石壓頭9與試件表面的接觸，當接觸載荷為IOOmN時，停止調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3，之后反方向調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3，使得圓錐形金剛石壓頭9脫離試件10表面，此時在試件10表面形成一個殘余壓痕；調(diào)整_7軸宏動調(diào)整機構(gòu)14使試件10沿著
軸運動25 μ m,之后重復上述步驟，在試件表面沿著_7軸形成三個殘余壓痕，用于確定測試后試件10表面的坐標系軸；
C)當進行第四個壓痕點時，保持圓錐形金剛石壓頭9與試件10之間的IOOmN接觸載荷，之后給壓電疊堆6施加驅(qū)動電壓，此時壓電疊堆伸長，驅(qū)動混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5變形，使得圓錐形金剛石壓頭9與試件10之間產(chǎn)生相對滑動，從而在試件10表面形成一條劃痕；
d)反方向調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3，使得圓錐形金剛石壓頭9脫離試件10表面，之后利用顯微鏡對試件10表面進行觀測，獲取殘余劃痕形貌；
e)利用步驟b)中得到的三個殘余壓痕形貌確定軸，并根據(jù)測試裝置坐標系，在試件10表面建立H坐標系，進而根據(jù)獲得的殘余劃痕形貌分析混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5輸出端沿Z軸和_7軸的運動特性。
[0011]本發(fā)明的有益效果在于:通過本發(fā)明提供的測試裝置與測量方法，可以實現(xiàn)柔順機構(gòu)，特別是具有復雜結(jié)構(gòu)的柔順機構(gòu)、或具有多自由度輸出的柔順機構(gòu)、或包含寄生運動輸出的柔順機構(gòu)等的變形精密測量與輸出特性分析，進而為柔順機構(gòu)的設計與優(yōu)化提供試驗數(shù)據(jù)指導。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā)明的示意性實例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。
[0013]圖1為本發(fā)明的復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的被測柔順機構(gòu)單元俯視示意圖；
圖3為本發(fā)明的復雜柔順機構(gòu)變形測試的流程圖；
圖4為本發(fā)明的利用顯微鏡測得的試件殘余形貌；
圖5為本發(fā)明在殘余劃痕起點處建立的坐標系及其計算得到的混合結(jié)構(gòu)鉸鏈輸出端位移。
[0014]圖中:圖中:1、底座；2、側(cè)板；3、z軸宏動調(diào)整機構(gòu)；4、過渡連接件a ;5、混合結(jié)構(gòu)鉸鏈；6、壓電疊堆；7、壓頭安裝座；8、鎖緊螺釘；9、圓錐形金剛石壓頭；10、試件；11、載物臺；12、力傳感器；13、過渡連接件b ;14、7軸宏動調(diào)整機構(gòu)；15、z軸宏動調(diào)整機構(gòu)。
[0015]【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明的詳細內(nèi)容及其【具體實施方式】。
[0017]參見圖1及圖2所示，本發(fā)明的復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置，包括z軸調(diào)整單元、被測柔順機構(gòu)單元、接觸探測單元、試件宏動調(diào)整單元，所述z軸調(diào)整單元通過螺釘與側(cè)板2連接，被測柔順機構(gòu)單元通過螺釘安裝在z軸調(diào)整單元的過渡連接件a4下端，試件宏動調(diào)整單元通過螺釘與底座I連接，接觸探測單元通過過渡連接件bl3安裝在試件宏動調(diào)整單元上。
[0018]所述的z軸調(diào)整單元包括z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3和過渡連接件a4，實現(xiàn)被測柔順機構(gòu)單元沿^軸的上下調(diào)整。
[0019]所述的被測柔順機構(gòu)單元包括混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5、壓電疊堆6、壓頭安裝座7、鎖緊螺釘8和圓錐形金剛石壓頭9，所述混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5通過螺釘安裝在z軸調(diào)整單元下端，壓電疊堆6通過楔塊預緊安裝在混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5的凹槽內(nèi)，壓頭安裝座7通過熔融石蠟粘連在混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5輸出端一側(cè)面，圓錐形金剛石壓頭9通過鎖緊螺釘8安裝在壓頭安裝座7通孔內(nèi)。
[0020]所述的接觸探測單元包括試件10、載物臺11、力傳感器12和過渡連接件bl3，所述試件10通過熔融石蠟粘連在載物臺11上表面，載物臺11通過螺紋與力傳感器12上端相連接，力傳感器12通過其下端螺紋桿安裝在過渡連接件bl3上，過渡連接件bl3通過螺釘安裝在試件宏動調(diào)整單元上端。
[0021]所述的試件宏動調(diào)整單元由_7軸宏動調(diào)整機構(gòu)14和z軸宏動調(diào)整機構(gòu)15組成。
[0022]參見圖3至圖5所示，本發(fā)明的復雜柔順機構(gòu)變形精密測量方法，包括以下步驟:
