本發(fā)明涉及精密驅(qū)動(dòng)和材料微觀力學(xué)性能原位測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及微機(jī)電系統(tǒng)領(lǐng)域的儀器儀表類(lèi)，尤指一種基于柔性鉸鏈的壓電驅(qū)動(dòng)三爪仿生微尺寸夾持機(jī)構(gòu)，用于用于特征尺寸直徑0.1mm以下微小尺寸材料的夾持及測(cè)試。本發(fā)明可通過(guò)與掃描電鏡等成像儀器的兼容使用，對(duì)被測(cè)試件在單軸拉應(yīng)力、雙軸拉應(yīng)力的力學(xué)狀態(tài)下進(jìn)行原位檢測(cè)，對(duì)揭示碳纖維等微尺寸材料的變形損傷機(jī)制和性能演化規(guī)律提供了有效手段，為材料表征及深入理解材料力學(xué)性能提供測(cè)試裝備。

背景技術(shù)：

隨著科技的發(fā)展，在超精密加工、微電子工程、生物工程、納米技術(shù)等領(lǐng)域都迫切需要亞微米級(jí)甚至納米級(jí)的精密操作技術(shù)。在微型裝配系統(tǒng)中，微夾持器系統(tǒng)是保證整個(gè)微機(jī)械系統(tǒng)可靠性和功能的關(guān)鍵部分，其往往與微裝配、微操作等系統(tǒng)技術(shù)緊密聯(lián)系在一起。微夾持器作為一種典型的微執(zhí)行器，在微機(jī)械零件加工、微機(jī)械裝配和生物工程等多方面都有廣泛的應(yīng)用。

一個(gè)完備的微夾持器應(yīng)該包括驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)兩大部分，往往采用壓電疊堆進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其伸縮量與所施加的電壓有關(guān)，受環(huán)境溫度、濕度、電磁場(chǎng)、氣流等因素的影響較小。而傳動(dòng)環(huán)節(jié)采用柔性鉸鏈，它是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型的傳動(dòng)、支撐機(jī)構(gòu)，其利用薄弱環(huán)節(jié)的彈性變形來(lái)完成類(lèi)似的鉸鏈功能，具有體積小、無(wú)摩擦、運(yùn)動(dòng)間隙小和分辨率高等有點(diǎn)。但就目前情況來(lái)看，利用柔性鉸鏈與壓電疊堆組合的微夾持器還存在不足之處：首先國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)微夾持器的研究主要集中于實(shí)現(xiàn)夾持功能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論建模。余大海提出適用于慣性約束聚變（icf）靶夾持的多用微夾持器；郝永平提出一種用于mems（micro-electro-mechanicalsystem）裝配的微夾持器結(jié)構(gòu)；王代華提出一種壓電驅(qū)動(dòng)的微夾鉗及其開(kāi)環(huán)位移特性。但他們所設(shè)計(jì)的夾持器僅能實(shí)現(xiàn)微夾持功能，沒(méi)有考慮如何將夾持力傳感集成于結(jié)構(gòu)，不能檢測(cè)夾持器在工作狀態(tài)下的夾持力。而微夾持器在微夾持過(guò)程中，不僅需要完成對(duì)微小尺寸物體的夾持操作，還要避免在微夾持過(guò)程中對(duì)微小物體造成損傷或脫落。而現(xiàn)有的微夾持器僅屬于開(kāi)環(huán)控制，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)夾持里的實(shí)施檢測(cè)，從而對(duì)夾持力進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制。其次，現(xiàn)如今的采用柔性鉸鏈的微夾持器大多為平面柔性鉸鏈機(jī)構(gòu)，且僅具有夾持作用，難以與夾持相結(jié)合的對(duì)材料的微觀力學(xué)性能測(cè)試。

