CN106655880B - 基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机及控制方法 - Google Patents
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Abstract
基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机及控制方法，该舵机包括底座，角度调节机构，十字梁双稳态装置以及与十字梁双稳态装置相连接的舵片；角度调节机构包括弹性元件、调节螺钉以及楔面相互接触的滑动楔块和固定楔块；十字梁双稳态装置通过固定块安装于底座上方，主要包括十字连接的水平梁和纵梁，十字梁双稳态装置因受角度调节机构的预压力而产生双稳态，双稳态间的转换可由压电堆的通断电进行控制，舵片随运动的水平梁可实现姿态调整；本发明在高频驱动条件下，能够快速响应并双向驱动舵片，具有变形稳定，大行程，低能耗，响应迅速，动作准确可靠和抗干扰能力强的优势；能够断电后位置保持并实现双向大角度控制。
Description
技术领域
本发明属于舵机技术领域，具体涉及一种基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机及控制方法。
背景技术
近年来随着航空航天领域的迅速发展，人们对舵机的性能要求越来越高，舵机逐渐向着结构紧凑、体积小，质量轻的方向发展。采用液压、气动驱动的舵机控制机构往往存在结构复杂、质量及体积大等缺点。而传统电动舵机则需要加减速装置，设备复杂，质量大。
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一种基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机及控制方法，在高频驱动条件下，能够快速响应并双向驱动舵片，具有变形稳定，大行程，低能耗，响应迅速，动作准确可靠和抗干扰能力强的优势；能够断电后位置保持并实现双向大角度控制。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机，包括底座1、角度调节机构5、十字梁双稳态装置6以及与十字梁双稳态装置6相连接的舵片12；角度调节机构5包括弹性元件2、调节螺钉3以及楔面相互接触的滑动楔块4-1和固定楔块4-2，其中弹性元件2通过前端凹槽与底座1固接，弹性元件2前后两端内壁分别与滑动楔块4-1和固定于底座1上的固定楔块4-2垂直面紧密接触，调节螺钉3穿过滑动楔块4-1并通过螺纹连接于底座1；十字梁双稳态装置6纵向两端分别通过第一固定块7-1和第二固定块7-2安装于底座上方，其中第一固定块7-1纵向过盈内嵌于弹性元件2后端凹槽并通过固定螺钉14与底座1固接；十字梁双稳态装置6主要由十字连接的纵梁8和水平梁9组成，纵梁8由第一柔性梁8-1、第二柔性梁8-2、第一刚性梁8-3以及第三柔性梁8-4依次构成，水平梁9位于第一柔性梁8-1和第二柔性梁8-2之间，由结构和尺寸相同的第一水平刚性梁9-1和第二水平刚性梁9-2构成，第一水平刚性梁9-1和第二水平刚性梁9-2的外端两侧分别固定有第一压电堆11-1和第二压电堆11-2，第一压电堆11-1和第二压电堆11-2另一侧分别固接有第一惯性块10-1和第二惯性块10-2；舵片12连接在水平梁9上部；舵机装配完成后，角度调节机构5对十字梁双稳态装置6施加纵向预压力，纵梁8中的柔性梁受压变形并导致水平梁9绕十字中心顺时针或逆时针旋转预设角度，即形成双稳态，该双稳态间的转换由第一压电堆11-1和第二压电堆11-2的通断电进行控制，由此随水平梁9运动的舵片12实现姿态调整。
所述第一柔性梁8-1、第二柔性梁8-2、第三柔性梁8-4和弹性元件2均属于柔性部件，其截面尺寸远小于轴向尺寸，当受到外力时会产生较大变形；所述第一刚性梁8-3、第一水平刚性梁9-1和第二水平刚性梁9-2的截面尺寸与轴向尺寸在同一数量级，刚度大且能抵御外力。
