CN106998157B - 具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器及方法 - Google Patents
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Abstract
具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器及方法，该作动器包括钳位机构和转子；钳位机构分为一体连接且对称的上下两层，每层设置有通过柔性铰链与钳位机构框架连接的钳位块，钳位块开有半圆孔，半圆孔形成圆孔，圆孔两侧并列设置有钳位压电堆，钳位压电堆一端设置有垫片，垫片另一端设置有与钳位块螺纹连接的预紧顶丝；转子分为上下转体并采用过盈配合方式穿过钳位机构的上下层圆孔，其上下转体通过十字形柔性铰链一体连接且各自在与十字形柔性铰链连接的一端一体连接有凸块，十字形柔性铰链两侧采用过盈方式设置有两个驱动压电堆，两个驱动压电堆的一端与上钳位块的凸块接触，其另一端与下钳位块的凸块接触；本发明还提供驱动负载的方法。
Description
技术领域
本发明属于步进式旋转压电作动器技术领域，具体涉及一种具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器及方法。
背景技术
压电作动器在航天、航空、医疗等领域已有很广泛的应用。其中步进式压电旋转作动器是通过累加由压电叠堆在沿圆周切向输出微小步距引起的相应微小转角，实现高转角分辨率及大转角行程的双向旋转运动。但以往步进式压电旋转作动器一方面受限于其松散的结构，使其压电元件所施加的旋转驱动半径偏大从而降低了转速，另一方面又受限于过多的结构零件，导致其结构及装配过程复杂且通常会引入较大的装配误差从而使得作动器作动异常，可靠性不高。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器及方法，作动器结构极为紧凑和简单且关键零件均为一体化设计，同时其转子具有更小的旋转驱动半径，使作动器在固定步进驱动频率及单步驱动位移下具有更高的转速。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器，包括钳位机构1和转子2；所述钳位机构1内开有长方形通槽，从而使钳位机构1形成对称的上层钳位结构和下层钳位结构，钳位机构1的上层钳位结构外围为上外围框架，其内设置有上层第一钳位块7和上层第二钳位块9，上层第一钳位块7通过两边对称设置的柔性铰链与上外围框架一体连接，上层第二钳位块9通过两边对称设置的柔性铰链与上外围框架一体连接，两个钳位块均开有半圆孔，两个半圆孔形成一个上层圆孔，所形成的上层圆孔两侧并列设置有上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4，上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4的一端与上层第一钳位块7接触，其另一端设置有通过柔性铰链与上层第二钳位块9连为一体的上层垫片11，上层垫片11的一端与上钳位压电堆3和上钳位压电堆4接触，其另一端设置有上层预紧顶丝13，上层预紧顶丝13与上层第二钳位块9通过螺纹连接，钳位机构1的上外围框架上与上层预紧顶丝13相应的位置开有通孔，以便从外侧调整上层预紧顶丝13从而给上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4提供所需预紧力，对称地，下层钳位结构中的下层第一钳位块8、下层第二钳位块10及二者形成的下层圆孔、下左钳位压电堆5、下右钳位压电堆6、下层垫片12及下层预紧顶丝14均具有同上层钳位结构完全相同的设置；转子2采用过盈配合方式穿过钳位机构1的上层圆孔和下层圆孔，所述转子2分为上转体15和下转体16，上转体15一端一体连接有驱动负载的输出杆，其另一端圆周位置一体设置有两个凸块，同时其中心位置一体连接有十字形柔性铰链17，十字形柔性铰链17的另一端一体连接有下转体16，下转体16在有十字形柔性铰链17的一端的圆周位置一体设置有两个凸块，十字形柔性铰链17的两侧采用过盈配合方式对称设置有左驱动压电堆18和右驱动压电堆19，左驱动压电堆18的一端与上转体15的凸块接触，其另一端与下转体16的凸块接触，右驱动压电堆19的一端与上转体15的凸块接触，其另一端与下转体16的凸块接触。
所述钳位机构1的上层钳位结构及下层钳位结构具有完全对称的结构且为一体化设计，因此可以采用高精度慢走丝线切割工艺进行一体化加工，从而使其结构更加简单且不会引入装配误差。
所述转子2中上转体15、下转体16及十字柔性铰链17为一体化设计，使其结构更加简单，另外其左驱动压电堆18和右驱动压电堆19所在位置临近旋转驱动中心，从而使驱动压电堆的单步输出位移所能引起的单步转角较大，因此在固定步进驱动频率下能达到更高的转速。
