CN104967357B - 基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构 - Google Patents

Abstract

基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构，涉及空间展开机构领域。解决了现有电磁电机驱动型空间展开机构存在结构复杂、电磁干扰严重、自锁复杂的问题。基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构包括底座、两个出轴套筒、两个展开机构、四个压电振子、两个驱动轴和安装座，所述底座的两个相对侧壁上均开有通孔，且所述两个侧壁上的通孔同轴，两个出轴套筒固定在所述两个通孔内，两个展开机构分别固定在所述底座的两个相对侧壁上，四个压电振子均通过安装座固定在底座内部，两个驱动轴的一端分别与两个压电振子通过预紧力紧密连接，另一端穿过出轴套筒分别与两个展开机构连接。本发明实现空间展开机构的舒张和收缩。

Description

基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构

技术领域

本发明涉及空间展开机构领域，具体涉及基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构领域。

背景技术

空间展开机构在柔性太阳电池、天线、对地遥感和深空探测器等的支撑结构等领域具有广泛应用，最为基本功能是要实现几个空间展开机构的同步舒张与收缩；目前成熟的空间展开机构均采用旋转电磁电机作为驱动元件，由于电磁电机输出运动为旋转运动、转速较高、出力小，一般需要配合减速器实现减速、增力的目的，这使得驱动结构十分复杂，制作成本高；由于电磁电机本身无自锁功能，实现运动平台锁定的常用方法是给电机保持一种上电状态，这种方式会带来不必要的能源损耗；此外，电磁电机工作过程中会产生电磁干扰，外部电场的存在也会影响电机的正常工作，这使得电磁电机驱动型空间展开机构在应用到电磁敏感的场合时，需要进行电磁隔离设计，这也会使得系统变得复杂而庞大。

压电振子是一种利用压电陶瓷的逆压电效应工作的共振式驱动器，它通过压电元件激励定子弹性体的固有振动，在弹性体表面特定区域形成具有驱动作用的椭圆轨迹运动，进而通过摩擦耦合将质点的微观运动转换成动子的宏观运动。压电振子具有结构简单、易于实现直线驱动、低速大转矩/推力、功率/力矩密度高、定位精度高、响应速度快、断电自锁、无电磁干扰且不受电磁干扰等优点。

发明内容

本发明为了解决现有电磁电机驱动型空间展开机构存在结构复杂、电磁干扰严重、自锁复杂的问题，提出了一种基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构。

基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构底座、两个出轴套筒、两个展开机构、四个压电振子、两个驱动轴和安装座，所述底座的两个相对侧壁的中心处均开有通孔，且所述两个侧壁上的通孔同轴，两个出轴套筒固定在所述两个通孔内，两个展开机构分别固定在所述底座的两个相对侧壁上，四个压电振子的末端均通过安装座固定在底座内部，四个压电振子的首端位于同一条直线上，两个驱动轴的一端分别与两个压电振子通过预紧力紧密连接，另一端穿过出轴套筒分别与两个展开机构连接。

有益效果：本发明的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构通过给四个压电振子上的压电陶瓷片施加交流电压，使得振子产生谐振，进而在驱动足处形成椭圆轨迹振动，当任意一个驱动轴上的两个压电振子的交流电压呈半个周期的相位差时，通过两个驱动足和驱动轴端面之间的摩擦耦合实现驱动轴的步进蠕动，当给施加的电压信号断开时，通过驱动足和驱动轴端面之间的静摩擦力可实现展开机构的锁定；同理，通过给压电振子上的压电陶瓷片施加反向的交流电压，使得振子产生谐振，进而在两个驱动足处形成反向的椭圆轨迹振动，进一步通过驱动足和驱动轴端面之间的摩擦耦合实现展开机构的反向运动，当给施加的电压信号断开时，通过驱动足和驱动轴外表面之间的静摩擦力可实现展开机构的锁定。

