CN104852627A - 可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器及作动方法 - Google Patents
可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器及作动方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器及作动方法，该作动器包括定子，分别安装于定子内上端和下端的第一箝位机构和第二箝位机构，上端和下端分别连接在第一箝位机构和第二箝位机构上的扭矩输出组件，所述第一箝位机构和第二箝位机构内分别设置有位于定子径向的第一箝位压电堆和第二箝位压电堆，所述扭矩输出组件内设置有位于定子1轴向的中间压电堆；本发明还公开了该作动器的作动方法；通过自身的尺蠖式旋转步进运动对外输出扭矩，并通过多个压电陶瓷驱动器的周期性协调运动实现大行程的扭矩输出，并且结构紧凑，装配简单，体积小，重量轻。
Description
技术领域
本发明属于压电陶瓷驱动装置，具体涉及一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器及作动方法。
背景技术
近年来随着微纳米技术的迅猛发展，压电驱动装置在光学、电子、航空、航天、机械制造、医学及遗传工程等技术领域取得广泛应用。尤其是在航天领域，迫切需要一种体积小，质量轻，驱动力大，分辨力高的驱动装置。压电陶瓷驱动器虽然具有体积小，位移输出分辨力高，易于控制，无杂散磁场等特点，但是由于压电作动器只能输出直线位移，所以目前所使用的压电作动器多是沿直线输出推力或拉力的作动器，在需要输出扭矩的场合，单纯使用拉力或推力作动器具有一定的局限性。除此之外，由于压电作动器作动范围较小，因此无论是输出直线位移，还是通过转化输出扭转角，目前压电作动器的输出范围都很小。
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可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器及作动方法，将压电堆输出的直线位移转化为扭转角从而对外实现扭矩输出，并使用多个压电堆采用尺蠖式步进原理，通过周期性运动将每一步的扭转角叠加，从而实现大行程的扭矩输出，除此之外该扭矩作动器还具有结构紧凑，体积小，重量轻的特点。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器，包括定子1，分别安装于定子1内上端和下端的第一箝位机构3和第二箝位机构9，上端和下端分别连接在第一箝位机构3和第二箝位机构9上的扭矩输出组件5，所述第一箝位机构3和第二箝位机构9内分别设置有位于定子1径向的第一箝位压电堆2和第二箝位压电堆8，所述扭矩输出组件5内设置有位于定子1轴向的中间压电堆6。
所述扭矩输出组件5的上端和下端分别通过第一连接部件4和第二连接部件7连接在第一箝位机构3和第二箝位机构9上
所述第一箝位机构3由采用线切割方式一体加工而成的刚性接触面10、刚性臂11和簧片12组成，两个刚性接触面10通过四个簧片12连接在刚性臂11上下两端；所述第二箝位机构9与第一箝位机构3的结构及尺寸相同。
所述扭矩输出组件5包括两种结构：
第一种：所述扭矩输出组件5包括支撑框架13，位于支撑框架13内部的压电堆约束结构14，位于支撑框架13顶端的第一扭转柔性铰链15及第二扭转柔性铰链19；扭矩输出端16通过所述第一扭转柔性铰链15及第二扭转柔性铰链19与支撑框架13相连接；螺杆18一端固定于压电堆约束结构14上，另一端通过螺纹孔17连接在扭矩输出端16上，所述中间压电堆6固定在压电堆约束结构14内；
第二种：所述扭矩输出组件5包括支撑框架13，位于支撑框架13内部的压电堆约束结构14，位于支撑框架13顶端的第一斜支撑柔性铰链20及第二斜支撑柔性铰链21，所述第一斜支撑柔性铰链20和第二斜支撑柔性铰链21交错布置即倾斜角度恰好相反；扭矩输出端16通过柔性铰链22与压电堆约束结构14相连接，所述中间压电堆6固定在压电堆约束结构14内。
