CN105301761A - 基于粗压电纤维复合材料的二维偏转装置及其偏转方法 - Google Patents

基于粗压电纤维复合材料的二维偏转装置及其偏转方法 Download PDF

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Abstract

一种基于粗压电纤维复合材料的二维偏转装置及偏转方法，该装置包括在XOZ面内，X轴方向的第一驱动机构和第三驱动机构；在YOZ面内，Y轴方向的第二驱动机构和第四驱动机构；每个驱动机构由类似柔性铰链的不规则梁和粘贴在梁上下曲面的粗压电纤维复合材料组成；当XOZ或YOZ面内的两个驱动机构上相反位置的粗压电纤维复合材料输入大小相等的驱动电压，在粗压电纤维复合材料逆压电效应下伸长或收缩，从而带动所粘贴的不规则梁产生方向相反的弯曲，从而梁的末端通过柔性铰链带动中心的偏转体绕中心轴线偏转；此外，本发明具有双轴独立驱动、体积小、重量轻、功耗低、发热少、精度高等特点。

Description

基于粗压电纤维复合材料的二维偏转装置及其偏转方法
技术领域
本发明属于光束控制技术领域，具体涉及一种基于粗压电纤维复合材料的二维偏转装置及其偏转方法。
背景技术
随着微电子技术、生物工程、航天工程等学科的迅速发展，二维快速偏转反射镜在军用目标扫描探测、跟踪、瞄准以及天文望远镜、图像稳定，航天器精确指向以及激光通信方面得到了广泛应用，并发挥着日益重要的作用。
以音圈电机为作动元件的偏转装置，往往具有体积大。工作时有电磁泄漏，且角度保持时功耗大、发热严重。
压电作动器具有尺寸小、重量轻、功耗低、输出力大、发热小的特点，但是在尺寸要求小且输出位移大的条件下压电堆的使用受到限制。粗压电纤维复合材料(MacroFiberComposite，MFC)具有柔性、耐久性，输出精度高。粗压电纤维复合材料为扁平类似薄膜状，且形状定制方便，可粘贴在对象表面作为作动元件，在正负电压下可以输出双向位移。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于粗压电纤维复合材料的二维偏转装置及其偏转方法，该装置具有尺寸小、厚度低、重量轻的的特点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于粗压电纤维复合材料的二维偏转装置，包括位于X偏转轴并关于Y偏转轴对称的第一驱动机构A和第三驱动机构C，位于Y偏转轴并关于X偏转轴对称的第二驱动机构B和第四驱动机构D；所述X偏转轴和Y偏转轴垂直并位于同一平面内；所述第一驱动机构A为L形直角结构，位于XOZ面内，包括第一不规则梁2及第一粗压电纤维复合材料3和第二粗压电纤维复合材料4；所述第一不规则梁2沿X轴方向的上下表面为圆弧面，形成一个大的柔性铰链，第一不规则梁2沿X轴方向的一端通过柔性铰链与中间偏转台8相连，沿Z轴方向的一端固定在底座1上，所述第二粗压电纤维复合材料4和第一粗压电纤维复合材料3分别粘贴在不规则梁2的上下表面圆弧面上；所述第一驱动机构A、第二驱动机构B、第三驱动机构C和第四驱动机构D的结构及尺寸相同，均通过柔性铰链与中间偏转台8相连，按顺时针分布，相邻两者间差90°，形成一个“十”字结构；在位于“十”字交叉点处的中间偏转台8上安装不同尺寸的反射镜。
所述的基于粗压电纤维复合材料的二维快速偏转装置的偏转方法，对于第一驱动机构A，当第一粗压电纤维复合材料3接正向驱动电压，第二粗压电纤维复合材料4接负向驱动电压，第一粗压电纤维复合材料3在逆压电效应作用下伸长，第二粗压电纤维复合材料4收缩，从而施加+Y方向弯矩于所在第一不规则梁2，使不规则梁向+Z方向弯曲；当第二粗压电纤维复合材料4接正向驱动电压，第一粗压电纤维复合材料3接负向驱动电压时，第一粗压电纤维复合材料3在逆压电效应作用下收缩，第二粗压电纤维复合材料4伸长，从而施加-Y方向弯矩于所在第一不规则梁2，此时第一不规则梁2向-Z方向弯曲；因此，每一个不规则梁上的上下两片粗压电纤维复合材料共同作用实现不规则梁的大范围弯曲；当位于X轴的第一驱动机构A和第三驱动机构C在驱动信号下，一对不规则梁实现相反方向的弯曲时，不规则梁通过柔性铰链带动中间偏转台8实现绕Y轴的偏转；同理，当位于Y轴的第二驱动机构B和第四驱动机构D在驱动信号作用下使梁实现相反方向弯曲时，梁通过柔性铰链带动中间偏转台8实现绕X轴的偏转；当位于X轴和Y轴的两对驱动机构同时工作时实现二维偏转。
