CN102013755A

CN102013755A - 一种复合式刚性作动器

Info

Publication number: CN102013755A
Application number: CN2010105628080A
Authority: CN
Inventors: 李伟鹏; 黄海; 罗波
Original assignee: Beihang University
Current assignee: BEIJING HANGYU ZHENKONG TECHNOLOGY Co.,Ltd.
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2030-11-29
Also published as: CN102013755B

Abstract

一种复合式刚性作动器，它包括：宏动部分、微动部分和测量部分。它们的位置连接关系为：宏动部分与微动部分通过测量部分的接头相连，测量部分的接头将测量部分的耳片与宏动部分的宏动外筒相连，测量部分的速度传感器、加速度计与测量部分的耳片在外部相连，微动部分的底盖与测量部分的力传感器固定；宏动部分与微动部分采用“背对背”连接方式，其传力路线依次为左端盖、宏动外筒、接头、力传感器，最后由微动部分的输出头输出。本发明结构新颖，构思科学，它能够适应结构/机构体及安装其上的高精密设备对振动和变形干扰控制的要求。它在结构/机构振动、形状主动控制技术领域里具有较好的实用价值和广阔地应用前景。

Description

一种复合式刚性作动器

(一)技术领域

本发明涉及一种复合式刚性作动器，属于结构/机构振动、形状主动控制技术领域。

(二)技术背景

随着现代科学技术的不断发展，结构/机构体及安装其上的高精密设备对振动和变形越来越敏感，这要求结构/机构具备对振动和变形的控制能力，而主动控制是解决该问题行之有效的手段之一。作动器又称主动元件，是结构/机构振动、形状主动控制中的重要组成部分，其作用在于按照控制指令输出相应的力或位移，从而改变结构/机构的动、静态特性。结构/机构振动主动控制要求作动器具备良好的高频精确小位移作动能力，而形状主动控制则要求作动器具备大幅作动和精确位置保持能力。此外，作动器本身还需要具备一定的物理量测量能力。基于上述考虑，本发明通过特殊的设计，将作动行程大、定位精度较高(μm量级)的滚珠丝杠作动器和响应速度快、线性度优良且定位精度更高(nm量级)的压电陶瓷作动器在力学上串连，还将包括力传感器、加速度计、速度传感器、应变片等与作动器集成。其中，滚珠丝杠作动器和压电陶瓷作动器刚度均较高，易于实现断电情况下的精确位置保持；所集成的传感器可对多种物理量实施测量。因此，本发明——一种复合式刚性作动器具备结构/机构振动、形状主动控制的能力。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的旨在提供一种复合式刚性作动器，它用于结构/机构振动和变形的主动控制，以适应结构/机构体及安装其上的高精密设备对振动和变形干扰控制的要求。

2、技术方案：本发明一种复合式刚性作动器，它包括：宏动部分、微动部分和测量部分。它们的位置连接关系为：宏动部分与微动部分通过测量部分的接头相连，测量部分的接头将测量部分的耳片与宏动部分的宏动外筒相连，测量部分的速度传感器、加速度计与测量部分的耳片在外部相连，微动部分的底盖与测量部分的力传感器固定。本发明的宏动部分与微动部分采用“背对背”连接方式，其传力路线依次为左端盖、宏动外筒、接头、力传感器，最后由微动部分的输出头输出，如图2所示。其中“→”表示传力路线。

所述宏动部分(见图3、图4所示)包括：花键、空心花键轴、丝杠螺母、丝杠轴、圆筒托架、联轴器、减速机、电机、宏动外筒、左端接头、左端盖和左螺母。它们之间的位置连接关系是：花键套在空心花键轴上，其一端靠在圆筒托架的孔肩上，另一端由左端接头旋入圆筒托架的左端螺纹压紧。左端接头通过左端盖旋入宏动外筒的左端螺纹将其压紧。左螺母将左端接头固定在左端盖上。丝杠螺母套在丝杠轴上并且与空心花键轴后端固定，丝杠轴深入空心花键轴的空心中，其后端通过联轴器与减速机的输出轴固定，减速机通过法兰固定在圆筒托架后端，电机的输出轴与减速机的输入端固定连接。该花键可根据需要选购；该空心花键轴根据需要设计；该丝杠螺母和丝杠轴可根据需要选购；该丝杠轴的末端预留了光轴，光轴的形状用户可自主设计；该减速机为直线型，可根据需要选购；该电机为带码盘的直流旋转电机，可根据需要选购；该圆筒托架是两端加工螺纹孔的管状结构件。该联轴器是两端加工有特殊形状孔且两端可以通过螺栓加压拧紧的结构件；该宏动外筒是两端加工螺纹孔的管状结构件；该左端接头是两端加工螺纹，外加工有阶梯轴，内加工通孔的结构件；该左端盖是右端加工螺纹，外加工轴肩，内加工通孔的结构件；该左螺母是自主设计的圆型扁平螺母。