上述所述的压电扭矩作动器的作动方法，初始状态：中间压电堆6不带电，第一箝位压电堆2及第二箝位压电堆8通电伸长；在第一箝位压电堆2的作用下，第一箝位机构3中的簧片12受拉伸长，刚性接触面10与定子1接触，并对定子1施加正压力，使第一箝位机构3与定子1通过摩擦力相固定从而实现箝位；通过同样方式，第二箝位机构9在第二箝位压电堆8的作用下与定子1通过摩擦力相固定从而实现箝位；实现尺蠖式步进时分为三步：第一步，中间压电堆6和第二箝位压电堆8不带电，第一箝位压电堆2继续保持通电伸长状态，因此第一箝位机构3与定子1继续保持箝位，同时对中间压电堆6通电，使扭矩输出组件5产生扭转，此时由于第二箝位压电堆8不带电而第二箝位机构9处于自由状态，因此第二箝位机构9将随扭矩输出组件5旋转一定角度；第二步，第二箝位压电堆8通电伸长，使得第二箝位机构9与定子1通过摩擦力相固定从而进行箝位；第一箝位压电堆2断电，第一箝位机构3在弹性回复力的作用下恢复原形，与定子1脱离接触，从而解除箝位状态；第三步，中间压电堆6断电，扭矩输出组件5恢复原形，此时由于第一箝位机构3处于自由状态下，因此随扭矩输出组件5一同进行回复运动，将随扭矩输出组件5一同旋转一定角度；重复上述三步，实现尺蠖式旋转步进。
所述扭矩输出组件5产生扭转及恢复原形的方法为：
当扭矩输出组件5为第一种结构时，工作时中间压电堆6通电伸长，拉伸压电堆约束结构14并推动螺杆18向上运动，螺杆18通过螺纹孔17对扭矩输出端16施加扭矩，由于第一扭转柔性铰链15及第二扭转柔性铰链19沿Z轴方向刚度较大，而沿X轴方向刚度较小，因此对扭矩输出端16沿Z方向位移位移被限制，而只能产生绕Z轴的旋转运动；当中间压电堆6断电后，扭矩输出组件5在弹性回复力的作用下恢复原形；当扭矩输出组件5为第二种结构时，工作时中间压电堆6通电伸长，拉伸压电堆约束结构14并推动柔性铰链22及扭矩输出端16向上运动；由于第一斜支撑柔性铰链20及第二斜支撑柔性铰链21与扭矩输出组件5轴线存在一定倾斜角，并且交错布置即倾斜角度恰好相反，因此在扭矩输出端16向上运动时将对扭矩输出组件5产生扭矩，从而使扭矩输出组件5在沿Z轴移动的同时绕Z轴转动；当中间压电堆6断电后，扭矩输出组件5在弹性回复力的作用下恢复原形。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
1、本发明通过上述两种扭矩输出组件5，使得单压电堆输出的直线运动可直接转化为扭转运动。对于所述第一种结构，采用了螺纹螺杆结构与压电堆相结合的方式，因此可通过螺杆将压电堆输出的微小直线位移直接转化为扭转角输出。由于螺纹螺杆属于刚性运动副因此具有较高的转化效率，因此可将压电堆输出的微小直线位移转化为大扭转角输出。而且，输出扭转角θ只与螺纹螺距P，及压电堆输出直线位移δ有关：
2、对于所述第二种结构，采用第一斜支撑柔性铰链20及第二斜支撑柔性铰链21产生扭矩从而将压电堆输出的直线位移直接转化为扭转角。通过设计及优化第一斜支撑柔性铰链20及第二斜支撑柔性铰链21的倾斜角度及尺寸也可以产生较大的扭转角输出。并且由于采用柔性铰链作为运动副，因此可实现运动的无间隙无摩擦，并且可采用一体化加工以避免安装误差及润滑的问题。
3、本发明通过尺蠖式步进原理以及扭矩输出组件5不断的产生扭转及恢复原形从而实现扭矩输出的叠加运动，使得扭矩作动器可以不断的通过尺蠖式运动叠加对外输出的扭转角，从而进一步增大了压电作动器的扭矩输出范围。
4、本发明运动采用压电驱动方式，因此具有结构紧凑，能耗低，无杂散磁场等优点。
附图说明
图1为本发明一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器结构爆炸示意图。
图2为本发明一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器示意图。
图3为第一箝位机构的示意图。
图4为扭矩输出组件优选方式1示意图。
图5为扭矩输出组件优选方式1示意图。
图6为本发明一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器工作步骤示意图，其中图6(a)为扭矩作动器旋转运动时的第一步，图6(b)为扭矩作动器旋转运动时的第二步，图6(c)为为扭矩作动器旋转运动时的第三步。
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及图2所示，本发明一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器，包括定子1，分别安装于定子1内上端和下端的第一箝位机构3和第二箝位机构9，上端和下端分别连接在第一箝位机构3和第二箝位机构9上的扭矩输出组件5，所述第一箝位机构3和第二箝位机构9内分别设置有位于定子1径向的第一箝位压电堆2和第二箝位压电堆8，所述扭矩输出组件5内设置有位于定子1轴向的中间压电堆6。
