技术领域
[0001] 本实用新型属于压电精密致动技术领域，涉及一种纤维推出装置，尤其涉及一种蜂窝放大式的纤维推出装置。
背景技术
[0002] 压电作动技术是利用压电材料的逆
压电效应，将
电能转化为宏观运动的机械能新兴技术，因其相关元器件体积小、
精度高、响应快、断电自
锁、不受
电磁干扰等优点，可以满足诸多高新技术领域的要求。根据作动时激振方式的不同，可以分为共振式与非共振式两种，共振式的核心元件为单片压电陶瓷片，利用压电元件激发弹性体的共振，得到放大的
变形，将变形通过摩擦驱动输出部件形成宏观运动。非共振式与共振式的作动方式较为相似，区别在于核心元件为叠
层压电陶瓷，工作时不需要利用弹性体的共振模态。非共振式避开了共振模态的运用，从而更适合于各种环境下的使用。
[0003] 纤维推出测试的目的是测试从纤维玻片中推出单根纤维时的关键性能参数变化情况，主要测定量包括推出速度与推出
力，由于单根纤维的尺度在微米级，通常需要测试装置具有百
牛以上的大推力、微米级的
定位精度以及较好的步进可控性。早起的纤维推出装置通常采用伺服
电机实现推出，可以满足大推力与大行程，不足之处在于精度不高，难以确保步进运动可控性，容易导致纤维破坏。
[0004] 名称为一种基于叠层压电陶瓷的纤维推出装置及其工作方法的实用新型
专利申请(申请号为201910061558.3)公开了一种纤维推出装置，虽然采用了压电元件，但是这种横向叠层的压电陶瓷结构，在推动的过程中容易失稳，而且易因受到剪切力而损坏。此外，其能够产生的推出位移有限，有时无法将单根纤维完整推出，无法获得单根纤维与玻片间完整的残余
应力。其次，横推式的结构分布导致位移输出结构的自重对顶针产生侧向干扰，影响测试结果。实用新型内容
[0005] 本实用新型提供一种蜂窝放大式的纤维推出装置，以克服
现有技术的
缺陷。
[0006] 为实现上述目的，本实用新型提供一种蜂窝放大式的纤维推出装置，包括
工作台、手动调节微动平台和蜂窝式位移输出机构；手动调节微动平台固定在工作台上，蜂窝式位移输出机构固定在手动调节微动平台的前侧，通过调节手动调节微动平台，带动蜂窝式位移输出机构上下移动；蜂窝式位移输出机构包括框式蜂窝式放大机构、顶针和若干组放大组件；框式蜂窝式放大机构为框体，具有机构固定部、两个竖直放大段和顶针固定部，机构固定部位于顶针固定部的上方，两个竖直放大段竖直地设置在上固定部和下顶针固定段之间；机构固定部固定在手动调节微动平台的前侧顶针固定在顶针固定部的下端；放大组件的数量为复数，若干组放大组件分为两列、一一对称地设置在两个竖直放大段上；放大组件包括桥式放大机构、压电陶瓷组、压电陶瓷正极输入接线和压电陶瓷负极输入接线；桥式放大机构相接在竖直放大段上，桥式放大机构的位移输出端与竖直放大段的竖直长度方向一致；压电陶瓷组横向设置在桥式放大机构内，与桥式放大机构的位移输入端一致；压电陶瓷正极输入接线和压电陶瓷负极输入接线均连接在压电陶瓷组上；被检测的纤维玻片被固定在工作台上，位于顶针的下方；蜂窝式位移输出机构可通过调节手动调节微动平台，下移至顶针对准贴于纤维玻片的单根纤维上，通过压电陶瓷正极输入接线和压电陶瓷负极输入接线向压电陶瓷组输入
信号，压电陶瓷组伸长，输出位移，该位移经桥式放大机构放大，框式蜂窝式放大机构伸长，顶针随之下移，将纤维玻片的单根纤维推出。
[0007] 进一步，本实用新型提供一种蜂窝放大式的纤维推出装置，还可以具有这样的特征：其中，放大组件的数量为四个。
[0008] 进一步，本实用新型提供一种蜂窝放大式的纤维推出装置，还可以具有这样的特征：其中，桥式放大机构为具有割缝的矩形框；矩形框与框式蜂窝式放大机构的竖直放大段一体成型，矩形框的上边和下边的中部分别与竖直放大段连续相接；矩形框的上横边具有两条割口朝向上端、前后贯穿的内割缝，两个内割缝分别位于竖直放大段左右两侧的相对
位置，上横边还具有两条割口朝向下端、前后贯穿的外割缝，两个外割缝分别位于矩形框两竖边内侧的相对位置；矩形框下横边的割缝与上横边相对称设置。