a)將試件10通過熔融石蠟粘連載物臺11上表面，調(diào)整軸宏動調(diào)整機構(gòu)14、X軸宏動調(diào)整機構(gòu)15和z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3使試件10處于圓錐形金剛石壓頭9正下端；
b)調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3，使圓錐形金剛石壓頭9接近試件表面，利用力傳感器12示數(shù)變化判斷圓錐形金剛石壓頭9與試件表面的接觸，當接觸載荷為IOOmN時，停止調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3，之后反方向調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3，使得圓錐形金剛石壓頭9脫離試件10表面，此時在試件10表面形成一個殘余壓痕；調(diào)整_7軸宏動調(diào)整機構(gòu)14使試件10沿著
軸運動25 μ m,之后重復上述步驟，在試件表面沿著_7軸形成三個殘余壓痕，用于確定測試后試件10表面的坐標系軸；
C)當進行第四個壓痕點時，保持圓錐形金剛石壓頭9與試件10之間的IOOmN接觸載荷，之后給壓電疊堆6施加驅(qū)動電壓，此時壓電疊堆伸長，驅(qū)動混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5變形，使得圓錐形金剛石壓頭9與試件10之間產(chǎn)生相對滑動，從而在試件10表面形成一條劃痕；
d)反方向調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3，使得圓錐形金剛石壓頭9脫離試件10表面，之后利用顯微鏡對試件10表面進行觀測，獲取殘余劃痕形貌；
e)利用步驟b)中得到的三個殘余壓痕形貌確定軸，并根據(jù)測試裝置坐標系，在試件10表面建立H坐標系，進而根據(jù)獲得的殘余劃痕形貌分析混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5輸出端沿Z軸和_7軸的運動特性。
[0023]以圖2所示被測柔順機構(gòu)單元為例，說明本發(fā)明的具體實現(xiàn)過程。
[0024]圖2中所示混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5是一種具有橋式放大結(jié)構(gòu)和杠桿放大結(jié)構(gòu)的復雜柔順機構(gòu)。杠桿放大結(jié)構(gòu)導致的旋轉(zhuǎn)運動使得該種類型的復雜柔順機構(gòu)在其輸出端存在寄生運動，最終導致通過位移傳感器對其輸出特性直接進行精確測量存在困難。本發(fā)明的主要目的也就是實現(xiàn)對該種復雜柔順機構(gòu)變形特性的精確測量。為此，利用熔融石蠟在混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5輸出端附近粘連壓頭安裝座7，并將圓錐形金剛石壓頭9安裝在其中心孔中，此時，圓錐形金剛石壓頭9與混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5具有相同的位移輸出特性。測量出圓錐形金剛石壓頭9的位移輸出特性，即可得到混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5輸出端的運動特性。
[0025]根據(jù)圖3所示，通過以下測試步驟實現(xiàn)對圓錐形金剛石壓頭9位移輸出特性的精密測量:
a)將試件10通過熔融石蠟粘連載物臺11上表面，調(diào)整軸宏動調(diào)整機構(gòu)14、X軸宏動調(diào)整機構(gòu)15和z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3使試件10處于圓錐形金剛石壓頭9正下端。
[0026]b)調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3，使圓錐形金剛石壓頭9接近試件表面，利用力傳感器12示數(shù)變化判斷圓錐形金剛石壓頭9與試件表面的接觸，當接觸載荷為IOOmN時，停止調(diào)整^軸宏動調(diào)整機構(gòu)3，之后反方向調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)3，使得圓錐形金剛石壓頭9脫離試件10表面，此時在試件10表面形成一個殘余壓痕。調(diào)整軸宏動調(diào)整機構(gòu)14使試件10沿著軸運動25微米，之后重復上述步驟，在試件表面沿著軸形成三個殘余壓痕。
[0027]c)當進行第四個壓痕點時，保持圓錐形金剛石壓頭9與試件10之間的IOOmN接觸載荷，之后給壓電疊堆6施加驅(qū)動電壓，此時壓電疊堆伸長，驅(qū)動混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5變形，使得圓錐形金剛石壓頭9與試件10之間產(chǎn)生相對滑動，從而在試件10表面形成一條劃痕。
[0028]d)反方向調(diào)整^軸宏動調(diào)整機構(gòu)3，使得圓錐形金剛石壓頭9脫離試件10表面，之后利用顯微鏡對試件10表面進行觀測，獲取殘余劃痕形貌。
[0029]e)利用步驟b)中得到的三個殘余壓痕形貌確定軸，并根據(jù)測試裝置坐標系，在試件10表面建立H坐標系，進而根據(jù)獲得的殘余劃痕形貌分析圓錐形金剛石壓頭9位移輸出特性，即得到混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5輸出端沿z軸和軸的運動特性。