与现有技术相比较，本发明具有如下优点：
1)、结构紧凑，尺寸小，重量轻，适合对高度和重量有要求的应用场合。
2)、双轴正交，独立驱动，连接部分无摩擦可实现较高的控制精度。
3)、不规则梁设计可减小梁弯曲刚度，在粗压电纤维复合材料作用下可实现较大偏转角度。
附图说明
图1为本发明装置沿X轴中心剖视图。
图2为本发明装置正视图。
图3为本发明装置装配图。
图4为X轴或Y轴偏转简图。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，本发明一种基于粗压电纤维复合材料的二维偏转装置，包括位于X偏转轴并关于Y偏转轴对称的第一驱动机构A和第三驱动机构C，位于Y偏转轴并关于X偏转轴对称的第二驱动机构B和第四驱动机构D，所述X偏转轴和Y偏转轴垂直并位于同一平面内。如图1和图2所示，所述第一驱动机构A包括第一不规则梁2及第一粗压电纤维复合材料3和第二粗压电纤维复合材料4，所述第一不规则梁2沿X轴方向的上下表面为圆弧面，形成一个大的柔性铰链，第一不规则梁2沿X轴方向的一端通过柔性铰链与中间偏转台8相连，沿Z轴方向的一端固定在底座1上，所述第二粗压电纤维复合材料4和第一粗压电纤维复合材料3分别粘贴在不规则梁2的上下表面圆弧面上。所述第一驱动机构A、第二驱动机构B、第三驱动机构C和第四驱动机构D的结构及尺寸相同，均通过柔性铰链与中间偏转台8相连，按顺时针分布，相邻两者间差90°，形成一个“十”字结构；在位于“十”字交叉点处的中间偏转台8上安装不同尺寸的反射镜。
所述第二驱动机构B包括第二不规则梁5及第三粗压电纤维复合材料6和第四粗压电纤维复合材料7，所述第二不规则梁5沿X轴方向的上下表面为圆弧面，形成一个大的柔性铰链，第二不规则梁5沿X轴方向的一端通过柔性铰链与中间偏转台8相连，沿Z轴方向的一端固定在底座1上，所述第四粗压电纤维复合材料7和第三粗压电纤维复合材料6分别粘贴在第二不规则梁5的上下表面圆弧面上。
所述第三驱动机构C包括第三不规则梁10及第五粗压电纤维复合材料11和第六粗压电纤维复合材料9，所述第三不规则梁10沿X轴方向的上下表面为圆弧面，形成一个大的柔性铰链，第三不规则梁10沿X轴方向的一端通过柔性铰链与中间偏转台8相连，沿Z轴方向的一端固定在底座1上，所述第六粗压电纤维复合材料9和第五粗压电纤维复合材料11分别粘贴在三不规则梁10的上下表面圆弧面上。
所述第四驱动机构D包括第四不规则梁13及第七粗压电纤维复合材料14和第八粗压电纤维复合材料12，所述第四不规则梁13沿X轴方向的上下表面为圆弧面，形成一个大的柔性铰链，第四不规则梁13沿X轴方向的一端通过柔性铰链与中间偏转台8相连，沿Z轴方向的一端固定在底座1上，所述第八粗压电纤维复合材料12和第七粗压电纤维复合材料14分别粘贴在第四不规则梁13的上下表面圆弧面上。
本发明基于粗压电纤维复合材料的二维偏转装置的偏转方法，对于第一位移驱动机构，当第一粗压电纤维复合材料3接正向驱动电压，第二粗压电纤维复合材料4接负向驱动电压时，第一粗压电纤维复合材料3在逆压电效应作用下沿其长度方向伸长，第二粗压电纤维复合材料4沿其长度方向收缩时会对粘接在一起的梁产生方向相同沿+Y方向弯矩，通过变截面的设计，可以降低梁的弯曲刚度，产生较大弯曲变形，此时梁靠近柔性铰链一端向+Z方向弯曲。当第二粗压电纤维复合材料4接正向驱动电压，第一粗压电纤维复合材料3接负向驱动电压，在逆压电相应作用下，第二粗压电纤维复合材料4沿长度方向伸长，第一粗压电纤维复合材料3沿长度方向收缩时，对粘接在一起的不规则梁产生方向相同沿-Y方向的弯矩，实现不规则梁沿-Z方向的弯曲。由于四个驱动机构结构尺寸相同，绕中间偏转台8中心90°圆周阵列分布。四个不规则梁的终端通过柔性铰链与中间偏转台8相连接，呈“十字”状。当位于X轴的第一驱动机构A和第三驱动机构C在驱动信号作用下，实现相反方向的弯曲时，不规则梁通过柔性铰链带动中间偏转台8可实现绕Y轴的偏转。同理，当位于Y轴的第二驱动机构B和第四驱动机构D在驱动信号作用下使不规则梁实现相反方向弯曲时，不规则梁通过柔性铰链带动中间偏转台8实现绕X轴的偏转。当位于X轴和Y轴的两对驱动机构同时机构同时工作时可实现二维偏转。
近似计算方法：
如图4所示，若偏转台长为l，不规则梁的输出挠度为w，偏转角近似计算为：θ≈arctan(2·w/l)。