[0009] 进一步，本实用新型提供一种蜂窝放大式的纤维推出装置，还可以具有这样的特征：其中，压电陶瓷组夹持固定在桥式放大机构的两个竖边之间。
[0010] 进一步，本实用新型提供一种蜂窝放大式的纤维推出装置，还可以具有这样的特征：其中，工作台前后方向的竖向截面呈倒T字形，中部的表面高于前部和后部的表面，手动调节微动平台固定在工作台中部的表面上，纤维玻片被固定在工作台前部的表面上。
[0011] 进一步，本实用新型提供一种蜂窝放大式的纤维推出装置，还可以具有这样的特征：其中，工作台具有两个固定玻片夹，固定玻片夹的端部通过螺钉固定在工作台上，纤维玻片被固定压在固定玻片夹下。
[0012] 进一步，本实用新型提供一种蜂窝放大式的纤维推出装置，还可以具有这样的特征：其中，工作台具有采集割缝，设置在顶针的正下方。
[0013] 进一步，本实用新型提供一种蜂窝放大式的纤维推出装置，还可以具有这样的特征：其中，手动调节微动平台具有固定主体和上下运动平台，固定主体固定在工作台上，上下运动平台设置在固定主体的前侧，可相对于固定主体上下调整移动；蜂窝式位移输出机构固定在上下运动平台的前侧。
[0014] 本实用新型的有益效果在于：
[0015] 一、与传统的电机驱动装置相比，本纤维推出装置应用压电陶瓷组作为驱动元件，具备了断电自锁功能，避免了
伺服电机的惯性作用影响，确保了步进测试中的可控性。
[0016] 二、与现有压电陶瓷的推出装置相比，本纤维推出装置运用了蜂窝式的放大结构，在实现放大位移，达到更大行程的同时，确保了推出过程的推力。
[0017] 首先，蜂窝式放大机构采用桥式放大机构对叠层压电陶瓷产生的位移进行了放大，相比先前的压电陶瓷推出装置，能够产生的推出位移放大了2-3倍，有利于将单根纤维从纤维玻片中完整推出，从而完整的测得单根纤维与玻片之间的残余应力。
[0018] 其次，蜂窝式放大机构采用左右对称的分散结构布置，一方面避免了在力与位移的输出线上布置过多元件从而导致推动过程中结构失稳，另一方面在一定程度上降低了叠层压电陶瓷因受剪切力而损坏的可能性。
[0019] 此外，相比于先前压电陶瓷推出装置的卧倒横推的结构布置，蜂窝式放大机构采用竖直排列形式，避免了位移输出结构自重对顶针的侧向干扰，受力分布更为均匀，控制更为准确，同时也使得外围测量设备的添加更为便捷。
[0020] 三、对于构成蜂窝结构的桥式放大机构，首先，压电陶瓷在伸长时输出的力远大于其回缩时由于机构回弹所产生的力，采用本桥式放大机构可以使得压电陶瓷在伸长时在顶针端输出推出位移，可以提供较大的输出力与位移。其次，本桥式放大机构一体化加工，可以通过调节割缝的尺寸来灵活控制机构的放大系数，加工方便，结构紧凑。此外，通过横向撑开结构置入压电陶瓷，再恢复结构的方式施加压电陶瓷正常工作所需的预紧力，装配方便，作动可靠。
[0021] 四、本装置可通过两种工作方法来获得纤维推出过程中的内力变化情况，根据该内力变化情况可以推导出纤维界面剪切强度与界面
断裂韧性等几个
复合材料界面关键性能参数，从而进一步研究纤维复合材料材料变形和失效机制。
[0022] 本实用新型为了解决由于现有纤维推出装置存在的行程、精度、可控性不可兼得而产生的实验结果误差较大的问题，提供了一种蜂窝放大式的纤维推出装置及其工作方法，采用压电元件构建的纤维推出装置可以有效的满足纤维推出过程中推力、行程以及精度要求，可以提高装置在行程、精度、可控性等关键参数方面的兼容性，同时利用一定的传感测试装备容易测定系列参数，较为准确的测定单根纤维推出情况。本实用新型具有装置结构简单、响应速度快、定位精度高等优点。
附图说明
[0023] 图1是蜂窝放大式的纤维推出装置的整体结构示意图；
[0024] 图2是蜂窝放大式的纤维推出装置的结构分解示意图；
[0025] 图3是蜂窝式位移输出机构的结构示意图；
[0026] 图4是蜂窝式位移输出机构的部分结构分解示意图；