所述角度调节机构5中的滑动楔块4-1夹紧于弹性元件2前端内壁和固定楔块4-2的楔面之间，当向下旋转调节螺钉3预设距离时，其螺帽带动滑动楔块4-1沿楔面向下运动，滑动楔块4-1和固定楔块4-2增加的纵向尺寸导致弹性元件2前后两端内壁相互远离，使得嵌于弹性元件2后端凹槽的第一固定块7-1受到纵向挤压并施以十字梁双稳态装置6预设预压力，该预压力导致纵梁8中的第一柔性梁8-1，第二柔性梁8-2以及第三柔性梁8-4弹性变形，该变形对应于水平梁9绕十字中心产生的旋转角度相同而方向相反的两个稳定状态，由此实现通过调节螺钉3改变双稳态状态即舵机角度的功能。
所述基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机的控制方法，首先，安装时，通过调节螺钉3对十字梁双稳态装置6施加预压力，水平梁9绕十字中心逆时针旋转预设角度达到第一稳态；为使水平梁9顺时针旋转从第一稳态转换至第二稳态，对第二压电堆11-2快速升至满行程电压，第二压电堆11-2快速伸长带动第二惯性块10-2产生惯性力，使得第一水平刚性梁9-1端部和第二水平刚性梁9-2端部形成顺时针力偶，该力偶导致水平梁9顺时针转动并经过平衡状态后转换至第二稳态，转换完成后对第二压电堆11-2缓慢断电，此时第二惯性块10-2产生的惯性力未达到稳态转换的临界值，第二稳态在断电情况下得到保持；同理，为使水平梁9逆时针旋转从第二稳态转换至第一稳态，对第一压电堆11-1快速升至满行程电压，第一压电堆11-1快速伸长带动第一惯性块10-1产生惯性力，使得第一水平刚性梁9-1端部和第二水平刚性梁9-2端部形成逆时针力偶，该力偶导致水平梁9逆时针转动并经过平衡状态后转换至第一稳态，转换完成后对第一压电堆11-1缓慢断电，此时第一惯性块10-1产生的惯性力未达到稳态转换的临界值，第一稳态在断电情况下得到保持；如此便可实现舵机的双向大角度控制。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明含有刚性梁与柔性梁结合形成的混合梁，该混合梁受压产生双稳态且不需要施加外界能力即可保持当前状态，因此该舵机可以控制舵片12输出方向相反两个偏转角。且本发明在控制舵片12偏转时只需要在切换两个偏转角时通电，而在舵片12保持目前状态持续输出偏转角时无需通电。不但实现了断电后位置保持，而且具有能耗低的特点。
2)本发明可通过调节螺钉改变舵面偏角，方法简单可靠，能够实时满足舵机需求，具有应用性强的优点。
3)本发明只采用一个十字梁双稳态装置来形成舵片12控制机构，机构简单，便于实现小体积轻量化设计，为小型飞行器节省了宝贵的内部空间。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明去舵片俯视图。
图3为本发明去弹性元件左视图。
图4为本发明十字梁双稳态装置第一稳态示意图。
图5为本发明十字梁双稳态装置第二稳态示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2和图3所示，本发明基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机，包括底座1、角度调节机构5、十字梁双稳态装置6以及与十字梁双稳态装置6相连接的舵片12；角度调节机构5包括弹性元件2、调节螺钉3以及楔面相互接触的滑动楔块4-1和固定楔块4-2，其中弹性元件2通过前端凹槽与底座1固接，弹性元件2前后两端内壁分别与滑动楔块4-1和固定于底座1上的固定楔块4-2垂直面紧密接触，调节螺钉3穿过滑动楔块4-1并通过螺纹连接于底座1；十字梁双稳态装置6纵向两端分别通过第一固定块7-1和第二固定块7-2安装于底座上方，其中第一固定块7-1纵向过盈内嵌于弹性元件2后端凹槽并通过固定螺钉14与底座1固接；十字梁双稳态装置6主要由十字连接的纵梁8和水平梁9组成，纵梁8由第一柔性梁8-1、第二柔性梁8-2、第一刚性梁8-