CN1058307A - 压电回转连接系统 - Google Patents

Abstract

一种重量轻效率高结构紧凑的压电回转连接系 统，用于连接空间站模块之类的结构。该系统包括安 装在第一结构上的压电模块，它啮合并转动安装在第 二结构上的一个环。致动器通过非滑动的平稳步进 运动定位和转动该环，嵌入环和致动器拖拉表面的电 导体在结构间传递电流和电信号。没有普通的滚动 轴承，而使回转连接件的连接和分离容易。

Description

本发明涉及到压电装置，特别涉入到用压电执行体提供连接结构间相对转动的回转连接系统。

为象空间站模块这样的大型结构和连接结构提供回转连接的可转动连接系统，在接触元件上给予严格要求。对于普通的滚动轴承连接件（提供相对转动的机构）通常考虑的独立辅助系统依靠电缆、带、链和齿轮。这些机构是结构复杂的并且具有如质量大，滑动摩擦，分离困难和通过转动连接件的电信号传递困难等缺点。此外，尽管使用了为真空环境配制的干润滑剂，由于滚动元件受到高接触压力而最终会损坏。磨损的轴承导致运行中必须被抑制的不稳定和有损结构的振动现象。甚至最小的结构振动也会使一些滚动元件脱落，产生机件撞击。机件撞击加速磨损和引起在结构周围的高频噪声。常规的回转连接系统也遇到一个称为游隙的问题。游隙一般包括的现象，如齿轮啮合间隙，轴承净空间隙，弹性弯曲，机械塑性及不同心度等都成为回转连接器不能达到需要的位置，转矩或角速度的原因之一。同样的大直径轴承环的变形导致磨损增加并需要比要求转矩更高的转矩。需要确保轴承定位的较大整体结构常常导致产生难以接受的重量负担、特别是在空间站。此外，在空间普通钢的轴承环和轻金属或复合材料的轴承支撑结构之间的不同的热膨胀成为难以对付的问题，特别是在轴承座直接暴露在阳光下而轴承部分被遮敞时。

在工作中，一个回转连接系统不需要很多能量去保持一定的角速度，但它必需有足够的转矩以按要求增加或减少连接结构的角速度并克服由于机构老化而增加的摩擦力。具有滑环和其它转换装置的电磁电机可以被用来驱动该系统，但是在许多情况下电机效率较低并且需要消除余热。电机的电刷在环形滑环上的滑动产生摩擦热，热粘连，电噪声及不断的磨损产生游隙等都是降低系统效率的因素。因此，这就需要有一个改进的用于大型结构的回转连接系统。它是较简单的，重量轻的，有效的，容易连接和拆卸并减少游隙，并且能够通过转动连接传递许多电信号。

由本发明的一种方面，提供了一个回转连接系统，包括一个安装在第一结构上的圆形环。一个安装在第二结构上的压电致动器。致动器相联结用于啮合环的装置，以此在第一和第二结构之间形成一个可转动连接。

由本发明的另一种方面，提供了一个压电回转连接系统，包括：一个安装在第一结构上的一个圆形环;在第二结构上至少安装两对的压电致动器对;每个致动器有一个拖拉表面，并且每个相对的致动器有相对的拖拉表面，其间设有啮合局部圆形环的间隔;在至少一个致动器上装有检测在间隔中环的定位的部件;通过致动器的拖拉表面产生的步进运动定位和转动圆形环的部件;及环和拖拉表面具有在第一和第二结构中间传递电信号的导电部件。

因为压电致动器用直流电工作不必润滑和降温而具有较高的效率和性能，所以它具有在极端环境下和远距离使用的优点，产生压电“平稳步进”的压电致动器和电驱动系统的详细说明见1989年8月16日申请的第891056122号和1990年8月15日申请的第90106979.5号中国专利申请，它们这里被结合起来考虑。

本发明的回转连接系统可以从一个结构向另一个传递电能和回转运动。该系统更进一步地包括安装在第一结构上的环和安装在第二结构上用于接收和啮合第一结构上的环的许多相对的压电致动器对。环可以有一个可绕转动中心轴转的圈边。每一个压电致动器分别具有径向、切向和轴向运动的“开降件”“切向件”和“轴向件”部分及具有“拖拉件”的拖拉表面。当第一和第二结构被连接，第一结构的相对的致动器对在第二结构的环上形成钳形夹持。相对的致动器对的拖拉件可以夹住环的内外表面，而不用轴承。无间隙和相对拖拉件的充分接触很好地提供一个较高的机械刚性以使环非常精确的定位。平稳步进的致动器运动被用于定位和转动环由此使第一结构相对于第二结构转动和定位。由于有足够的结构刚性，相对的拖拉件的平稳步进运动可以基本上从回转连接件上消除游隙。