一种具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器驱动负载的方法，所述钳位机构1的上层钳位结构中的上层第一钳位块7和上层第二钳位块9的两边均设计有柔性铰链，当上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4加电伸长时，各柔性铰链产生弹性变形，使得钳位机构1的上层圆孔张开一定距离，此时转子2的上转体15处于解锁状态；当上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4掉电回缩时，钳位机构1的上层圆孔闭合，由于过盈配合使得上层圆孔将转子2的上转体15抱紧，此时处于钳位状态；左驱动压电堆18和右驱动压电堆19加电伸长时，驱动转子2的上转体15相对下转体16顺时针转过一个角度并驱动负载，此时输出正向扭矩，同时连接上转体15和下转体16的十字形柔性铰链17产生扭转弹性变形；当左驱动压电堆18和右驱动压电堆19掉电回缩时，十字形柔性铰链17回弹驱动转子2的上转体15相对下转体16逆时针转过一个角度并驱动负载，此时输出负向扭矩；所述钳位机构1的下层钳位结构的驱动方法同其上层钳位结构的驱动方法。
上述所述的驱动负载的方法，具体为：初始状态为上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4、下左钳位压电堆5和下右钳位压电堆6以及左驱动压电堆18和右驱动压电堆19均处于掉电状态，此时转子2处于钳位状态；为使转子2输出正向扭矩及实现顺时针旋转，第一步，上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4通电伸长使得钳位机构1的上层钳位结构解锁；第二步，左驱动压电堆18和右驱动压电堆19通电伸长驱动转子2的上转体15顺时针转过一个角度，同时转子2中连接上转体15和下转体16的十字形柔性铰链17产生扭转弹性变形；第三步，上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4掉电回缩使得钳位机构1的上层钳位结构钳位；第四步，下左钳位压电堆5和下右钳位压电堆6通电伸长使得钳位机构1的下层钳位结构解锁；第五步，左驱动压电堆18和右驱动压电堆19掉电回缩，转子2中的十字形柔性铰链17的弹性变形恢复，其扭转恢复力带动转子2的下转体16顺时针转动一个角度；第六步，下左钳位压电堆5和下右钳位压电堆6掉电回缩使得钳位机构1的下层钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，转子2以步进方式输出正向扭矩并驱动负载实现连续顺时针旋转运动；为使转子2逆时针旋转及输出负向扭矩，第一步，下左钳位压电堆5和下右钳位压电堆6通电伸长使得钳位机构1的下层钳位解锁；第二步，左驱动压电堆18和右驱动压电堆19通电伸长驱动转子2的下转体16逆时针转过一个角度，同时转子2中连接上转体15和下转体16的十字形柔性铰链17产生扭转弹性变形；第三步，下左钳位压电堆5和下右钳位压电堆6掉电回缩使得钳位机构1的下层钳位结构钳位；第四步，上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4通电伸长使得钳位机构1的上层钳位结构解锁；第五步，左驱动压电堆18和右驱动压电堆19掉电回缩，转子2中的十字形柔性铰链17的弹性变形恢复，其扭转恢复力带动转子2的上转体15并驱动负载逆时针转动一个角度；第六步，上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4掉电回缩使得钳位机构1的上层钳位结构钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，转子2以步进方式输出负向扭矩并驱动负载实现连续逆时针旋转运动。
和现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明结构简单且关键零件均为一体化设计，因此其装配流程相对简单且能保证相对较高的装配精度，从而提高了作动器的作动性能和结构可靠性。
2)本发明的驱动压电堆设置在距旋转中心更近的位置，其相对较小的旋转驱动半径使得驱动压电堆的单步输出位移所引起的单步转角较大，因此在固定步进频率下能以更高的转速驱动转子旋转。
附图说明
图1为本发明具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器结构图。
图2为钳位机构结构图。
图3a为转子结构图。
图3b为图3a的局部放大图。
具体实施方式