綜上，開(kāi)發(fā)可集成微尺寸試件夾持與材料微觀力學(xué)性能測(cè)試相結(jié)合，且能對(duì)夾持力進(jìn)行閉環(huán)控制的微夾持器，是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于柔性鉸鏈的壓電驅(qū)動(dòng)三爪仿生微尺寸夾持機(jī)構(gòu)，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的毫米級(jí)以下微尺寸試件不易夾持，難以對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能研究等問(wèn)題。本發(fā)明由壓電式并聯(lián)加載單元、柔性鉸鏈傳動(dòng)單元、仿生夾持端、夾持力檢測(cè)單元、高溫加載單元及組合式支撐單元組成。利用壓電驅(qū)動(dòng)元件測(cè)試精度高、體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快速和輸出位移易于控制等優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合仿生夾持端、夾持力檢測(cè)單元，本發(fā)明除可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸試件的夾持外，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)夾持力的預(yù)測(cè)及控制。與此同時(shí)，高溫加載單元、組合式支撐單元可與壓電驅(qū)動(dòng)三爪微尺寸夾持機(jī)構(gòu)組合使用，形成高溫服役條件下單軸應(yīng)力測(cè)試平臺(tái)。與雙軸基座組合，可構(gòu)成高溫服役條件下雙軸平面應(yīng)力狀態(tài)測(cè)試平臺(tái)。此外，本發(fā)明整體尺寸僅為30mm×26mm×16mm，可放置與掃描電鏡腔內(nèi)，與掃描電鏡等表征儀器配合使用，真正實(shí)現(xiàn)原位測(cè)試，為揭示碳纖維等微尺寸材料的變形損傷機(jī)制和性能演化規(guī)律提供了有效手段。

本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

基于柔性鉸鏈的壓電驅(qū)動(dòng)三爪仿生微尺寸夾持機(jī)構(gòu)，包括壓電式加載單元、柔性鉸鏈傳動(dòng)單元、仿生夾持單元、夾持力檢測(cè)單元、高溫加載單元、可拆卸支撐單元，其中，柔性鉸鏈傳動(dòng)單元中的柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端3、柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端4、柔性鉸鏈基座5及爪趾夾持端實(shí)為一體，柔性鉸鏈基座5中設(shè)有與多載荷封裝式壓電疊堆1寬度一致的溝槽，多載荷封裝式壓電疊堆1嵌入式安裝于所述溝槽內(nèi)，并通過(guò)壓電疊堆預(yù)緊塊2預(yù)緊；柔性鉸鏈基座5通過(guò)m3螺栓6、m3螺母10與組合式基座7剛性連接，雙軸基座8通過(guò)m2螺栓9與組合式基座7剛性連接；高溫加載單元中的鹵素加熱燈14通過(guò)螺紋連接方式與組合式基座7剛性連接；

所述壓電式加載單元包括三個(gè)多載荷壓電驅(qū)動(dòng)器、三個(gè)柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端4、三個(gè)柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端3，每個(gè)多載荷壓電驅(qū)動(dòng)器由壓電疊堆預(yù)緊塊2、多載荷封裝式壓電疊堆1組成；三個(gè)多載荷壓電驅(qū)動(dòng)器呈120°內(nèi)包絡(luò)式環(huán)形分布，安裝于柔性鉸鏈基座5的卡槽內(nèi)；未對(duì)多載荷封裝式壓電疊堆1施加電壓時(shí)，其受厚度可調(diào)的壓電疊堆預(yù)緊塊2作用，處于壓縮狀態(tài)；施加電壓時(shí)，其軸向伸長(zhǎng)，且長(zhǎng)方體形狀的多載荷封裝式壓電疊堆1具有輸出位移自檢測(cè)功能；

所述柔性鉸鏈傳動(dòng)單元是：多載荷封裝式壓電疊堆1的輸出位移通過(guò)下層柔性鉸鏈17轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端的面內(nèi)擴(kuò)張及以內(nèi)層柔性鉸鏈16的柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端4為支點(diǎn)的壓桿彎曲傳遞至爪趾夾持端；三個(gè)柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端2、三個(gè)柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端4及三個(gè)爪趾夾持端呈120°環(huán)形對(duì)稱分布，確保夾持軸線與材料軸線重合；