3以及第三柔性梁8-4依次构成，水平梁9位于第一柔性梁8-1和第二柔性梁8-2之间，由结构和尺寸相同的第一水平刚性梁9-1和第二水平刚性梁9-2构成，第一水平刚性梁9-1和第二水平刚性梁9-2的外端两侧分别固定有第一压电堆11-1和第二压电堆11-2，第一压电堆11-1和第二压电堆11-2另一侧分别固接有第一惯性块10-1和第二惯性块10-2；舵片12连接在水平梁9上部；舵机装配完成后，角度调节机构5对十字梁双稳态装置6施加纵向预压力，纵梁8中的柔性梁受压变形并导致水平梁9绕十字中心顺时针或逆时针旋转预设角度，即形成双稳态，该双稳态间的转换由第一压电堆11-1和第二压电堆11-2的通断电进行控制，由此随水平梁9运动的舵片12实现姿态调整。
作为本发明的优选实施方式，所述第一柔性梁8-1、第二柔性梁8-2、第三柔性梁8-4和弹性元件2均属于柔性部件，其截面尺寸远小于轴向尺寸，当受到外力时会产生较大变形；所述第一刚性梁8-3、第一水平刚性梁9-1和第二水平刚性梁9-2的截面尺寸与轴向尺寸在同一数量级，刚度较大且能抵御一定外力。
作为本发明的优选实施方式，所述角度调节机构5中的滑动楔块4-1夹紧于弹性元件2前端内壁和固定楔块4-2楔面之间，当向下旋转调节螺钉3预设距离时，其螺帽带动滑动楔块4-1沿楔面向下运动，滑动楔块4-1和固定楔块4-2增加的纵向尺寸导致弹性元件2前后两端内壁相互远离，使得嵌于弹性元件2后端凹槽的第一固定块7-1受到挤压并施以十字梁双稳态装置6预设预压力，该预压力导致纵梁8中的第一柔性梁8-1，第二柔性梁8-2以及第三柔性梁8-4弹性变形，该变形对应于水平梁9绕十字中心产生的旋转角度相同而方向相反的两个稳定状态，由此实现通过调节螺钉3改变双稳态状态即舵机角度的功能。
如图4和图5所示，基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机的控制方法，其特征在于：首先，安装时，通过调节螺钉3对十字梁双稳态装置6施加预压力，水平梁9绕十字中心逆时针旋转预设角度达到第一稳态；为使水平梁9顺时针旋转从第一稳态转换至第二稳态，对第二压电堆11-2快速升至满行程电压，第二压电堆11-2快速伸长带动第二惯性块10-2产生惯性力，使得第一水平刚性梁9-1端部和第二水平刚性梁9-2端部形成顺时针力偶，该力偶导致水平梁9顺时针转动并经过平衡状态后转换至第二稳态，转换完成后对第二压电堆11-2缓慢断电，此时第二惯性块10-2产生的惯性力未达到稳态转换的临界值，第二稳态在断电情况下得到保持；同理，为使水平梁9逆时针旋转从第二稳态转换至第一稳态，对第一压电堆11-1快速升至满行程电压，第一压电堆11-1快速伸长带动第一惯性块10-1产生惯性力，使得第一水平刚性梁9-1端部和第二水平刚性梁9-2端部形成逆时针力偶，该力偶导致水平梁9逆时针转动并经过平衡状态后转换至第一稳态，转换完成后对第一压电堆11-1缓慢断电，此时第一惯性块10-1产生的惯性力未达到稳态转换的临界值，第一稳态在断电情况下得到保持；如此便可实现舵机的双向大角度控制。
Claims (4)
1.一种基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机，其特征在于：该舵机包括底座(1)、角度调节机构(5)、十字梁双稳态装置(6)以及与十字梁双稳态装置(6)相连接的舵片(12)；角度调节机构(5)包括弹性元件(2)、调节螺钉(3)以及楔面相互接触的滑动楔块(4-1)和固定楔块(4-2)，其中弹性元件(2)通过前端凹槽与底座(1)固接，弹性元件(2)前后两端内壁分别与滑动楔块(4-1)和固定于底座(1)上的固定楔块(4-2)垂直面紧密接触，调节螺钉(3)穿过滑动楔块(4-1)并通过螺纹连接于底座(1)；十字梁双稳态装置(6)纵向两端分别通过第一固定块(7-1)和第二固定块(7-2)安装于底座上方，其中第一固定块(7-1)纵向过盈内嵌于弹性元件(2)后端凹槽，第二固定块(7-2)固定于底座上方；十字梁双稳