所述微动部分包括：底盖、外壳、压电堆、端盖、输出头、预紧弹簧、微动外筒、右端盖和右螺母。它们之间的位置连接关系是：压电堆两端分别装在输出头下部和底盖上部的V型槽内，外壳底端固定在底盖上，端盖固定在外壳顶端并且通过预紧弹簧压住输出头肩部以产生预紧力(见图5所示)，输出头的前端轴从预紧弹簧中心孔穿出。右端盖通过螺纹与微动外筒紧固，右螺母将端盖与右端盖紧固。该压电堆为表面粘贴应变片的柱状陶瓷体，由多片压电陶瓷薄片在电学上并联、力学上串联构成，可在电场作用下产生伸缩并输出实际位移，型号为QDS-5-5-50，是市购产品；该预紧弹簧为蝶形弹簧，可根据需要选购；该输出头为前端加工外螺纹、后端带V型槽的阶梯轴状结构件；该端盖为前端加工外螺纹中间开孔、后端全通且加工内螺纹的帽状结构件；该外壳为前端加工外螺纹、后端加工内螺纹的管状结构件；该底盖为前端带V型槽、后端加工螺纹孔的阶梯轴状结构件；该微动外筒是右端加工螺纹的管状结构件；该右端盖是左端加工螺纹，外加工轴肩，内加工通孔的结构件；该右螺母是自主设计的圆型扁平螺母。

所述测量部分包括：接头、力传感器、速度传感器、耳片和加速度计。他们之间的位置连接关系是：力传感器固定在接头中心，速度传感器和加速度计固定在耳片两侧呈对称分布，耳片通过接头与宏动部分的宏动外筒压紧。该力传感器为单轴压电式，可根据需要选购；该速度传感器为单轴电磁式，可根据需要选购；该加速度计为单轴压电式可根据需要选购；该接头是左端加工螺纹，外加工轴肩的轴状结构件；该耳片是为根据需要设计的薄片结构件。

本发明的工作过程为：宏动部分的电机通过减速机带动丝杠轴及丝杠螺母运动以实现空心花键轴的伸缩，电机的位移可由码盘反馈，从而实现大幅作动和精确位置保持；与此同时，微动部分的压电堆在电场驱动下产生线形微变形并通过输出头输出位移，压电堆的位移可由粘贴其上的应变片反馈，从而实现快速精确响应；测量部分则对工作过程中的轴向力、速度和加速度予以感测。宏动部分、微动部分和测量部分共同作用，实现结构/机构振动、形状主动控制。

3、优点及功效：本发明的优点在于：

(1)滚珠丝杠作动行程大且定位精度较高；压电作动器响应速度快、线性度优良并具有更高的定位精度；两者共同的优势是刚性较高、功耗较低、技术成熟可靠。

(2)通过花键以及空心花键轴，可以只输出轴向运动，限制不必要的转动输出。

(3)通过力传感器、速度传感器和加速度计的综合使用可以实现多物力量测量。

(四)附图说明

图1本发明的三维1/4剖视图；

图2本发明的传力示意图；

图3本发明的半剖平面视图

图4本发明的宏动部分剖视图；

图5本发明的微动部分与测量部分剖视图。

图中标号具体如下：

1、花键 2、空心花键轴 3、丝杠螺母 4、丝杠轴 5、圆筒托架 6、联轴器 7、减速机 8、电机 9、宏动外筒 10、左端接头 11、左端盖 12、左螺母 13、接头 14、力传感器 15、底盖 16、外壳 17、压电堆 18、端盖 19、预紧弹簧 20、输出头 21、右端盖 22、右螺母 23、微动外筒 24、速度传感器 25、耳片 26、加速度计；

B为宏动部分，C为微动与测量部分，F为力的代号。

(五)具体实施方案

下面结合附图及具体实例，对本发明的技术方案做进一步说明。

本发明的目的旨在提供一种复合式刚性作动器，它用于结构/机构振动和变形的主动控制，以适应结构/机构体及安装其上的高精密设备对振动和变形干扰控制的要求。

本发明一种复合式刚性作动器，它包括：宏动部分、微动部分和测量部分。他们的位置连接关系为：宏动部分与微动部分通过测量部分的接头13相连，测量部分的接头13将测量部分的耳片25与宏动部分的宏动外筒9相连，测量部分的速度传感器24、加速度计26与测量部分的耳片25在外部相连，微动部分的底盖15与测量部分的力传感器14固定。本发明的宏动部分与微动部分采用“背对背”连接方式，其传力路线依次为左端盖11、宏动外筒9、接头13、力传感器14，最后由微动部分的输出头20输出，如图2所示。其中“→”表示传力路线。