所述仿生夾持單元為三個(gè)爪趾夾持端，每個(gè)爪趾夾持端由生物非光滑表面11及土壤動(dòng)物的爪趾構(gòu)形12組成，多載荷封裝式壓電疊堆1的輸出位移通過(guò)柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端3及柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端4傳遞至爪趾夾持端，使爪趾夾持端產(chǎn)生形變實(shí)現(xiàn)對(duì)試件的夾持；爪趾夾持端具有的生物非光滑表面11及爪趾構(gòu)形12使爪趾夾持端與被夾持物間摩擦增大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微小尺寸、難以?shī)A持試件的夾持；

所述夾持力檢測(cè)單元是：電阻應(yīng)變片15直接黏附于爪趾夾持端的爪趾構(gòu)形12處，當(dāng)爪趾構(gòu)形12與被夾持微試件13接觸實(shí)現(xiàn)夾持時(shí)，爪趾構(gòu)形12尖端處形變最大，此處即為力傳感單元的位置，電阻應(yīng)變片15的應(yīng)變直接反應(yīng)夾持力的大小；通過(guò)標(biāo)定的方法分別確定壓電驅(qū)動(dòng)器輸入電壓、夾持力與力傳感器單元應(yīng)變的關(guān)系，可得出驅(qū)動(dòng)電壓與夾持力之間的關(guān)系，便于預(yù)測(cè)和控制夾持力。

所述可拆卸支撐單元由組合式基座7、雙軸基座8及螺栓9組成，當(dāng)組合式基座7單獨(dú)與柔性鉸鏈基座5通過(guò)螺栓6、螺母10剛性連接時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的單軸力學(xué)測(cè)試功能；雙軸基座8通過(guò)螺栓9與組合式基座7相連，通過(guò)6螺栓、螺母10與柔性鉸鏈基座5相連，實(shí)現(xiàn)雙軸力學(xué)測(cè)試功能；

所述高溫加載單元包括組合式基座7及鹵素加熱燈14，組合式基座7中心處具有環(huán)形凹槽結(jié)構(gòu)，鹵素加熱燈14直接內(nèi)嵌于組合式基座7中心，光源焦點(diǎn)即為被夾持微試件13中心處。

所述的多載荷封裝式壓電疊堆1呈120°內(nèi)包絡(luò)式環(huán)形分布，在電壓信號(hào)作用下其輸出的位移通過(guò)下層柔性鉸鏈17轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端的面內(nèi)擴(kuò)張及以內(nèi)層柔性鉸鏈16的柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端4為支點(diǎn)的壓桿彎曲傳遞至爪趾夾持端，最終實(shí)現(xiàn)爪趾夾持端向軸線方向的轉(zhuǎn)動(dòng)及靠近柔性鉸鏈基座5的回退運(yùn)動(dòng)；基于不同幅值的驅(qū)動(dòng)電壓，三個(gè)多載荷封裝式壓電疊堆1實(shí)現(xiàn)多樣的軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的組合形式，對(duì)應(yīng)于爪趾夾持端不同形式的位移；進(jìn)而，實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同直徑的被測(cè)微試件的夾持。

所述的爪趾夾持端具有生物非光滑表面11，爪趾夾持端表面分布球冠狀凸包，增大夾持阻力并顯著提高夾持端的使用壽命，使小尺寸試件夾持更緊密。爪趾夾持端頂部運(yùn)用土壤動(dòng)物的爪趾構(gòu)形12，當(dāng)多載荷封裝式壓電疊堆1的輸出運(yùn)動(dòng)傳遞至爪趾夾持端時(shí)，其頂部的爪趾構(gòu)形12增大夾持穩(wěn)定性；且三個(gè)爪趾夾持端呈120°空間對(duì)稱分布，當(dāng)對(duì)多載荷封裝式壓電疊堆1輸入相同電壓信號(hào)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方式一致，確保夾持時(shí)試件的中心與裝置幾何中心重合，保證對(duì)中性。

所述的夾持力檢測(cè)單元，將電阻應(yīng)變片15直接粘附于仿生夾持端的爪趾構(gòu)形12尖端形變最大處，通過(guò)標(biāo)定確定驅(qū)動(dòng)電壓與夾持力間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)夾持力的預(yù)測(cè)及控制；在微夾持過(guò)程中，不僅完成對(duì)微小尺寸物體的夾持操作，還避免了在微夾持過(guò)程中對(duì)微小物體造成損傷或脫落。