作为本发明的优选实施方式，所述扭矩输出组件5的上端和下端分别通过第一连接部件4和第二连接部件7连接在第一箝位机构3和第二箝位机构9上。
如图3所示，所述第一箝位机构3由采用线切割方式一体加工而成的刚性接触面10、刚性臂11和簧片12组成，两个刚性接触面10通过四个簧片12连接在刚性臂11上下两端，刚性接触面10与刚性臂11具有较大厚度因此刚度较大，工作时基本不存在弹性变形。而簧片12厚度较小因此刚度较低，工作时将受拉伸长，使得两个刚性接触面10距离增大导致第一箝位机构3总体尺寸增加从而箝位在定子1上。所述第二箝位机构9与第一箝位机构3的结构及尺寸相同。
作为本发明的优选实施方式，所述扭矩输出组件5包括两种结构：
第一种结构如图4所示，所述扭矩输出组件5包括支撑框架13，位于支撑框架13内部的压电堆约束结构14，位于支撑框架13顶端的第一扭转柔性铰链15及第二扭转柔性铰链19；扭矩输出端16通过所述第一扭转柔性铰链15及第二扭转柔性铰链19与支撑框架13相连接；螺杆18一端固定于压电堆约束结构14上，另一端通过螺纹孔17连接在扭矩输出端16上，所述中间压电堆6固定在压电堆约束结构14内。
工作时中间压电堆6通电伸长，拉伸压电堆约束结构14并推动螺杆18向上运动，螺杆18通过螺纹孔17对扭矩输出端16施加扭矩，由于第一扭转柔性铰链15及第二扭转柔性铰链19沿Z轴方向刚度较大，而沿X轴方向刚度较小，因此对扭矩输出端16沿Z方向位移位移被限制，而只能产生绕Z轴的旋转运动；当中间压电堆6断电后，扭矩输出组件5在弹性回复力的作用下恢复原形。
第二种结构如图5所示，所述扭矩输出组件5包括支撑框架13，位于支撑框架13内部的压电堆约束结构14，位于支撑框架13顶端的第一斜支撑柔性铰链20及第二斜支撑柔性铰链21，所述第一斜支撑柔性铰链20和第二斜支撑柔性铰链21交错布置即倾斜角度恰好相反；扭矩输出端16通过柔性铰链22与压电堆约束结构14相连接，所述中间压电堆6固定在压电堆约束结构14内。
工作时中间压电堆6通电伸长，拉伸压电堆约束结构14并推动柔性铰链22及扭矩输出端16向上运动；由于第一斜支撑柔性铰链20及第二斜支撑柔性铰链21与扭矩输出组件5轴线存在一定倾斜角，并且交错布置即倾斜角度恰好相反，因此在扭矩输出端16向上运动时将对扭矩输出组件5产生扭矩，从而使扭矩输出组件5在沿Z轴移动的同时绕Z轴转动；当中间压电堆6断电后，扭矩输出组件5在弹性回复力的作用下恢复原形。
如图6所示，本发明所述的压电扭矩作动器的作动方法，初始状态：中间压电堆6不带电，第一箝位压电堆2及第二箝位压电堆8通电伸长；在第一箝位压电堆2的作用下，第一箝位机构3中的簧片12受拉伸长，刚性接触面10与定子1接触，并对定子1施加正压力，使第一箝位机构3与定子1通过摩擦力相固定从而实现箝位；通过同样方式，第二箝位机构9在第二箝位压电堆8的作用下与定子1通过摩擦力相固定从而实现箝位，如图6(a)所示。
实现尺蠖式旋转步进时分为三步：第一步，中间压电堆6和第二箝位压电堆8不带电，第一箝位压电堆2继续保持通电伸长状态，因此第一箝位机构3与定子1继续保持箝位，同时对中间压电堆6通电，使扭矩输出组件5产生扭转，此时由于第二箝位压电堆8不带电而第二箝位机构9处于自由状态，因此第二箝位机构9将随扭矩输出组件5旋转一定角度，如图6(b)所示；第二步，第二箝位压电堆8通电伸长，使得第二箝位机构9与定子1通过摩擦力相固定从而进行箝位；第一箝位压电堆2断电，第一箝位机构3在弹性回复力的作用下恢复原形，与定子1脱离接触，从而解除箝位状态；第三步，中间压电堆6断电，扭矩输出组件5恢复原形，此时由于第一箝位机构3处于自由状态下，因此随扭矩输出组件5一同进行回复运动，将随扭矩输出组件5一同旋转一定角度，如图6(c)所示；重复上述三步，实现尺蠖式旋转步进。
Claims (6)
1.一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器，其特征在于：包括定子(1)，分别安装于定子(1)内上端和下端的第一箝位机构(3)和第二箝位机构(9)，上端和下端分别连接在第一箝位机构(3)和第二箝位机构(9)上的扭矩输出组件(5)，所述第一箝位机构(3)和第二箝位机构(9)内分别设置有位于定子(1)径向的第一箝位压电堆(2)和第二箝位压电堆(8)，所述扭矩输出组件(5)内设置有位于定子(1)轴向的中间压电堆(6)。