下面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3a和图3b所示，本发明具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器，包括钳位机构1和转子2；所述钳位机构1内开有长方形通槽，从而使钳位机构1形成对称的上层钳位结构和下层钳位结构，钳位机构1的上层钳位结构外围为上外围框架，其内设置有上层第一钳位块7和上层第二钳位块9，上层第一钳位块7通过两边对称设置的柔性铰链与上外围框架一体连接，上层第二钳位块9通过两边对称设置的柔性铰链与上外围框架一体连接，两个钳位块均开有半圆孔，两个半圆孔形成一个上层圆孔，所形成的上层圆孔两侧并列设置有上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4，上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4的一端与上层第一钳位块7接触，其另一端设置有通过柔性铰链与上层第二钳位块9连为一体的上层垫片11，上层垫片11的一端与上钳位压电堆3和上钳位压电堆4接触，其另一端设置有上层预紧顶丝13，上层预紧顶丝13与上层第二钳位块9通过螺纹连接，钳位机构1的上外围框架上与上层预紧顶丝13相应的位置开有通孔，以便从外侧调整上层预紧顶丝13从而给上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4提供所需预紧力，对称地，下层钳位结构中的下层第一钳位块8、下层第二钳位块10及二者形成的下层圆孔、下左钳位压电堆5、下右钳位压电堆6、下层垫片12及下层预紧顶丝14均具有同上层钳位结构完全相同的设置；转子2采用过盈配合方式穿过钳位机构1的上层圆孔和下层圆孔，所述转子2分为上转体15和下转体16，上转体15一端一体连接有驱动负载的输出杆，其另一端圆周位置一体设置有两个凸块，同时其中心位置一体连接有十字形柔性铰链17，十字形柔性铰链17的另一端一体连接有下转体16，下转体16在有十字形柔性铰链17的一端的圆周位置一体设置有两个凸块，十字形柔性铰链17的两侧采用过盈配合方式对称设置有左驱动压电堆18和右驱动压电堆19，左驱动压电堆18的一端与上转体15的凸块接触，其另一端与下转体16的凸块接触，右驱动压电堆19的一端与上转体15的凸块接触，其另一端与下转体16的凸块接触。
作为本发明的优选实施方式，所述钳位机构1的上层钳位结构及下层钳位结构具有完全对称的结构且为一体化设计，因此可以采用高精度慢走丝线切割工艺进行一体化加工，从而使其结构更加简单且不会引入装配误差。
作为本发明的优选实施方式，所述转子2中上转体15、下转体16及十字柔性铰链17为一体化设计，使其结构更加简单，另外其左驱动压电堆18和右驱动压电堆19所在位置距离旋转驱动中心较近，从而使驱动压电堆的单步输出位移所能引起的单步转角较大，因此在固定步进驱动频率下能达到更高的转速。
如图1、图2和图3a和图3b所示，一种具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器驱动负载的方法，所述钳位机构1的上层钳位结构中的第一层上钳位块7和上层第二钳位块9的两边均设计有柔性铰链，当上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4加电伸长时，各柔性铰链产生弹性变形，使得钳位机构1的上层圆孔张开一定距离，此时转子2的上转体15处于解锁状态；当上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4掉电回缩时，钳位机构1的上层圆孔闭合，由于过盈配合使得上层圆孔将转子2的上转体15抱紧，此时处于钳位状态；左驱动压电堆18和右驱动压电堆19加电伸长时，驱动转子2的上转体15相对下转体16顺时针转过一个角度并驱动负载，此时输出正向扭矩，同时连接上转体15和下转体16的十字形柔性铰链17产生扭转弹性变形；当左驱动压电堆18和右驱动压电堆19掉电回缩时，十字形柔性铰链17回弹驱动转子2的上转体15相对下转体16逆时针转过一个角度并驱动负载，此时输出负向扭矩；所述钳位机构1的下层钳位结构的驱动方法同其上层钳位结构的驱动方法。
下面对本发明的驱动负载的方法进行详细说明：
初始状态为上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4、下左钳位压电堆5和下右钳位压电堆6以及左驱动压电堆18和右驱动压电堆19均处于掉电状态，此时转子2处于钳位状态；为使转子2输出正向扭矩及实现顺时针旋转，第一步，上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4通电伸长使得钳位机构1的上层钳位结构解锁；第二步，左驱动压电堆18和右驱动压电堆19通电伸长驱动转子2的上转体15顺时针转过一个角度，同时转子2中连接上转体15和下转体16的十字形柔性铰链17产生扭转弹性变形；第三步，上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4掉电回缩使得钳位机构1的上层钳位结构钳位；第四步，下左钳位压电堆5和下右钳位压电堆6通电伸长使得钳位机构1的下