CN104753393A - 含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器及方法 - Google Patents

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Abstract

一种含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器及方法，该作动器包括双层结构的定子，安装于定子内的转子，通过丝杠螺纹连接于转子中心的丝杠，位于转子中的驱动环，通过柔性铰链与转子连接的曲梁，连接于曲梁末端的钳位环，钳位环安装在定子的双层结构间；第一压电堆安装于驱动环中，推动曲梁绕转子转动，第二压电堆安装于钳位环中，用于锁定曲梁与定子之间的运动；本发明还提供了作动方法，按照不同步骤交替驱动第一第二压电堆，可以实现转子与定子之间的双向角位移，同时转子带动丝杠，输出直线位移。该装置仅使用两压电堆实现该功能，具有结构简单紧凑，耗能低的特点。

Description

含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器及方法
技术领域
本发明涉及一种压电步进式作动装置，具体为一种含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器及方法。
背景技术
近年来压电驱动装置不断发展，有力的支持了国防、航天，机械制造等重要工业的发展建设，同时随着需求和其他技术手段的不断发展，对作动器也提出了更高的要求，迫切需要一种结构简单轻便，驱动力大，分辨率高，易于控制的压电作动装置，目前的旋转式步进作动装置都需要三个或三个以上压电堆驱动，作动步骤冗长，繁琐。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器及方法，使用双压电堆实现了旋转驱动，利用丝杠锁止传动，带动纵向杆步进输出直线位移，具有断电自锁功能，且结构重量轻，体积小，作动步骤简单，所需能耗低。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器，包括双层结构的定子1，安装于定子1内的转子2，通过丝杠螺纹连接于转子2中心的丝杠3，位于转子2中的驱动环4，通过柔性铰链与转子2连接的曲梁5，连接于曲梁5末端的钳位环6，钳位环6安装在定子1的双层结构间；第一压电堆7安装于驱动环4中，推动曲梁5绕转子2转动，第二压电堆8安装于钳位环6中，用于锁定曲梁5与定子1之间的运动。
转子2与钳位环6间使用曲梁5连接，通过曲梁5向定子输出作动力。
其锁定特征采用丝杠自锁原理，转子2与纵向输出丝杠3之间采用梯形丝杠结构，实现旋转—纵向位移的输出。
钳位环6安装在定子1的双层结构间，依靠纵向挤压提供的摩擦力实现钳位。
上述所述的含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器的作动方法，能实现双向旋转，当第一压电堆7与第二压电堆8同时断电时，作动器处于初始锁止状态，依靠转子2与丝杠3之间的丝杠螺纹对转子2与丝杠3进行锁止；作动器实现顺时针转动时步骤如下；第一步：第一压电堆7通电，由于逆压电效应，第一压电堆7伸长，带动连接驱动环4的柔性铰链发生弯曲，推动了曲梁5大致沿圆周切向向顺时针方向转动，从而使钳位环6与其中的第二压电堆8向顺时针方向产生微小位移；第二步：第二压电堆8通电，由于逆压电效应，钳位环6被顶开，沿丝杠3方向伸长，由于外部定子1的限制使得钳位环6锁止在定子1中；第三步：第一压电堆7断电，驱动环4恢复原长，其所属的柔性铰链复位，同时由于钳位环6固定了定子1与曲梁5之间的相对运动，转子2将在驱动环4所属柔性铰链的带动下沿顺时针转动，另外由于转子2与丝杠3之间采用螺纹连接，转子2转动同时推动丝杠3输出轴向位移；第四步：第二压电堆8断电，装置回复到初始状态，同时与最初状态相比，转子2沿顺时针方向完成了一步微小位移；循环进行上述一到四步，即实