所述的組合式基座7通過(guò)m3螺栓6、m3螺母10與柔性鉸鏈基座5剛性連接，實(shí)現(xiàn)單軸力學(xué)測(cè)試；多載荷封裝式壓電疊堆1的輸出位移傳遞至爪趾夾持端時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方式除靠近中心軸的夾持外，還具有靠近柔性鉸鏈基座5的回退運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)于試件的夾緊及軸向拉伸；組合式基座7還可以與雙軸基座8通過(guò)m2螺栓9剛性連接，實(shí)現(xiàn)雙軸力學(xué)測(cè)試。

所述的高溫加載單元集成于組合式基座7中，鹵素加熱燈14直接內(nèi)嵌于組合式基座7中心處的環(huán)形凹槽中，光源焦點(diǎn)正對(duì)于被夾持微試件13中心處，構(gòu)建出高溫服役條件下的力學(xué)性能試驗(yàn)平臺(tái)。

本發(fā)明的有益效果在于：結(jié)構(gòu)精巧，整個(gè)裝置尺寸僅為30mm×26mm×16mm，通過(guò)壓電疊堆驅(qū)動(dòng)，柔性鉸鏈精確傳動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)特征尺寸直徑0.1mm以下微試件的夾持。運(yùn)用仿生夾持端可增大夾持的穩(wěn)定性完成對(duì)微小尺寸物體的夾持操作的同時(shí)，避免了在微夾持過(guò)程中對(duì)微小物體造成損傷或脫落。且可集成高溫加載單元、組合式支撐單元，通過(guò)與掃描電子顯微鏡等成像儀器設(shè)備的兼容使用，可對(duì)高溫服役環(huán)境和平面應(yīng)力狀態(tài)下材料的微觀力學(xué)機(jī)制進(jìn)行研究，為了解、揭示材料的力學(xué)性能和提升工程結(jié)構(gòu)的服役可靠性和穩(wěn)定性提供夾持方法。

附圖說(shuō)明

此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。

圖1為本發(fā)明的整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的單軸拉伸形式示意圖；

圖3為本發(fā)明的夾持機(jī)構(gòu)整體示意圖；

圖4為本發(fā)明的柔性鉸鏈整體示意圖；

圖5為本發(fā)明的仿生夾持端示意圖；

圖6為本發(fā)明的加載方式原理圖；

圖7為本發(fā)明的柔性鉸鏈傳動(dòng)原理圖。

圖中：1、多載荷封裝式壓電疊堆2、壓電疊堆預(yù)緊塊3、柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端4、柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端5、柔性鉸鏈基座6、m3螺栓7、組合式基座8、雙軸基座9、m2螺栓10、m3螺母11、生物非光滑表面12、爪趾構(gòu)形13、被夾持微試件14、鹵素加熱燈15、電阻應(yīng)變片；16、內(nèi)層柔性鉸鏈；17、下層柔性鉸鏈。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其具體實(shí)施方式。