层钳位结构解锁；第五步，左驱动压电堆18和右驱动压电堆19掉电回缩，转子2中的十字形柔性铰链17的弹性变形恢复，其扭转恢复力带动转子2的下转体16顺时针转动一个角度；第六步，下左钳位压电堆5和下右钳位压电堆6掉电回缩使得钳位机构1的下层钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，转子2以步进方式输出正向扭矩并驱动负载实现连续顺时针旋转运动；为使转子2逆时针旋转及输出负向扭矩，第一步，下左钳位压电堆5和下右钳位压电堆6通电伸长使得钳位机构1的下层钳位解锁；第二步，左驱动压电堆18和右驱动压电堆19通电伸长驱动转子2的下转体16逆时针转过一个角度，同时转子2中连接上转体15和下转体16的十字形柔性铰链17产生扭转弹性变形；第三步，下左钳位压电堆5和下右钳位压电堆6掉电回缩使得钳位机构1的下层钳位结构钳位；第四步，上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4通电伸长使得钳位机构1的上层钳位结构解锁；第五步，左驱动压电堆18和右驱动压电堆19掉电回缩，转子2中的十字形柔性铰链17的弹性变形恢复，其扭转恢复力带动转子2的上转体15并驱动负载逆时针转动一个角度；第六步，上左钳位压电堆3和上右钳位压电堆4掉电回缩使得钳位机构1的上层钳位结构钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，转子2以步进方式输出负向扭矩并驱动负载实现连续逆时针旋转运动。
Claims (5)
1.具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器，其特征在于：包括钳位机构(1)和转子(2)；所述钳位机构(1)内开有长方形通槽，从而使钳位机构(1)形成对称的上层钳位结构和下层钳位结构，钳位机构(1)的上层钳位结构外围为上外围框架，其内设置有上层第一钳位块(7)和上层第二钳位块(9)，上层第一钳位块(7)和上层第二钳位块(9)分别通过两边对称设置的柔性铰链与上外围框架一体连接，两个钳位块均开有半圆孔，两个半圆孔形成一个上层圆孔，所形成的上层圆孔两侧并列设置有上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)，上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)的一端与上层第一钳位块(7)接触，其另一端设置有通过柔性铰链与上层第二钳位块(9)连为一体的上层垫片(11)，上层垫片(11)的一端与上钳位压电堆(3)和上钳位压电堆(4)接触，其另一端设置有上层预紧顶丝(13)，上层预紧顶丝(13)与上层第二钳位块(9)通过螺纹连接，钳位机构(1)的上外围框架上与上层预紧顶丝(13)相应的位置开有通孔，以便从外侧调整上层预紧顶丝(13)从而给上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)提供所需预紧力，对称地，下层钳位结构中的下层第一钳位块(8)、下层第二钳位块(10)及二者形成的下层圆孔、下左钳位压电堆(5)、下右钳位压电堆(6)、下层垫片(12)及下层预紧顶丝(14)均具有同上层钳位结构完全相同的设置；转子(2)采用过盈配合方式穿过钳位机构(1)的上层圆孔和下层圆孔，所述转子(2)分为上转体(15)和下转体(16)，上转体(15)一端一体连接有驱动负载的输出杆，其另一端圆周位置一体设置有两个凸块，同时其中心位置一体连接有十字形柔性铰链(17)，十字形柔性铰链(17)的另一端一体连接有下转体(16)，下转体(16)在有十字形柔性铰链(17)的一端的圆周位置一体设置有两个凸块，十字形柔性铰链(17)的两侧采用过盈配合方式对称设置有左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)，左驱动压电堆(18)的一端与上转体(15)的凸块接触，其另一端与下转体(16)的凸块接触，右驱动压电堆(19)的一端与上转体(15)的凸块接触，其另一端与下转体(16)的凸块接触。
2.根据权利要求1所述的具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器，其特征在于：所述钳位机构(1)的上层钳位结构及下层钳位结构具有完全对称的结构且为一体化设计，因此能够采用高精度慢走丝线切割工艺进行一体化加工，从而使其结构更加简单且不会引入装配误差。
3.根据权利要求1所述的具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器，其特征在于：所述转子(2)中上转体(15)、下转体(16)及十字柔性铰链(17)为一体化设计，使其结构更加简单，另外其左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)所在位置临近旋转驱动中心，从而使驱动压电堆的单步输出位移所能引起的单步转角较大，因此在固定步进驱动频率下能达到更高的转速。