(a)如图4所示，所述宏动部分包括：花键1、空心花键轴2、丝杠螺母3、丝杠轴4、圆筒托架5、联轴器6、减速机7、电机8、宏动外筒9、左端接头10、左端盖11、左螺母12。它们之间的位置连接关系是：花键1套在空心花键轴2上，其一端靠圆通托架5孔肩上，另一端由左端接头10旋入圆通托架5的左端螺纹压紧；左端接头10通过左端盖11旋入宏动外筒9的左端螺纹将其压紧，左螺母12将左端接头10固定在左端盖11上；丝杠螺母3套在丝杠轴4上并且与空心花键轴2后端固定，丝杠轴4深入空心花键轴2的空心中，其后端通过联轴器6与减速机7输出轴固定；减速机7通过法兰固定在圆筒托架后端，电机8输出轴与减速机7输入端固定。该花键1的型号为THK公司的LT8，是市购产品；该丝杠螺母3的型号为MDK0401-3，是市购产品；该丝杠轴4的型号为MDK0401-3，是市购产品，其末端预留了光轴，用户可自主设计形状；该减速机7为直线型，型号为上海新仪公司的P16行星齿轮减速机，是市购产品；该电机8为带码盘的直流旋转电机，型号为德国Faulhaber公司的2224U003SR，是市购产品；该圆筒托架5是两端加工螺纹孔的管状结构件；该联轴器6是两端加工有特殊形状孔且两端可以通过螺栓加压拧紧的结构件；该宏动外筒9是两端加工螺纹孔的管状结构件；该左端接头10是两端加工螺纹，外加工阶梯轴，内加工通孔的结构件；该左端盖11是右端加工螺纹，外加工轴肩，内加工通孔的结构件；该左螺母12是自主设计的扁平螺母。

(b)如图3和图5所示，所述微动部分包括：底盖15、外壳16、压电堆17、端盖18、预紧弹簧19、输出头20、右端盖21、右螺母22、微动外筒23。它们之间的位置连接关系是：压电堆17两端分别装在输出头20下部和底盖15上部的V型槽内，外壳16底端固定在底盖15上；端盖18固定在外壳顶端并且通过预紧弹簧20压住输出头肩部以产生预紧力，输出头20的前端轴从预紧弹簧19中心孔穿出；右端盖21通过螺纹与微动外筒23紧固。右螺母22将端盖18与右端盖21紧固。该压电堆17为表面粘贴应变片的柱状陶瓷体，由多片压电陶瓷薄片在电学上并联、力学上串联构成，可在电场作用下产生伸缩并输出实际位移，型号为QDS-5-5-50，是市购产品；该预紧弹簧19为蝶形弹簧，其规格是DIN2093，是市购产品；该输出头20为前端加工外螺纹、后端带V型槽的阶梯轴状结构件；该端盖18为前端加工外螺纹中间开孔、后端全通且加工内螺纹的帽状结构件；该外壳16为前端加工外螺纹、后端加工内螺纹的管状结构件；该底盖15为前端带V型槽、后端加工螺纹孔的阶梯轴状结构件；该微动外筒23是右端加工螺纹的管状结构件；该右端盖21是左端加工螺纹，外加工轴肩，内加工通孔的结构件；该右螺母22是自主设计的扁平螺母。

(c)如图5所示，所述测量部分包括：接头13、力传感器14、速度传感器24、耳片25和加速度计26。他们之间的位置连接关系是：力传感器14固定在接头13中心，速度传感器24和加速度计26固定在耳片25两侧呈对称分布；耳片25通过接头13与宏动外筒9压紧。该力传感器14为单轴压电式，型号为CL-YD-312，是市购产品；该速度传感器24为单轴电磁式，型号为CS-CD-010，是市购产品；该加速度计26为单轴压电式，型号为CA-YD-117，是市购产品；该接头是左端加工螺纹，外加工轴肩的轴状结构件；该耳片是为根据需要设计的薄片结构件。

本发明的工作过程为：宏动部分的电机8通过减速机7带动丝杠螺母3及丝杠轴4运动以实现空心花键轴2的伸缩，电机8的位移可由电机自带码盘反馈，从而实现大幅作动和精确位置保持；与此同时，微动部分的压电堆17在电场驱动下产生线形微变形并通过输出头20输出位移，压电堆17的位移可由粘贴其上的应变片反馈，从而实现快速精确响应；测量部分则对工作过程中的轴向力、速度和加速度予以感测。宏动部分、微动部分和测量部分共同作用，实现结构/机构振动、形状主动控制。