为了更全面地了解本发明及其其它优点，下面结合附图对一个较好的实施例进行说明。在这几个图中相同的数字标示着相同或类似的部件。其中：

图1是本发明的压电回转连接器的一个透视图;

图2是本发明的相对的压电致动器对的一个透视图;

图3是图2中压电致动器的局部透视图;及

图4是本发明的连接环的一个局部透视/剖视图。

参见图1，本发明的一个压电回转连接器总体由数字2标示。回转连接器2把一个第一结构8与一个第二结构10连接起来。连接器2使得电信号和动力从一个结构传递到另一结构上并使一个结构相对另一结构转动。如结构8和10可具有几个可转动空间站模块。回转连接件2具有一个刚性地连接于结构8的圆形环6和一些连接于结构10的压电致动模块4。致动模块4设计及安装适于接收并啮合圆环6以形或回转连接器2。

图2显示一个啮合局部环6的一个致动模块4。致动模块4具有安装在机座12上的两对相对的压电致动器14，被称为致动件A、B、C和D、在壳体12上可以安装一个环位置检测器，如传感器32和探测器34。每一个压电致动器14包括一个称作“拖拉件”的牵引部分18，一个称作“切向件”的切向作用压电部分20，一个称作“轴向件”的轴向作用压电部分22和一个称作“开降件”的径向作用压电部分24。每个压电部位可以具有一个把作用在其上的电压转变或在上述三个正交的方向之一上的机械运动的压电晶体，为了使图面清晰，在图中省略了电驱动系统和每个晶体的连接电路。由于致动器14的各部分在与拖拉件18相对的另一端被叠层粘接在机座12上，拖拉件18的运动方向是压电部件20，22和24的运动的矢量和。致动器对如寻A和C及对B和D被以相对的关系安装在机座12上，在相对的拖拉件18间有接收环6的间隔或隘缝。当一个预定二电压施加于所有四个升降件24以打开隘缝时，在拖拉件18之间的隘缝恰好能通过环6的厚度。由电驱动系统（图中未显示）产生的其它预定电压能够被施加到致动器14上，参见1990年3月5日申请的同样未审定的第488，548号申请中所述的那样通过拖拉件18的平稳步进移动并置位环6。例如致动器对A-C能移被一起操纵以夹紧并定位环6，同时执行件B-D完全提升并返回到它们在环6上方的位置以装备下一周期的接合和定位。

图3是图2中致动模块4的上致动件A和B的一个更详细的视图。拖拉件18的表面部分可以具有镶入的导电体，如导体26和28，它们分别与导线36和38相联，致动件A和B的表面分别以44A和44B标示。在需要导电拖拉件体18的情况，电绝缘垫片40可以被用来为导体26和28绝缘。象导体26和28一样的导体对通过旁路导线36与一个连接于结构10的电元件的公共导线42相连接，如图4所示环6的内、外环表面上镶有环形电导体16，它们对应于致动器，14的导体26和28。关于环6的的环形导体的电连接方式（图中未示出）可以象普通滑环技术中已知的那样加在环6的边上。图4是环6的一个局部横剖视5图，它显示了在环6的要求使用导体的情况下，用垫片46绝缘导体16。致动器在环6的置位和步进的全部过程中，不是拖拉表面44A和导体28就是拖拉表面44B和导体26完全不滑动地与环6和导体16接触。

当所有执行机构的升降机构24通过分离相对的致动器的拖拉件18打开致动模块4的隘缝时，在回转连接器2的连接过程中，结构8根据外力的引导进入结构10上的位置。当环6被致动模块4局部啮合时，致动器14开始步进运动以啮合并定位环6。一个控制器（图中未示出）用来自检测器32和34的信号控制致动器14的步进，以使环6正确置位。当升降件24和切向件20绕环6的中心轴在环6上平稳步进时，轴向件22使环导体16与对应的拖拉件18上的导体26和28对齐并保持它。

几乎环形连接器2的应用都要求一个结构相对于另一结构以恒角速度转动。在转动过程中轴向件22保持各个电导体对齐。以保证在相应的电路中电动力及信号被传送。回转连接器2使电信号和电源的通路具有较低的电器噪声和阻力。致动器14的平稳步进的牵引力避免了滑动摩擦。致动器14提供的牵引力是通过在一个较大的牵引面上施加适当的压力产生的，如致动件A的表面44A与相对的致动件C的拖拉件18的相应表面。不滑动的结合垂直于牵引表面的压力导致轻微的电触点阻力。这样使电器噪声相对降低。拖拉通常是具有一个用于拖拉的压力，它大于电触点接触良好所需的压力。

