CN103904938B - 一种通过压电-连杆机构实现扭矩的作动器及方法 - Google Patents

Abstract

一种通过压电-连杆机构实现扭矩的作动器及方法，该作动器由压电-连杆机构、销钉、作动圆盘、驱动器、控制器组成；其实现扭矩的方法如下：压电-连杆机构由压电堆和压电约束-多级位移放大机构组成，将由压电材料输出的微小直线位移通过压电约束-多级位移放大机构放大后输出；压电-连杆机构将拉力和直线位移作用至位于作动圆盘的销钉上，销钉与作动圆盘圆心存在一定距离，因而将压电材料输出的力和直线位移转化为作动圆盘的扭矩输出和连续转动；不同个数的压电-连杆机构在实现转动的不同相位处对销钉实施不同大小的拉力或进行空回，以保证该作动器实现较为稳定输出的扭矩；本发明具有输出扭矩大、能耗小、无相位间隔、多圈连续作动、时效性好等特点。

Description

一种通过压电-连杆机构实现扭矩的作动器及方法

技术领域

本发明涉及作动技术领域，具体涉及一种通过压电-连杆机构实现扭矩的作动器及方法。

背景技术

基于压电材料的作动器具有输出位移分辨率高、输出力大、响应快、功耗小、体积小等优点，同时，随着加工工艺的进步，可以满足不同使用需求的压电堆得以实现。因此，基于压电堆的各类作动器已被广泛地应用于机械、电力、空天工程等领域，成为了目前最具有前途的智能驱动器件之一。由于压电堆的输出位移较小，因此目前利用压电堆制作的作动器多通过合理的结构设计提高作动器的性能。

现有基于压电材料的扭矩作动器多为杠杆结构，即通过压电堆作用于杠杆的一端，使得杠杆另一端实现扭矩输出。由于其输出最大角度小，作用力大等特点，该结构多适用于航天结构的减振用途；而在要求同时具有抗电磁干扰、低结构质量、大量程、无相位间隔，掉电锁止等功能时，该类作动器难以满足上述条件。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种通过压电-连杆机构实现扭矩的作动器及方法，具有抗电磁干扰、大量程输出、无相位间隔和掉电锁止等特点，该作动器既可以双向可选且连续不间断地输出扭矩，也可配合丝杠等机构实现大量程的直线位移输出。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种通过压电-连杆机构实现扭矩的作动器，包括作动圆盘7，通过作动圆盘7偏心处的销钉二6和作动圆盘7连接的多个作动杆4，作动杆4的另一端通过销钉一3和压电约束-多级位移放大机构1的下端相连接，压电约束-多级位移放大机构1的上端固定，压电约束-多级位移放大机构1内放置压电堆2，压电堆2通电压时横向膨胀，导致其纵向长度收缩，压电约束-多级位移放大机构1通过销钉一3给作动杆4输出拉力；所述压电约束-多级位移放大机构1、压电堆2、销钉一3、作动杆4通过压电堆2的伸缩实现连杆往复运动的功能，组成压电-连杆机构5；还包括控制器8，和控制器8连接的驱动器9，所述驱动器9和多个压电-连杆机构5的压电堆2连接，控制器8输出不同相位的控制信号通过驱动器9送入多个压电-连杆机构5中驱动压电堆2进行不同相位的伸缩，实现销钉二6围绕作动圆盘7圆心转动，并带动作动圆盘7匀速转动、均衡的输出扭矩；停止输出扭矩后，各压电-连杆机构5停止动作，作动器被锁止，且由于时间选择的任意性，该作动器锁止于任意相位。

在有不同量程的输出需求时，所述压电约束-多级位移放大机构1能够级联设置，级联个数随作动需求而定。

上述所述作动器实现扭矩的方法，控制器8输出不同相位的控制信号，并将其送入驱动器9中，由驱动器9将驱动信号送入不同的压电-连杆机构5中的压电堆2，压电堆2接收驱动信号后进行周期性伸缩并通过约束其的压电约束-多级位移放大机构1作用于销钉一3，推动作动杆4，继而使作动杆4作用于固定在作动圆盘7偏心处的销钉二6，拉动作动圆盘7转动；控制器8输出不同相位的控制信号，使送入不同压电-连杆机构5的驱动信号具有相位差，即某些压电-连杆机构5空回时，其他压电-连杆机构5输出不同大小的拉力，以使作动圆盘7的匀速转动和输出较为恒定的扭矩；当需要停止输出并锁止时，控制器8输出一个实时信号，驱动器9将压电堆2的驱动电压保持在该时刻，作动器输出停止并锁止。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1）相比于电机，压电作动和驱动设备具有重量轻、耗能小、不受电磁干扰、非步进式等独特优势。

2）由于该作动器将周期性直线位移通过压电约束-多级位移放大机构1放大，并作用于固定在作动圆盘7上偏心处的销钉二6处，将该直线位移转化为扭矩，因此与现有作动器相比，该作动器具有多圈连续转动特性。

3）由于压电材料输出位移很小，且输出分辨率高，通过压电约束-多级位移放大机构1能实现亚毫米至毫米（10^-4～10^-3m），因此可通过控制器8和驱动器9实现的扭矩输出。

4）由于压电材料优良的频率响应特性，在控制器8输出停止作动信号时，压电-连杆机构能迅速响应，停止作动并进行位置保持和锁止。因此，与步进式的作动器相比，该作动器具有无相位间隔的特点，即可以将作动圆盘7的输出停止并锁止在任意相位，不存在相位间隔问题。