參見(jiàn)圖1至圖7所示，本發(fā)明的基于柔性鉸鏈的壓電驅(qū)動(dòng)三爪仿生微尺寸夾持機(jī)構(gòu)，包括壓電式加載單元、柔性鉸鏈傳動(dòng)單元、仿生夾持單元、夾持力檢測(cè)單元、高溫加載單元、可拆卸支撐單元，柔性鉸鏈基座5上加工有規(guī)則溝槽，與多載荷封裝式壓電疊堆1尺寸匹配，多載荷封裝式壓電疊堆1內(nèi)嵌至柔性鉸鏈基座5的溝槽中，并通過(guò)厚度可調(diào)的預(yù)緊塊2進(jìn)行預(yù)緊，確保多載荷封裝式壓電疊堆1承受壓縮載荷。由壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器輸出電壓至多載荷封裝式壓電疊堆1，使得多載荷封裝式壓電疊堆1有位移輸出。柔性鉸鏈基座5保持固定，多載荷封裝式壓電疊堆1的輸出位移通過(guò)與其直接接觸的下層柔性鉸鏈17轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端3的面內(nèi)擴(kuò)張傳遞至爪趾夾持桿。三個(gè)爪趾夾持桿在空間上呈120°環(huán)形對(duì)稱分布并兩兩通過(guò)內(nèi)層柔性鉸鏈16圓柱形桿相連，在每個(gè)圓柱形桿上加工有兩組錐狀柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端4。當(dāng)運(yùn)動(dòng)傳遞至爪趾夾持桿時(shí)，以內(nèi)層柔性鉸鏈16球面副移動(dòng)端中心為運(yùn)動(dòng)支點(diǎn)，在彎矩作用下使得內(nèi)層柔性鉸鏈16圓柱桿彎曲，使得爪趾夾持端靠近試件，通過(guò)爪趾夾持端上加工出的生物非光滑表面11與爪趾構(gòu)形12對(duì)被測(cè)微試件13夾緊并有靠近柔性鉸鏈基座5的回退作用。可實(shí)現(xiàn)夾持及回退運(yùn)動(dòng)的基于柔性鉸鏈的壓電驅(qū)動(dòng)三爪仿生微尺寸夾持機(jī)構(gòu)，可通過(guò)m3螺栓6與組合式基座7相連，構(gòu)成可對(duì)被測(cè)微試件13進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)的力學(xué)測(cè)試平臺(tái)。若想測(cè)試平面應(yīng)力時(shí)，可將構(gòu)成的單軸拉伸試驗(yàn)平臺(tái)通過(guò)m2螺栓9與雙軸基座8結(jié)合，構(gòu)成四個(gè)夾持端在平面兩兩呈90°夾角的雙軸力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)。

所述壓電式加載單元包括三個(gè)多載荷壓電驅(qū)動(dòng)器、三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端3、三個(gè)球面副移動(dòng)端4，其中柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端3、柔性鉸鏈基座5、柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端4、爪趾夾持端實(shí)為一體。柔性鉸鏈基座5即柔性鉸鏈剛性部分內(nèi)加工有規(guī)則溝槽結(jié)構(gòu)，多載荷封裝式壓電疊堆1通過(guò)嵌入式方式安裝在柔性鉸鏈基座5中的溝槽內(nèi)。多載荷封裝式壓電疊堆1通過(guò)厚度可調(diào)的預(yù)緊塊2進(jìn)行預(yù)緊，確保多載荷封裝式壓電疊堆1承受壓縮載荷。柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)單元中柔性部分即柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端3與柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端4通過(guò)聚焦離子束切割，確保柔性部分可實(shí)現(xiàn)所需變形，對(duì)多載荷封裝式壓電疊堆1輸出位移進(jìn)行恒比率的線性放大，以實(shí)現(xiàn)爪趾夾持端對(duì)試件的夾持運(yùn)動(dòng)。柔性鉸鏈基座5通過(guò)螺栓6通過(guò)螺紋連接方式與組合式基座7剛性連接。雙軸基座8可與m2螺栓9通過(guò)螺紋連接方式與組合式基座7剛性連接。

所述的仿生夾持單元包括三個(gè)仿生夾持爪，其中每個(gè)仿生加持爪由生物非光滑表面11及爪趾構(gòu)形12組成。生物非光滑表面11具有凸包形非光滑形態(tài)，且凸包直徑從夾持端到柔性鉸鏈基座端直徑逐漸增大，與無(wú)特殊處理夾持端表面相比增加了夾持端與試件間的接觸面積，使夾持更為牢固。爪趾構(gòu)形12由典型土壤動(dòng)物爪趾構(gòu)形演變而來(lái)，確保了夾持端對(duì)試件的夾持更緊密、可靠。三個(gè)仿生夾持爪采用120°的內(nèi)包絡(luò)式環(huán)形分布，具有自對(duì)中性，確保了被夾持試件軸線與夾持機(jī)構(gòu)整體的軸線相重合。