[0030]參見圖4所示，是上述步驟d)得到的試件殘余形貌。附圖5給出了在殘余劃痕起點處建立的坐標系及其計算得到的混合結(jié)構(gòu)鉸鏈輸出端位移，從該圖中可以看出，混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5輸出端產(chǎn)生了與_7軸成19.89°的近似直線位移，根據(jù)幾何關系，得到混合結(jié)構(gòu)鉸鏈5輸出端沿z軸和軸的位移分別為23.441 μ m和8.481 μ m。
[0031]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領域的技術人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明 的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置，其特征在于:包括Z軸調(diào)整單元、被測柔順機構(gòu)單元、接觸探測單元、試件宏動調(diào)整單元，所述Z軸調(diào)整單元通過螺釘與側(cè)板(2)連接，被測柔順機構(gòu)單元通過螺釘安裝在z軸調(diào)整單元的過渡連接件a (4)下端，試件宏動調(diào)整單元通過螺釘與底座(1)連接，接觸探測單元通過過渡連接件b (13)安裝在試件宏動調(diào)整單元上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置，其特征在于:所述的^軸調(diào)整單元包括z軸宏動調(diào)整機構(gòu)(3)和過渡連接件a (4)，實現(xiàn)被測柔順機構(gòu)單元沿z軸的上下調(diào)整。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置，其特征在于:所述的被測柔順機構(gòu)單元包括混合結(jié)構(gòu)鉸鏈(5)、壓電疊堆(6)、壓頭安裝座(7)、鎖緊螺釘(8)和圓錐形金剛石壓頭(9)，所述混合結(jié)構(gòu)鉸鏈(5)通過螺釘安裝在z軸調(diào)整單元下端，壓電疊堆(6)通過楔塊預緊安裝在混合結(jié)構(gòu)鉸鏈(5)的凹槽內(nèi)，壓頭安裝座(7)通過熔融石蠟粘連在混合結(jié)構(gòu)鉸鏈(5)輸出端一側(cè)面，圓錐形金剛石壓頭(9)通過鎖緊螺釘(8)安裝在壓頭安裝座(7)通孔內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置，其特征在于:所述的接觸探測單元包括試件(10)、載物臺(11)、力傳感器(12)和過渡連接件b (13)，所述試件(10)通過熔融石蠟粘連在載物臺(11)上表面，載物臺(11)通過螺紋與力傳感器(12 )上端相連接，力傳感器(12)通過其下端螺紋桿安裝在過渡連接件b (13)上，過渡連接件b (13)通過螺釘安裝在試件宏動調(diào)整單元上端。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復雜柔順機構(gòu)變形精密測試裝置，其特征在于:所述的試件宏動調(diào)整單元由軸宏 動調(diào)整機構(gòu)(14)和z軸宏動調(diào)整機構(gòu)(15)組成。
6.一種復雜柔順機構(gòu)變形精密測量方法，其特征在于:包括以下步驟: a)將試件(10)通過熔融石蠟粘連載物臺(11)上表面，調(diào)整軸宏動調(diào)整機構(gòu)(14)、^軸宏動調(diào)整機構(gòu)(15)和z軸宏動調(diào)整機構(gòu)(3)使試件(10)處于圓錐形金剛石壓頭(9)正下端； b)調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)(3)，使圓錐形金剛石壓頭(9)接近試件表面，利用力傳感器(12)示數(shù)變化判斷圓錐形金剛石壓頭(9)與試件表面的接觸，當接觸載荷為IOOmN時，停止調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)(3)，之后反方向調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)(3)，使得圓錐形金剛石壓頭(9)脫離試件(10)表面，此時在試件(10)表面形成一個殘余壓痕；調(diào)整軸宏動調(diào)整機構(gòu)(14)使試件(10)沿著軸運動25 μ m,之后重復上述步驟，在試件表面沿著_7軸形成三個殘余壓痕，用于確定測試后試件(10)表面的坐標系_7軸； c)當進行第四個壓痕點時，保持圓錐形金剛石壓頭(9)與試件(10)之間的IOOmN接觸載荷，之后給壓電疊堆(6)施加驅(qū)動電壓，此時壓電疊堆伸長，驅(qū)動混合結(jié)構(gòu)鉸鏈(5)變形，使得圓錐形金剛石壓頭(9)與試件(10)之間產(chǎn)生相對滑動，從而在試件(10)表面形成一條劃痕； d)反方向調(diào)整z軸宏動調(diào)整機構(gòu)(3)，使得圓錐形金剛石壓頭(9)脫離試件(10)表面，之后利用顯微鏡對試件(10)表面進行觀測，獲取殘余劃痕形貌； e)利用步驟b)中得到的三個殘余壓痕形貌確定軸，并根據(jù)測試裝置坐標系，在試件(10)表面建立坐標系，進而根據(jù)獲得的殘余劃痕形貌分析混合結(jié)構(gòu)鉸鏈(5)輸出端沿^軸和軸的運動特性。
【文檔編號】G01M13/00GK103913305SQ201410149096
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】黃虎, 趙宏偉, 劉彥超, 時月, 杜雨萌 申請人:吉林大學