[0027] 图5是图3中I区域的放大图；
[0028] 图6是桥式放大机构的主视图；
[0029] 图7是多组放大组件的蜂窝式位移输出机构的结构示意图；
[0030] 图8是方法一中纤维推出装置的工作示意图；
[0031] 图9是方法二中放大组件的结构示意图
[0032] 图10是方法二的具体算例中步骤一的标定外界压力与压电陶瓷组产生的
电压示数变化关系图；
[0033] 图11是方法二的具体算例中步骤三的推出过程内力变化情况图。
具体实施方式
[0034] 以下结合附图来说明本实用新型的具体实施方式。
[0035] 如图1和2所示，本实用新型提供一种蜂窝放大式的纤维推出装置，包括工作台1、手动调节微动平台2和蜂窝式位移输出机构3。
[0036] 手动调节微动平台2固定在工作台1上，蜂窝式位移输出机构3固定在手动调节微动平台2的前侧，通过调节手动调节微动平台2，带动蜂窝式位移输出机构3上下移动。
[0037] 具体的，工作台1为前后对称结构，前后方向的竖向截面呈倒T字形，中部的表面高于前部和后部的表面。手动调节微动平台2固定在工作台1中部的表面上。
[0038] 手动调节微动平台2具有固定主体21和上下运动平台22。固定主体21下端两侧的边沿通过螺钉固定在工作台1的中部表面上。上下运动平台22设置在固定主体21的前侧，可相对于固定主体21上下调整移动。手动调节微动平台的型号为MS-XYZ25-63手动三维平移台。
[0039] 如图1-6所示，蜂窝式位移输出机构3包括框式蜂窝式放大机构31、顶针32和四组放大组件33。
[0040] 框式蜂窝式放大机构31为框体，具有机构固定部311、两个竖直放大段312和顶针固定部313。机构固定部311位于顶针固定部313的上方，两个竖直放大段312竖直地设置在上固定部和下顶针32固定段之间。
[0041] 机构固定部311通过四个螺钉固定在手动调节微动平台2的上下运动平台22的前侧。
[0042] 顶针32固定在顶针固定部313的下端，与顶针固定部313
螺纹连接。
[0043] 放大组件33包括桥式放大机构331、压电陶瓷组332、压电陶瓷正极输入接线333和压电陶瓷负极输入接线334。
[0044] 桥式放大机构331相接在竖直放大段312上，桥式放大机构331的位移输出端a与竖直放大段312的竖直长度方向一致，如图6所示。压电陶瓷组332横向设置在桥式放大机构331内，与桥式放大机构331的位移输入端b一致。
[0045] 具体的，桥式放大机构331为具有割缝的矩形框。矩形框与框式蜂窝式放大机构31的竖直放大段312一体成型，矩形框的上边和下边的中部分别与竖直放大段312连续相接。
[0046] 矩形框的上横边具有两条割口朝向上端、前后贯穿的内割缝3311，两个内割缝3311分别位于竖直放大段312左右两侧的相对位置。上横边还具有两条割口朝向下端、前后贯穿的外割缝3312，两个外割缝3312分别位于矩形框两竖边内侧的相对位置。矩形框下横边的割缝与上横边相对称设置。
[0047] 压电陶瓷组332夹持固定在桥式放大机构331的两个竖边之间。即压电陶瓷组332的长度大于桥式放大机构331两个竖边之间的距离，安装时，横向撑开桥式放大机构331置入压电陶瓷组332。当压电陶瓷组332横向伸长时，即在桥式放大机构331的位移输入端输入位移，使桥式放大机构331的上下端距离增大，即桥式放大机构331的位移输出端输出位移，实现放大过程。
[0048] 压电陶瓷正极输入接线333和压电陶瓷负极输入接线334均连接在压电陶瓷组332上。
[0049] 本
实施例中，放大组件33也可以为其他数量，需满足：放大组件的数量为复数，若干组放大组件分为两列、一一对称地设置在两个竖直放大段上，如图7所示。
[0050] 被检测的纤维玻片4被固定在工作台1前部的表面上，位于顶针32的下方。具体的，工作台1具有两个固定玻片夹11，固定玻片夹11的端部通过螺钉固定在工作台1前部的表面上上，纤维玻片4被固定压在固定玻片夹11下。
