CN105406757A - 基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器及作动方法 - Google Patents

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Abstract

基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器及作动方法，该作动器由压电粗纤维、弧形板、销钉，滑块、连杆、飞轮、导轨、螺钉和外部框架组成；压电粗纤维粘贴于弧形板上，弧形板两端通过销钉分别与滑块和导轨连接；滑块两端位于导轨内，中部轴与连杆一端连接，连杆另一端与飞轮轴连接；飞轮安装在外部框架上；采用螺钉将导轨固定在外部框架内；滑块-连杆-飞轮构成对心曲柄滑块机构；对压电粗纤维有序地通、断电，压电粗纤维和弧形板一起弯曲、恢复，使滑块往复运动，拉动连杆并驱动飞轮转动；以此实现输出旋转运动和扭矩；本发明作动器，具有抗电磁干扰，持续转动，柔软耐用，体积小，重量轻的特点。

Description

基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器及作动方法
技术领域
本发明涉及作动器技术领域，具体涉及基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器及作动方法。
背景技术
压电粗纤维复合材料-MFC(Macrofibercomposite)是一种新型的压电陶瓷材料，相比于传统的压电陶瓷，MFC更柔软、耐用、可靠和易于表面粘贴，能够产生大的变形，且质量轻、厚度薄，对结构的质量和刚度几乎没有影响。其独特的电极和压电纤维布置使得其拥有更高的压电系数和机电耦合系数，可以产生更大的作动力。因此，MFC类作动器在机械、船舶、汽车、土木、航空航天等诸多领域有广阔的应用前景。
由于传统压电材料输出位移为微位移，实现旋转作动，一般采用多个压电堆步进式作动，或电磁驱动转动，且结构复杂、笨重。若要求输出旋转运动和扭矩，同时具有抗电磁干扰，持续转动，柔软耐用，体积小，重量轻等功能时，传统压电或电磁类作动器等难以满足上述所有条件。
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基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器及作动方法，具有抗电磁干扰、持续作动、结构轻巧等特点，实现输出旋转运动和扭矩的功能。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器，包括外部框架1，通过螺钉9固定在外部框架1内上下端的导轨2，设置在导轨2间并两端放置于导轨凹槽内的滑块3，两个弧形板4凹面相对放置，其一端通过销钉8与导轨2连接，另一端通过销钉8与滑块3连接，两个弧形板4上分别粘贴有压电粗纤维5；所述滑块3中部轴与连杆6一端连接；所述连杆6另一端与飞轮7的偏心轴连接；所述飞轮7安装在外部框架1外部两侧；所述滑块3-连杆6-飞轮7构成对心曲柄滑块机构。
所述飞轮7的轴心未与飞轮7中心重合，两者之间有预设距离，即就是曲柄滑块机构曲柄的长度。
所述弧形板4初始形状为圆弧状薄板，表面采用粘贴剂7649促进剂和326结构胶粘贴有压电粗纤维5。
所述外部框架1为薄板结构。
所述的压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器的作动方法，开始作动时，压电粗纤维5处于弯曲工作模式，给两个压电粗纤维5同时通电，压电粗纤维5和弧形板4一起弯曲，拉动滑块3在导轨2内移动；滑块3中部轴拉动连杆6一起运动，作用于飞轮7的偏心轴，推动飞轮转动输出扭矩；对压电粗纤维5有序地通、断电，压电粗纤维5和弧形板4一起弯曲、恢复，使滑块3往复运动，驱动飞轮7持续转动；以此实现输出旋转运动和扭矩。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)相比于传统压电作动器，压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器采用压电粗纤维5实现伸长率103ppm级作动，弧形板4为变形量大的材料，在压电粗纤维5弯曲工作模式时，有更大的位移变形。
2)相比于电磁旋转作动器，压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器在采用压电粗纤维5，具有抗电磁干扰的功能。
3)相比于一般旋转作动器，压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器在采用曲柄滑块机构持续输出旋转运动和扭矩。
4)作动器的弧形板4初始形状为圆弧状薄板，外部框架1也为薄板结构，减轻结构重量。
5)作动器的压电粗纤维5粘贴时，采用7649促进剂和326结构胶，粘贴效果好。
总之，本发明能够避免传统压电作动器位移小、电磁类作动器易受电磁干扰等等缺点，具有抗电磁干扰、持续作动、结构轻巧等优点。
附图说明
图1为本发明结构立体剖视图。
图2为本发明侧视图。
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。
如图1和图2所示，本发明基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器，包括两个压电粗纤维5，所述压电粗纤维5为P1型的MFC，利用d33效应作动，极化方向沿压电陶瓷纤维，工作在伸缩状态下，当施加的最大电压-500V到1500V时，伸长率能达到1800ppm；两个弧形板4上分别粘贴一个压电粗纤维5，弧形板4一端通过销钉8与导轨2连接，另一端通过销钉8与滑块3连接；所述滑块3两端放置于两个导轨2凹槽内，滑块3中部轴与连杆6一端连接；所述连杆6另一端与飞轮7的偏心轴连接；所述飞轮7安装在外部框架1外部两侧；采用螺钉9将导轨2固定在外部框架1内；所述滑块3中部轴心与飞轮轴心在一条直线上，滑块3-连杆6-飞轮7构成对心曲柄滑块机构。
作为本发明的优选实施方式，在有尺寸要求和重量限制时，弧形板4选择变形量大的材料；外部框架1、导轨2、滑块3、连杆6和飞轮7均采用刚度大的轻质材料，并通过力学分析，优化结构尺寸。
作为本发明的优选实施方式，外部框架1采用钣金件焊接而成。
本发明基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器的作动方法，开始作动时，压电粗纤维5处于弯曲工作模式，给两个压电粗纤维5同时通相同电压，两个压电粗纤维5和两个弧形板4一起弯曲，通过销钉8拉动滑块3在导轨2内移动一小段距离；滑块3中部轴拉动连杆6一起做平面运动，同时，连杆6作用于飞轮7的偏心轴形成力矩，推动飞轮转动输出旋转运动和扭矩；对压电粗纤维5有序地通、断电，压电粗纤维5和弧形板4一起弯曲、恢复，使滑块3往复运动，驱动飞轮7持续转动；若要扭矩保持，则对两个压电粗纤维5施加一定电压，两个压电粗纤维5和两个弧形板4一起弯曲到一定程度，滑块3移动到某位置，连杆6约束飞轮7保持在某位置，则扭矩保持；以此实现输出旋转运动和扭矩。