所述的夾持力檢測(cè)單元包括爪趾構(gòu)形12、被夾持微試件13及電阻應(yīng)變片15，電阻應(yīng)變片15可直接黏附于仿生夾持端的爪趾構(gòu)形12處，當(dāng)爪趾構(gòu)形12與被夾持微試件13接觸實(shí)現(xiàn)夾持時(shí)，爪趾構(gòu)形12尖端處形變最大，此處即為力傳感單元的位置，電阻應(yīng)變片15的應(yīng)變直接反應(yīng)夾持力的大小。通過(guò)標(biāo)定的方法分別確定壓電驅(qū)動(dòng)器輸入電壓、夾持力與力傳感器單元應(yīng)變的關(guān)系，可得出驅(qū)動(dòng)電壓與夾持力之間的關(guān)系，便于預(yù)測(cè)和控制夾持力。在微夾持過(guò)程中，不僅完成對(duì)微小尺寸物體的夾持操作，還避免了在微夾持過(guò)程中對(duì)微小物體造成損傷或脫落。

所述的組合式支撐單元由m3螺栓6、m2螺栓9、m3螺母10、組合式基座7、雙軸基座8組成。組合式基座7中有兩平行對(duì)稱端面，端面中心加工有螺紋孔，柔性鉸鏈基座5中心加工有通孔，組合式基座7可與柔性鉸鏈基座5通過(guò)m3螺栓6固連。當(dāng)多載荷封裝式壓電疊堆1輸出位移后，通過(guò)柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端3及柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端4的位移傳遞，仿生夾持爪除了對(duì)試件加緊外還有回退運(yùn)動(dòng)，而組合式基座7此時(shí)給柔性鉸鏈傳動(dòng)單元一個(gè)支撐的推力，使被夾持微試件13受到拉力的作用，即構(gòu)成了可對(duì)微小尺寸試件做單軸拉伸試驗(yàn)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。除此之外，利用相同的原理，整個(gè)機(jī)構(gòu)還可與雙軸基座8通過(guò)m2螺栓9固連，構(gòu)成可進(jìn)行雙軸力學(xué)試驗(yàn)研究材料平面應(yīng)力狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

所述高溫加載單元包括組合式基座7及鹵素加熱燈14，組合式基座7中心處具有環(huán)形凹槽結(jié)構(gòu)，鹵素加熱燈14可直接內(nèi)嵌于組合式基座7中心，光源焦點(diǎn)即為被夾持微試件13中心處，構(gòu)成高溫服役條件下的力學(xué)性能測(cè)試平臺(tái)。

參見(jiàn)圖1至圖7，本發(fā)明涉及基于柔性鉸鏈的壓電驅(qū)動(dòng)三爪仿生微尺寸夾持機(jī)構(gòu)，測(cè)試裝置的整體尺寸約為30mm×26mm×16mm，三個(gè)內(nèi)置封裝型壓電疊堆的多載荷壓電驅(qū)動(dòng)器呈120°內(nèi)包絡(luò)環(huán)形分布安裝形式，通過(guò)下層柔性鉸鏈移動(dòng)副面內(nèi)擴(kuò)張及以內(nèi)層支點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)中心的運(yùn)動(dòng)傳遞，其在不同時(shí)序電壓下的軸向伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)于被夾持試件的不同夾持直徑。仿生夾持端采用生物非光滑機(jī)理及土壤動(dòng)物爪趾構(gòu)形，增大夾持摩擦力，可解決微小尺寸構(gòu)件夾持這一難題。夾持力檢測(cè)單元可檢測(cè)夾持端對(duì)試件的夾持力，避免損傷試件。此外，微夾持機(jī)構(gòu)還可與組合式支撐單元、高溫加載單元結(jié)合，構(gòu)建出高溫服役條件下位移可控的單軸、雙軸力場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)微小尺寸構(gòu)件單軸、雙軸力學(xué)性能測(cè)試功能。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，應(yīng)用范圍廣泛，可與掃描電鏡結(jié)合使用，為碳纖維等微尺寸材料的力學(xué)性能測(cè)試、表征提供有效工具。本發(fā)明中涉及到的元器件和具體型號(hào)為：多載荷封裝式壓電疊堆1的型號(hào)為pst150/2×3/5，陶瓷尺寸為2×3×5mm，剛度為45n/μm，諧振頻率為150khz，最大推力為300n，標(biāo)稱位移為5μm。預(yù)緊塊7采用線切割加工方式，其厚度可調(diào)，為1mm-1.2mm，可實(shí)現(xiàn)多載荷封裝式壓電疊堆9的預(yù)緊，最大預(yù)緊力可到100n。柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端4、柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端5、柔性鉸鏈基座5實(shí)為一體，其定位面和接觸面均做拋光平坦化處理。其中，柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端5的錐形表面加工分為兩個(gè)工序，分別為精密數(shù)控鏜削加工和快速刀具伺服加工。組合式基座7及雙軸基座8采用線切割加工方式，其定位面和接觸面均做拋光平坦化處理。生物非光滑表面11具有尺寸50μm-1μm，尺寸變化的凸包結(jié)構(gòu)，采用冷氣體動(dòng)力噴涂方式，以壓縮氣體為加速氣體，帶動(dòng)65mn粉末顆粒以室溫、超音速撞擊仿生夾持端表面，使金屬顆粒發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形而沉積形成涂層。爪趾構(gòu)形12因其尖端結(jié)構(gòu)微小，故采用聚焦離子束切割的加工方式。鹵素加熱燈14型號(hào)為g3，最高加熱溫度可達(dá)1200℃。電阻應(yīng)變片型號(hào)為日本共和khcd型高溫應(yīng)變片，可在850℃高溫環(huán)境下穩(wěn)定工作。