现转子2的连续作动，同时带动丝杠3沿其轴向持续作动；该作动器实现逆时针转动时，同样分四步进行作动，具体步骤如下：第一步：第二压电堆8通电，带动钳位环6伸长，由于定子1的限制使钳位环6与曲梁5的末端与定子1保持固定；第二步：第一压电堆7通电，驱动环4在第一压电堆7带动下伸长，其所属的柔性铰链发生转动，同时由于曲梁5末端固定于定子1，转子2将在柔性铰链转动时沿逆时针转动，另外由于转子2与丝杠3之间采用丝杠螺纹连接，转子2转动同时推动丝杠3输出轴向位移；第三步：第二压电堆8断电，钳位环6恢复原长，曲梁5与定子1不再固定；第四步：第一压电堆7断电，驱动环4恢复原长，曲梁5在驱动环4复位拉动作用下绕驱动环4处的柔性铰链近似沿定子1圆周向逆时针方向转动，至此作动器恢复到初始状态，且转子2沿逆时针方向产生微小转动；循环进行上述一到四步，即实现转子逆时针的连续作动，同时带动丝杠3沿其轴向持续作动。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1、使用双压电堆实现步进旋转式作动，相比于现有三压电堆实现步进旋转式作动的结构更为简单，经济实用。
2、使用双压电堆实现步进旋转式作动，相比于现有三压电堆实现步进旋转式作动，作动步骤更为简练，所需的外部控制指令更少。
3、采用了双层定子设计，将钳位环6安装于定子1的夹层之中，增强了作动过程中锁定的稳定性。
4、具有断电锁止功能，能在完成作动后可以断开电源，节能环保。
附图说明
图1为本发明作动器的结构示意图。
图2为本发明作动器的爆炸示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器，包括双层结构的定子1，安装于定子1内的转子2，通过丝杠螺纹连接于转子2中心的丝杠3，位于转子2中的驱动环4，通过柔性铰链与转子2连接的曲梁5，连接于曲梁5末端的钳位环6，钳位环6安装在定子1的双层结构间；第一压电堆7安装于驱动环4中，推动曲梁5绕转子2转动，第二压电堆8安装于钳位环6中，用于锁定曲梁5与定子1之间的运动。
本发明作动器的作动方法为：能实现双向旋转，当第一压电堆7与第二压电堆8同时断电时，作动器处于初始锁止状态，依靠转子2与丝杠3之间的丝杠螺纹对转子2与丝杠3进行锁止；作动器实现顺时针转动时步骤如下；第一步：第一压电堆7通电，由于逆压电效应，第一压电堆7伸长，带动连接驱动环4的柔性铰链发生弯曲，推动了曲梁5大致沿圆周切向向顺时针方向转动，从而使钳位环6与其中的第二压电堆8向顺时针方向产生微小位移；第二步：第二压电堆8通电，由于逆压电效应，钳位环6被顶开，沿丝杠3方向伸长，由于外部定子1的限制使得钳位环6锁止在定子1中；第三步：第一压电堆7断电，驱动环4恢复原长，其所属的柔性铰链复位，同时由于钳位环6固定了定子1与曲梁5之间的相对运动，转子2将在驱动环4所属柔性铰链的带动下沿顺时针转动，另外由于转子2与丝杠3之间采用螺纹连接，转子2转动同时推动丝杠3输出轴向位移；第四步：第二压电堆8断电，装置回复到初始状态，同时与最初状态相比，转子2沿顺时针方向完成了一步微小位移；循环进行上述一到四步，即实现转子2的连续作动，同时带动丝杠3沿其轴向持续作动；该作动器实现逆时针转动时，同样分四步进行作动，具体步骤如下：第一步：第二压电堆8通电，带动钳位环6伸长，由于定子1的限制使钳位环6与曲梁5的末端与定子1保持固定；第二步：第一压电堆7通电，驱动环4在第一压电堆7带动下伸长，其所属的柔性铰链发生转动，同时由于曲梁5末端固定于定子1，转子2将在柔性铰链转动时沿逆时针转动，另外由于转子2与丝杠3之间采用丝杠螺纹连接，转子2转动同时推动丝杠3输出轴向位移；第三步：第二压电堆8断电，钳位环6恢复原长，曲梁5与定子1不再固定；第四步：第一压电堆7断电，驱动环4恢复原长，曲梁5在驱动环4复位拉动作用下绕驱动环4处的柔性铰链近似沿定子1圆周向逆时针方向转动，至此作动器恢复到初始状态，且转子2沿逆时针方向产生微小转动；循环进行上述一到四步，即实现转子逆时针的连续作动，同时带动丝杠3沿其轴向持续作动。