Claims

1.一种复合式刚性作动器，其特征在于：它包括：宏动部分、微动部分和测量部分，宏动部分与微动部分通过测量部分的接头相连，测量部分的接头将测量部分的耳片与宏动部分的宏动外筒相连，测量部分的速度传感器、加速度计与测量部分的耳片在外部相连，微动部分的底盖与测量部分的力传感器固定；宏动部分与微动部分采用“背对背”连接方式，其传力路线依次为左端盖、宏动外筒、接头、力传感器，最后由微动部分的输出头输出；

所述宏动部分包括：花键、空心花键轴、丝杠螺母、丝杠轴、圆筒托架、联轴器、减速机、电机、宏动外筒、左端接头、左端盖和左螺母；花键套在空心花键轴上，其一端靠在圆筒托架的孔肩上，另一端由左端接头旋入圆筒托架的左端螺纹压紧；左端接头通过左端盖旋入宏动外筒的左端螺纹将其压紧，左螺母将左端接头固定在左端盖上；丝杠螺母套在丝杠轴上并且与空心花键轴后端固定；丝杠轴深入空心花键轴的空心中，其后端通过联轴器与减速机的输出轴固定；减速机通过法兰固定在圆筒托架后端，电机的输出轴与减速机的输入端固定连接；该空心花键轴根据需要设计；该减速机为直线型；该电机为带码盘的直流旋转电机；该圆筒托架是两端加工螺纹孔的管状结构件；该联轴器是两端加工有特殊形状孔且两端可以通过螺栓加压拧紧的结构件；该宏动外筒是两端加工螺纹孔的管状结构件；该左端接头是两端加工螺纹，外加工有阶梯轴，内加工通孔的结构件；该左端盖是右端加工螺纹，外加工轴肩，内加工通孔的结构件；该左螺母是自主设计的圆型扁平螺母；

所述微动部分包括：底盖、外壳、压电堆、端盖、输出头、预紧弹簧、微动外筒、右端盖和右螺母；压电堆两端分别装在输出头下部和底盖上部的V型槽内，外壳底端固定在底盖上，端盖固定在外壳顶端并且通过预紧弹簧压住输出头肩部以产尘预紧力，输出头的前端轴从预紧弹簧中心孔穿出；右端盖通过螺纹与微动外筒紧固，右螺母将端盖与右端盖紧固；该压电堆为表面粘贴应变片的柱状陶瓷体，由多片压电陶瓷薄片在电学上并联、力学上串联构成，可在电场作用下产生伸缩并输出实际位移；该预紧弹簧是规格为DIN2093的蝶形弹簧；该输出头为前端加工外螺纹、后端带V型槽的阶梯轴状结构件；该端盖为前端加工外螺纹中间开孔、后端全通且加工内螺纹的帽状结构件；该外壳为前端加工外螺纹、后端加工内螺纹的管状结构件；该底盖为前端带V型槽、后端加工螺纹孔的阶梯轴状结构件；该微动外筒是右端加工螺纹的管状结构件；该右端盖是左端加工螺纹，外加工轴肩，内加工通孔的结构件；该右螺母是自主设计的圆型扁平螺母；

所述测量部分包括：接头、力传感器、速度传感器、耳片和加速度计；力传感器固定在接头中心，速度传感器和加速度计固定在耳片两侧呈对称分布，耳片通过接头与宏动部分的宏动外筒压紧；；该力传感器为单轴压电式；该速度传感器为单轴电磁式；该加速度计为单轴压电式；该接头是左端加工螺纹，外加工轴肩的轴状结构件；该耳片是根据需要设计的薄片结构件。

2.根据权利要求1所述的一种复合式刚性作动器，其特征在于：该花键的型号为THK公司的LT8。

3.根据权利要求1所述的一种复合式刚性作动器，其特征在于：该丝杠螺母的型号为MDK0401-3。

4.根据权利要求1所述的一种复合式刚性作动器，其特征在于：该丝杠轴的型号为MDK0401-3。

5.根据权利要求1所述的一种复合式刚性作动器，其特征在于：该减速机的型号为上海新仪公司的P16行星齿轮减速机。

6.根据权利要求1所述的一种复合式刚性作动器，其特征在于：该电机的型号为德国Faulhaber公司的2224U003SR。

7.根据权利要求1所述的一种复合式刚性作动器，其特征在于：该压电堆的型号为QDS-5-5-50。

8.根据权利要求1所述的一种复合式刚性作动器，其特征在于：该力传感器的型号为CL-YD-312。

9.根据权利要求1所述的一种复合式刚性作动器，其特征在于：该速度传感器的型号为CS-CD-010。

10.根据权利要求1所述的一种复合式刚性作动器，其特征在于：该加速度计的型号为CA-YD-117。