4.具有简单结构的高转速步进式压电旋转作动器驱动负载的方法，其特征在于：钳位机构(1)的上层钳位结构中的上层第一钳位块(7)和上层第二钳位块(9)的两边均设计有柔性铰链，当上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)加电伸长时，各柔性铰链产生弹性变形，使得钳位机构(1)的上层圆孔张开一定距离，此时转子(2)的上转体(15)处于解锁状态；当上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)掉电回缩时，钳位机构(1)的上层圆孔闭合，由于过盈配合使得上层圆孔将转子(2)的上转体(15)抱紧，此时处于钳位状态；左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)加电伸长时，驱动转子(2)的上转体(15)相对下转体(16)顺时针转过一个角度并驱动负载，此时输出正向扭矩，同时连接上转体(15)和下转体(16)的十字形柔性铰链(17)产生扭转弹性变形；当左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)掉电回缩时，十字形柔性铰链(17)回弹驱动转子(2)的上转体(15)相对下转体(16)逆时针转过一个角度并驱动负载，此时输出负向扭矩；所述钳位机构(1)的下层钳位结构的驱动方法同其上层钳位结构的驱动方法。
5.根据权利要求4所述的驱动负载的方法，其特征在于：具体为：初始状态为上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)、下左钳位压电堆(5)和下右钳位压电堆(6)以及左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)均处于掉电状态，此时转子(2)处于钳位状态；为使转子(2)输出正向扭矩及实现顺时针旋转，第一步，上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)通电伸长使得钳位机构(1)的上层钳位结构解锁；第二步，左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)通电伸长驱动转子(2)的上转体(15)顺时针转过一个角度，同时转子(2)中连接上转体(15)和下转体(16)的十字形柔性铰链(17)产生扭转弹性变形；第三步，上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)掉电回缩使得钳位机构(1)的上层钳位结构钳位；第四步，下左钳位压电堆(5)和下右钳位压电堆(6)通电伸长使得钳位机构(1)的下层钳位结构解锁；第五步，左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)掉电回缩，转子(2)中的十字形柔性铰链(17)的弹性变形恢复，其扭转恢复力带动转子(2)的下转体(16)顺时针转动一个角度；第六步，下左钳位压电堆(5)和下右钳位压电堆(6)掉电回缩使得钳位机构(1)的下层钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，转子(2)以步进方式输出正向扭矩并驱动负载实现连续顺时针旋转运动；为使转子(2)逆时针旋转及输出负向扭矩，第一步，下左钳位压电堆(5)和下右钳位压电堆(6)通电伸长使得钳位机构(1)的下层钳位解锁；第二步，左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)通电伸长驱动转子(2)的下转体(16)逆时针转过一个角度，同时转子(2)中连接上转体(15)和下转体(16)的十字形柔性铰链(17)产生扭转弹性变形；第三步，下左钳位压电堆(5)和下右钳位压电堆(6)掉电回缩使得钳位机构(1)的下层钳位结构钳位；第四步，上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)通电伸长使得钳位机构(1)的上层钳位结构解锁；第五步，左驱动压电堆(18)和右驱动压电堆(19)掉电回缩，转子(2)中的十字形柔性铰链(17)的弹性变形恢复，其扭转恢复力带动转子(2)的上转体(15)并驱动负载逆时针转动一个角度；第六步，上左钳位压电堆(3)和上右钳位压电堆(4)掉电回缩使得钳位机构(1)的上层钳位结构钳位，恢复到初始状态；重复步骤一到六，转子(2)以步进方式输出负向扭矩并驱动负载实现连续逆时针旋转运动。
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Patent Citations (4)
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