Claims (5)

1.一种含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器，其特征在于：包括双层结构的定子(1)，安装于定子(1)内的转子(2)，通过丝杠螺纹连接于转子(2)中心的丝杠(3)，位于转子(2)中的驱动环(4)，通过柔性铰链与转子(2)连接的曲梁(5)，连接于曲梁(5)末端的钳位环(6)，钳位环(6)安装在定子(1)的双层结构间；第一压电堆(7)安装于驱动环(4)中，推动曲梁(5)绕转子(2)转动，第二压电堆(8)安装于钳位环(6)中，用于锁定曲梁(5)与定子(1)之间的运动。
2.根据权利要求1所述的含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器，其特征在于：转子(2)与钳位环(6)间使用曲梁(5)连接，通过曲梁(5)向定子输出作动力。
3.根据权利要求1所述的含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器，其特征在于：其锁定特征采用丝杠自锁原理，转子(2)与纵向输出丝杠(3)之间采用梯形丝杠结构，实现旋转—纵向位移的输出。
4.根据权利要求1所述的含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器，其特征在于：钳位环(6)安装在定子(1)的双层结构间，依靠纵向挤压提供的摩擦力实现钳位。
5.权利要求1所述的含曲梁结构的双压电堆步进旋转式作动器的作动方法，其特征在于：能实现双向旋转，当第一压电堆(7)与第二压电堆(8)同时断电时，作动器处于初始锁止状态，依靠转子(2)与丝杠(3)之间的丝杠螺纹对转子(2)与丝杠(3)进行锁止；作动器实现顺时针转动时步骤如下；第一步：第一压电堆(7)通电，由于逆压电效应，第一压电堆(7)伸长，带动连接驱动环(4)的柔性铰链发生弯曲，推动了曲梁(5)大致沿圆周切向向顺时针方向转动，从而使钳位环(6)与其中的第二压电堆(8)向顺时针方向产生微小位移；第二步：第二压电堆(8)通电，由于逆压电效应，钳位环(6)被顶开，沿丝杠(3)方向伸长，由于外部定子(1)的限制使得钳位环(6)锁止在定子(1)中；第三步：第一压电堆(7)断电，驱动环(4)恢复原长，其所属的柔性铰链复位，同时由于钳位环(6)固定了定子(1)与曲梁(5)之间的相对运动，转子(2)将在驱动环(4)所属柔性铰链的带动下沿顺时针转动，另外由于转子(2)与丝杠(3)之间采用螺纹连接，转子(2)转动同时推动丝杠(3)输出轴向位移；第四步：第二压电堆(8)断电，装置回复到初始状态，同时与最初状态相比，转子(2)沿顺时针方向完成了一步微小位移，另外由于转子(2)与丝杠(3)之间的丝杠，转动同时推动丝杠(3)输出轴向位移；循环进行上述一到四步，即实现转子(2)的连续作动，同时带动丝杠(3)沿其轴向持续作动；该作动器实现逆时针转动时，同样分四步进行作动，具体步骤如下：第一步：第二压电堆(8)通电，带动钳位环(6)伸长，由于定子(1)的限制使钳位环(6)与曲梁(5)的末端与定子(1)保持固定；第二步：第一压电堆(7)通电，驱动环(4)在第一压电堆(7)带动下伸长，其所属的柔性铰链发生转动，同时由于曲梁(5)末端固定于定子(1)，转子(2)将在柔性铰链转动时沿逆时针转动，另外由于转子(2)与丝杠(3)之间采用丝杠螺纹连接，转子(2)转动同时推动丝杠(3)输出轴向位移；第三步：第二压电堆(8)断电，钳位环(6)恢复原长，曲梁(5)与定子(1)不再固定；第四步：第一压电堆(7)断电，驱动环(4)恢复原长，曲梁(5)在驱动环(4)复位拉动作用下绕驱动环(4)处的柔性铰链近似沿定子(1)圆周向逆时针方向转动，至此作动器恢复到初始状态，且转子(2)沿逆时针方向产生微小转动；循环进行上述一到四步，即实现转子逆时针的连续作动，同时带动丝杠(3)沿其轴向持续作动。
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