Claims (5)

1.基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器，其特征在于：包括外部框架(1)，通过螺钉(9)固定在外部框架(1)内上下端的导轨(2)，设置在导轨(2)间并两端放置于导轨凹槽内的滑块(3)，两个弧形板(4)凹面相对放置，其一端通过销钉(8)与导轨(2)连接，另一端通过销钉(8)与滑块(3)连接，两个弧形板(4)上分别粘贴有压电粗纤维(5)；所述滑块(3)中部轴与连杆(6)一端连接；所述连杆(6)另一端与飞轮(7)的偏心轴连接；所述飞轮(7)安装在外部框架(1)外部两侧；所述滑块(3)-连杆(6)-飞轮(7)构成对心曲柄滑块机构。
2.根据权利要求1所述基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器，其特征在于：所述飞轮(7)的轴心未与飞轮(7)中心重合，两者之间有预设距离，即就是曲柄滑块机构曲柄的长度。
3.根据权利要求1所述基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器，其特征在于：所述弧形板(4)初始形状为圆弧状薄板，表面采用粘贴剂7649促进剂和326结构胶粘贴有压电粗纤维(5)。
4.根据权利要求1所述基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器，其特征在于：所述外部框架(1)为薄板结构。
5.权利要求1所述基于压电粗纤维和曲柄滑块机构的旋转作动器的作动方法，其特征在于：开始作动时，压电粗纤维(5)处于弯曲工作模式，给两个压电粗纤维(5)同时通电，压电粗纤维(5)和弧形板(4)一起弯曲，拉动滑块(3)在导轨(2)内移动；滑块(3)中部轴拉动连杆(6)一起运动，作用于飞轮(7)的偏心轴，推动飞轮转动输出扭矩；对压电粗纤维(5)有序地通、断电，压电粗纤维(5)和弧形板(4)一起弯曲、恢复，使滑块(3)往复运动，驱动飞轮(7)持续转动；以此实现输出旋转运动和扭矩。
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