在致动器步进过程中，一对相对的致动器14在送它的环置位碰撞时一起作用以台钳式的夹具夹住环6。致动器夹紧保持在回程致动器对隘缝中的环6对正，避免回程摩擦。虽然在图1中说明了三个致动模块4，在某些情况下两个模块可能足够了，而在需要高转矩的情况下可能要求大量的致动模块。

要求回转连接环6大到难以制造或送入空间的结构必需使用分段环。分段环6上的环形导体16可以用现有技术中已知的方式相互间电连接或并连。数个致动模块4的使用减少了沿环段6通过的电流路程。多个致动模块4也为有相对严格精度要求的应用提供了一预定量的余度。

本发明的压电回转连接器2以较低的速度提供了较大的转矩;在电流输送中具有低电噪声和可忽略的余热;在反复拆开连接器，重新啮合，转动和置位时的滑动摩擦可以忽略，连接器2在真空中工作没有轴承控制机械转动并有效地衰减了结构振动。由于重量轻且装置小巧产生的热可忽略不计，当固定一个空间站时压电致动器的使用使得电的和机构的效率较高。此外，压电致动器也能被用来提供附属结构受力情况的反馈信号。以防止绕曲或损坏。

虽然本发明在这里只是以一个特殊实施例说明，但是各种变更和改进是可由本领域普通技术人员所想到的。因此象在从属权利要求中的变更和改进一样它们被包含在本发明的范围内。

Claims (12)

1、一种回转连接系统包括：

一个安装在一个第一结构上的圆形环；

一个安装在一个第二结构上的压电致动器；及

与所述致动器相连接的用干啮合所述环以在所述第一和第二结构间形或一个可转动连接的部件。

2、如权利要求1的回转连接系统，进一步包括至少两对相对的压电致动器，每对相对的致动器具有相对的致动器拖拉表面，其间设有用于啮合所述圆形环的一部分的间隔。

3、如权利要求2的回转连接系统，进一步包括通过所述致动器的所述拖拉表面产生步进运动的部件，以置位和转动圆形环，所述相对拖拉表面对运动的同时以钳式形式夹住所述环的部分。

4、如权利要求3的回转连接系统，进一步包括连接在至少一个所述致动器上用于检测在所述间隔内的所述环位置的部件。

5、如权利要求3的回转连接系统，进一步包括连接于所述环和所述拖拉件表面用于在第一和第二结构间传递电信号的导电部件。

6、一个压电回转连接系统，包括：

一个安装在一个第一结构上的圆形环;

至少两个安装在一个第二结构上的相对的压电致动器对;

每个所述致动器具有一个拖拉表面，并且每个相对的具有相对拖拉表面的致动器对设有一个用于啮合部分所述圆形环的间隔;

连接在至少一个所述致动器上用于检测在所述间隔中所述环的位置的部件;

用于通过所述致动器的拖拉表面产生步进运动以定位和转动所述圆形环的部件;及

所述环和所述拖拉表面具有用于在第一和第二结构间传递电信号的导电部件。

7、如权利要求6的回转连接系统，进一步包括许多安装在所述第二结构上的压电模块，每个所述的模块包括至少两个相对压电模块的对。

8、如权利要求7的回转连接系统，其中用于产生步进的所述部件包括有用于移动所述相对的拖拉表面对同时以钳形的方式夹持所述环的部件。

9、如权利要求8的回转连接系统，进一步包括在所述圆形环的啮合和脱离过程中分离所述相对的拖拉表面，以打开间隔的部件。

10、一个以可转动方式连接第一和第二结构的压电回转连接系统，包括：

一个安装在第一结构上的圆形环;

许多安装在第二结构上的压电模块，每个模块包括至少两个相对的压电致动器对;

每个相对的致动器对具有相对的致动器拖拉表面，其间设有一个间隔用于啮合部分圆形环;

连接在至少一个所述模块上用于检测在所述间隔中所述环位置的部件;

用于通过所述致动器的所述拖拉表面产生步进运动以定位和转动圆形环的部件，所述相对的拖拉表面移动同时以钳形方式夹持所述环的局部;及

所述环和所述拖拉表面具有用于在第一和第二结构间传递电信号的导电部件。

11、如权利要求10的回转连接系统，进一步包括在所述圆形环啮合和脱离过程中分离所述相对的拖拉表面，以打开所述间隔的部件。

12、如权利要求11的回转连接系统，其中所述执行机构具有提供显示所述环的应力的反馈信号，以防止变形和损坏所述结构。

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