CN105429507A - 基于平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器及作动方法 - Google Patents

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马国亮
徐明龙
武彤晖
周媛
高博
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    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
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Abstract

基于平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器及作动方法，该作动器由外壳、平面二级位移放大机构、压电堆和扭转轮组成；平面二级位移放大机构放置在外壳内，压电堆放置在平面二级位移放大机构内，扭转轮安装在外壳上，扭转轮中心孔套在平面二级位移放大机构外部菱形环中间轴上；对压电堆通电，压电堆伸长，外部菱形环短轴方向变长，柔性铰链旋转变形，外部菱形环中间轴旋转驱动扭转轮转动一个角度，以此实现输出角位移和扭矩的功能；本发明作动器，具有抗电磁干扰，结构简单，功耗小，转角大，体积小，重量轻的特点。

Description

基于平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器及作动方法
技术领域
本发明涉及作动器技术领域，具体涉及基于平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器及作动方法。
背景技术
基于逆压电效应制作的压电作动器具有分辨率高、输出力大、响应快、功耗小、结构轻等优点。随着材料制备、加工工艺的进步，新型压电作动器可以满足不同的技术要求。因此，压电材料类作动器在机械、船舶、汽车、土木、航空航天等诸多领域有应用最广泛的智能驱动器件之一。
由于压电材料输出位移为微位移，要实现角位移作动，一般采用多个压电堆步进式作动，电机驱动或者设计传动结构，实现扭转作动。若要求输出输出角位移和扭矩，同时具有抗电磁干扰、结构简单，非步进，功耗小，转角大，体积小，重量轻等功能时，传统压电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平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器，具有抗电磁干扰、结构轻巧，功耗小，转角大等特点，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：
基于平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器，包括外壳1，平面二级位移放大机构2的两端放置在外壳1内侧面的凹槽内；所述平面二级位移放大机构2包括内部菱形环5，放置在内部菱形环5长轴间的压电堆3；布置在内部菱形环5外并与内部菱形环5垂直的外部菱形环6，所述外部菱形环6的长轴与内部菱形环5的短轴同轴；外壳1表面中心孔上安装扭转轮4，扭转轮4内侧中心孔套在平面二级位移放大机构2的外部菱形环6的中间轴上，外部菱形环6的中间轴与外部菱形环6短轴间采用柔性铰链连接。
所述平面二级位移放大机构2一级位移放大n倍，二级放大n2倍。
所述平面二级位移放大机构2内部菱形环5和外部菱形环6各边之间为柔性铰链连接。
所述平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器的作动方法，开始作动时，对压电堆3通电，压电堆3伸长，内部菱形环5长轴变长，短轴变短，外部菱形环6长轴变短，短轴变长；外部菱形环6短轴间的柔性铰链旋转变形，外部菱形环6中间轴转动一个角度，驱动扭转轮4转动相同角度，以此实现输出角位移和扭矩的功能。
本发明和现有技术相比，具有如下优点：
1)相比于电机驱动，平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器具有抗电磁干扰、结构简单，功耗小等独特优势。
2)相比于压电步进式驱动，平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器具有非步进，转角大，体积小，重量轻等独特优势。
3)由于压电材料输出位移很小，且输出分辨率高，通过平面二级位移放大机构2能够实现位移平方倍的放大输出。
4)由于压电材料优良的频率响应特性，要求停止作动，进行位置保持时，驱动电压保持，压电堆3保持伸长，扭转轮4保持扭矩输出。因此，该作动器可在输出范围内的任意位置保持锁止。
总之，本发明能够避免传统压电作动器角位移小、电磁类作动器易受电磁干扰等等缺点，具有结构轻巧，角位移大，抗电磁干扰等优点。
附图说明
图1为本发明结构立体剖视图。
图2为本发明立体图。
图3为本发明平面二级位移放大机构立体图。
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、图2和图3所示，本发明基于平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器，包括外壳1，外壳1凹槽内放置平面二级位移放大机构2；所述平面二级位移放大机构2包括内部菱形环5，放置在内部菱形环5长轴间的压电堆3；布置在内部菱形环5外并与内部菱形环5垂直的外部菱形环6，所述外部菱形环6的长轴与内部菱形环5的短轴同轴；外壳1外表面中心孔上安装扭转轮4，扭转轮4内侧中心孔套在平面二级位移放大机构2的外部菱形环6中间轴上；作动器整体呈长方体结构，扭转轮4位于外壳1外部。
作为本发明的优选实施方式，在有尺寸要求和重量限制时，外壳1，平面二级位移放大机构2，采用刚度较大的轻质材料，并用力学分析优化结构参数，减小尺寸和重量。
作为本发明的优选实施方式，压电堆3选择变形量大的压电材料，在相同电压驱动下，角位移大。
作为本发明的优选实施方式，外壳1采用钣金件焊接而成。
作为本发明的优选实施方式，平面二级位移放大机构2内部菱形环5和外部菱形环6各边之间为柔性铰链连接。
本发明基于平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器的作动方法，开始作动时，对压电堆3通电，压电堆3伸长，内部菱形环5长轴变长，短轴变短，与内部菱形环5短轴连接的外部菱形环6长轴变短，短轴变长；外部菱形环6短轴间的柔性铰链因短轴变长拉伸而旋转变形，外部菱形环6中间轴转动一个角度，驱动扭转轮4转动相同角度；若要求停止作动，进行位置保持时，驱动电压保持，压电堆3保持伸长，扭转轮4保持扭矩输出，在输出范围内的任意位置可以保持锁止；以此实现输出角位移和扭矩的功能。

Claims (4)

1.基于平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器，其特征在于：包括外壳(1)，平面二级位移放大机构(2)的两端放置在外壳(1)内侧面的凹槽内；所述平面二级位移放大机构(2)包括内部菱形环(5)，放置在内部菱形环(5)长轴间的压电堆(3)；布置在内部菱形环(5)外并与内部菱形环(5)垂直的外部菱形环(6)，所述外部菱形环(6)的长轴与内部菱形环(5)的短轴同轴；外壳(1)外表面中心孔上安装扭转轮(4)，扭转轮(4)内侧中心孔套在平面二级位移放大机构(2)的外部菱形环(6)的中间轴上，外部菱形环(6)的中间轴与外部菱形环(6)短轴间采用柔性铰链连接。
2.根据权利要求1所述的平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器，特征在于：平面二级位移放大机构(2)一级位移放大n倍，二级放大n2倍。
3.根据权利要求1所述平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器，其特征在于：平面二级位移放大机构(2)内部菱形环(5)和外部菱形环(6)各边之间为柔性铰链连接。
4.权利要求1所述平面二级位移放大机构的压电扭矩作动器的作动方法，其特征在于：开始作动时，对压电堆(3)通电，压电堆(3)伸长，内部菱形环(5)长轴变长，短轴变短，外部菱形环(6)长轴变短，短轴变长；外部菱形环(6)短轴间的柔性铰链旋转变形，外部菱形环(6)中间轴转动一个角度，驱动扭转轮(4)转动相同角度，以此实现输出角位移和扭矩的功能。
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