[0051] 其中，工作台1具有采集割缝12，设置在顶针32的正下方，用于收集测试中推出的单根纤维。
[0052] 使用时，蜂窝式位移输出机构3可通过调节手动调节微动平台2，下移至顶针32对准贴于纤维玻片4的单根纤维上。通过压电陶瓷正极输入接线333和压电陶瓷负极输入接线334向压电陶瓷组332
输入信号，压电陶瓷组332伸长，输出位移，该位移经桥式放大机构331放大，框式蜂窝式放大机构31伸长，顶针32随之下移，将纤维玻片4的单根纤维推出。
[0053] 蜂窝放大式的纤维推出装置的工作方法一：
[0054] 步骤一、如图8所示，在工作台1和纤维玻片4之间布置压力
传感器，并在工作台1的前方设置一台
显微镜5，可观察顶针32与纤维玻片4中的单根纤维的对准情况。
[0055] 步骤二、通过显微镜5的观察，调节手动调节微动平台2的上下运动平台22，使其带动顶针32下移对准并贴紧纤维玻片4中的单根纤维。通过压电陶瓷正极输入接线和压电陶瓷负极输入接线向压电陶瓷组输出由信号发生器和功率
放大器产生的周期性阶梯波信号，经由蜂窝式放大机构在顶针32输出放大后的位移，记录推出单根纤维过程中
压力传感器的示数变化情况，从而得到纤维推出过程中的内力变化情况。
[0056] 蜂窝放大式的纤维推出装置的工作方法二：
[0057] 步骤一、将未安装在桥式放大机构的压电陶瓷组(即安装前单独的压电陶瓷组)接入电荷放大器，对压电陶瓷组施加压力，记录电荷放大器示数变化情况，标定外加压力与压电陶瓷组产生的电压之间的关系。由于各压电陶瓷组相同，因此仅标定一个压电陶瓷组的外加压力与产生电压的关系即可。
[0058] 步骤二、将各压电陶瓷组安装入相应的桥式放大机构。并在压电陶瓷组332上连接一根压电陶瓷组正极传感接线335和一根压电陶瓷组负极传感接线336，如图9所示。压电陶瓷组正极传感接线和压电陶瓷组负极传感接线接入电荷放大器。再在工作台的前方设置一台显微镜，可观察顶针与纤维玻片中的单根纤维的对准情况。
[0059] 步骤三、通过显微镜的观察，调节手动调节微动平台的上下运动平台22，使其带动顶针32下移对准并贴紧纤维玻片4中的单根纤维。压电陶瓷正极输入接线333和压电陶瓷负极输入接线334向压电陶瓷组332输出由信号发生器和
功率放大器产生的周期性阶梯波信号，经由蜂窝式放大机构在顶针32输出放大后的位移，同时记录顶出单根纤维过程中由压电陶瓷组正极传感接线335和压电陶瓷组负极传感接线336连接的电荷放大器的示数变化情况，根据步骤一标定的关系推导纤维推出过程的内力变化情况。
[0060] 具体算例如下：
[0061] 步骤一得到的标定外界压力与压电陶瓷组产生的电压示数变化关系如图10和下表所示：
[0062] F/N 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5U/mV 11 14 16.3 20 23 26 30
[0063] 图10中，横坐标为电荷放大器示数，纵坐标为外界压力。
[0064] 步骤三、压电陶瓷组接入周期性阶梯波信号如下表所示：(只有信号为上升阶梯时可以有效推出，以五个台阶为例，实际信号台阶数越多，结果约接近真实情况。)[0065]
[0066]
[0067] 同时，从压电陶瓷组中引出的压电陶瓷组正极传感接线和压电陶瓷组负极传感接线，接入电荷放大器记录顶出过程的示数变化情况如下表所示：(过滤掉本身接入的阶梯波信号)。
[0068]t/s 0 1 2 3 4 5
Ue/V 0 10.8 14.3 15 15.8 16.2
[0069] 再根据步骤一得到的标定关系获得推出过程内力变化情况如图10和下表所示：
[0070]t/s 0 1 2 3 4 5
Fi/N 0 0.538 1.098 1.21 1.338 1.402
[0071] 图11中，横坐标为时间，纵坐标为推导得到的内力。