2.根据权利要求1所述的一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器，其特征在于：所述扭矩输出组件(5)的上端和下端分别通过第一连接部件(4)和第二连接部件(7)连接在第一箝位机构(3)和第二箝位机构(9)上 。
3.根据权利要求1所述的一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器，其特征在于：所述第一箝位机构(3)由采用线切割方式一体加工而成的刚性接触面(10)、刚性臂(11)和簧片(12)组成，两个刚性接触面(10)通过四个簧片(12)连接在刚性臂(11)上下两端；所述第二箝位机构(9)与第一箝位机构(3)的结构及尺寸相同。
4.根据权利要求1所述的一种可实现单步大扭转角的尺蠖式压电扭矩作动器，其特征在于：所述扭矩输出组件(5)包括两种结构：
第一种：所述扭矩输出组件(5)包括支撑框架(13)，位于支撑框架(13)内部的压电堆约束结构(14)，位于支撑框架(13)顶端的第一扭转柔性铰链(15)及第二扭转柔性铰链(19)；扭矩输出端(16)通过所述第一扭转柔性铰链(15)及第二扭转柔性铰链(19)与支撑框架(13)相连接；螺杆(18)一端固定于压电堆约束结构(14)上，另一端通过螺纹孔(17)连接在扭矩输出端(16)上，所述中间压电堆(6)固定在压电堆约束结构(14)内；
第二种：所述扭矩输出组件(5)包括支撑框架(13)，位于支撑框架(13)内部的压电堆约束结构(14)，位于支撑框架(13)顶端的第一斜支撑柔性铰链(20)及第二斜支撑柔性铰链(21)，所述第一斜支撑柔性铰链(20)和第二斜支撑柔性铰链(21)交错布置即倾斜角度恰好相反；扭矩输出端(16)通过柔性铰链(22)与压电堆约束结构(14)相连接，所述中间压电堆(6)固定在压电堆约束结构(14)内。
5.权利要求1至4任一项所述的压电扭矩作动器的作动方法，其特征在于：初始状态：中间压电堆(6)不带电，第一箝位压电堆(2)及第二箝位压电堆(8)通电伸长；在第一箝位压电堆(2)的作用下，第一箝位机构(3)中的簧片(12)受拉伸长，刚性接触面(10)与定子(1)接触，并对定子(1)施加正压力，使第一箝位机构(3)与定子(1)通过摩擦力相固定从而实现箝位；通过同样方式，第二箝位机构(9)在第二箝位压电堆(8)的作用下与定子(1)通过摩擦力相固定从而实现箝位；
实现尺蠖式旋转步进时分为三步：第一步，中间压电堆(6)和第二箝位压电堆(8)不带电，第一箝位压电堆(2)继续保持通电伸长状态，因此第一箝位机构(3)与定子(1)继续保持箝位，同时对中间压电堆(6)通电，使扭矩输出组件(5)产生扭转，此时由于第二箝位压电堆(8)不带电而第二箝位机构(9)处于自由状态，因此第二箝位机构(9)将随扭矩输出组件(5)旋转一定角度；第二步，第二箝位压电堆(8)通电伸长，使得第二箝位机构(9)与定子(1)通过摩擦力相固定从而进行箝位；第一箝位压电堆(2)断电，第一箝位机构(3)在弹性回复力的作用下恢复原形，与定子(1)脱离接触，从而解除箝位状态；第三步，中间压电堆(6)断电，扭矩输出组件(5)恢复原形，此时由于第一箝位机构(3)处于自由状态下，因此随扭矩输出组件(5)一同 进行回复运动，将随扭矩输出组件(5)一同旋转一定角度；重复上述三步，实现尺蠖式旋转步进。
6.根据权利要求5所述的作动方法，其特征在于：所述扭矩输出组件(5)产生扭转及恢复原形的方法为：
当扭矩输出组件(5)为第一种结构时，工作时中间压电堆(6)通电伸长，拉伸压电堆约束结构(14)并推动螺杆(18)向上运动，螺杆(18)通过螺纹孔(17)对扭矩输出端(16)施加扭矩，由于第一扭转柔性铰链(15)及第二扭转柔性铰链(19)沿Z轴方向刚度较大，而沿X轴方向刚度较小，因此对扭矩输出端(16)沿Z方向位移位移被限制，而只能产生绕Z轴的旋转运动；当中间压电堆(6)断电后，扭矩输出组件(5)在弹性回复力的作用下恢复原形；
当扭矩输出组件(5)为第二种结构时，工作时中间压电堆(6)通电伸长，拉伸压电堆约束结构(14)并推动柔性铰链(22)及扭矩输出端(16)向上运动；由于第一斜支撑柔性铰链(20)及第二斜支撑柔性铰链(21)与扭矩输出组件(5)轴线存在一定倾斜角，并且交错布置即倾斜角度恰好相反，因此在扭矩输出端(16)向上运动时将对扭矩输出组件(5)产生扭矩，从而使扭矩输出组件(5)在沿Z轴移动的同时绕Z轴转动；当中间压电堆(6)断电后，扭矩输出组件(5)在弹性回复力的作用下恢复原形。
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