Claims (2)

1.一种基于粗压电纤维复合材料的二维偏转装置，其特征在于：包括位于X偏转轴并关于Y偏转轴对称的第一驱动机构(A)和第三驱动机构(C)，位于Y偏转轴并关于X偏转轴对称的第二驱动机构(B)和第四驱动机构(D)；所述X偏转轴和Y偏转轴垂直并位于同一平面内；所述第一驱动机构(A)为L形直角结构，位于XOZ面内，包括第一不规则梁(2)及第一粗压电纤维复合材料(3)和第二粗压电纤维复合材料(4)；所述第一不规则梁(2)沿X轴方向的上下表面为圆弧面，形成一个大的柔性铰链，第一不规则梁(2)沿X轴方向的一端通过柔性铰链与中间偏转台(8)相连，沿Z轴方向的一端固定在底座(1)上，所述第二粗压电纤维复合材料(4)和第一粗压电纤维复合材料(3)分别粘贴在不规则梁(2)的上下表面圆弧面上；所述第一驱动机构(A)、第二驱动机构(B)、第三驱动机构(C)和第四驱动机构(D)的结构及尺寸相同，均通过柔性铰链与中间偏转台(8)相连，按顺时针分布，相邻两者间差90°，形成一个“十”字结构；在位于“十”字交叉点处的中间偏转台(8)上安装不同尺寸的反射镜。
2.权利要求1所述的基于粗压电纤维复合材料的二维快速偏转装置的偏转方法，其特征在于：对于第一驱动机构(A)，当第一粗压电纤维复合材料(3)接正向驱动电压，第二粗压电纤维复合材料(4)接负向驱动电压时，第一粗压电纤维复合材料(3)在逆压电效应作用下伸长，第二粗压电纤维复合材料(4)在逆压电效应下收缩，从而施加+Y方向弯矩于所在第一不规则梁(2)，从而不规则梁产生+Z方向弯曲；当第二粗压电纤维复合材料(4)接正向驱动电压，第一粗压电纤维复合材料(3)接负向驱动电压时，施加-Y方向弯矩于第一不规则梁(2)，从而第一不规则梁(2)产生-Z方向的弯曲；当位于X轴的第一驱动机构(A)和第三驱动机构(C)在驱动信号下，实现相反方向的弯曲时，不规则梁通过柔性铰链带动中间偏转台(8)实现绕Y轴的偏转；同理，当位于Y轴的第二驱动机构(B)和第四驱动机构(D)在驱动信号作用下使梁实现相反方向弯曲时，梁通过柔性铰链带动中间偏转台(8)实现绕X轴的偏转；当位于X轴和Y轴的两对驱动机构同时工作时实现二维偏转。
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