5）在固定于作动圆盘7偏心处的销钉二6与多个压电-连杆机构5相连接，因此在某一相位范围，有的压电-连杆机构5正输出较大拉力，有的输出较小拉力，而有的正实现其空回过程。在这样的过程中保证了作动圆盘7转动的全范围内均有较为均匀的扭矩输出和匀速的转动过程。

6）需要输出停止并锁止时，由于销钉二4与作动器其他部分的刚性连接，该位置能够得到很好的锁止而不发生偏移。

7）通过控制器的控制程序，可实现该作动器的双向输出。

总之，本发明能够避免传统作动器的重量大、易受电磁环境影响、作动角度小、精度低、具有相位间隔、带电锁止等缺点，具有重量轻、抗电磁干扰、大量程、、多圈连续转动、任意相位锁止、无相位间隔等优点。

附图说明

附图为本发明结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如附图所示，本发明一种通过压电-连杆机构实现扭矩的作动器，由多个互成一定角度的压电-连杆机构5作用于固定在作动圆盘7偏心处的销钉二6处，通过各个压电-连杆机构5的往复伸缩运动拉动作动圆盘7的连续转动。其中控制器8输出控制信号，并将其送入驱动器9中，由驱动器9将驱动信号送入不同的压电-连杆机构5。驱动信号被送入压电-连杆机构5中的压电堆2中，压电堆2接收驱动信号后进行周期性伸缩并通过约束其的压电约束-多级位移放大机构1作用于销钉一3，推动作动杆4，继而使作动杆4作用于与固定在作动圆盘7偏心处的销钉二6，拉动作动圆盘7转动。控制器8输出不同相位的控制信号，保证送入不同压电-连杆机构5的驱动信号具有相位差，即某些压电-连杆机构5空回时，其他压电-连杆机构5输出不同大小的拉力，以保证作动圆盘7的匀速转动和输出较为恒定的扭矩。在需要停止输出并锁止时，控制器8输出一个实时信号，驱动器9将压电堆的驱动电压保持在该时刻，作动器输出停止并锁止。由于时间点选择的任意性，该作动器可停止在作动圆盘7转动的任意相位而不存在步进式作动器的相位间隔问题。该作动器配合丝杠等结构时可输出精度很高而作动位移很大的位移输出。

作为本发明的优选实施方式，压电约束-多级位移放大机构1,、销钉二4、作动圆盘7都采用刚度较大的轻质材料。

作为本发明的优选实施方式，在有不同量程的输出需求时，压电约束-多级位移放大机构1中的压电堆的菱形约束单元可级联设置，级联个数随作动需求而定。

作为本发明的优选实施方式，在对输出扭矩稳定性有不同要求时，压电-连杆机构5的个数可相应改变，稳定性要求越高、压电-连杆机构5的个数就越多。

Claims (3)

1.一种通过压电-连杆机构实现扭矩的作动器，其特征在于：包括作动圆盘（7），通过作动圆盘（7）偏心处的销钉二（6）和作动圆盘（7）连接的多个作动杆（4），作动杆（4）的另一端通过销钉一（3）和压电约束-多级位移放大机构（1）的下端相连接，压电约束-多级位移放大机构（1）的上端固定，压电约束-多级位移放大机构（1）内放置压电堆（2），压电堆（2）通电压时横向膨胀，导致其纵向长度收缩，压电约束-多级位移放大机构（1）通过销钉一（3）给作动杆4输出拉力；所述压电约束-多级位移放大机构（1）、压电堆（2）、销钉一（3）、作动杆（4）通过压电堆（2）的伸缩实现连杆往复运动的功能，组成压电-连杆机构（5）；还包括控制器（8），和控制器（8）连接的驱动器（9），所述驱动器（9）和多个压电-连杆机构（5）的压电堆（2）连接，控制器（8）输出不同相位的控制信号通过驱动器（9）送入多个压电-连杆机构（5）中驱动压电堆（2）进行不同相位的伸缩，实现销钉二（6）围绕作动圆盘（7）圆心转动，并带动作动圆盘（7）匀速转动、均衡的输出扭矩；停止输出扭矩后，各压电-连杆机构（5）停止动作，作动器被锁止，且由于时间选择的任意性，该作动器锁止于任意相位。

2.根据权利要求1所述的一种通过压电-连杆机构实现扭矩的作动器，其特征在于：在有不同量程的输出需求时，所述压电约束-多级位移放大机构（1）能够级联设置，级联个数随作动需求而定。

3.权利要求1所述作动器实现扭矩的方法，其特征在于：控制器（8）输出不同相位的控制信号，并将其送入驱动器（9）中，由驱动器（9）将驱动信号送入不同的压电-连杆机构（5）中的压电堆（2），压电堆（2）接收驱动信号后进行周期性伸缩并通过约束其的压电约束-多级位移放大机构（1）作用于销钉一（3），推动作动杆（4），继而使作动杆（4）作用于固定在作动圆盘（7）偏心处的销钉二（6），拉动作动圆盘（7）转动；控制器（8）输出不同相位的控制信号，使送入不同压电-连杆机构（5）的驱动信号具有相位差，即某些压电-连杆机构（5）空回时，其他压电-连杆机构（5）输出不同大小的拉力，以使作动圆盘7的匀速转动和输出较为恒定的扭矩；当需要停止输出并锁止时，控制器（8）输出一个实时信号，驱动器（9）将压电堆（2）的驱动电压保持在该时刻，作动器输出停止并锁止。