态装置(6)主要由十字连接的纵梁(8)和水平梁(9)组成，纵梁(8)由第一柔性梁(8-1)、第二柔性梁(8-2)、第一刚性梁(8-3)以及第三柔性梁(8-4)依次构成，水平梁(9)位于第一柔性梁(8-1)和第二柔性梁(8-2)之间，由结构和尺寸相同的第一水平刚性梁(9-1)和第二水平刚性梁(9-2)构成，第一水平刚性梁(9-1)和第二水平刚性梁(9-2)的外端两侧分别固定有第一压电堆(11-1)和第二压电堆(11-2)，第一压电堆(11-1)和第二压电堆(11-2)另一侧分别固接有第一惯性块(10-1)和第二惯性块(10-2)；舵片(12)连接在水平梁(9)上部；舵机装配完成后，角度调节机构(5)对十字梁双稳态装置(6)施加纵向预压力，纵梁(8)中的柔性梁受压变形并导致水平梁(9)绕十字中心顺时针或逆时针旋转预设角度，即形成双稳态，该双稳态间的转换由第一压电堆(11-1)和第二压电堆(11-2)的通断电进行控制，由此随水平梁(9)运动的舵片(12)实现姿态调整；最后为保证舵机的平稳运行，将固定螺钉(14)穿过第一固定块(7-1)的通孔并旋入底座(1)中，以固定调整后的第一固定块(7-1)位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机，其特征在于：所述第一柔性梁(8-1)、第二柔性梁(8-2)、第三柔性梁(8-4)和弹性元件(2)均属于柔性部件，其截面尺寸远小于轴向尺寸，当受到外力时会产生较大变形；所述第一刚性梁(8-3)、第一水平刚性梁(9-1)和第二水平刚性梁(9-2)的截面尺寸与轴向尺寸在同一数量级，刚度大且能抵御外力。
3.根据权利要求1所述的一种基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机，其特征在于：所述角度调节机构(5)中的滑动楔块(4-1)夹紧于弹性元件(2)前端内壁和固定楔块(4-2)的楔面之间，当向下旋转调节螺钉(3)预设距离时，其螺帽带动滑动楔块(4-1)沿楔面向下运动，滑动楔块(4-1)和固定楔块(4-2)增加的纵向尺寸导致弹性元件(2)前后两端内壁相互远离，使得嵌于弹性元件(2)后端凹槽的第一固定块(7-1)受到纵向挤压并施以十字梁双稳态装置(6)预设预压力，该预压力导致纵梁(8)中的第一柔性梁(8-1)，第二柔性梁(8-2)以及第三柔性梁(8-4)弹性变形，该变形对应于水平梁(9)绕十字中心产生的旋转角度相同而方向相反的两个稳定状态，由此实现通过调节螺钉(3)改变双稳态状态即舵机角度的功能。
4.权利要求1所述基于十字梁双稳态装置的角度可调节压电舵机的控制方法，其特征在于：首先，安装时，通过调节螺钉(3)对十字梁双稳态装置(6)施加预压力，水平梁(9)绕十字中心逆时针旋转预设角度达到第一稳态；为使水平梁(9)顺时针旋转从第一稳态转换至第二稳态，对第二压电堆(11-2)快速升至满行程电压，第二压电堆(11-2)快速伸长带动第二惯性块(10-2)产生惯性力，使得第一水平刚性梁(9-1)端部和第二水平刚性梁(9-2)端部形成顺时针力偶，该力偶导致水平梁(9)顺时针转动并经过平衡状态后转换至第二稳态，转换完成后对第二压电堆(11-2)缓慢断电，此时第二惯性块(10-2)产生的惯性力未达到稳态转换的临界值，第二稳态在断电情况下得到保持；同理，为使水平梁(9)逆时针旋转从第二稳态转换至第一稳态，对第一压电堆(11-1)快速升至满行程电压，第一压电堆(11-1)快速伸长带动第一惯性块(10-1)产生惯性力，使得第一水平刚性梁(9-1)端部和第二水平刚性梁(9-2)端部形成逆时针力偶，该力偶导致水平梁(9)逆时针转动并经过平衡状态后转换至第一稳态，转换完成后对第一压电堆(11-1)缓慢断电，此时第一惯性块(10-1)产生的惯性力未达到稳态转换的临界值，第一稳态在断电情况下得到保持；如此便可实现舵机的双向大角度控制。
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