[发明专利]复杂柔顺机构变形精密测试装置与测量方法

说明书

技术领域

    本发明涉及一种复杂柔顺机构变形精密测试装置与测量方法，可用于在精密定位、精密加工、显微操作、微夹持等领域具有广泛应用的柔顺机构的变形的精密测量，为其设计与分析提供新的技术手段。

背景技术

柔顺机构在超精密加工、显微操作、扫描系统、微纳米力学测试、微夹持等领域具有广泛的应用。柔顺机构的设计与分析对于其实现功能具有重要作用。在实际中，理论分析方法、有限单元计算和试验的方法通常被结合在一起，应用到柔顺机构的设计和参数优化，以设计特定的柔顺机构，满足特定的应用场合。

对于具有单一铰链（正圆铰链、椭圆铰链、V型铰链、直角铰链等）结构的简单柔顺机构，研究人员开展了大量的理论研究工作，目前已经建立了相对完善的理论分析体系。然而，对于一些特殊应用场合，需要设计具有多铰链结构或长的运动转换结构的复杂、混合柔顺机构。在这种情况下，通过理论分析得到复杂、混合柔顺机构的输出特性比较困难，往往需要给定大量的简化和假设，导致理论分析结果与其实际输出特性不一致。另一方面，考虑到这些复杂、混合柔顺机构往往具有多个自由度运动输出或者存在寄生运动输出，通过现有位移传感器直接对其运动特性进行精密测量也比较困难。因此，针对这些复杂、混合柔顺机构的变形测量问题，需要建立更加精确的理论或者发展更为精密的试验手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂柔顺机构变形精密测试装置与测量方法，解决了现有技术存在的上述问题，实现了对复杂柔顺机构变形的精密测量，对于在精密定位、精密加工、显微操作、微夹持等领域具有广泛应用的柔顺机构的设计与分析提供新的技术手段。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

复杂柔顺机构变形精密测试装置，包括z轴调整单元、被测柔顺机构单元、接触探测单元、试件宏动调整单元，所述z轴调整单元通过螺钉与侧板2连接，被测柔顺机构单元通过螺钉安装在z轴调整单元的过渡连接件a4下端，试件宏动调整单元通过螺钉与底座1连接，接触探测单元通过过渡连接件b13安装在试件宏动调整单元上。

所述的z轴调整单元包括z轴宏动调整机构3和过渡连接件a4，实现被测柔顺机构单元沿z轴的上下调整。

所述的被测柔顺机构单元包括混合结构铰链5、压电叠堆6、压头安装座7、锁紧螺钉8和圆锥形金刚石压头9，所述混合结构铰链5通过螺钉安装在z轴调整单元下端，压电叠堆6通过楔块预紧安装在混合结构铰链5的凹槽内，压头安装座7通过熔融石蜡粘连在混合结构铰链5输出端一侧面，圆锥形金刚石压头9通过锁紧螺钉8安装在压头安装座7通孔内。

所述的接触探测单元包括试件10、载物台11、力传感器12和过渡连接件b13，所述试件10通过熔融石蜡粘连在载物台11上表面，载物台11通过螺纹与力传感器12上端相连接，力传感器12通过其下端螺纹杆安装在过渡连接件b13上，过渡连接件b13通过螺钉安装在试件宏动调整单元上端。

所述的试件宏动调整单元由y轴宏动调整机构14和x轴宏动调整机构15组成。

本发明的另一目的在于提供一种复杂柔顺机构变形精密测量方法，包括以下步骤：

a）将试件10通过熔融石蜡粘连载物台11上表面，调整y轴宏动调整机构14、x轴宏动调整机构15和z轴宏动调整机构3使试件10处于圆锥形金刚石压头9正下端；

b）调整z轴宏动调整机构3，使圆锥形金刚石压头9接近试件表面，利用力传感器12示数变化判断圆锥形金刚石压头9与试件表面的接触，当接触载荷为100mN时，停止调整z轴宏动调整机构3，之后反方向调整z轴宏动调整机构3，使得圆锥形金刚石压头9脱离试件10表面，此时在试件10表面形成一个残余压痕；调整y轴宏动调整机构14使试件10沿着y轴运动25μm，之后重复上述步骤，在试件表面沿着y轴形成三个残余压痕，用于确定测试后试件10表面的坐标系y轴；

c）当进行第四个压痕点时，保持圆锥形金刚石压头9与试件10之间的100mN接触载荷，之后给压电叠堆6施加驱动电压，此时压电叠堆伸长，驱动混合结构铰链5变形，使得圆锥形金刚石压头9与试件10之间产生相对滑动，从而在试件10表面形成一条划痕；