本发明的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构通过压电振子实现空间展开机构的直接驱动，具有结构简单、成本低、重量小、断电自锁且无能量消耗、加工装配十分简便、无电磁干扰、安全性高和易于实现系列化的突出优点。超声振子由于采用摩擦驱动，无电磁干扰，也不受电场干扰，有效地克服了传统电磁电机驱动型空间展开机构所存在的电磁兼容问题。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构的立体图；

图2为图1的俯视图；

图3为具体实施方式三所述的压电振子4的立体图；

图4为展开机构3舒张状态下的结构示意图；

图5为展开机构3收缩状态下的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构包括底座1、两个出轴套筒、两个展开机构3、四个压电振子4、两个驱动轴5和安装座2，所述底座1的两个相对侧壁的中心处均开有通孔，且所述两个侧壁上的通孔同轴，两个出轴套筒固定在所述两个通孔内，两个展开机构3分别固定在所述底座1的两个相对侧壁上，四个压电振子4的末端均通过安装座2固定在底座1内部，四个压电振子4的首端位于同一条直线上，两个驱动轴5的一端分别与两个压电振子4通过预紧力紧密连接，另一端穿过出轴套筒分别与两个展开机构3连接。

本实施方式所述的空间展开机构中，每一个驱动轴5上连接的两个压电振子4分别采用两相交流电压进行激励，通过控制两相电压之间的相位差来控制驱动轴5的往复运动，进而实现展开机构的舒张与收缩。若将驱动信号断开，该展开机构通过压电振子与驱动轴外表面之间的静摩擦力实现断电自锁，并且自锁过程中没有能量消耗。

本实施方式所述的空间展开机构充分利用了压电振子具有低速、大转矩的优点，从而实现了展开机构的直接驱动，省略了减速器等中间组件，简化了机构结构，在降低制作设计成本的同时，有效提高了可靠性。

具体实施方式二、结合图1和图2说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构的区别在于，所述安装座2与底座1通过螺栓6固定连接。

具体实施方式三、结合图1-图3说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构的区别在于，每个压电振子4均包括金属基体4-2、多个压电陶瓷片4-3、变幅杆4-4和驱动足4-1，所述多个压电陶瓷片4-3依次叠加在金属基体4-2与变幅杆4-4之间，金属基体4-2的侧面与安装座2固定连接，变幅杆4-4为截面逐渐变细的块体，所述变幅杆4-4的大端连接压电陶瓷片4-3，变幅杆4-4的小端设有驱动足4-1，驱动足4-1的侧面与驱动轴5的外表面连接。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构的区别在于，所述金属基体4-2与压电陶瓷片4-3通过粘贴或夹持方式连接。

具体实施方式五、结合图1、图2、图4和图5说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构的区别在于，每个展开机构3均包括羊角基座3-1、两个第一连接件3-2、第二连接件3-3、两个第一连杆3-7、第二连杆3-6、两个第三连杆3-5和两个第四连杆3-4，所述每个展开机构3均为以第二连杆3-6为中心轴的轴对称结构，所述羊角基座3-1与底座1的侧壁固定连接，所述每个第一连杆3-7的一端和第二连杆3-6的一端均与一个驱动轴5转动连接，每个第三连杆3-5的一端和每个第四连杆3-4的一端均与羊角基座3-1转动连接，每个第一连杆3-7的另一端分别与同侧的第四连杆3-4的中部转动连接，第二连杆3-6的另一端与第二连接件3-3转动连接，每个第三连杆3-5的另一端分别与同侧的第一连接件3-2的第一连接点转动连接，每个第四连杆3-4的另一端分别与同侧的第一连接件3-2的第二连接点转动连接。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构的区别在于，所述每个压电振子4与底座1之间放置有垫片，通过调节垫片的厚度来调节压电振子4的驱动足4-1与驱动轴5之间与压力的大小，这样可以使驱动足4-1与驱动轴5端面之间的摩擦耦合效率达到最优，更好的向展开机构3传输动能。