具體測(cè)試過(guò)程中，若僅實(shí)現(xiàn)對(duì)微尺寸試件夾持，則將三個(gè)多載荷封裝式壓電疊堆1嵌入柔性鉸鏈基座5的卡槽內(nèi)，將預(yù)緊塊2放置于兩者之間，實(shí)現(xiàn)對(duì)多載荷壓電疊堆1的預(yù)緊。再將柔性鉸鏈基座5通過(guò)m3螺栓6及m3螺母10安裝于固定平臺(tái)上。對(duì)多載荷封裝式壓電疊堆1輸入100v電壓，其產(chǎn)生的位移通過(guò)柔性鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)副移動(dòng)端3的面內(nèi)擴(kuò)張及以柔性鉸鏈球面副移動(dòng)端4的為支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得仿生夾持端實(shí)現(xiàn)對(duì)被夾持微試件13的夾持。爪趾構(gòu)形12處粘附的電阻應(yīng)變片15實(shí)現(xiàn)對(duì)夾持力的實(shí)時(shí)監(jiān)控，避免了在微夾持過(guò)程中對(duì)微小物體造成損傷或脫落。

若想實(shí)現(xiàn)對(duì)被夾持微試件13高溫服役條件下的力學(xué)性能測(cè)試，則需將安裝好的夾持機(jī)構(gòu)整體通過(guò)m3螺栓6及m3螺母10與組合式基座7相連，兩夾持機(jī)構(gòu)面對(duì)面對(duì)稱安裝，對(duì)多載荷壓電疊堆驅(qū)動(dòng)器1輸入電壓，在夾持過(guò)程中同步實(shí)現(xiàn)回退運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)被夾持微試件13實(shí)現(xiàn)單軸力學(xué)性能測(cè)試。鹵素加熱燈14內(nèi)嵌于組合式基座7中心處的環(huán)形凹槽內(nèi)，對(duì)鹵素加熱燈14施加220v電壓，確保其實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)。

若想實(shí)現(xiàn)對(duì)被夾持微試件13高溫服役條件下雙軸平面力學(xué)性能測(cè)試，則需先將被夾持微試件13放置于安裝好的單軸力學(xué)測(cè)試平臺(tái)內(nèi)，安裝好的夾持機(jī)構(gòu)整體通過(guò)螺紋連接與雙軸基座8相連，再將雙軸基座8通過(guò)m2螺栓9與安裝好的單軸力學(xué)測(cè)試平臺(tái)中的組合式基座7相連，且安裝時(shí)保證雙軸試件中未被夾持的兩端與雙軸基座8上安裝的夾持機(jī)構(gòu)整體同軸。安裝好后即可實(shí)現(xiàn)高溫服役條件下的雙軸力學(xué)性能測(cè)試。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。