工作原理：基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构，采用压电振子实现展开机构的舒张与收缩，具体工作时，通过给压电振子中的压电陶瓷施加合适的激励信号，可以实现驱动足向上、向下、向前、向后的运动；向上运动以后会使得驱动足与驱动轴外表面脱离接触，向下运动则会实现驱动足与驱动轴的紧密接触；在驱动足与驱动轴保持紧密接触的前提下，驱动足向前和向后的运动会带动驱动轴实现前后直线运动；单侧的一个展开机构采用两个压电振子进行驱动，因此，可以通过两个驱动足交替的“压紧—推动—脱离—后退”的动作实现驱动轴的直线致动，最终可以实现展开机构的舒张与收缩。

Claims (6)

1.基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构，其特征在于，它包括底座(1)、两个出轴套筒、两个展开机构(3)、四个压电振子(4)、两个驱动轴(5)和安装座(2)，所述底座(1)的两个相对侧壁的中心处均开有通孔，且所述两个侧壁上的通孔同轴，两个出轴套筒固定在所述两个通孔内，两个展开机构(3)分别固定在所述底座(1)的两个相对侧壁上，四个压电振子(4)的末端均通过安装座(2)固定在底座(1)内部，四个压电振子(4)的首端位于同一条直线上，两个驱动轴(5)的一端分别与两个压电振子(4)通过预紧力紧密连接，另一端穿过出轴套筒分别与两个展开机构(3)连接；

通过四个压电振子(4)步进蠕动模式驱动两个展开机构(3)，从而实现展开机构(3)的舒张与收缩；

具体工作时，通过给压电振子(4)中的压电陶瓷施加激励信号，实现压电振子(4)首端的驱动足向上、向下、向前或向后的运动；向上运动以后会使得压电振子(4)首端的驱动足与驱动轴(5)外表面脱离接触，向下运动则会实现压电振子(4)首端的驱动足与驱动轴(5)的紧密接触；在压电振子(4)首端的驱动足与驱动轴(5)保持紧密接触的前提下，压电振子(4)首端的驱动足向前和向后的运动会带动驱动轴(5)实现前后直线运动。

2.根据权利要求1所述的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构，其特征在于，所述安装座(2)与底座(1)通过螺栓(6)固定连接。

3.根据权利要求1所述的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构，其特征在于，每个压电振子(4)均包括金属基体(4-2)、多个压电陶瓷片(4-3)、变幅杆(4-4)和驱动足(4-1)，所述多个压电陶瓷片(4-3)依次叠加在金属基体(4-2)与变幅杆(4-4)之间，金属基体(4-2)的侧面与安装座(2)固定连接，变幅杆(4-4)为截面逐渐变细的块体，所述变幅杆(4-4)的大端连接压电陶瓷片(4-3)，变幅杆(4-4)的小端设有驱动足(4-1)，驱动足(4-1)的侧面与驱动轴(5)的外表面连接。

4.根据权利要求3所述的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构，其特征在于，所述金属基体(4-2)与压电陶瓷片(4-3)通过粘贴或夹持方式连接。

5.根据权利要求1所述的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构，其特征在于，每个展开机构(3)均包括羊角基座(3-1)、两个第一连接件(3-2)、第二连接件(3-3)、两个第一连杆(3-7)、第二连杆(3-6)、两个第三连杆(3-5)和两个第四连杆(3-4)，所述每个展开机构(3)均为以第二连杆(3-6)为中心轴的轴对称结构，所述羊角基座(3-1)与底座(1)的侧壁固定连接，所述每个第一连杆(3-7)的一端和第二连杆(3-6)的一端均与一个驱动轴(5)转动连接，每个第三连杆(3-5)的一端和每个第四连杆(3-4)的一端均与羊角基座(3-1)转动连接，每个第一连杆(3-7)的另一端分别与同侧的第四连杆(3-4)的中部转动连接，第二连杆(3-6)的另一端与第二连接件(3-3)转动连接，每个第三连杆(3-5)的另一端分别与同侧的第一连接件(3-2)的第一连接点转动连接，每个第四连杆(3-4)的另一端分别与同侧的第一连接件(3-2)的第二连接点转动连接。

6.根据权利要求1所述的基于多压电振子步进蠕动模式驱动的空间展开机构，其特征在于，所述每个压电振子(4)与底座(1)之间放置有垫片。